RU2094549C1

RU2094549C1 - Method for heat treatment of highly alloyed monocrystals of silicium

Info

Publication number: RU2094549C1
Application number: RU93036470A
Authority: RU
Inventors: А.Ф. Шиманский; Е.В. Краснова; В.Ф. Каргин; В.М. Тупаев; В.В. Леонов
Original assignee: Красноярский институт цветных металлов
Priority date: 1993-07-13
Filing date: 1993-07-13
Publication date: 1997-10-27

Abstract

FIELD: metallurgy, namely, technology of semiconductor materials, preferably for production of highly alloyed monocrystals of silicium having reproducible electrophysical characteristics. SUBSTANCE: method involves multiple heating to (1470 ± 50) K and cooling to (770 ± 50) K which are carried out 4-5 times. EFFECT: decreased duration of heat treatment. 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к технологии полупроводниковых материалов. Преимущественно изобретение может быть использовано для получения однородных сильнолегированных монокристаллов кремния с воспроизводимыми электрофизическими характеристиками. Оно может найти применение для монокристаллов кремния, сильнолегированных фосфором, бором и другими элементами. The invention relates to metallurgy, and in particular to the technology of semiconductor materials. Advantageously, the invention can be used to obtain uniform highly doped silicon single crystals with reproducible electrophysical characteristics. It can be used for silicon single crystals heavily doped with phosphorus, boron, and other elements.

Известен способ получения сильнолегированных монокристаллов кремния, включающий термообработку с нагревом до температуры (1370 1470)K со скоростью 1000 град/ч, выдержкой при этой температуре в течение 10 ч и охлаждением (Шиманский А.Ф. и др. Влияние термообработки на структурное совершенство сильнолегированных монокристаллов кремния. Неорганические материалы, т. 29, N 1, с. 18-20). Этот способ позволяет уменьшить разницу значений концентраций примесей с 10 до 4% Однако недостатком такого способа является длительность процесса и относительно высокая остаточная неоднородность распределения примесей. A known method for producing heavily doped silicon single crystals, including heat treatment with heating to a temperature of (1370 1470) K at a speed of 1000 deg / h, holding at this temperature for 10 hours and cooling (Shimansky AF et al. Effect of heat treatment on the structural perfection of heavily doped silicon single crystals. Inorganic materials, vol. 29, No. 1, pp. 18-20). This method allows to reduce the difference in the concentrations of impurities from 10 to 4%. However, the disadvantage of this method is the duration of the process and the relatively high residual heterogeneity of the distribution of impurities.

Основная задача изобретения заключается в повышении однородности сильнолегированных монокристаллов кремния. Другой задачей является сокращение времени термообработки. The main objective of the invention is to increase the uniformity of heavily doped silicon single crystals. Another objective is to reduce the heat treatment time.

Для достижения поставленной задачи заявляемый способ получения сильнолегированных монокристаллов кремния содержит следующую совокупность существенных признаков. Сильнолегированные монокристаллы кремния нагревают до температуры (1470±50)K, затем охлаждают до (770±50)K, далее повторяют циклы нагрева и охлаждения многократно. Наиболее целесообразно проводить термообработку до 4 5 раз. Скорость нагрева и охлаждения при термоциклировании составляет около 1500 град/ч. Окончательное охлаждение производят с верхней температуры. To achieve this objective, the claimed method for producing highly doped silicon single crystals contains the following set of essential features. Heavily doped silicon single crystals are heated to a temperature of (1470 ± 50) K, then cooled to (770 ± 50) K, then the heating and cooling cycles are repeated many times. It is most advisable to conduct heat treatment up to 4 to 5 times. The heating and cooling rate during thermal cycling is about 1500 deg / h. Final cooling is carried out from the upper temperature.

Существенное отличие заявляемого способа от известных технических решений подтверждается тем, что в предложенном объекте используется новый существенный признак, которым является многократные нагрев и охлаждение, т.е. термоциклирование. При этом новый признак обеспечивает снижение разницы значений концентраций практически вдвое по сравнению с прототипом. A significant difference of the proposed method from the known technical solutions is confirmed by the fact that the proposed object uses a new significant feature, which is multiple heating and cooling, i.e. thermal cycling. At the same time, the new feature provides a reduction in the difference in concentration values by almost half compared with the prototype.

Эффект повышения однородности примесей в монокристаллах кремния наблюдается после 4 5 кратного нагрева до температуры (1470±50)K и охлаждения до (770±50)K. The effect of increasing the uniformity of impurities in silicon single crystals is observed after 4–5 times heating to a temperature of (1470 ± 50) K and cooling to (770 ± 50) K.

Использование верхней температуры нагрева свыше (1470±50)K вызывает ухудшение качества кристаллов, что связано с возрастанием концентрации дефектов кристаллического строения вблизи точки плавления. Using the upper heating temperature above (1470 ± 50) K causes a deterioration in the quality of crystals, which is associated with an increase in the concentration of defects in the crystal structure near the melting point.

Применение нижней температуры менее (770±50)K, как показали исследования, нецелесообразно, т.к. монокристалл не оказывается более однородным по концентрации примеси. The use of a lower temperature of less than (770 ± 50) K, as shown by studies, is impractical, because a single crystal is not more uniform in impurity concentration.

Скорость нагрева и охлаждения ограничивалась инерционностью системы. The heating and cooling rate was limited by the inertia of the system.

Число циклов нагрева-охлаждения менее четырех не дает требуемых результатов. Увеличение количества циклов свыше пяти нецелесообразно, т.к. не вызывает заметного повышения однородности монокристалла. The number of heating-cooling cycles of less than four does not give the desired results. An increase in the number of cycles over five is impractical because does not cause a noticeable increase in the uniformity of the single crystal.

Предлагаемый способ повышения однородности опробован на монокристаллах кремния, легированных фосфором до значения удельного сопротивления приблизительно 0,005 Ом.см, что отвечает содержанию фосфора около 10²⁰ см^-3.The proposed method for increasing uniformity was tested on silicon single crystals doped with phosphorus to a resistivity value of approximately 0.005 Ohm.cm, which corresponds to a phosphorus content of about 10 ²⁰ cm ^-3 .

Монокристаллы кремния выращены из расплава по методу Чохральского в кристаллографическом направлении. Выращивание производили на установке "Редмет-15" из тигля диаметром 232 мм со скоростью 1,5 2,0 мм/мин. Скорость вращения затравки составляла 10 15 об/мин, тигля 3 4 об/мин. Размеры слитков составляли: диаметр 65 мм, длина до 700 мм. Silicon single crystals were grown from the melt according to the Czochralski method in the crystallographic direction. The cultivation was carried out on the installation "Redmet-15" from a crucible with a diameter of 232 mm with a speed of 1.5 to 2.0 mm / min. The speed of rotation of the seed was 10 15 rpm, crucible 3 4 rpm The dimensions of the ingots were: diameter 65 mm, length up to 700 mm.

Для экспериментов использовали образцы с размерами 10х10х30 мм³, вырезанные из исследуемых монокристаллов. Отжиг проводили в печи установки для выращивания монокристаллов "Редмет-15".For experiments, we used samples with dimensions of 10 × 10 × 30 mm ³ cut from the studied single crystals. Annealing was carried out in a furnace of the Redmet-15 single crystal plant.

Микроренгеноспектральный анализ распределения примесей производили на растровом электронном микроскопе-микроанализаторе РЭМ-100У с локальностью 1 мкм³. Съемку осуществляли в режиме накопления импульсов, время счета составляло 30 мин. Измерения вели на расстоянии 15 мкм с шагом 2,5 мкм, в каждой точке производили по 5 замеров.The micro-X-ray spectral analysis of the distribution of impurities was performed on a REM-100U scanning electron microscope-microanalyzer with a locality of 1 μm ³ . The shooting was carried out in the mode of accumulation of pulses, the counting time was 30 minutes The measurements were carried out at a distance of 15 μm in increments of 2.5 μm, 5 measurements were made at each point.

В таблице приведен предлагаемый способ получения сильнолегированных монокристаллов кремния в сравнении с выбранным прототипом и исходным состоянием. The table shows the proposed method for producing highly doped silicon single crystals in comparison with the selected prototype and the initial state.

Примеры конкретного выполнения термообработки. Examples of specific heat treatment.

Пример 1. Образец монокристалла кремния, сильнолегированного фосфором, размером 10х10х30 мм³ нагревали до температуры (1470±50)K, выдерживали 10 ч и охлаждали. Максимальная разница значений С_p/С_p после термообработки составляет прибл. 4,5% а в исходном образце прибл. 10%
Пример 2. Образец монокристалла кремния, сильнолегированного фосфором, размером 10х10х30 мм³ нагревали до температуры (1470±50)K со скоростью 1500 град/ч, затем охлаждали до (770±50)K с той же скоростью, далее повторяли циклы нагрева и охлаждения до 4 раз. Окончательное охлаждение производили с верхней температуры. Максимальная разница значений С_p/С_p составляет прибл. 2,1% что примерно вдвое меньше по сравнению с прототипом. Длительность процесса также меньше приблизительно в два раза.Example 1. A sample of a single crystal of silicon, heavily doped with phosphorus, size 10 × 10 × 30 mm ^{3 was} heated to a temperature of (1470 ± 50) K, kept for 10 hours and cooled. The maximum difference in C _p / C _p after heat treatment is approx. 4.5% and in the original sample approx. ten%
Example 2. A sample of a single crystal of silicon, heavily doped with phosphorus, size 10 × 10 × 30 mm ^{3 was} heated to a temperature of (1470 ± 50) K at a speed of 1500 deg / h, then it was cooled to (770 ± 50) K at the same speed, then the heating and cooling cycles were repeated up to 4 times. Final cooling was performed from the upper temperature. The maximum difference in C _p / C _p is approx. 2.1%, which is about half as much compared to the prototype. The duration of the process is also less than about half.

Из таблицы следует, что предлагаемый способ получения сильнолегированных монокристаллов кремния обеспечивает необходимую однородность распределения примесей и сокращает время термообработки. From the table it follows that the proposed method for producing highly doped silicon single crystals provides the necessary uniformity of the distribution of impurities and reduces the heat treatment time.

Claims

The method of heat treatment of heavily doped silicon single crystals, comprising heating the single crystals to (1470 ± 50) K and their subsequent cooling, characterized in that the cooling is carried out to (770 ± 50) K, and heating and cooling are carried out 4-5 times.