Кремний, полученный с использованием геттерирования расплава

Кремний, полученный с использованием" геттерирования расплава .

В бездефектной техн ологии изготовления ИС для уменьшения влияния термодефектов используются ме­ тоды пассивного геттерирования примесей в пластинах. К таким методам относятся "внешнее геттсрирование" - нанесение внешних покрытий (поликремния, Si-, N^, переходных металлов) или механических по­ вреждений на нерабочую сторону кремниевой пластины и "внутреннее геттерирование" — намеренное обе спече­ние путем термообработок выделений второй фазы Si0,, на которых адсорбируются микродефекты, при­меси тяжелых и щелочных металлов. Однако в резуль­тате таких воздействий на пластины ухудшаются меха­нические свойства, что особенно заметно на подложках диаметром 100 и более миллиметров.

Процесс образования геттерирующей зоны проис­ходит в несколько стадий, при этом самая высокая температура термообработки (ТО) не превышает lOOO^C, в то время как многоступенчатая технология изготовления ИС включает более высокотемпературные операции, например диффузию, эпитаксию. Известно, что при температурах выше 1000° С кислород из выделе­ний вновь переходит в состояние твердого раствора, и при последующих термоциклах (430-500 и 600-800^ 0 опять появляются доноры, разрушаются комплексы примесей и микродефектов, что, в свою очередь, приво­дит к нарушению термостабильности, снижению выхода годных, увеличению отказов.

Активное воздействие на дефекты и примеси пред­полагает ле гирование монокристаллов в процессе их выращивания добавками, оказывающими влияние на свойства, состав расплава и твердого тела. При этом легирующий компонент должен удовлетворять следую­щим требованиям:

— коэффициент распределения, значительно отли­чающийся от единицы;

— эффективное изменение коэффициента распреде­ления удаляемых примесей;

— отсутствие вредного влияния атомов "геттера" на свойства полупроводника.

Использование в качестве геттера водорода, пред­ложенное Декоком, не нашло применения в промыш­ленности, так как водород в процессе отжига удаляется из кристалла, вновь освобождая кислород и оставляя после себя напряженные участки кристаллической ре­шетки.

Добавление в кремний изоморфных примесей (Ge, Pb, Sn) сказывается лишь на кинетике образования термодоноров, при этом сохраняется зависимость их поведения от температуры.

Легирование металлами, изобарный потенциал реак­ции окисления которых больше, чем изобарный потен­циал окисления кремния при температуре его плавления, дает возможность связывать кислород и порождаемые им термодефекты. Для этой цели могут быть выбраны примеси, образующие с кислородом более химически и термически стойкие оксиды, чем Si0^, которыек тому же электронейтральны в кремнии. Та­кими примесями являются щелочноземельные металлы(Mg, Са, Sr, Ва), электрически нейтральные вследствие образования с кремнием полупроводнико­вых соединений с ковалентной связью [1,2], и пере­ходные металлы IV группы(Ti, Zr, Hf), не йтральные по причине сходства строения электронных оболочек их атомов с атомами кремния и также образующие стехиометрические фазы с кремнием. Экспериментальные дан­ные показывают, что при добавлении этих металлов в расплав кислород связывается в жидком кремнии в прочные комплексы, содержащие атомы кремния и кислорода, коэффи циент распреде ления которых гораздо меньше, чем у кислорода, который не связан в компле ксы. В результате введения примесей - геттеров содержание кислорода в выращенных методом Чохральского монокристаллах может быть снижено до 2- 10^ 7 смЗ .

Характер распределения Ti, Zr и Hf в монокристал­лах вдоль оси роста аналогичен наблюдавшемуся ране е для щелочноземельных металлов в германии и кремнии, а также для примеси хрома в арсениде галл ия. Методами химико-спектрального и активационного анализов, методом радиоактивных индикаторов (для циркония и гафния) показано, чт о в начальной части формируется концентрационный профиль со снижением концентра­ции, затем переходная область, за которой следуе т об­ласть нарастания концентрации вплоть до выпадения второй фазы. Распределение примесей-геттеров, а также уровень их конце нтрации в твердой фаз е свиде тельству­ет о том, что их взаимодействие с кислородом происхо­дит в расплаве с последующим ра спределением атомов металла, связанного и не связанного с кислородом, с различными коэффициентами сегрегации. Более высо­кая концентрация примеси в начале слитка по сравне­нию со средней его частью противоречит диаграммам состояния кремний- титан (цирконий, гафний), имею­щ им эвте ктический пе реход, соответственно которому элементы IV группы должны иметь коэффициент рас­пределения меньше единицы. Отсутствие зависимости характера распределения от условий - перемешивания расплава подтверждает данные о взаимодействии приме­сей с кислородом. Следствием такого взаимодействия является различное поведение растворенного металла при кристаллизации кремния. Образуя комплексы, со­ответствующие соединениям с высокой те мпературой плавления и прочными химическими связями, примесь ме таллаIV -B может иметь коэффицие нт распределения больше единицы. Коэффициенты распределения титана, циркония и гафния, не связанных с кислородом, меньше единицы, и эти металлы оттесняются в конечную часть слитка. Снижение содержания кислорода в монокри­сталлах, выращенных методом Чохральского с добав­кой геттера, по ср