МЕХАНИКА ДЕФЕКТОВ В БЕЗДИСЛОКАЦИОННЫХ МОНОКРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ
- Авторы: Верезуб Н.А.1, Простомолотов А.И.1
-
Учреждения:
- Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
- Выпуск: № 2 (2023)
- Страницы: 3-29
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/1026-3519/article/view/137504
- DOI: https://doi.org/10.31857/S057232992260061X
- EDN: https://elibrary.ru/DHFWUC
- ID: 137504
Цитировать
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.
Ключевые слова
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
- Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. М.: Металлургия, 1984. 256 с.
- 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
- 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.
- 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
- Бабич В.М., Блецкан Н.И., Венгер Е.Ф. Кислород в монокристаллах кремния. Киев: ИНТЕРПРЕС ЛТД, 1997. 223 с.
- 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
- 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.
- Bracht H. Native point defects in silicon // Electrochem. Soc. Proc. 1997. V. 22. P. 357–371.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- Sinno T. Thermophysical properties of intrinsic point defect crystalline silicon // Electrochem. Soc. Proc. 2002. V. 2. № 1. P. 212–226.
- 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.
- Furuya H., Harada K., Park J.G. CZ single-crystal silicon without grown-in defects // Solid State Technology. 2000. V. 11. P. 525–528.
- 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.
- Abe T. Thermal gradients measured by thermocouples near growth interfaces in CZ-silicon crystals // Electrochem. Soc. Proc. 1999. V. 99 (1). P. 414–424.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.