Электрическое сопротивление нитевидных кристаллов кремния, выращенных по механизму ПЖК в открытой системе

Актуальность. В датчиках измерения различных физических параметров используются нитевидные кристаллы (НК) различных материалов, что обусловлено уникальным сочетанием их физических свойств и габитуса. Благодаря совершенству структуры НК имеют высокие значения упругости и прочности. Важным преимуществом НК перед другими материалами является то, что без дополнительной обработки они пригодны для изготовления сенсоров, поскольку имеют точную кристаллографическую ориентацию оси роста и малые геометрические размеры.

Преобразователи на основе НК могут найти применение в тех областях промышленности, где необходимы малые размеры и вес, высокая удельная прочность и чувствительность, быстродействие и стабильность параметров.

Проблема получения нитевидных кристаллов кремния с заданным удельным электрическим сопротивлением и воспроизводимостью электрофизических свойств является одной из основных на пути создания высокочувствительных и малоинерционных чувствительных элементов (ЧЭ)датчиков различного назначения. Задача освоения мелкосерийного производства НК, отработка технологии управляемого выращивания решалась в работах Р. Вагнера,

Е.И.Гиваргизова, А. А. Щетинина и др. Получение НК с воспроизводимыми геометрическими размерами возможно с использованием технологии выращивания регулярных систем НК и управления конусностью. Дальнейшей разработке и более широкому применению приборов на НК препятствует разброс электрофизических параметров НК. Специфика механизма ПЖК роста отражается на особенностях электрофизических свойств, определяемых наличием примесей, легирующих кристалл в процессе роста. В связи с этим, подробного изучения требует проблема получения серий НК с заданной величиной удельного сопротивления и воспроизводимостью электрофизических свойств.

Надо отметить, что, несмотря на большое количество работ по исследованию электрических свойств НК, они в основном посвящены исследованию кристаллов, полученных в закрытой системе, в то время как выращивание в проточной системе является наиболее перспективным и управляемым. Сведения по влиянию инициирующих и легирующих примесей на электропроводность НК, полученных в проточной системе, немногочисленны .

Поэтому представляется необходимым подробное изучение механизмов проводимости НК и установление взаимосвязи между технологическими параметрами роста и электрическими свойствами полученных НК.

Диссертационная работа выполнена в проблемной научно-исследовательской лаборатории нитевидных кристаллов Воронежского государственного технического университета в соответствии с Российской научно-технической программой создания новых видов машин, приборов и оборудования на 1988;1995г. и в рамках комплексных целевых программ Министерства общего и профессионального образования РФ «Датчики» и «Высокочистые вещества» по темам «Исследование процесса получения НК полупроводниковых материалов из веществ с МКР методом газофазного транспорта (госбюджетная тема 86.08, № госрегистрации 1 860 048 140) — «Создание регулярных систем нитевидных кристаллов кремния и термопреобразователей на их основе» (госбюджетная тема 2.91, № госрегистрации 1 910 054 554) — «Капиллярное формообразование нитевидных кристаллов кремния» (госбюджетная тема 6.96, № госрегистрации 1 960 009 744).

Цель работы:

Установление закономерностей влияния технологических факторов процесса пар-жидкость-кристалл (ПЖК) на электрическое сопротивление нитевидных кристаллов кремния.

Для достижения поставленной цели решались задачи:

1. Исследовать влияние типа и концентрации инициирующих и легирующих примесей на электрические свойства НК кремния.

2. Установить взаимосвязи между технологическими параметрами процесса ПЖК роста и электрическими свойствами полученных НКвыработать рекомендации по совершенствованию технологии получения ЧЭ датчиков на основе НК кремния.

3. Изучить влияние температуры и импульсного тока на структуру и электрическое сопротивление НК 31.

4. Разработать методику измерения остаточных внутренних напряжений (ОВН)в пластмассовых корпусах больших интегральных схем (БИС) при сборке в многокадровых отрезках лент с помощью датчиков на НК кремния.

Поставленные задачи решались методами электросопротивления, металлографии, ренгеноструктурного анализа, локального ренгеноспектрального анализа, оптической и растровой электронной микроскопии.

Научная новизна:

В работе были получены следующие новые научные результаты:

• Показано, что электронная проводимость НК 31, выращенных в проточной системе, определяется содержанием мелкой донорной фоновой примеси — низкая для полупроводника величина удельного сопротивления ~10~3−10~4 Ом*м обусловлена ее высокой концентрацией. При одновременном присутствии нескольких примесей электрические свойства НК определяются их взаимным влиянием.

• Обнаружено высокое для полупроводника с уровнем легирования ~1017−1018 ат/см3 значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС)~0,4−0,7%К-1 на квазиметаллическом участке температурной характеристики в интервале температур (130−240)К <�Т< 450К для НК п-типа проводимости, что объясняется не только рассеянием, но и уменьшением концентрации носителей.

• Установлено влияние природы агента-растворителя на величину ТКС на квазиметаллическом участке температурной характеристики при (130−240)К<�Т< 450К для НК, выращенных в присутствии фоновых донорных примесей с концентрацией ~1017−1018 ат/см3. Величина ТКС возрастает с увеличением растворимости металла в кремниипри заданной концентрации металла с повышением содержания донорной примеси наблюдается увеличение ТКС и уменьшение удельного сопротивления НК.

• Обнаружено смещение и размытие дифракционных пиков при исследовании структурных изменений в НК ЗК111>, подвергнутых циклированию импульсным током

10 с плотностью ~ 10 А/м и длительностью импульса ~5*10 секунды с одновременным приложением механической нагрузки растяжения ~ 0,7 МПа при комнатной температуре, что может свидетельствовать о появлении участков микропластичности. Рассчитанная плотность дислокаций составила ~108 см" 2.

• разработана методика измерения ОВН в пластмассовых корпусах БИС в многокадровых ленточных отрезках с помощью тензодатчиков на НК Показано, что уровень ОВН в кристалле БИС зависит от режима герметизации корпуса и типа защитного покрытия кристалла перед герметизацией.

• предложен метод определения величин раскалывающих напряжений, возникающих в кристалле БИС при герметизации компаундом, с помощью тест-измерений деформации свободного компаунда датчиками на нитевидных кристаллах кремния, полученными ПЖК методом.

Практическая значимость:

1.Установлена связь между технологическими параметрами процесса ПЖК роста и электрическими свойствами полученных НК:

— величина положительного ТКС на квазиметаллическом участке температурной характеристики для образцов п-типа проводимости с удельным сопротивлением ~1СГ3−1СГ4 Ом*м определяется типом металла-инициатора и растет с увеличением его растворимости;

— величина удельного сопротивления НК зависит от скорости роста, диаметра НК, природы агента-растворителя и состава газовой фазы.

Результаты исследований позволили выработать рекомендации по технологии получения в проточной системе НК с заданными электрическими свойствами. Для контроля техпроцесса корпусирования БИС в многокадровых ленточных отрезках получены НК с величиной удельного сопротивления -1СГ4 Ом*м, ТКС-О, 08%К-1, коэффициентом тензочувствительности~100.

2.Разработана методика изготовления сплавных контактов НКБ1-Ад.

3. Проведение измерений внутренних напряжений. в пластмассовых корпусах БИС в многокадровых ленточных отрезках с использованием тензорезисторов на НК Б1 позволяет дать рекомендации по оптимизации технологии формования корпуса. Опробование в серийном производстве опытных партий с оптимальными типами защиты кристалла БИС перед герметизацией показало повышение выхода годных на (8−10)% .

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для НК кремния, выращенных по механизму ПЖК в присутствии мелких фоновых донорных примесей с концентрацией ~1017−1018 ат/см3, величина удельного сопротивления и ТКС на квазиметаллическом участке зависит от природы агента-растворителя.

2. Закономерности влияния технологических факторов процесса ПЖК роста на электрическое сопротивление НК кремния и выработанные технологические рекомендации для получения НК кремния с заданной величиной удельного сопротивления и ТКС.

3. Метод оптимизации параметров процесса формования пластмассовых корпусов БИС с помощью миниатюрных датчиков на основе НК кремния, выращенных методом ПЖК.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертационной работы были представлены и обсуждены на 3-м научнотехническом семинаре «Сенсор-89» (г. Ужгород, 1989), 2-м всесоюзном совещании молодых ученых и специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (г. Гурзуф, 1990 г.)-Всесоюзной школе-семинаре «Электрофизические методы и технологии воздействия на структуру и свойства металлических материалов» (г.Ленинград, 1990 г.) — 4-й научнотехнической отраслевой конференции «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов» (г. Саратов, 1990 г.) 7-й научно-технической отраслевой конференции «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов» (г. Воронеж, 1993 г.) — 4-й

Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (г. Воронеж, 1996 г.)

Консультации по вопросам структуры и свойств нитевидных кристаллов осуществлял д.ф.-м.н. Дрожжин А.И.- по методам расчета — к.ф.-м.н. Батаронов И.Л.- по вопросам ростак.ф.-м.н. Небольсин В. А. Работы по оптимизации формования пластмассовых корпусов БИС проводились совместно с НИИЭТ (г.Воронеж).

Публикации.

Опубликовано 17 работ в центральной и местной печати в виде статей и тезисов докладов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения.

выводы

1.Исследовано влияние типа и концентрации примесей на электрические свойства НК кремния. Установлено, что:

1) электронная природа проводимости НК, выращенных по ПЖК методу в проточной системе определяется содержанием мелкой фоновой донорной примеси (фосфор, мышьяк, кислород, различные комплексы и т. д.) — низкая для полупроводника величина удельного электросопротивления ~10″ 3−10−4 Ом*м обусловлена высокой концентрацией (~1017−1018)ат/см3 донорной примеси.

2) величина ТКС на квазиметаллическом участке температурной характеристики НК определяется влиянием инициирующей ПЖК рост металлической примеси. ТКС возрастает с увеличением равновесной растворимости металла в кремнии.

3) высокое для полупроводника с удельным сопротивлением ~10−3-10~4 Ом*м значение ТКС~0,4−0,7%К-1 на квазиметаллическом участке И (Т) объясняется протеканием процессов, приводящих к уменьшению концентрации носителей. Это связано с возникновением и активацией акцепторных уровней, обусловленных присутствием металла-инициатора. Особенности процесса кристаллизации при ПЖК росте в открытой системе обеспечивают высокую концентрацию металла~Ю19-Ю20 ат/см3.

4) отсутствие высокого ТКС при перекомпенсации НК бором подтверждает акцепторную природу металлических уровней.

5) при заданном содержании агента-растворителя (золота) с увеличением концентрации фосфора ТКС на квазиметаллическом участке возрастает, в то время как для НК с низким содержанием металла ~1015 ат/см3 характерна обратная зависимость.

2.Установлены взаимосвязи между технологическими режимами ПЖК роста и электрическими свойствами полученных НК.

1) по длине НК удельное сопротивление постоянно.

2) с увеличением температуры роста удельное сопротивление полученных НК уменьшается.

3) с увеличением диаметра НК их удельное сопротивление монотонно возрастает по нелинейному закону.

4) дополнительное легирование частиц металла-инициатора примесью фосфора обеспечивает уменьшение разброса по электрическим параметрам .

5) Введение компенсирующей примеси бора в процессе роста приводит к уменьшению величины ТКС на квазиметаллическом участке и обеспечивает величину Ктенз~Ю0.

6) результаты исследований позволили получить партии НК для изготовления миниатюрных тензодатчиков с заданными параметрами: р~10″ 4 Ом*м, ТКС-О, 05%К-1, Ктенз~100, разброс параметров в одной технологической партии -2%.

3.Исследовано влияние температуры и импульсного тока на структуру и электрическое сопротивлениеНК.

Показано, что:

1) При исследовании структурных изменений образцов, подвергнутых циклированию импульсным током плотностью ~ 107 А/м2, длительностью импульса ~5*10″ 5 секунды скважность ~20 с одновременным приложением механической нагрузки растяжения ~ 0,7 МПа при комнатной температуре обнаружено смещение и размытие дифракционных пиков. Изменение дифракционных пиков свидетельствует о появлении следов пластической деформации. Рассчитана плотность дислокаций, которая составляет- 108 см-2 и характерна для области НК с высокой концентрацией напряжений.

2) для стабилизации величины электросопротивления рекомендуется проводить послеростовой отжиг при т=14 90К и последующую токовую тренировку.

4.Разработана методика измерения остаточных внутренних напряжений в пластмассовых корпусах БИС при сборке в многокадровых отрезках лент с помощью датчиков на НК

1) методика позволяет определить оптимальные режимы герметизации и типы защитных покрытий.

2) С помощью тензометра на НК измерен уровень внутренних напряжений в свободном компаунде при затвердевании, что позволило рассчитать величину раскалывающего напряжения в кристалле БИС.

3) Результаты исследований позволили дать рекомендации по оптимизации формования пластмассовых корпусов БИС. Прилагается протокол испытаний.