Физические основы инженерии дефектов в технологии кремниевых силовых высоковольтных и светоизлучающих структур

2
Содержание
Введение.
Часть 1. Инженерия собственных точечных дефектов (СТД) в технологии силовых высоковольтных приборов.
Глава 1. Анализ процессов генерации и рекомбинации СТД при образовании структурных дефектов во время термообработки и диффузии легирующих примесей.
1.1. Микродефекты со свирлевым распределением в бездислокационном кремнии и влияние неравновесных СТД на диффузию легирующих примесей в кремнии (обзор литературы).
1.2. Влияние СТД на поведение микродефектов со свирлевым распределением при отжиге толстых пластин бсздислокациошюго кремния.
1.3. Влияние СТД на поведение структурных дефектов при отжиге толстых пластин кремния, облученных нейтронами.
1.4. Влияние СТД на диффузию алюминия в кремнии.
Выводы к главе 1.
Глава 2. Характеризации электрически активных центров, сформированных при термообработке с участием СТД.
2.1. Электрически активные центры, формирующиеся в кремнии при облучении нейтронами и термообработке (обзор литературы).
2.2. Влияние СТД на образование электрически активных центров в нейтронно-легированном кремнии (НЛК).
2.3. Влияние СТД на образование центров с глубокими уровнями (ЦГУ).
2.3.1. Влияние атмосферы термообработки на образование ЦГУ.
2.3.2. Влияние гидростатического давления на параметры ЦГУ.
2.3.3. Микроплазменная спектроскопия Ц1У.
2.4. Влияние СТД на образование электрически активных центров в струтурах с р-п переходами при термообработке.
Выводы к главе 2.
Глава 3. Развитие .методов управления поведением дефектов, образующихся в кремнии при термообработке с участием СТД, и разработка технологии структур силовых высоковольтных приборов (СВ11).
3.1. Развитие методов управления поведением дефектов при термообработке в технологии НЛК.
3.1.1. Влияние условий отжига в хлорсодержащей атмосфере (ХСА) на время жизни неосновных носителей заряда в НЛК.
3.1.2. Анализ влияния среды отжига на электрофизические параметры НЛК в условиях опытно-промышленного производства и применение термообработки в ХСА в серийной технологии изготовления НЛК.
3.2. Эффективность генерирования дефектов при термообработке в ХСА в технологии СВП.
3.2.1. Влияние условий термообработки и среды выращивания кремния на образование структурных дефектов.
стр.
5
12
14
14
24
32
40
51
53
53
58
62
62
71
75
78
84
86
86
86
88
91
91
3
3.2.2. Влияние условий термообработки в ХСА на образование центров, ответственных за время жизни неосновных носителей заряда и появление микроплазм в структурах с р-n переходами. 95
3.3. Развитие методов управления поведением дефектов при термообработке в
технологии струкгур СВП. 100
3.3.1. Применение термообработки в ХСА при изготовлении структур
СВП. 100
3.3.2. Высоковольтные лавинные диодные структуры большой площади. 102
3.3.3. Высоковольтные тиристорные структуры. 106
3.3.4. Применение термообработки в ХСА в серийной технологии изготовления структур СВП. 112
Выводы к главе 3. 115
Часть 2. Инженерии дефектов в технологии светодиодов на основе кремния,
имплантированною ионами редкоземельных элементов. 116
Глава 4. Инженерии дефектов в технологии кремниевых светодиодов с
электролюминесценцией ионов Ег . 118
4.1. Кремниевые структуры с люминесценцией ионов Ег3*: технология и физические свойства (обзор литературы). 118
4.2. Структурные дефекты в (11 l)Si:(Er,0) слоях, образовавшиеся в процессе твердофазной эпитаксиальной перекристаллизации. 132
4.3. Развитие технологии структур светодиодов с электролюминесценцией
ионов Ег>+ в режиме пробоя р-n перехода. 139
4.4. (100)Si:(Er,O) светодиодные структуры с электролюминесценцией
ионов Егь в режиме лавинного пробоя. 140
4.5. Эффективность возбуждения электролюминесценции ионов Ег3+ в
режиме пробоя р-n перехода при комнатной температуре. 145
4.5.1. (11 l)Si:(Er,0) лавинные светодиоды. 146
4.5.2. (11 l)Si:(Er,0) туннельные светодиоды. 151
4.6. Температурная зависимость интенсивности электролюминесценции
ионов Ег3* в (11 l)Si:(Er,0) светодиодах в режиме пробоя р-n перехода. 158
4.6.1. (llt)Si:(Er,0) лавинные светодиоды. 158
4.6.2. (11 l)Si:(Er,0) туннельные светодиоды. 163
4.7. Влияние дозы имплантации ионов Ег на характеристики (11 l)Si:(Er,0) свегоднодиых структур, работающих в режиме пробоя р-n перехода. 167
4.8. Механизм возбуждения электролюминесценции ионов Ег3* в
(11 l)Si:(Er.O) светодиодах в режиме пробоя р-n перехода. 171
Выводы к главе 4. 174
Глава 5. Инженерии дефектов в технологии кремниевых светодиодов с
электролюминесценцией ПОНОВ Но3*. 176
5.1. Светоизлучающие структуры с фотолюминесценцией ионов Но3*. 177
5.1.1. Обнаружение фотолюминесценции ионов Но' *. 177
4
5.1.2. Влияние условий отжига на спектры фотолюминесценции
ионов Но3+. 178
5.1.3. Температурная зависимость интенсивности фотолюминесценции
ионов Но3*. 183
5.1.4. Сравнение спектров фотолюминесценции в 81:(Но,О) и НО2О3. 184
5.2. Светодиоды с электролюминесценцией ионов Но*и в режиме пробоя
р-п перехода. 185
5.2.1. Технология 8г.(Но,0) светодиодных структур и их свойства. 185
5.2.2. Эффективность возбуждения электролюминесценции ионов Но3+. 188
5.2.3. Температурная зависимость интенсивности электролюминесценции ионов Но3+. 189
Выводы к главе 5. 189
Глава 6. Инженерии дефектов в технологии кремниевых светодиодов е
дислокационной люминесценцией (ДЛ). 191
6.1. Кремниевые структуры с ДЛ: технология и физические свойства
(обзор литературы). 191
6.2. ДЛ в кремнии, имплантированном ионами редкоземельных элементов. 196
6.2.1. Обнаружение линий ДЛ в кремнии, имплантированном ионами Кг. 196
6.2.2. ДЛ и структурные дефекты в кремнии, имплантированном
ионами Ег с неаморфизующими дозами. 198
6.2.3. ДЛ и структурные дефекты в кремнии, имплантированном
нонами Г)у и Но. 206
6.2.4. ДЛ и структурные дефек ты в кремнии, имплантированном
ионами Ег с аморфизующими дозами. 209
6.2.5. Технология и свойства светодиодных структур с ДЛ на основе кремния, имплантированного ионами Ег. 214
6.3. ДЛ в кремнии, имплантированном ионами О и 81. 219
6.3.1. ДЛ и структурные дефекты в кремнии, имплантированном ионами О. 219
6.3.2. ДЛ и структурные дефекты в кремнии, имплантированном ионами 81. 222
6.4. Эффективность возбуждения дислокационной фотолюминесценции в структурах, полученных разными методами. 225
6.5. Природа 01 и 02 оптически активных центров ДЛ. 226
Выводы к главе 6. 227
Заключение. 228
Список литературы. 236
Список используемых сокращений
264
5
Введение
Актуальность темы. Кремний - основной материал современной полупроводниковой электроники. Технология полупроводниковых приборов базируется во многом на управлении процессами генерации и подавления дефектов.
Для создания нового поколения силовых высоковольтных приборов (СВП) на токи в согни и тысячи ампер и напряжения 4-10 тысяч вольт потребовалась разработка диффузионной технологии изготовления структур с р-п переходами на основе бездислокациониого нейтронно-легированного кремния большого диаметра (до 84 мм), в которых вместо дислокаций доминирующим типом структурных дефектов выступают собственные точечные дефекты (СТД) и их комплексы. Поведение СТД при характерных для СВП температурах и временах не было изучено; и к началу выполнения работы роль СГД в формировании электрически активных центров, ухудшающих параметры СВП. подвергалась сомнениям.
В начале 90-х годов начала активно создаваться кремниевая оптоэлсктроника. Из-за того, что кремний является не прямозонным полупроводником, высказывались сомнения о возможности создания интенсивных источников излучения на основе монокристалл и ческого кремния. Демонстрация в 1991г. фотолюминесценции редкоземельных ионов Ег3* в кремнии при комнатной температуре показала перспективность развития работ в этом направлении. К началу выполнения работы не были изучены пути повышения интенсивности люминесценции ионов эрбия и эффективности ее возбуждения. В связи с этим было важно изучить процессы образования структурных дефектов, электрически активных и люминесцентных центров при легировании кремния примесыо эрбия.
Таким образом, возникла необходимость в развитии физических основ инженерии дефектов в технологии кремниевых СВП и светодиодов. При этом необходимо было развить методики, позволяющие контролировать неравновесные СТД и их поведение на разных стадиях технологического процесса, и провести комплексные исследования, учитывающие взаимосвязь условий изготовления, структурных, оптических и электрофизических свойств в силовых высоковольтных и светоизлучающих структурах и позволяющие контролировать процессы образования и подавления неравновесных СТД и всей системы дефектов, формирующихся на разных стадиях процесса.
6
Цель диссертационной работы - развитие физических основ инженерии дефектов в технологии кремниевых силовых высоковольтных и светоизлучающих структур, позволяющей изготавливать приборы с высокими параметрами. Для достижения этой цели решались следующие задачи:
- изучить процессы генерации неравновесных СТД при термических отжигах и диффузии легирующих примесей в режимах, характерных для технологии СВГ1:
- развить комплекс методов, позволяющих контролировать процессы генерации и подавления неравновесных СТД;
- исследовать электрически активные центры в кремнии, сформированные при термообработках с участием СТД;
- развить методы управления поведением дефектов, образующихся в кремнии при термообработке с участием СТД, и разработать технологию структур СВП; '
- идентифицировать систему дефектов, образующихся при формировании слоев кремния, имплантированных ионами редкоземельных элементов, и выяснить возможность использования этих дефектов для улучшения люминесцентных свойств светодиодов;
- исследовать электролюминесценцию ионов Ег3+ и По3* в имплантационных 8к(Ег,0) и 8к(Г1о,0) структурах, приготовленных методом твердофазной эпитаксии;
- развить технологию светодиодов с люминесценцией ионов Ег*+ и Но3’ и дислокационной люминесценцией и исследовать их свойства.
Научная новизна работы заключается в том, что развит единый подход к изучению физики процессов образования дефектов в технологии кремниевых силовых и светоизлучающих структур; обнаружен и исследован широкий класс новых явлений, происходящих в кремнии с участием собственных дефектов при термическом и радиационном воздействиях; развиты новые экспериментальные методы управления процессами дефскгообразовання при формировании высококачественного нейтронно-легированного кремния, структур с высоковольтными р-п переходами большой площади и светодиодных структур на основе кремния, имплантированного редкоземельными элементами; предложены методы дифракции у-излучення (для исследования структурных дефектов) и микронлазменной спектроскопии (для определения параметров центров с глубокими уровнями, ответственных за появление микроплазм в р-п переходах); выявлена существенная роль собственных точечных дефектов решетки кремния в формировании структурных дефектов и электрически и оптически активных центров в процессе термического отжига; определены параметры электрически активных центров, сформированных с участием собственных дефектов,
7
определяющих свойства силовых структур; впервые наблюдалась люминесценция редкоземельного элемента гольмия в полупроводниках.
Практическая ценность работы заключается в том, что выявлены основные технологические параметры, управляющие процессами дефектообразования при изготовлении приборных структур, и основные электрически и оптически активные центры, определяющие свойства этих структур.
Разработаны процессы термообработки кремния в хлорсодержащей атмосфере, которые способствовали началу производства нового поколения отечественных диодов и тиристоров на напряжения свыше 4 кВ и токи свыше 1000 Л.
Создание и исследование структур кремния, легированных редкоземельными элементами, вместе с работами других авторов стимулировало развитие работ по созданию кремниевой онтоэлекгроники.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых структур полупроводниковой электроники и при исследованиях физических процессов в научно-исследовательских организациях как в нашей стране, так и за рубежом.
Результаты разработки воспроизводимого получения кремниевых структур с заданными структурными, электрическими и оптическими свойствами заложили научные основы управления процессами дефектообразования при термообработке в технологии кремниевых силовых высоковольтных и светоизлучающих приборов.
Основные наложении, выносимые на защиту:
1. Контроль пересыщения кремния собственными точечными дефектами при высокотемпературной обработке путем выбора атмосферы позволяет управлять типом и концентрацией образующихся центров с глубокими уровнями.
2. Образование неравновесных собственных точечных дефектов приводит к увеличению концентрации электрически активных атомов алюминия в приповерхностной области пластины кремния и уменьшению скорости диффузии алюминия в инертной атмосфере по сравнению с диффузией в окислительной атмосфере. Концентрационные профили «алюминия в условиях пересыщения кремния собственными точечными дефектами описываются в рамках механизмов вытеснения и ва ка псион ного.
3. Направленное и контролируемое введение собственных точечных дефектов путем использования разного состава атмосферы термообработки позволяет управлять дефектной структурой и электрофизическими параметрами нейтронно-легированного кремния и структур с р-п переходами. Проведение диффузии легирующих примесей и
8
окисления в хлорсодержащей атмосфере позволяет изготавливать силовые высоковольтные приборы с требуемыми значениями пробивного напряжения и времени жизни неосновных носителей заряда.
4. Система дефектов, образующихся при изготовлении структур кремниевых светодиодов методом твердофазной эпитаксии на подложках с (111) ориентацией, обеспечивает эффективную электролюминесценцию редкоземельных ионов Егэ+ н Но3* в режиме пробоя р-n перехода.
5. Температурное возгорание интенсивности электролюминесценции ионов Ег3+ и Но3* в режиме пробоя р-n переходов в (1 ll)Si:(Er.O) и (11 l)Si:(Ho.O) светодиодах обусловлено перезарядкой центров с глубокими уровнями.
6. Пересыщение кремния собственными межузельными атомами в процессе термического отжига имплантированных слоев кремния в окислительной атмосфере приводит к появлению рекомбинационного излучения, связанного с образовавшимися протяженными дефектами межузельного типа.
Апробация результатов работы. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода, силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе (Ташкент, 1979), международной конференции по проблемам силовой преобразовательной техники и автоматизированного электропривода (Пояна-Брашов, СРР, 1982), Всесоюзной конференции "Перспективы развития технологического оборудования, новых материалов и технологических процессов для повышения эффективности производства полупроводниковых приборов силовой электроники" (Белая Церковь. 1985), Всесоюзной научно-технической конференции "Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной. преобразовательной и сильноточной техники" (Москва. 1986), международной конференции «Геттерировашге и инженерия дефектов в технологии полупроводников», GADEST (Garzau, GDR, 1987, 1989, Chossewitz, Germany, 1991, Spi, Belgium, 1997, приглашенный доклад. ITöör, Sweden, 1999, Catania, Italy, 2001, Erice, Italy, 2007, приглашенный доклад), международной конференции по дефектам в полупроводниках, ICDS (Budapest, Hungary, 198S, Sendai, Japan, 1995, Aveiro, Portugal, 1997, Giessen, Germany, 2001, приглашенный доклад, Albuquerque, New Mexico, USA, 2007, приглашенный доклад), Отраслевом научно-техническом семинаре "Новые силовые полупроводниковые приборы. Проблемы обеспечения качества" (г.Саранск. 1989), V Всесоюзном совещании по материаловедению и физико-химическим основам получения
монокристаллического кремния (Москва, 1990, пленарный доклад), конференции по изучению дефектов в полупроводниках с помощью позитронов, PSSD (Halle, Gennany, 1994), Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных монокристаллов кремния, «Кремний-96» (Москва. 1996), конференции материаловедческого общества, MRS (San Francisco, California, USA, 1996, приглашенный доклад, Boston, Massachusetts, USA, 1996, 1997), конференции по фогонике международного общества инженеров по оптике, SPIE (San Jose, California, USA, 1997), конференции Европейского материаловедческого общества, E-MRS (Strasbourg. France, 1998, 2000), Всероссийском совещании «Наноструктуры на основе кремния и германия» (Н.Новгород, 1998), Гордоновской исследовательской конференции «Неравновесные процессы в материалах» (Plymouth. New Hampshire, USA, 1999), Всероссийском совещании «Наиофотоника» (Н.Новгород, 1999, 2000, 2001). II Всероссийской конференции по материаловедению и физикохимическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния, «Кремний - 2000» (Москва, 2000), Российской конференции по физике
полупроводников (Н.Новгород, 2001, Екатеринбург, 2007), Межнациональном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь. Украина. 200.1, 2003, 2004, 2007, 2008), Российской конференции по материаловедению и физикохимическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Москва, 2003), международной конференции «Протяженные дефекты в полупроводниках». EOS (Bologna, Italy, 2002, Chemogolovka, Russia, 2004, Poitiers. France, 2008), Российском совещании по росту кристаллов и пленок кремния и исследованию их физических свойств и структурного совершенства «Кремний-2006» (Красноярск, 2006), Всероссийской конференции “Физические и физико-химические основы ионной имплантации” (Н.Новгород, 2006, Казань. 2008, приглашенный доклад), международном симпозиуме "Нанофизика и иаиоэлектроника" (Н.Новгород, 2007, 2008), Российской конференции с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе, «Кремний-2007» (Москва. 2007), международном семинаре по определению микроструктуры полупроводников с помощью пучка лучей, BIAMS (Toledo, Spain. 2008), международной конференции по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, наномстровых структур и приборов на его основе «Кремний-2008» (г.Чсриоголовка, 2008, приглашенный доклад). Результаты работы докладынапись и обсуждались на заседании Президиума АН СССР (Москва, 1982),
10
секции "Матсриалопедеиие полупроводников" научного совета АН СССР "Физика и химия полупроводников” (Одесса, 1988), секции "Физика силовых полупроводниковых приборов" научного совета АН СССР "Научные основы электрофизики и электроэнергетики" (Саранск. 1989). а также на научных семинарах ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Физического института им. П.Н. Лебедева, Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (Черноголовка), Научного центра волоконной оптики (Москва), Физико-технологического института (Москва), ГУП "ОРИОН" (Москва), Massachusetts Institute of Technology (США). Lehigh University (Bethlehem, PA, США), North Western University (Chicago. CLUA), North Caroline State University (США), University of Milano-Bicocco (Milan. Италия). University of Catania (Италия), Aix-Marseille III University (Марсель, Франция). Institute for Semiconductor Physics (Frankfurt/Oder, Gcrmany), Институте Физики (Прага, Чехия), Zhejiang University Hangzhou, КНР).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в двух монографиях, 43 статьях (включая 1 обзорную) и 2 авторских свидетельствах СССР на изобретения, список которых приведен в Заключении. По результатам диссертации сделано более 50 докладов на отечественных и международных конференциях.
Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, введения, заключения, содержащего основные результаты и список основных работ автора по теме диссертации, и списка цитируемой литературы. Общий объем 264 страницы, включая 123 рисунка и 9 таблиц. Список литературы содержит 347 наименований. 1
Содержание работы.
Первая глава содержит обзор литературы по экспериментальным методам и результатам исследования поведения структурных дефектов, включая собственные точечные дефекты, в технологии кремниевых микроэлек тронных и силовых приборов. Приводятся результаты исследований автора процессов генерации и релаксации СТД при образовании структурных дефектов во время термообработки и диффузии легирующих примесей, в том числе по разработке метода дифракции у-излучения для исследования с груктурных дефектов.
Вторая глава посвящена исследованию электрически активных центров, сформированных с участием СТД в процессе термообработки облученных нейтронами пластин кремния и структур с р-n переходами. Проведена идентификация ценгров с глубокими уровнями, образующихся при высокотемпературной обработке в условиях пересыщения кремния собственными точечными дефектами. Разработан метод
11
определения параметров центров с глубокими уровнями, ответственных за образование микроплазм.
Третья глава содержит результаты разработки методов управления процессами генерации и релаксации собственных точечных дефектов при изготовлении силовых высоковольтных приборов, продемонстрирована высокая эффективность геттерирования дефектов, ответственных за уменьшение времени жизни неосновных носителей заряда и появление низковольтных микроплазм, при термообработке в хлорсодержащей атмосфере. Приводятся результаты по разработке технологий изготовления нейтронно-легирован нот кремния (ИЛК) и силовых высоковольтных приборов.
В четвертой г ларе изложены результаты по развитию инженерии дефектов в технологии кремниевых светодиодов с электролюминесценцией ионов Ег\ Глава начинается с обзора литературы по светоизлучающим структурам на основе монокристатлического кремния, подробно рассмотрены методы изготовления таких структур, а также результаты исследования в них структурных, электрофизических и люминесцентных свойств. Приводятся результаты наших исследований по влиянию ориентации поверхности кремния на образование структурных дефектов и люминесцентных центров в структурах 8п(Ег,0), изготовленных методом твердофазной эпитаксии. Исследованы эффективность возбуждения электролюминесценции ионов Ег3* и температурная зависимость интенсивности электролюминесценции в структурах, изготовленных в разных технологических условиях, в режимах лавинного и туннельного пробоя.
Пятая глава содержит результаты по созданию физических основ инженерии дефектов в технологии кремниевых светодиодных структур с люминесценцией ионов Но’\ Исследовано влияние условий имплантации к постнмплантационного отжига на формирование оптически активных центров, что позволило впервые создать структуры с фото- и электролюминесценцией ионов Ноя+ и изучить механизмы возбуждения и девозбуждения люминесценции.
Шестая глава посвящена развитию имплантационной технологии светодиодов с дислокационной люминесценцией. Исследовано влияние условий имплантации, в том числе разных типов имплантируемых ионов, и последующей термообработки на формирование структурных дефектов и люминесцентных спектров, изучена их взаимосвязь. Приводятся результаты по разработке имплантационной технологии светодиодов с дислокационной люминесценцией и исследованию их свойств.
12
Часть 1. Инженерия собственных точенных дефс1сгов (СТД) в технологии силовых высоковольтных приборов.
Инженерия собственных точечных дефектов (СТД) - направление научных исследований, которое начало формироваться в 70-е годы. В его основе лежат представления об участии неравновесных СТД в формировании структурных дефектов, электрически активных центров и диффузии примесных атомов.
Трудности в изучении процессов генерации и рекомбинации СТД при термообработке связаны с двумя обстоятельствами. Во-первых, вакансии и собственные межузельные атомы кремния (СМА) не могут наблюдаться в виде свободных единичных дефектов после высокотемпературных термообработок кремния, а об их существовании приходится судить, исходя из косвенных данных о структурных дефектах, электрически активных центрах и диффузии легирующих примесей. Во-вторых, низкая концентрация образующихся дефектов не позволяет для определения их природы использовать такие методы как электронный парамагнитный резонанс, оптическое поглощение и т.д.
Имеются многочисленные публикации (см. например [1 - 5]). в которых были обобщены результаты исследований влияния СТД на процессы образования окислительных дефектов упаковки и диффузии легирующих примесей в технологии микроэлектронных приборов. Сформировавшиеся представления о роли СТД в процессах дсфскгообразования явились основой для развития различных методов геттерирования и пассивации дефектов в технологии кремниевых приборов.
Разработанные для микроэлектроники методы геттерирования и пассивации дефектов не могут быть перенесены в технологию силовых высоковольтных приборов без дополнительных исследований. Во многом это связано с тем, что объемы рабочей области силовых высоковольтных приборов на порядки величины превышают таковые для микроэлектронных приборов [6, 7]. При этом рабочая область высоковольтного прибора находится на достаточно большой глубине от поверхности пластины (-100 мкм). Необходимость формирования глубоко залегающих р-п переходов требует проведения длительных процессов (~ 10-40 час.) и более высоких температур (— 1250°С). Кроме того, параметры кремния, используемого при изготовлении высоковольтных приборов, очень сильно отличаются от параметров кремния, используемого в микроэлектронике. При изготовлении высоковольтных приборов используется высокочистый бсздислокационный кремний п-типа проводимости, выращенный методом бестигельной зонной плавки (FZ-Si) с концентрациями легирующей примеси фосфора и примеси кислорода примерно па два порядка ниже,
13
чем в кремнии, выращенном методом Чохральского (Сг^) и используемом в микроэлектронике.
В первой части настоящей работы приводятся результаты наших исследований процессов генерации и релаксации СТД и их участия в формировании структурных дефектов И электрически активных центров В технологии ВЫСОКО ВОЛ ЬТН [.IX приборов. Частично эти результаты были нами обобщены в монографиях [8, 9]. Изложение будет построено следующим образом. В первой главе приведен обзор литературы по микродефектам, образование которых обусловлено генерацией и рекомбинацией СТД при выращивании бездислокационного кремния и последующей термообработкой, и влиянию СТД на диффузию легирующих примесей в кремнии. Во второй главе анализируются процессы генерации и рекомбинации СТД во время образования структурных дефектов при термических отжигах и диффузии легирующих примесей. В третьей главе приводятся результаты но идентификации в структурах СВГ1 электрически активных центров, сформированных при термообработках с участием СТД. Завершающая, четвертая, глава посвящена разработке методов управления процессами генерации и релаксации СТД при изготовлении НЛК и СВП.
14
Глава 1. Анализ процессов генерации и рекомбинации СТД при образовании структурных дефектов во время термообработки и диффузии легирующих примесей.
1.1. Микродефекты со евпрлевым распределением в бездислокацнонном кремнии и влияние неравновесных СТД на диффузию легирующих примесей в кремнии (обзор литературы).
Развитие технологии позволило выращивать монокристаллы бсздислокационного кремния большого диаметра. Поскольку равновесная концентрация точечных дефектов уменьшается при понижении температуры, то при охлаждении кристаллов из-за отсутствия макроскопических протяженных дислокаций, являющихся аффективными стоками для собственных и примесных точечных дефектов, может возникнуть значительное пересыщение твердого раствора точечными дефектами, которое может приводить к образованию микродефекгов. Согласно (1]. под микродефектами понимаются любые локальные нарушения периодичности кристаллической структуры размером от десятых и сотых долей до нескольких десятков микрометров, выявляемых с помощью различных методов. Также в литературе используются понятия комплексов и кластеров точечных дефектов. Провести резкую границу между этими понятиями достаточно трудно, тем более, что в литературе часто они употребляются для обозначения дефектов одного и того же вида. Достаточно четкое их определение приведено в работе [10], согласно которой «комплекс - дефект, состоящий из относительно небольшого числа сильно связанных точеных дефектов преимущественно различной природы (например, комплексы вакансий с атомами химической примеси); кластер - дефект, содержащий два или более точечных дефектов одинаковой природы (например, дивакансия)».
В бездислокацнонном кремнии выявлено четыре типа микродефекгов: А, В, С и О [1]. Появление микродефекгов определяется условиями роста монокристаллов и зависит, прежде всего, от скорости выращивания [11]. При низких скоростях образуются А и В микродефскты, а при высоких ■ С и Э. В зависимости от размеров, концентрации и характера пространственного распределения при селективном химическом травлении кремния и были выделены эти четыре тина микродефектов. А и В мпкродефекты распределяются преимущественно по полосам роста, их картина распределения в поперечном сечении слитка имеет вид спирали, поэтому они и получили название свирл-дефектов. С и I) микродефскты характеризуются равномерным распределением. Типичная концентрация А и В дефектов составляет 106 и 107-108 см‘\ соответственно. С помощью методов электронной микроскопии удалось
идентифицировать природу А, С и Б микродефектов [12, 13]. Оказалось, что все четыре типа имеют межузельную природу. Микродефекты А типа представляют собой скопления дислокационных петель размером 1-5 мкм внедренного типа с вектором Бюргсрса а/2<110>. Микродефекты 1) типа являются либо скоплениями мелких выделений, либо мелких дислокационных петель размером ~ 5-10 нм. Что касается микродефектов С типа, то поскольку отш мало отличаются по размерам и характеру дифракционного изображения от П микродефектов, то их можно рассматривать как особую форму распределения последних, связанную с резким изменением тепловых условий роста кристаллов [13]. Природа микродефсктов В типа точно не установлена, но имеются основания предполагать, что они представляют собой трехмерные скопления СМА, в которые могут входить и примесные атомы; возможно, что они представляют собой и частицы новой фазы [14- 16].
Для объяснения механизма образования микродефсктов в кремнии предложен ряд моделей. Общим для всех моделей является рассмотрение процессов образования микродефсктов в тесной связи с процессами распада пересыщенных твердых растворов. Отличие моделей основано, прежде всего, на том, какой из двух типов С'ГД -вакансии пли СМА - преобладают в кремнии при температурах, близких к температуре плавления.
Одна из первых моделей образования микродефсктов в кремнии была предложена Дс Коком [17, 18] и базировалась на представлении, что равновесная концентрация вакансий в кремнии при высоких температурах преобладает выше равновесной концентрации СМА. В модели, предложенной Фсллем и Колбезеном [19], предполагалось обратное: доминирующим типом СТД при высоких температурах являются СМА. К моделям, наиболее полно описывающим большинство экспериментальных результатов, следует отнести вакансионно-мсжузельные модели, которые основаны на предположении о сосуществовании вакансий и СМА при высоких температурах [20 - 22]. Авторы работ [20, 21] считают, что при охлаждении процессы конденсации избыточных вакансий и СМА происходят по независимым механизмам. Рекомбинация избыточных точечных дефектов противоположного знака считается маловероятной вследствие предполагаемого достаточно высокого энергетического барьера. Существенным отличием модели, предложенной в работе [22], является учет взаимной аннигиляции избыточных СТД. Тип точечных дефектов, остающихся в кристалле после рекомбинации, зависит от знака результирующего диффузионного потока избыточных точечных дефектов, который определяется соотношением скорости роста и осевого температурного градиента у фронта кристаллизации. Автор считает,
16
что чаще при выращивании реализуется случай, соответствующий преобладанию СМЛ, что и определяет межузельную природу микродефектов в кремнии.
Влияние микродефектов на электрофизические параметры кремния исследовалось в работах [23 - 25]. В [23] показано, что значения времени жизни неосновных носителей заряда и удельного сопротивления уменьшаются в местах расположения полос свирл-дефектов. В [25] обнаружено, что в областях, содержащих различные типы микродефектов, значения времени жизни могут отличаться в несколько раз. Элскгрическая активность микродефсктов Л и В типов была исследована с помощью метода наведенною тока (electron beam induced current, EB1C) в работе [24]. Выло установлено, что области с высокой концентрацией микродефектов характеризуются пониженными значениями наведенного тока.
Из приведенных результатов следует, что, поскольку свирл-дефскты могут сами являться или образовывать локальные рекомбинационно-генерационные центры в кремнии, они могут оказывать влияние на электрические характеристики структур с р-п переходами. Большинство исследователей, изучающих влияние микродефсктов на свойства приборов, пришли к выводу, что изготовление структур с р-n переходами на основе кремния, содержащего микродефекты, приводит к значигельиому ухудшению параметров приборов [2, 26, 27]. Так, например, в [2] с помощью EBIC метода было показано, что токи утечки в планарных диодах могут измениться более чем на пять порядков в зависимости от места расположения диода на пластине кремния. Увеличение токов угечки наблюдается в диодах, расположенных в тех областях, где методом селективного травления выявлены микродефекты со свирлевым распределением. Б то же время некоторыми авторами не обнаружена связь между наличием микродефектов в кремнии и ухудшением параметров структур с р-п переходами. Так в работе [28] влияние свирл-дефсктов на параметры силовых приборов не удалось установить.
Дефектная структура кремниевых пластин после термообработки сильно зависит, с одной стороны, от условий термообработки - температуры, времени, атмосферы, в которой она проводится, а, с другой стороны, от свойств микродефектов в исходном материале, определяемых условиями и методом выращивания. Как установлено в работах [25, 29], термообработки при температурах ниже 800°С не меняют картину распределения свирл-дефектов независимо от атмосферы отжига. В [25] отмечено, что низкотемпературная обработка (450-700°С) усиливает выявлясмость микродефектов, что, по-видимому, связано с осаждением примесных и собственных точечных дефектов на микродефекгах. При повышении температуры отжига
17
происходит перераспределение микродефектов, которое сильно зависит от атмосферы отжига. При проведении высокотемпературных отжигов в окислительной атмосфере в областях кремния, содержащих микродефекты со свирлевым распределением, образуются окислительные дефекты упаковки [30, 31], размеры которых увеличиваются с ростом температуры и времени окисления. При температуре отжига 900-1100°С распределение окислительных дефектов упаковки полностью соответствует распределению свирл-дефектов, а, начиная с температуры 1100°С, наблюдается увеличение ширины полос дефектов упаковки по сравнению с шириной полос свирл-дефектов. Предполагается, что зарождение дефектов упаковки на микродефектах со свирлевым распределением связано с конденсацией на них избыточных СМ А, образующихся при окислении [2|.
Результаты, полученные в различных работах при проведении термообработки в окислительной атмосфере, не всегда соответствуют друг другу. Авторами работы [25] сделан вывод о температурной нестабильности микродефектов В типа. С помощью селективного химического травления они установили, что термообработка при 900-1000°С приводит к укрупнению В микродефектов, а повышение температуры до 1100-1200°С вызывает расширение свирлевых полос. Авторы считают, что в отличие от В михродсфсктов микро дефекты А типа являются болсс термостабильными, поскольку изменений в распределении А дефектов при высокотемпературных обработках они не обнаружили. С помощью рентгеновской топографии с предварительным декорированием медыо и золотом авторы работы [29] получили противоположные результаты. Ими было установлено, что картина распределения В микродефектов в термообработанных пластинах совпадает с исходной, и только на периферии после отжига при 800-1100°С распределение становится однородным в отличие от свирлевого в исходном. В то же время отжиг при высоких температурах (900-1200°С) приводил к радикальным изменениям в распределении А микродефектов, причем во многих пластинах, отожженных при 1200°С, А микродефекты методом рентгеновской топографии не были обнаружены. Отметим, что образование структурных дефектов при термообработке наблюдалось и в тех случаях, когда в исходном материале структурные дефекты методами рентгеновской топографии и селективного травления не были обнаружены. Например, в работе [32] установлено, что после длительной (40-50 час.) термообработки пластин бездислокационного кремния на воздухе при 1250*43 на рентгеновских топограммах наблюдались дефекты размером 10-50 мкм с концентрацией 106-108 см'3. По данным электронной микроскопии эти дефекты представляли собой колонии мелкодисперсных выделений, содержащие СМА и
18
примесные атомы кислорода. В работе [33] после отжига бездислокационпого кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавки, при 1200°С в течение 2 час. методом селективного травления были выявлены большие ямки травления, принадлежащие дефектам типа дислокационных нетель с равномерно распределен ной концентрацией ~ 10б см'3, и мелкие неоднородно распределенные бугорки,
принадлежащие примесным преципитатам. Атмосфера отжига в статье не была указала, хотя отмечалось, что отжиг проводился в стерильных условиях. Рассмотренные примеры свидетельствуют, что трансформация микродефектов в процессе высокотемпературных термообработок может происходить за счет их взаимодействия как с примесными, так и с С ГД.
Улучшения дефектной структуры кремния можно добиться на трех этапах: непосредственно б процессе роста монокристаллов, после их выращивания и в процессе изготовления приборов. При выращивании монокристаллов для улучшения дефектной структуры обычно используют регулирование скорости роста и добавления водорода в атмосферу выращивания [2]. Однако эти способы не всегда приводят к положительному результату. Трудности но подавлению микродефсктов путем регулирования скорости роста обычно возникают при выращивании кристаллов больших диаметров, поскольку при высоких скоростях роста из-за несоблюдения теплового баланса между теплотой, подводимой к кристаллу, и теплотой, теряемой кристаллом путем теплопроводности и излучения. может нарушиться монокристалличность выращиваемого кристалла. Добавление водорода в атмосферу росла имеет тот недостаток, что при охлаждении водород может выделяться в местах нарушений решетки кремния и создавать водородные поры, которые при термообработке превращаются в более крупные дефекты, получившие название «дефекты аномального травления» [34, 35]. Поскольку образование микродефектов сильно зависит от концентрации и распределения кислорода и углерода в кремнии, для уменьшения концентрации этих примесей и повышения однородности их распределения выращивание слитков проводится в поперечном и продольном магнитных нолях [36].
Способ улучшения дефектной елрукгуры путем импульсного ншрева уже выращенных кристаллов был рассмотрен в [37, 38]. Экспериментально было показано, что при нагревании пластин кремния со скоростью выше некоторой критической, можно добиться исчезновения микродефсктов. Эффект авторы объяснили с помощью предложенной ими эмиссионной модели аннигиляции микродефсктов. Каждому виду микродефектоп соответствует определенная кинетически равновесная концентрация
СТД. Число частиц в микродефсктс будет изменяться в соответствии с изменением концентрации точечных дефектов в решетке кристалла. При нагревании со скоростью выше критической концентрация точечных дефектов в решетке не будет успевать достигать кинетически равновесного значения для данного микродефекта, и поэтому за счет эмиссии точечных дефектов будет происходить растворение микродефектов. Однако, при использовании этого способа необходимо учесть, что при высоких скоростях нагревания в пластинах кремния будут возникать механические напряжения, которые могут приводить к возникновению микродефектов другого типа. Кроме того, микродефекты часто возникают на этапе охлаждения кремниевых пластин, следовательно, при использовании импульсного нагрева для устранения микродефсктс в должны применяться специально разработанные режимы охлаждения кристаллов.
При изготовлении приборов в процессе термообработок происходит трансформация микродефектов, имеющихся в исходных кристаллах, и образование новых структурных дефектов, поэтому подавление микродефектов в кремнии на этапе изготовления приборов является чрезвычайно важной задачей. Для приборов микроэлектроники, рабочей областью которых является приповерхностная область кремниевых пластин, разработано достаточно много способов получения бездефектной рабочей области. Их суть заключается в формировании стоков для точечных дефектов в нерабочей части приборов [39 - 42]. Для этого используется создание нарушенного слоя на обратной стороне пластины или нанесение геттерирующих пленок на нерабочую поверхность. Нарушенный слой может быть создан различными способами: абразивной обработкой, лазерным облучением, имплантацией ионов Аг, О, Р, Лб, В и др. [39, 40]. В качестве геттерирующих покрытий используются пленки нитрида кремния, боро- и фосфоросиликатные стекла, пленки поликристаллического кремния [41]. Наиболее широкое распространение получило гак называемое «внутреннее генерирование» [40, 42]. Суть его заключается в том, что в объеме кремниевых пластин формируются стоки для точечных дефектов. Стоками являются кислородные преципитаты. Однако, физические процессы, обуславливающие работу силовых приборов, происходят во всем объеме кремниевой пластины, поэтому применение внутреннего гетгернрования в этом случае оказывается неэффективным, ибо наличие структурных дефектов в объеме приборов приводит к деградации их параметров и уменьшению процента выхода годных приборов. Работ, в которых рассматривались способы, обеспечивающие подавление микродефектов во всем объеме кремниевых пластин практически не было.
20
Для исследования микродефектов в кремнии наиболее широко используются методы селективного химического травления [1,2], рентгеновской голографии с предварительным декорированием медью, золотом и литием [1, 17, 29], а также методы просвечивающей и растровой электронной микроскопии [2, 12, 13]. Преимущества метода селективного химического травления заключаются в его простоте, быстроте получения результатов и достаточно высокой разрешающей способности (доли микрона). Достоинства метода просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ) состоят в его высокой разрешающей способности и возможности идентификации природы микродефектов. Растровая электронная микроскопия при работе в режиме наведенного тока позволяет исследовать электрическую активность дефектов. Основной недостаток всех перечисленных методов заключается в том. что они являются разрушающими.
Неразрушающим методом является диффузное рассеяние рентгеновских лучей [43], которое использовалось для исследования монокристаллов кремния, содержащих ростовые дефекты [44]. кислородные кластеры [45, 46] и радиационные дефекты [47; 48]. Недостатком этого метода является небольшая глубина исследуемого слоя (~ 1 мкм). Применение разных источников монохроматического излучения расширяет экспериментальные возможности (см. работу [49] и список литературы в ней). В 1972 г. для исследования разнообразных физических свойств больших монокристаллов было предложено использовать высокомонохроматическое гамма (у) - излучение с энергией в диапазоне 100-500 кэВ, характеризующееся слабым поглощением в веществе [50]. Этот метод был успешно применен для исследования мозаичности в объеме кристаллов и точного измерения структурных факторов [50 - 55]. Применяемый в них метод измерения периода биений динамических осцилляций интегрального коэффициента отражения в зависимости от толщины образца позволяет исследовать только высокосовершсниыс кристаллы. Исследований же по влиянию кластеров точечных дефектов и микродефектов, а также их неоднородного распределения в объеме кристалла на параметры дифракционного процесса (величину интегрального коэффициента отражения, полуширину и форму кривой качания) коротковолнового монохроматического у-излучения не проводилось.
Диффузия легирующих примесей в кремнии является второй группой явлений, где проявилась существенная роль СТД. Интерес к исследованию легирующих примесей в кремнии появился более пятидесяти лет назад и был обусловлен развитием технологии интегральных схем. К легирующим примесям относятся атомы УД группы таблицы Менделеева Р, Аэ и БЬ и атомы ША группы В, А1, Оа и 1п, для которых
21
характерна способность образовывать прочные ковалентные связи с собственными атомами кристаллической решетки кремния, в результате чего они занимают почти исключительно узлы решетки и образуют соответственно мелкие донорные и акцепторные уровни в запрещенной зоне кремния. Если коэффициент диффузии не зависит от концентрации диффундирующих частиц, то диффузия этих примесей подчиняется закону Фика, и концентрационные профили примесей после диффузии из неограниченного источника будут' описываться дополнительной функцией ошибок, а в случае ограниченного источника - функцией Гаусса [56]. Однако, уже в начале 60-годов стало ясно, что ситуация значительно сложнее. Поскольку атомы легирующих примесей занимают узельные позиции в решетке кремния, то только в результате своего взаимодействия с СТД они смогут диффундировать на большие расстояния. Таким образом, понимание процессов диффузии легирующих примесей принципиально основано на понимании процессов взаимодействия легирующих примесей и СТД. Рад процессов, применяемых для изготовления приборов, приводит к нарушению равновесной концентрации СТД в кремнии [3, 5]. К ним относятся диффузия фосфора при его высоких концентрациях, окисление и ионная имплантация. В общем, неравновесные условия для точечных дефектов проявляются в возрастании или уменьшении коэффициента диффузии примеси замещения даже при малых концентрациях неравновесных СТД.. Поэтому для создания управляемой технологии необходимо знать и хорошо контролировать процессы генерации и рекомбинации неравновесных СТД. происходящие в результате различных технолошческих воздействий. Рекомбинация неравновесных СТД может происходить как за счет аннигиляции вакансии с СМА, сопровождающейся попаданием атома кремния в свое равновесное узельное положение (так называемая бимолекулярная рекомбинация вакансий и СМА), так и при участии неравновесных СТД в образовании или трансформации более сложных дефектов.
Основные легирующие примеси 11IA и VA групп в кремнии могут диффундировать по вакансионному (vacancy), непрямому межузельному (substitutional/interstitialcy interchange) и смешанному (дуальному) вакансионно-межузелыюму непрямому механизму (substitutional/interstitial interchange). Эго происходит при посредстве СТД: вакансий, СМА или и тех и других, соответственно [5, 57]. При вакансионном механизме перемещение атома замещения из одною узла кристаллической решетки в другой происходит путём его обмена с подошедшей вакансией. При непрямом междоузельном механизме перемещение атома замещения происходит путём его выталкивания подошедшим собственным междоузельным
22
атомом в неустойчивое для него междоузельное положение, из которого атом примеси переходит в другой (соседний) узел путем выталкивания из него собственного атома кремния в междоузлие.
Принято считать, что основные легирующие примеси в кремнии диффундируют преимущественно по смешанному вакансионно-межузельному непрямому механизму, а относительные доли диффузии примеси посредством вакансий и СМА характеризуются коэффициентами /у и /г, соответственно (при этом /у + / = 1). Определение коэффициентов /у и / будет дано в главе 3. Было установлено, что значения этих коэффициентов зависят от условий проведения диффузии, в частности от типа примеси и температуры. Интересно, что для примесей В и Р /к < _/}, а для Лэ выполняется обратное соотношение. Эго означает, что диффузия В и Р в условиях пересыщения СМА ускоряется, а Аз - замедляется. Поскольку эти эффекты наблюдались при диффузии в окислительной атмосфере, они получили названия диффузии, ускоренной и замедленной окислением, соответственно. Для примеси БЬ в разных экспериментальных условиях реализуется то или иное соотношение, т.е. вклады этих двух механизмов могут меняться. Результаты исследований механизмов диффузии примеси А1 в кремнии будут представлены в главе 3.
При исследовании роли СТД в технологии микроэлектронных приборов было установлено, что управлять типом и концентрацией СТД можно за счет выбора состава газовой среды, в которой проводится термообработка. Термообработка в окислительной атмосфере приводит к генерации СМА, термообработка в инертной атмосфере и вакууме сопровождается пересыщением кремния вакансиями, а термообработка в хлорсодержащей атмосфере (ХСА) позволяет управлять типом доминирующих СТД [9]. СТД при термообработке в различных средах образуются в результате протекающих на поверхности кремниевых пластин химических реакций. Наиболее известным примером таких реакций является термическое окисление кремния:
+ 02 = БЮ* (1-1)
Окисление приводит к пересыщению приповерхностной области СМА. Обусловлено это различием решеток 81 и 8102: среднее расстояние между атомами кремния в оксиде примерно в 1.3 раза больше, чем в решетке кремния. Существует несколько моделей, описывающих процесс генерации избыточных СМА при окислении [5]. Однако, существующих экспериментальных данных недостаточно для проверки адекватности предложенных моделей.
23
При отжиге в инертной атмосфере или в вакууме наблюдается пересыщение кремния вакансиями. Это пересыщение связывают с химической реакцией на границе раздела 81-8102 (поверхность кремния практически всегда покрыта тонким слоем природного оксида):
8Ю2 + 81 = 2 8Ю. (1-2)
Образовавшаяся моноокись кремния диффундирует сквозь тонкую пленку оксида и испаряется в вакуум или уносится с потоком инертного газа [58]. Уменьшение концентрации атомов кремния сопровождается пересыщением приповерхностной области вакансиями. Б дальнейшем, когда природный окисел полностью удаляется с поверхности кремния в соответствии с реакцией (1-2), генерация вакансий происходит в результате испарения атомов кремния. Заметим, что при окислении рассмотренный механизм генерации вакансий малоэффективен, поскольку скорость уменьшения толщины оксида за счет реакции (1-2) на несколько порядков меньше скорости роста оксида кремния за счет реакции (1-1).
Более сложная ситуация возникает при отжиге кремния в ХСА. ХСА представляет собой поток кислорода, насыщенный парами хлорсодержащих соединений. Б результате окисления поверхности кремния в соответствии с реакцией (1-1) в приповерхностной области генерируются избыточные СМА. Введение атомов хлора в атмосферу термообработки сопровождается его накоплением в слое вЮг около границы раздела с кремнием. С одной стороны, это приводит к увеличению скорости роста оксида и, следовательно, увеличению степени пересыщения кремния СМА. С другой стороны, на границе раздела 81-8102 протекает химическая реакция
х С1 + Б1 = БЮх, (1-3)
где х = 1.0-2.1 [59]. В результате аутдиффузии образующихся хлоридов в приповерхностной области кремния генерируются избыточные вакансии. Таким образом, имеют место два конкурирующих процесса генерации СМА и вакансий. Аннигиляция дефектов-антиподов (вакансии и СМА) приводит к уменьшению концентрации СТД. Изменяя условия отжига (концентрацию хлорсодержащего компонента, время, температуру и т.д.), возможно управлять концентрацией избыточных СТД.
Для создания ХСА используются как газообразные (хлор и хлористый водород), так и жидкие при комнатной температуре (трихлорэтилен и четыреххлористый углерод) хлорсодержащие вещества. Другим важным компонентом газовой смеси является кислород, который используется для того, чтобы получить хлорные компоненты, вырастить окисел и избежать травления поверхности кремния. При
24
высокой температуре в диффузионной трубе происходит взаимодействие подаваемого в трубу хлорсодержащего вещества с кислородом, а состав газовой смеси изменяется по сравнению с исходным. Мы в наших исследованиях работали с жидкими источниками - четыреххлористым углеродом и трихлорэтиленом, поскольку ото более технологично и безопасно.
На основании анализа литературных данных были выбраны объекты исследований: микродефекты межузельного типа со свирлевым распределением и их поведение в процессе термообработки толстых пластин бездислокационного кремния в разной газовой атмосфере и широком диапазоне температур и длительности, а также диффузия примеси алюминия в кремнии в условиях, характерных для технологии СВП. Для исследования дефектной структуры монокристаллов кремния большого диаметра наряду с традиционными разрушающими методами исследования (селективное химическое травление, рентгеновская топография с предварительным декорированием дефектов медыо и золотом, ТНМ) предстояло изучить возможности использования неразрушающего метода дифракции у-квантов.
>
1.2. Влияние СТД на поведение микродефектов со свирлевым распределением при отжиге толстых пластин бездислокационного кремния.
Как было показано в предыдущем разделе, для приборов микроэлектроники, рабочей областью которых является, как правило, приповерхностная область кремния, разработано достаточно много способов, предотвращающих образование микродефектов в процессе их изготовления и заключающихся в формировании стоков для точечных дефектов в нерабочей части приборов [39]. Работ же, в которых бы рассматривались способы, предотвращающие развитие или подавляющие имеющиеся свирл-дефекты в объеме толстых пластин кремния, нам известно не было. Паш выбор свирл-дефектов в качестве объекта исследований основывался на результатах работ [60.
2]. В [60] было показано, что отжиг пластин с полированной поверхностью в среде аргона подавляет свирл-дефекты в тонком приповерхностном слое. Напротив, отжиг в окисли тельной атмосфере сопровождается увеличением их размеров и концентрации и даже их трансформацией в болсс крупные структурные дефекты межузельного типа -окислительные дефекты упаковки. Для управления типом и концентрацией генерируемых в процессе термообработки СТД мы проводили отжиги в различных газовых средах. Произошедшие в результате отжигов изменения дефектной структуры кремния исследовались методами селективного химического травления и дифракции у-излучения. Результаты наших исследований опубликованы в работах [61 - 63].