Получение слоев кремния методом термомиграции в нестационарных температурных условиях

Актуальность темы

На современном этапе развития науки и техники возрастает потребность в изготовлении высококачественных структур и приборов твердотельной электроники, отвечающих требованиям миниатюризации с одновременным улучшением их параметров. Возможности традиционных методов полупроводникового производства с этой точки зрения ограничены. В связи с этим, стремление исследователей к совершенствованию существующих технологических приемов и разработке принципиально новых, отличных от известных ранее способов производства полупроводниковых структур остается актуальным направлением развития технологии микроэлектроники.

Одним из важнейших технологических процессов формирования структур твердотельной электроники является получение высококачественных и воспроизводимых по электрофизическим параметрам полупроводниковых слоев. Метод термомиграции и один из ее вариантов зонная перекристаллизация градиентом температуры (ЗПГТ), весьма эффективны для реализации этой задачи. Высокая равновесность и изотермичность процесса, относительная простота устранения испарения легколетучих компонентов и ряд других полезных особенностей существенно расширили область практического применения методов термомиграции.

Известные исследования и разработки физико-технологических основ получения слоев полупроводниковых материалов методом термомиграции выявили существенную зависимость качества и, в конечном счете, параметров получаемых структур от условий роста кристалла. Так, периодическое изменение температуры ЗПГТ, даже на непродолжительное время по сравнению с протяженностью всего технологического процесса, может изменить мгновенную скорость движения зоны, повлиять на стабильность процесса и на концентрацию примеси в выращенном слое. В публикациях, посвященных этому вопросу, отмечается, что естественным источником подобной нестационарности, как правило, является недостаточно термоста-билизированная нагревательная система. Было показано, что температурные колебания в ходе перекристаллизации при определенных условиях приводят к существенному увеличению средней скорости процесса и позволяют достичь другие важные для практики результаты. Однако, достоверная однозначно интерпретируемая информация о влиянии температурной не6 стационарности на кинетику и результаты перекристаллизации при термомиграции может быть получена лишь при использовании контролируемого процесса. Эти работы показали также, что исследование влияния нестационарных тепловых условий встречает значительные трудности, как в области теории, так и эксперимента. В теоретической части недостаточно развито моделирование процесса ЗПГТ в нестационарных условиях, и, в частности оно не доведено до машинного эксперимента, позволяющего существенно снизить объем натурных экспериментов. Кроме того, теория ограничена учетом только одного варианта создания пульсирующего температурного поля, который в значительной степени осложнен тепловой инертностью оборудования. Этот же недостаток представляется основным и для проведенных ранее экспериментов. Поэтому актуальным является не только проведение новых, но и проверка уже выполненных исследований в условиях, свободных от указанных недостатков. В частности, поэтому в качестве модельного объекта исследований целесообразно выбрать одну из хорошо исследованных ранее систем. Такой системой является Биметалл. Эта система важна также и как наиболее перспективная для практического использования ввиду ее высокой технологичности.

Диссертация является частью плановых работ выполняемых в рамках НИОКР по заданию ряда НИИ и НПО на хоздоговорной основе и планах НИР по основным направлениям НИР ЮРГТУ (НПИ) на 1990;99г.

Целью данной работы является разработка и исследование физико-технологических основ получения слоев кремния термомиграцией в нестационарных условиях. Для ее реализации необходимо решить следующие задачи:

1) разработать физические модели и методику компьютерного моделирования процесса термомиграции в переменном тепловом поле;

2) в рамках разработанных моделей провести исследование основных закономерностей кинетики нестационарной термомиграции в системах на основе кремния для двух методов создания периодического теплового поля:

— пульсирующим тепловым излучением;

— переменным электрическим током, пропускаемым через образец;

3) разработать оборудование и методику проведения экспериментальных исследований кинетики термомиграции при указанных способах создания температурных колебаний в объеме зоны;

4) провести экспериментальное исследование кинетики процесса миграции в поле температурного градиента и выявить особенности метода, 7 характерные для теплового и токового способов создания температурных колебаний;

5) определить области практического применения нестационарной жидкофазной эпитаксии, основанной на методе термомиграции.

Научная новизна.

1. Предложены и проанализированы модели термомиграции, описывающие процесс массопереноса ростового вещества в переменном тепловом поле, создаваемым в жидкой зоне тепловым и токовым способами.

2. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование кинетики роста слоев полупроводникового материала методом нестационарной термомиграции в системах Si-Al и Si-Au. Получены зависимости скорости миграции жидкой зоны от параметров нестационарных условий (амплитуды и частоты температурных колебаний при тепловом способе создания нестационарных условий, а также от частоты и амплитуды переменного электрического тока при токовом способе). Установлены основные закономерности процесса термомиграции в нестационарных условиях для нормального, дислокационного и зародышевого механизмов межфазных процессов.

3. Установлено, что при создании нестационарных условий переменным электрическим током, пропускаемым через жидкую фазу, основное влияние на изменение скорости перекристаллизации оказывают тепловые эффекты, возникающие в монокристалле (тепло Джоуля и эффект Пельтье). Электроперенос переменным электрическим током не приводит к изменению средней скорости движения зоны.

4. Предложена методика проведения процесса термомиграции в нестационарных тепловых условиях, обеспечивающая снижение величины порогового размера жидкой зоны для стационарной реализации метода.

5. Разработана методика осуществления компьютерного прогнозирования процессов перекристаллизации в нестационарных температурных условиях на основе моделей термомиграции.

Практическая значимость.

Проведенные исследования процесса термомиграции в нестационарных условиях представляют научный и практический интерес для организаций и научно-исследовательских лабораторий, специализирующихся в области технологии полупроводников и материалов электронной техники. Направлениями практического применения результатов диссертации являются: 8.

1. Определение технологических условий проведения процесса термомиграции на основании численного моделирования и компьютерного эксперимента, снижающих нежелательное воздействие на воспроизводимость результатов флуктуаций температуры, носящих случайный характер.

2. Определение условий проведения процесса нестационарной термомиграции, обеспечивающих возможность контролируемого влияния периодического теплового поля на результаты технологического процесса.

3. Повышение эффективности метода термомиграции за счет снижения энергоемкости процесса при сохранении скорости движения жидкой фазы в приемлемом для производства диапазоне.

4. Производство полупроводниковых структур, отвечающих требованию миниатюризации, за счет возможности использования малых размеров зон раствора-расплава.

5. Создание термического оборудования для получения слоев полупроводникового материала с возможностью автоматического поддержания необходимых технологических режимов, непосредственно влияющих на электрофизические параметры полупроводниковых слоев и структур на их основе.

Основные положения выносимые на защиту.

1. Модели термомиграции в нестационарных условиях применимы для анализа кинетики процесса получения эпитаксиальных слоев методом термомиграции в двойных системах типа кремний-металл.

2. Преднамеренно создаваемые температурные колебания в расплаве зоны приводят к возрастанию скорости термомиграции по сравнению со стационарным случаем. Масштаб эффекта определяется способом создания нестационарных условий и тем, какой механизм межфазных процессов проявляется на границах с жидкой фазой.

3. При термомиграции жидкой фазы в монокристалле кремния, в случае создания периодического теплового поля токовым способом, величина средней скорости возрастает в результате выделения на контактах зона-кристалл и в объеме композиции джоулева тепла, а также в результате выделения или поглощения на границах зоны тепла Пельтье. Электроперенос переменным электрическим током не приводит к изменению средней скорости движения зоны.

4. Создание температурных колебаний в расплаве зоны с частотой 520Гц позволяет существенно снизить величину порогового размера зоны ¿-кр, характерной для стационарной термомиграции. 9.

5. Компьютерный эксперимент применим для оптимизации параметров термического оборудования и осуществления модернизации технологии получения слоев кремния методом термомиграции в нестационарных условиях.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на Всероссийской конференции с международным участием по актуальным проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники (ПЭМ-96) в 1996 и в 1997 гг. (п. Дивноморское), научных конференциях и сессиях ЮРГТУ (НПИ), научных семинарах кафедры физики и научно-исследовательских лабораториях 1995;1999 гг. и Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния «Кремний-2000» в 2000 г. (г.Москва, МИСиС).

Публикации и личный вклад автора. Результаты диссертационных исследований в полном объеме изложены в 12 печатных работах (ссылки [81−92] в списке литературы), из них восемь статей в центральной печати.

Диссертационная работа выполнена под научным руководством д. ф.-м. н., профессора Лозовского В. Н., при участии которого были определены главные задачи исследования, разработаны модели процесса термомиграции в нестационарных температурных условиях, обсуждены методические вопросы экспериментального исследования кинетики термомиграции в переменном тепловом поле и ряд конкретных результатов.

По тематике диссертации автором лично выполнено следующее: построены теоретические модели массопереноса при термомиграции в нестационарных температурных условиях, создаваемых тепловым и токовым способамиразработан алгоритм и составлена программа на языке Pascal для реализации компьютерного моделирования массопереносаразработана методика экспериментальных исследований массопереноса основного вещества. Сконструирована и изготовлена аппаратура для реализации процесса термомиграции в системе Si-Al и Si-Au. Проведены эксперименты по исследованию закономерностей массопереноса основного вещества. Произведена интерпретация основных экспериментальных результатов.

К.ф.-м.н., доцент Князев С. Ю. участвовал в обсуждении результатов исследований и в развитии некоторых вопросов теории. При его содействии, а также при участии Середина Л. М. проведены экспериментальные исследования кинетики получения слоев кремния методом термомиграции в переменном тепловом поле. Вопросы химической обработки пластин.

10 кремния при подготовке к экспериментальным исследованиям и обработке результатов обсуждены с к.х.н., доцентом Политовой Н.Ф.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 112 наименования и содержит 154 страницы машинописного текста, 54 рисунка, 1 таблицы и приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе разработана методика и оборудование для получения полупроводниковых слоев на примере кремния методом термомиграции в нестационарных условиях. Исследованы основные закономерности данной разновидности метода, область применения. Общие выводы работы можно сформулировать следующим образом.

1. Разработаны модели процесса термомиграции при наличии температурных колебаний в зоне, создаваемых пульсирующим нагревом образца и переменным электрическим током, пропускаемым через полупроводниковую пластину. Их применение позволяет исследовать кинетику процесса перекристаллизации при различных параметрах управляющего воздействия (амплитуды и частоты температурных колебаний или переменного тока).

2. На основе указанных моделей установлено, что температурные колебания в жидкой фазе изменяют среднюю скорость миграции зоны при наличии в ней температурных колебаний, если она движется в кинетическом или смешанном режиме и механизм кинетических процессов на межфазных процессах нелинеен. Максимально возможная скорость зоны ограничена скоростью диффузионного режима перекристаллизации.

Для дислокационного и зародышевого механизмов кристаллизации (растворения) температурные колебания приводят к увеличению средней скорости по сравнению с ее значением в стационарных тепловых условиях. При нормальном механизме этот эффект наблюдается только в случае, когда кинетические коэффициенты кристаллизации и растворения отличаются друг от друга. Чем больше эта разница, тем сильнее влияние температурных колебаний на кинетику процесса перекристаллизации.

Электроперенос вещества переменным электрическим током не приводит к изменению средней скорости движения зоны.

3. Температурные колебания в зоне изменяют характер зависимости средней скорости перекристаллизации от толщины зоны. При увеличении амплитуды температурных колебаний кинетическая и смешанная области зависимости смещаются в область малых толщин зоны. При этом, величина порогового размера зоны ¿-кр, характерная для стационарного режима перекристаллизации может быть снижена. Экспериментальное исследование подтверждает теоретический вывод.

4. На основе теоретических исследований сформулированы условия стационарности процесса термомиграции в переменном тепловом поле и критерий стационарности. Определены параметры температурных колебаний в расплаве зоны, при которых режим перекристаллизации можно считать стационарным и применять к его анализу теорию термомиграции в стационарном режиме. В иных случаях амплитуда температурных колебаний соизмерима с величиной движущей силы процесса перекристаллизации, что приводит к неприменимости общепринятой теории миграции жидкой зоны в поле температурного градиента. На практике условие стационарности может быть менее строгим ввиду существенной зависимости амплитуды от частоты температурных колебаний в объеме зоны вследствие тепловой инертности нагревательной системы и полупроводниковой пластины.

5. В предельном случае, при котором амплитуда колебаний концентрации основного компонента зоны у ее границы мала по сравнению со средним пересыщением (недосыщением), получены аналитические выражения для средней скорости зоны. Показано, что температурные колебания приводят к увеличению средней скорости перекристаллизации по сравнению со стационарным режимом и характер зависимости средней скорости перекристаллизации от амплитуды температурных колебаний качественно согласуется с данными исследования процесса миграции зоны в поле температурного градиента, полученными на основании численного моделирования. Указанное обстоятельство является одним из свидетельств адекватности предлагаемых моделей реальным процессам термомиграции в нестационарных температурных условиях.

6. Рассчитаны амплитуды температурных колебаний на границах зоны, возникающих при пульсирующем нагреве пластины тепловым излучением и при протекании через зону переменного электрического тока. Показано, что на результаты перекристаллизации существенное влияние оказывает тепловая инертность нагревательной системы и полупроводниковой пластины. Увеличение частоты пульсаций теплового поля или переменного электрического тока приводит к заметному убыванию амплитуды создаваемых температурных колебаний. Влияние тепловой инертности образца на результаты перекристаллизации при токовом способе создания температурных колебаний в зоне снижается по сравнению с тепловым способом.

7. Разработано оборудование и методика проведения экспериментальных исследований кинетики миграции плоских и точечных зон при тепловом и токовом способе создания температурных колебаний. Это оборудование.

145 позволяет проводить исследование кинетики термомиграции при температурах процесса до 1400 °C с созданием температурных колебаний амплитудой 0−5К при пульсирующем нагреве пластины тепловым излучением и 0−50К при пропускании переменного электрического тока через зону.

8. Экспериментально установлено, что при относительно низких температурах ЗПГТ температурные колебания привод ят к возрастанию скорости тонких зон в системах Si-Al и Si-Au. Экспериментально получены зависимости средней скорости миграции зоны от частоты вращения системы экранов и амплитуды и частоты переменного тока, пропускаемого через пластину кремния. Зависимость средней скорости зоны от частоты температурных колебаний имеет максимум, определяемый параметрами нагревательной системы и способом создания температурных колебаний в жидкой фазе. Максимум зависимости v (y) при пропускании через зону переменного электрического тока смещен по сравнению с тепловым способом в более высокочастотную область, что свидетельствует о снижении тепловой инертности образца.

9. Разработан пакет программ и методика осуществления компьютерного прогнозирования процессов перекристаллизации в нестационарных температурных условиях, который может быть непосредственно использован при оптимизации технологии и оборудования для получения слоев полупроводникового материала.

10. Проведение процесса термомиграции в нестационарных условиях расширяет возможности для практического применения метода. Кроме того показано, что применение данного метода позволяет:

— снизить энергоемкость процесса перекристаллизации;

— получать миниатюрные структуры, изготовление которых при стационарной реализации метода было невозможным;

— управлять процессом получения слоев полупроводникового материала с повышенной концентрацией легирующей примеси.

В заключение автор выражает глубокую признательность научному руководителю работы В. Н. Лозовскому, С. Ю. Князеву, а также коллективу лаборатории кафедры физики Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) за помощь при выполнении диссертационной работы.