Детали блога

Почему нечистоты отделяются во времяОднокристаллический кремнийРост?

Для контроля электрических свойств полупроводников в кремний намеренно вводятся следы элементов группы III (таких как галлий) или элементов группы V (таких как фосфор).Допанты III группы действуют как акцепторы электронов в кремнии, генерирующие подвижные отверстия и образующие положительно заряженные центры; они называютсяпримеси акцептораилиДопанты типа pДопанты группы V, с другой стороны, при ионизации в кремнии дают электроны, генерируя подвижные электроны и образуя отрицательно заряженные центры; они известны какдонорские примесиилиДопанты n-типа.

В дополнение к преднамеренному введению допирующих элементов, во время процесса роста кристаллов неизбежно вводятся другие непреднамеренные примеси.Эти примеси могут происходить от неполной очистки сырьяВ конечном итоге эти примеси могут попасть в кристалл в виде атомов или ионов.Даже следы примеси могут значительно изменить физические и электрические свойства кристаллаСледовательно, важно понять, как примеси распределяются в плавильном материале во время роста кристаллов, а также ключевые факторы, влияющие на распределение примеси.Проясняя эти законы распределения, условия производства могут быть оптимизированы для изготовления однокристаллического кремния с равномерной концентрацией примеси.

Сегрегация и транспортировка при расплаве кремния

Из-за явленияСегрегация примеси, примеси в расплавленном кремниевом сплаве не равномерно распределены по длине растущего однокристаллического кремниевого слитка.Транспорт примесей в расплавленном кремниевом сплаве регулируется в основном двумя механизмами.:

1. Диффузионный транспортуправляемые градиентами концентрации, и

2. Конвективный транспортиндуцируется макроскопическим потоком плавления.

На рисунке показана схематическая иллюстрация сегрегации фосфора.Первичный нагреватель обычно расположен вдоль боковой стенки тигреняИз-за теплового расширения в расплаве возникают различия плотности, и силы плавания, генерируемые этими изменениями плотности, движутестественная конвекция.

Для поддержания равномерности примеси и стабилизации теплового поля как растущий кристалл, так и тигли вращаются с заданными угловыми скоростями.Поворачивание создает инерционные силы в расплавленном, и когда эти инерционные силы преодолевают вязкие силы,принудительная конвекцияСледовательно, распределение концентрации растворенного вещества в кристалле сильно зависит как от естественной, так и от принудительной конвекции в расплаве.

Термодинамическая основа сегрегации нечистоты

Рост однокристаллического кремния является относительно медленным процессом и может быть, в хорошем приближении, рассматриваться как происходящий в условиях почти термодинамического равновесия.может применяться равновесие между твердой и жидкой фазами на твердом/жидком интерфейсе.

Если равновесная концентрация растворенного вещества в твердом веществе на интерфейсе обозначается какС0C_{s0}Вс0 - Что?, и что в жидкостиВключается:ВЛ0 - Что?, вкоэффициент сегрегации равновесияопределяется как:

k0=Cs0CL0k_0 = frac{C_{s0}}{C_{L0}}k0 - Что?=ВЛ0 - Что?Вс0 - Что? - Что?

Это соотношение всегда сохраняется на твердом/жидком интерфейсе при условиях равновесия.К0к_0k0 - Что?может быть меньше или больше 1. Например, коэффициент сегрегации фосфора составляет приблизительно 0.35, в то время как кислорода около 1.27.

• Когда?$k0<1$По мере роста кристаллов концентрация растворенного вещества в растворе преимущественно отталкивается.Включается:ВЛ0 - Что?С тех пор, какК0к_0k0 - Что?остается постоянной, концентрация растворенного вещества в кристаллеС0C_{s0}Вс0 - Что?В результате такие примеси проявляютнизкая концентрация в голове и высокая концентрация в хвостеФосфор обычно демонстрирует такое распределение.

• Когда?$k0>1$По мере роста концентрация растворенного вещества в растворе уменьшается.что в свою очередь приводит к снижению концентрации растворенного вещества в кристаллеВ этом случае распределение примеси показываетвысокая концентрация в голове и низкая концентрация в хвостеиз слитка.

Роль массового транспорта и конвекции

Окончательное распределение примеси в кристалле определяется транспортом примеси в расплавленном кремнии во время затвердевания.Модель чисто термодинамического равновесия недостаточна для полного объяснения распределения растворенных веществСледовательно, также необходимо рассмотреть физическую модель роста кристаллов.

При фактическом росте кристаллов интерфейс не продвигается бесконечно медленно, а растет с конечной скоростью.диффузия растворенного веществаКроме того, рост кристаллов происходит в гравитационном поле и всегда сопровождается естественной конвекцией.Принудительное перемешивание производится путем вращения кристаллов и тиглов.В результате обадиффузия и конвекциядолжны быть учтены при анализе сегрегации примеси.

Поток плавления во время роста кристалла обеспечивает массовый транспорт от сыпучего плавления к твердому – жидкому интерфейсу и, таким образом, ограничивает количество примесей, которые могут быть включены в кристалл.

Распределение осяной нечистоты иУравнение Гулливера-Шейла

Эти комбинированные механизмы приводят к неравномерному распределению примеси вдоль осевого направления кристалла.

• закрытая система без испарения или диффузии допантов в твердом состоянии,

• и достаточно сильное смешивание расплавленного материала для обеспечения равномерной концентрации растворенного вещества в расплавленном материале,

Распределение примеси вдоль затвердевшего кристалла описываетсяУравнение Гулливера-Шейла:

CS=C0 keff (1−fS)keff−1C_S = C_0, k_{text{eff}}, (1 - f_S) ^{k_{text{eff}} - 1}ВS - Что?=В0 - Что?kЭфф - Что?(1−fS - Что?)kЭфф - Что?−1

где:

• CSC_SВS - Что?концентрация примеси в однокристаллическом кремнии,

• C0C_0В0 - Что?- начальная концентрация примеси в расплаве до затвердевания,

• fSf_SfS - Что?является долей материала, которая затвердела, и

• Я не знаю, что это такое.kЭфф - Что?Это...эффективный коэффициент сегрегации, определяется как соотношение концентрации примеси в твердом веществеCSC_SВS - Что?к тому, что в расплавленномCLC_LВЛ - Что?.

Фактический коэффициент сегрегацииЯ не знаю, что это такое.kЭфф - Что?зависит от коэффициента сегрегации равновесияК0к_0k0 - Что?(например,$k0=0.35$для фосфора) коэффициент диффузии примесиДДDв расплавленном виде, скорость роста кристалловvvv, и толщины пограничного слоя растворенного веществаδдельтаδна твердом/жидком интерфейсе.