МЕХАНИКА ДЕФЕКТОВ В БЕЗДИСЛОКАЦИОННЫХ МОНОКРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Задачи механики дефектов в бездислокационных монокристаллах кремния являются актуальными и технически значимыми в связи с интенсивным развитием микроэлектроники, которая предъявляет все более высокие требования по минимизации уровня микро- и нанодефектов в пластинах кремния, используемых для изготовления микроэлектронных чипов. Решение этих задач связано с изучением закономерностей термомеханических процессов как на стадии выращивания монокристаллов кремния, так и на последующих термообработках вырезаемых из них пластин. В статье дается обзор теоретических и экспериментальных работ, направленных на разработку способов управления этими процессами. Это включает развитие физических представлений о дефектообразовании в бездислокационном монокристаллическом кремнии и разработку математических моделей, соответствующих различным температурным диапазонам, реализуемым как при выращивании монокристалла, так и при термообработке, вырезаемых их него пластин. Так, вблизи температуры кристаллизации моделируются процессы быстрой рекомбинации и диффузионного переноса собственных точечных дефектов (вакансий и межузельных атомов кремния), а при более низких температурах моделируются процессы их агломерации в микродефекты (поры и кластеры межузельных атомов кремния). Иллюстрируется верификация таких моделей для двух экспериментальных процессов выращивания монокристаллов кремния диаметром 150 мм методом Чохральского, а также для процесса быстрой высокотемпературной термообработки вырезанных на их основе пластин кремния.

Об авторах

Н. А. Верезуб

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: verezub@ipmnet.ru
Россия, Москва

А. И. Простомолотов

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: aprosto@inbox.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. М.: Металлургия, 1984. 256 с.
  2. Voronkov V.V. The mechanism of swirl defects formation in silicon // J. Crystal Growth. 1982. V. 59. P. 625–643. https://doi.org/10.1016/0022-0248(82)90386-4
  3. Mori T., Wang Z., Brown R. Transient simulation of grown-in defect dynamics in Czochralski crystal growth of silicon // Electrochem. Soc. Proc. 2000. V. 17. P. 118–127.
  4. Voronkov V.V., Falster R. Grown-in microdefects, residual vacancies and oxygen precipitation bands in Czochralski silicon // J. Crystal Growth. 1999. V. 204. № 4. P. 462–474. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(99)00202-X
  5. Бабич В.М., Блецкан Н.И., Венгер Е.Ф. Кислород в монокристаллах кремния. Киев: ИНТЕРПРЕС ЛТД, 1997. 223 с.
  6. Voronkov V.V. Formation of voids and oxide particles in silicon crystals // Mater. Sci. Eng. 2000. V. B73. P. 69–76. https://doi.org/10.1016/S0921-5107(99)00436-5
  7. Lin W. Oxygen segregation and microscopic inhomogeneity in Cz silicon // Proc. 2nd Int. Symp. on Advanced Science and Technology of Silicon Materials. Kona-Hawaii, USA, 1996. P. 288–293.
  8. Bracht H. Native point defects in silicon // Electrochem. Soc. Proc. 1997. V. 22. P. 357–371.
  9. Litvinov Yu. M., Makarov A.S., Petrov S.V. et al. Oxidation test application for chemical-mechanical polished (CMP) silicon wafers quality control // Proc. of 4th Int. Conf. ICSC. Obninsk: IphPE, 2001. P. 605–612.
  10. Федина Л.И., Дрофа А.Т., Ободников В.И. и др. Анализ ростовых микродефектов в кристаллах FZ-Si, выращенных в условиях вакансионного пересыщения // Совещ. по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния (Кремний-2002). Новосибирск: ИФП СО РАН, 2002. С. 16.
  11. Эйдензон А.М. Условия возникновения дислокаций в первоначально бездислокационных монокристаллах кремния, выращенных из расплава // Изв. АН СССР. Сер. Физическая. 1980. Т. 44. № 2. С. 312–319.
  12. Wijaranakula W. A real-time simulation of point defect reactions near the solid and melt interface of a 200 mm diameter Czochralski silicon crystal // J. Electrochem. Soc. 1993. V. 140. № 11. P. 3306–3315. https://doi.org/10.1149/1.2221028
  13. Togawa S., Nishi Y., Kobayashi M. Estimation of radial resistivity profile of FZ-Si crystals by numerical simulation // Electrochem. Soc. Proc. 1998. V. 98 (13). P. 67–79.
  14. Ratnieks G., Muiznieks A., Buligins L. et al. Influence of the three dimensionality of the HF electromagnetic field on resistivity variations in Si single crystals during FZ growth // J. Crystal Growth. 2000. V. 216. P. 204–219. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(00)00354-7
  15. Larsen T.L., Jensen L., Ludge A. et al. Numerical simulation of point defect transport in floating-zone silicon single crystal growth // J. Crystal Growth. 2001. V. 230. P. 300–304. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(01)01320-3
  16. Ciszek T.F., Wang T.H. Silicon defect and impurity studies using float-zone crystal growth as tool // J. Crystal Growth. 2002. V. 237–239. P. 1685–1691. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(01)02325-9
  17. Sinno T., Brown R.A., Ammon W.A. et al. Point defect dynamics and the oxidation-induced stacking – fault ring in Czochralski-grown silicon crystals // J. Electrochem. Soc. 1998. V. 145. № 1. P. 302–318. https://doi.org/10.1149/1.1838251
  18. Wang Z., Brown R.A. Simulation of almost defect-free silicon crystal growth // J. Crystal Growth. 2001. V. 231. P. 442–447. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(01)01433-6
  19. Nakamura K., Saishoji T., Tomioka J. Diffusion model of point defects in silicon crystals during melt-growth // Electrochem. Soc. Proc. 1998. V. 13. P. 41–53.
  20. Nakamura K., Saishoij T., Tomioka J. Grown-in defects in silicon crystals // J. Crystal Growth. 2002. V. 237–239. P. 1678–1684. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(01)02323-5
  21. Sinno T., Jiang Z.K., Brown R.A. Atomistic simulation of point defects in silicon at high temperature // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 68. № 21. P. 3026–3030.
  22. Talanin V.I., Talanin I.E., Levinson D.I. Physics of the formation of microdefects in dislocation-free monocrystals of float-zone silicon // Semicond. Sci. Technol. 2002. V. 17. P. 104–113.
  23. Sinno T. Thermophysical properties of intrinsic point defect crystalline silicon // Electrochem. Soc. Proc. 2002. V. 2. № 1. P. 212–226.
  24. Hourai M., Kely G.P.,Tanaka T. et al. Control of grown-in defects in Czochralski silicon crystals // Electrochem. Soc. Proc. 1997. V. 22. P. 372–385.
  25. Furuya H., Harada K., Park J.G. CZ single-crystal silicon without grown-in defects // Solid State Technology. 2000. V. 11. P. 525–528.
  26. Kitamura K., Furukawa J., Nakada Y. et al. Radial distribution of temperature gradients in growing CZ-Si crystals and its application to the prediction of microdefect distribution // J. Crystal Growth. 2002. V. 242. P. 293–301.
  27. Abe T. Thermal gradients measured by thermocouples near growth interfaces in CZ-silicon crystals // Electrochem. Soc. Proc. 1999. V. 99 (1). P. 414–424.
  28. Abe T. The formation mechanism of grown-in defects in CZ silicon crystals based on thermal gradients measured by thermocouples near growth interfaces // Silicon-99, Japan. 1999. P. 55–69.
  29. Nakabayashi Y., Osman H.I., Toyonaga K. et al. Fractional contribution in Si self-diffusion: dopant concentration and temperature dependence on Si self-diffusion mechanism // Electrochem. Soc. Proc. 2002. V. 2. № 1. P. 241–247.
  30. Inoue N., Tanahashi K., Kikuchi M. Point defect behavior in a growing silicon crystal // Proc. 3rd Symp. on Atomic-Scale Surface and Interface Dynamics. Japan: Fukuoka, 1999. P. 215–219.
  31. Nakai K., Inoue Y., Yokota H. et al. Formation of grown-in defects in nitrogen doped Cz-Si crystals // Proc. 3rd Int. Symp. on Advanced Science and Technology of Silicon Materials. 2000. P. 88–95.
  32. Akatsuka M., Okui M., Umeno S., Sucoka K. Calculation of size distribution of void defect in Czochralski silicon // Electrochem. Soc. Proc. 2002. V. 2. № 1. P. 517–527.
  33. Sucoka K., Akatsuka M., Okui M., Kata H. Computer simulation for morfology, size and dependence of oxide precipitates in Czochralski silicon // Electrochem. Soc. Proc. 2002. V. 2. № 1. P. 540–553.
  34. Okui M., Nishimoto M. Effect of the axial temperature gradient on the formation of grown-in defect regions in Czochralski silicon crystals; reversion of the defect regions between the inside and outside of the Ring-OSF // J. Crystal Growth. 2002. V. 237–239. P. 1651–1656.
  35. Yang D., Chu J., Ma X. et al. Oxidation-induced stacking faults in nitrogen doped Czochralski silicon // Electrochem. Soc. Proc. 2002. V. 2. № 1. P. 273–279.
  36. Верезуб Н.А., Простомолотов А.И. Механика процессов выращивания и термообработки монокристаллического кремния // Изв. РАН. МТТ. 2020. № 5. С. 51–63. https://doi.org/10.31857/S0572329920040157
  37. Верезуб Н.А., Воронков В.В., Мильвидский М.Г., Простомолотов А.И. Взаимодействие собственных точечных дефектов при выращивании монокристаллов кремния методом Чох-ральского // Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования. 2001. № 10. С. 15–20.
  38. Verezub N.A., Prostomolotov A.I., Mezhennyi M.V., Mil’vidskii M.G., Reznik V.Ya. Theoretical and experimental study of the formation of grown-in and as-grown microdefects in dislocation-free silicon single crystals grown by Czochralski method //Crystallography reports. 2005. V. 50. Suppl. 1. P. S159–S167.
  39. Prostomolotov A.I., Verezub N.A. Integrated approach for modeling of heat transfer and microdefect formation during CZ silicon single crystal growth // Solid State Phenomena. 2007. V. 131–133. P. 283–288.
  40. Prostomolotov A., Verezub N., Mezhennyi M., Resnik V. Thermal optimization of CZ bulk growth and wafer annealing for crystalline dislocation-free silicon // J. Crystal Growth. 2011. V. 318. P. 187–192. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2010.11.080
  41. Vasiliev Yu.B., Verezub N.A., Mezhenniy M.V., Prosolovitch V.S., Prostomolotov A.I., Reznik V.Ya. Peculiarities of a defect generation during a heat treatment of large diameter dislocation–free silicon wafers with specified distribution of oxygen–containing gettering centres // Russian Microelectronics. 2013. V. 42. № 8. P. 467–476.
  42. Huff H.R., Goodall R.K. Silicon wafer thermal processing: 300 mm // Proc. 2nd Int. Symp. on Advanced Science and Technology of Silicon Materials. USA: Kona-Hawaii, 1996. P. 322–343.
  43. Fischer A., Richter H., Kumer W., Kucher P. Slip-free processing of 300 mm silicon batch wafers // J. Appl. Phys. 2000. V. 87. № 3. P. 1543–1549. https://doi.org/10.1063/1.372047
  44. Giannattasio A., Senkader S., Falster R.J., Wilshaw P.W. The generation of slip in CZ-silicon // Int. Conf. on Extended Defects in Semiconductors. Abstracts. Italy: Bologna, 2002. P. 23.
  45. Falster R. Intrinsic point defects and reactions in silicon. Advances in defect engineering // First Int. School on Crystal Growth Technology (ISCGT-1): Book of lecture notes. Switzerland: Beatenberg, 1998. P. 258–274.

© Н.А. Верезуб, А.И. Простомолотов, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах