Термообработка и легирование монокристаллического кремния

Уровень развития современной полупроводниковой электроники тесно связан с достижениями в технологии полупроводниковых материалов. История технологии полупроводникового кремния характеризуется непрерывным стремлением к совершенству. Это вызвано тем, что совершенство кристаллов, однородность свойств по объему не только влияет на рабочие характеристики приборов и микросхем, но и определяет эффективность их производства. С увеличением степени интеграции свойства отдельного элемента все более определяются окольными свойствами кристаллической подложки. Кремний является основным материалом для изготовления интегральных схем высокой эффективности. Возможность совершенствования полупроводниковых приборов заложена в повышении качества подложек, характеристики которых находятся в прямой зависимости от свойств монокристаллов и изготовляемых из них пластин. Задача получения монокристаллов с равномерным распределением электрических свойств, пониженным содержанием остаточных фоновых примесей и структурных дефектов весьма актуальна. Таким образом, один из главных путей улучшения качества изделия полупроводниковой микроэлектроники - это улучшение качества исходных кристаллов кремния.

Термостабильность свойств кристаллов кремния относится к основным параметрам качества полупроводникового материала. Именно термостабильность свойств кристаллов кремния определяет устойчивость к деградации параметров микроэлектронных приборов при повышенных температурах и расширяет области их применения. Термостабильность кристаллов кремния имеет также существенное значение при изготовлении микроэлектронных приборов, поскольку в технологических процессах кристалл подвергается воздействию высоких температур, которые часто необратимо ухудшают свойства исходных кристаллов.

проблемы обусловлена с одной стороны необходимостью выяснения закономерностей в процессах деградации электрофизических свойств кремния и управления ими, с другой необходимостью создания полупроводниковых приборов на основе кремния со стабильными параметрами.

Перспективными путями управления процессами деградации электрофизических параметров кремния являются его термообработка и легирование редкоземельными элементами (РЗЭ) и переходными металлами. Следует подчеркнуть, что РЗЭ после введения в монокристалл не проявляют электрической активности, то есть не образуют электрически активных комплексов.Основная цель работы заключалась в комплексном исследовании электрофизических характеристик и особенностей структуры, выборе легирующих добавок и разработке способов термообработки    промышленного    кремния    для    повышения термостабильности полупроводниковых приборов на его основе.

Конкретные задачи заключались в следующем:

проведение комплексного исследования электрофизическрж и физико-химических свойств монокристаллического кремния, различных промышленных марок, в широком интервале температур (от азотной до 1600k), в том числе, исследование параметров электронного переноса в кремнии с целью оценки степени однородности высокоомного кремния;

исследование влияния термической обработки на структуру и свойства монокристаллического кремния;

разработка режимов и способов термообработок подложек кремния;

изучение кинетики распада пересыщенных твердых растворов на основе кремния, определение механизмов распада;

расчет энергии связи и зарядовой плотности кремния при легировании двумя примесями, основанный на применение системы неполяризованных ионных радиусов (СНИР).

получение на основе термостабильного и радиационностойкого Si ультрапрецизионных стабилитронов и транзисторов.

Научная новизна работы:

Выполнены экспериментальные исследования гальваномагнитных эффектов в монокристаллическом высокоомном кремнии п-типа проводимости в области температур 140-540k. Разработаны критерии, позволяющие оценить степень неоднородностей кремния.

Проведены экспериментальные высокотемпературные исследования (от комнатной до 1600k) электрофизических параметров кремния различных промышленных марок. На кривых температурной зависимости постоянной Холла в области температур 1000k зафиксирован переход от п-типа проводимости к р-типу для кремния, полученного различными методами: Чохральского (Cz), бестигельной зонной плавкой БЗП (Fz) и нейтронного трансмутационного легирования (НТЛ).

Определено, что высокоомный монокристаллический кремний п-типа проводимости весьма чувствителен к условиям и режимам термообработки. Установлено, что диффузионное легирование БЗП кремния диспрозием позволяет повысить термостабильность кремния.

Показано влияние легирующрж добавок на радиационную и термическую стойкость кремния. Проведен расчет энергии связи и зарядовой плотности кремния при легировании двумя примесями. Установлено, что натрий во взаимодействии с редкоземельными и переходными металлами способствует увеличению энергии связи в кремнии.

Проведено исследование кинетики распада пересыщенных твердых растворов на основе кремния. Показано, что полученные кинетические кривые относятся к классическим кинетическим кривым распада. Установлено, что атомы гадолиния стабилизируют состояние атомов золота в кремнии, атомы вольфрама атомов натрия, атомы германия -атомов марганца, что в итоге замедляло распад твердых растворов.