Управление распределением кислорода по длине монокристаллов кремния большого диаметра, выращиваемых методом Чохральского

ЭЛЕКТРОНИКА

УДК 546.28

УПРАВЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ КИСЛОРОДА ПО ДЛИНЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА, ВЫРАЩИВАЕМЫХ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО

ОКСАНИЧА.П., ПРИТЧИН С.Э._________________

Исследуется возможность управления распределением кислорода по длине монокристалла кремния большого диаметра, выращиваемого методом Чохральско-го с применением автоматизированной системы управления АСУ “Кремень”. Показывается возможность получения монокристаллов кремния большого диаметра с равномерным распределением кислорода по длине монокристала.

1. Введение

Монокристаллы кремния для микроэлектроники и приборостроения в основном получают методом Чохральского, хотя при выращивании монокристаллов из кварцевого тигля кремний насыщается кислородом и другими примесями. Преимущества метода Чохральского обусловлены возможностью увеличения диаметра монокристаллов, достижением повышенных требований к их структурному совершенству. Реализация потенциальных резервов, заложенных в методе, позволяет ужесточить требования по однородности электрофизических параметров: распределению примесей и микродефектов в объеме кристалла, времени жизни неосновных носителей заряда, нормированному содер -жанию кислорода, созданию бездефектных приповерхностных зон и пр.

Кислород в кремнии является основной примесью, определяющей поведение термодоноров, термостабильность времени жизни носителей заряда, образование микродефектов [1,2]. Он оказывает как положительное, так и отрицательное воздействие на качество монокристаллов кремния. Его положительная роль состоит в повышении прочностных характеристик монокристаллов и возможности инициирования геттерирующих эффектов. В то же время кислород ухудшает стабильность электрофизических свойств кремния, способствуя дефектообразованию при распаде пересыщенного твердого раствора кислорода с возникновением донорных и акцепторных центров и соответствующих им уровней в запрещенной зоне кремния.

Влияние кислорода на электрофизические свойства выращиваемых монокристаллов кремния усу-

губляется при увеличении их диаметра и длины, что обусловлено возрастанием вклада в эти свойства термодонорного эффекта [3].

Выращивая монокристаллы кремния с заданным и равномерно распределенным по длине содержанием кислорода, можно прогнозировать процессы дефектообразования в пластинах кремния во время технологических отжигов при производстве полупроводниковых приборов и добиваться отсутствия разброса удельного сопротивления по длине монокристалла.

2. Механизмы внедрения и распределения кислорода

Как показано в [4], основным источником, “поставляющим” кислород в монокристалл кремния, является кварцевый тигель. В кварцевый тигель загружается шихта, представляющая собой поликристаллический кремний, которая затем расплавляется нагревателем, и в дальнейшем из полученного расплава, имеющего температуру 1420 оС выращивается методом вытягивания монокристаллический слиток кремния. Тигель с расплавом вращается вокруг своей оси и растворенный кислород, образующийся в результате растворения стенок тигля, переносится конвенционными потоками в расплав. Одновременно с этим процессом происходит испарение кислорода “зеркалом” расплава и внедрение его в растущий кристалл. Скорость внедрения кислорода определяется его концентрацией в расплаве, коэффициентом сегрегации и скоростью роста массы монокристалла.

Для того чтобы управлять свойствами полупроводникового кремния во время технологических термообработок, необходимо при выращивании монокристалла контролировать процесс внедрения в него примеси кислорода. Схематически процесс движения кислорода в расплаве и движения монокристалла с тиглем при выращивании монокристаллов кремния по методу Чохральского показан на рис 1.

Для описания процесса внедрения примеси в растущий кристалл вводят параметр-коэффициент распределения (или коэффициент сегрегации К0, который определяется как отношение концентрации примеси в твердой фазе ([О] тв) к концентрации ее в жидкой фазе ([О]ж), т.е. Ко = [О]та /[О]ж). Следовательно, концентрация примеси, захваченной растущим кристаллом [О]ж , зависит от количества примеси в расплаве, из которого растет кристалл, [О] ж и величины коэффициента сегрегации К0.

У большинства примесей К0 < 1, т. е. при затвердевании примесь “оттесняется” в жидкую фазу, что приводит к обогащению расплава этой примесью. При медленной кристаллизации оттесняемая примесь успевает диффундировать в объем. Однако при относительно быстрой кристаллизации, как это обычно имеет место при выращивании кристаллов кремния, атомы примеси накапливаются в расплаве вблизи фронта кристаллизации быстрее, чем они могут диффундировать в объём расплава.

34

РИ, 2003, № 2

В расплаве в области, примыкающей к растущему кристаллу, возникает градиент концентрации примеси. Следовательно, количество внедряемой в кристалл примеси определяется обогащенной областью расплава. Поэтому, наряду с равновесным коэффициентом сегрегации Ко, необходимо вводить эффективный коэффициент сегрегации (Кфф), определив его как отношение Кэфф=[0]тв/[0]ж*, где [0]ж* — концентрация примеси в расплаве вблизи фронта кристаллизации.

Vt

I

I тжж<ж<

ЖШё:т

1

2

3

Рис. 1. Схематическое изображение движения кислорода в расплаве и движения монокристалла с тиглем: 1 — монокристалл; 2 — нагреватель; 3 — тигель; Vt — направление перемещения тигля; Vz — направление перемещения монокристалла; Wt — направление вращения тигля; Wz— направление вращения монокристалла; a — растворение тигля; b — поверхностное испарение; с — тепловая конвенция; d — принудительная конвенция; Отв — концентрация кислорода в монокристалле; Ож — концентрация кислорода в расплаве; Ож* — концентрация кислорода вблизи фронта кристаллизации

Возле поверхности кристаллизации имеет место непрерывный процесс обмена между расплавом и твердой фазой. Если скорость кристаллизации равна нулю, то процесс обмена достигает равновесия. Но при конечной скорости роста реакция обмена смещается в направлении обогащения примесью твердой фазы. Следовательно, увеличение эффективного коэффициента сегрегации (Кэфф) с повышением скорости роста может быть вызвано влиянием двух факторов: а — изменением в переносе примесей в расплаве; б—изменением процесса обмена, действующего у поверхности раздела твердой и жидкой фаз.

В соответствии с теорией [5], выражение для эффективного коэффициента сегрегации Кэфф в установившемся состоянии запишется следующим образом:

Kэфф - [0]тв/[0]ж - Ко/

К0 + (! - Ко)ехр( - f —

D

,

где К0 — равновесный коэффициент распределения; 5 — толщина приграничного диффузионного слоя, т.е. толщина прилегающей к фронту кристаллизации области расплава, обогащенной примесью;

f — микроскопическая скорость роста кристалла; D — коэффициент диффузии примеси в расплаве.

Мгновенную микроскопическую скорость роста можно оценить по формуле:

f = V

где а = 2tcRAT / Gt ; ДТ—изменение температуры в какой-либо точке фронта кристаллизации за время одного оборота кристалла; GT—градиент температуры расплава в области, примыкающей к фронту кристаллизации; V—скорость выращивания кристалла; R — скорость вращения кристалла.

3. Способ управления неравномерностью распределения кислорода

Основными технологическими факторами, определяющими распределение кислорода в монокристалле кремния в процессе его роста, являются: скорость вращения тигля, скорость вращения монокристалла, температура расплава, скорость выращивания (1). Кроме того, на распределение кислорода влияет давление в камере выращивания, создаваемое аргоном. Из всех перечисленных выше параметров регулируемыми являются скорость вращения тигля, температура расплава и скорость выращивания.

В работах [6,7] проведено моделирование процесса выращивания для определения параметров процесса управления концентрацией кислорода в монокристаллах кремния. Установлено, что существенное влияние на характер массопотоков, а следовательно, и на концентрацию кислорода оказывает конвекция, определяемая скоростями вращения тигля. Анализ влияния скоростей вращения тигля на концентрацию кислорода, проведенный в работах [8,9], показывает, что скорость вращения тигля является эффективным параметром управления уровнем содержания кислорода.

В то же время колебания скорости вращения тигля приводят к изменению температуры расплава, что в свою очередь приводит к изменению диаметра растущего монокристалла и, как следствие, к большим флуктуациям скорости выращивания, а также температуры нагревателя, что в конечном итоге может привести к срыву процесса стабилизации диаметра монокристалла.

Температура нагревателя существенно влияет на взаимодействие между расплавленным кремнием и кварцевым тиглем, который является основным источником насыщения кислородом кремния. Одновременно температура нагревателя определяет температуру расплава и, следовательно, наравне со скоростью выращивания диаметр растущего монокристалла. Для получения бездислокационных монокристаллов скорость выращивания должна находиться в пределах 1,0 — 1,4 мм/мин. Следовательно, температура нагревателя должна задаваться таким образом, чтобы обеспечить технологическую скорость выращивания.

РИ, 2003, № 2

35

Скорость выращивания (V), согласно (1) и (2) влияющая на распределение кислорода в монокристаллах кремния через эффективный коэффициент сегрегации (Кэфф), определяется значением необходимого диаметра монокристалла, скоростью его выращивания и скоростью подъема тигля.

Зависимость скорости выращивания монокристалла от диаметра определяется формулой:

Dk = Dt.

£k Р r

і-—1 Vt) '

градиент концентрации кислорода (Nor) определяли по измерениям трех образцов размерами 20х7х2,26 мм, вырезанных из центральной и двух периферийных частей шайбы абсолютным методом на установке “Specord-75” при диафрагме 5х10 мм. Абсолютная погрешность измерений концентрации кислорода дифференциальным методом составляла ±0,12*1017см-3, а абсолютным методом ±0,22*1017см-3. Величина радиального градиента концентрации кислорода определялась по формуле:

ANor = | (N01 - (N02 + No3)/2) | * 100%/ N01,

где Dk — диаметр монокристалла; Dt — диаметр тигля; pk — плотность монокристалла; pr — плотность расплава, Vk — скорость вытягивания монокристалла; Vt — скорость подъема тигля.

Системы автоматического управления диаметром для подержания заданного диаметра постоянно изменяют скорость вытягивания вследствие различных причин, вызываемых нестабильностью технологических параметров выращивания. Таким образом, возникают флуктуации скорости роста монокристалла, приводящие к неравномерному распределению содержания кислорода по длине монокристалла. Обычно контроль диаметра в таких системах осуществляется электронно-оптическими датчиками, сфокусированными на яркостное кольцо у границы раздела расплав-монокристалл. Прецессия монокристалла по расплаву приводит к периодическому изменению показаний датчика и, как следствие, к дополнительной флуктуации скорости выращивания.

Автоматизированная система управления “Кремень” [10,11,12] позволяет минимизировать флуктуации скорости вытягивания и уменьшить колебания температуры нагревателя.

4. Методика исследований

Исследование управления распределением кислорода в монокристаллах кремния большого диаметра, выращиваемых методом Чохральского, проводились на установке “Редмет — 30”, оснащенной автоматизированной системой управления “Кремень” . Контрольные монокристаллы выращивались на установке “Редмет — 30”, оснащенной комплексом КМ3111 и электронно-оптическим датчиком диаметра. Использовались тигли из природного кварцевого стекла фирмы GE Quartz Europe GmbH диаметром 330мм. В качестве теплового узла применялся штатный тепловой узел С3000.23. Диаметр монокристаллов составлял 140 мм, масса загрузки в тигель — 32 кг. Скорость вращения тигля составляла 6 об/мин, а скорость вращения монокристалла — 15 об/мин. Выращенные монокристаллы разрезали на шайбы толщиной 20мм с шагом 30мм, из которых вырезали образцы для измерения концентрации кислорода.

Абсолютное значение концентрации оптически активного кислорода (No) измеряли на полированных образцах размером 20х10х2,26 мм, вырезанных из шайбы дифференциальным методом на установке “Specord-80” при диафрагме 8х16 мм. Радиальный

где N0i — образец, вырезанный из центральной части шайбы; N02 — образец, вырезанный на левой границе шайбы; N03 — образец, вырезанный на правой границе шайбы.

В процессе выращивания производился постоянный подъем кварцевого тигля с расплавом, связанный с необходимостью постоянного поддержания уровня расплава в заданной точке относительно верхнего торца нагревателя. Скорость подъема тигля определялась по формуле:

Vt = Vk(Dk2/Dt2)(pk/pr),

здесь Vt — скорость подъема кварцевого тигля с расплавом; Vk — скорость выращивания монокристалла, изменяющаяся от 0,9 до 1,4 мм/мин; Ak — диаметр монокристалла, равный 140 мм, At — диаметр тигля, равный 330 мм; pk и pr — плотности монокристалла и расплава, равные соответственно 2,3 и 2,5 г/см3.

5. Практические результаты

Результаты исследования влияния системы регулирования диаметра монокристалла 140 мм, выращенного методом Чохральского, приведены на рис.2.

Рис. 2. Распределение кислорода в монокристаллах, выращенных АСУ “Кремень” и комплексом КМ3111

Изменение концентрации кислорода по длине монокристаллов, выращивание которых осуществлялось с автоматическим управлением диаметра комплексом КМ3111, представлены кривой 2, с автоматизированной системой управления АСУ “Кремень” — кривой 1. На рис. 2 видно, что распределение кислорода в монокристаллах, выращенных АСУ “Кремень”, более однородно, чем при управлении комплексом КМ3111. Это объясняется более плавной регулировкой скорости выращивания монокристалла и отсутствием колебания скорости выращивания вследствие точного измерения диаметра, предварительной обработкой получаемых данных с датчика диаметра и отсутствием влияния на измерение диаметра прецессии монокристалла.

36

РИ, 2003, № 2

Из рис. 3 видно, что радиальный градиент концентрации кислорода в монокристаллах, выращенных автоматизированной системой управления “Кремень”, более однородный и имеет меньшее значение, чем при управлении комплексом КМ3111.

г* 4- —о—АСУ Кремень

J \ \ Т\ —КМЗ111

0 200 400 600 800

Lkp, mm

Рис. 3. Радиальный градиент концентрации кислорода в монокристаллах, выращенных АСУ “Кремень” и комплексом КМ3111

6. Выводы

Распределением кислорода по длине монокристалла кремния в процессе его роста можно управлять, уменьшая флуктуации скорости роста монокристалла. Применение автоматизированной системы управления “Кремень” позволяет достичь равномерного распределения концентрации кислорода по длине слитка и равномерного распределения радиального градиента концентрации кислорода. Отклонение распределения концентрации кислорода по длине слитка уменьшается на 0,5* 1017 см -3 и радиальный градиент концентрации кислорода снижается на 1,2 %. Таким образом, применение автоматизированной системы управления “Кремень” позволяет получать монокристаллы кремния с более высокими технологическими параметрами и управлять распределением кислорода по длине монокристалла кремния.

Литература: 1. Fuller C.S., Jogan R.A. J.Appl.Phys., 1957. Vol. 28. Р. 1427-1436. 2. ТуровскийБ.М. ФТТ, 1974. Т.16, №1. С.269-271.3. Voltmer F.M., Diggs Т. G. J. Cryst.Growth, 1973. Vol.19. Р.215-217. 4. Бабич В.М., Бленкан Н.И, Вернер Е.Ф. Кислород в монокристаллах кремния. К.: Интерпресс ЛТД, 1997. С. 14. 5. Барто Д, Прим Р., Шлихтер В. Распределение примесей в кристаллах, выращенных из расплава. В кн.: Германий. Сборник переводов. М.: Иностр. лит., 1955. С. 74-91. 6. CarbergT., et. al. J. Elecrochem Soc., 1982. Vol. 129. Р.189. 7. Ramachandran P.A., et.al. J. Elecrochem Soc., 1990. Vol. 137. Р.329-337. 8. Ремизов O.A. Сальников З.А. Электронная техника. Сер. Материалы, 1980, №3 (140). С.37-45. 9. Ремизов O.A., Ремизов O.A., Сальников З.А. Цветные металлы. 1982. №9. С.66-69. 10. Оксанич А.П, Притчин С.Э. Автоматизация технологического процесса получения монокристаллического кремния. В сб. “Измерительная и вычислительная техника в технологических процессах”. Вып. №8 (2001). Хмельницкий. С.396-399. 11. Оксанич А.П., Притчин С.Э. Определение телевизионным способом диаметра монокристалла кремния на разных стадиях его роста. В сб. «Научные труды КГПИ». Вып. 2/2000 (8). С. 401-406. Кременчуг: КГПИ, 2000. 12. Спосіб вирощування монокристала та пристрій для його здійснення / Третьяков О.В., Оксанич А.П., Притчин С.Е., Петренко В.Р., Слюсаренко О.А. Деклараційний патент на винахід 47988 А від 15.07.2002 р. Бюл.№7.

Поступила в редколлегию 29.01.2003

Рецензент: д-р физ-мат. наук, проф. Гордиенко Ю.Е.

Оксанич Анатолий Петрович, канд.техн.наук, профессор, проректор по НИР, г. Кременчуг. Научные интересы: исследование физических процессов в полупроводниках, разработка измерительного оборудования. Увлечение и хобби: охота. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. 50 лет СССР, 29, кв 139, тел. (05366) 38333. E-mail: oksanitch@cat-ua.com

Притчин Сергей Эмильевич, старший преподаватель кафедры КСА ИЭНТ, г. Кременчуг. Научные интересы: исследование физических процессов в полупроводниках, разработка систем управления ростовыми установками. Увлечение и хобби: радиолюбительство. Адрес: Украина, 27512, Светловодск, ул. Приморская, 18, кв.39, тел.(05236) 2-67-87. E-mail: pritchin@cat-ua.com

УДК 621.382

ИССЛЕДОВАНИЕ ВАХ ДИОДНЫХ P-N СТРУКТУР ВАРИКАПОВ

СЛИПЧЕНКО Н.И, ПИСЬМЕНЕЦКИЙ В.А., СУПРУН Ж.М.

Рассматривается формирование динамических АЧХ варикапов с помощью входного периодического ли-нейно-нарастающего напряжения. Анализируется зависимость емкостного тока от входного напряжения с учетом переходных процессов перезаряда барьерной емкости. Анализируются погрешности измерения ВАХ, рассматриваются методы обеспечения заданной точности ее воспроизведения. Описываются результаты эксперимента по исследованию динамических ВАХ применительно к варикапу КВ 105А.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) p-n-пере-ходов позволяют не только оперативно контролировать их основные параметры, но выявлять такие дефекты в p-n структурах, как дислокации, дефекты упаковки, дефекты окисла (наличие ионизированных примесей), точечные дефекты и их кластеры, дефекты контактов и т.д. [ 1]. Диагностическими параметрами при этом являются смещение прямой ветви ВАХ, ее несимметричность, изменение уровня нелинейности прямой и обратной ветви.

Традиционный метод исследования ВАХ, т.е. в статическом режиме, где ее дискретные значения формируются при последовательных измерениях напряжений и токов, занимает много времени и недостаточно информативен, имеет низкую точность и как следствие низкую повторяемость результатов.

РИ, 2003, № 2

37