автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Электрическое сопротивление нитевидных кристаллов кремния, выращенных по механизму ПЖК в открытой системе

^ cA. « ' ■

воронежский государственный технический университет

На правах рукописи

БАРАМЗИНА Елена Анатольевна ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ, ВЫРАЩЕННЫХ ПО МЕХАНИЗМУ ПЖК В ОТКРЫТОЙ СИСТЕМЕ

|Специальность 05.27.06- «Технология полупроводников и материалов электронной техники»),

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ii?

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ д.ф.-м.н.,профессор Щетинин A.A.

ВОРОНЕЖ-1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

I. Обзор литературы.

III. Влияние различных технологических факторов на электросопротивление НК кремния.

10

1.1 Опыт получения НК кремния и создания контактов к НК. 10

1.2 Электросопротивление монокристаллов кремния.

1.3 Особенности сильнолегированных полупроводников.

1.4 Влияние примесей на электросопротивление НК кремния . 17

1.5 Влияние внешних воздействий на свойства НК кремния.

13 15

23

II. Материалы, установки и методики 2п

исследований.

27

28

2.1 Материалы и установки для выращивания НК кремния .Методика эксперимента.

2.2 Методика создания омических контактов к НК кремния .

2 . 3 Методика исследования электрических

свойств НК кремния . 39

2 . 4 Методика измерения внутренних

напряжений в пластмассовых корпусах БИС НК тензометрами.

2.5 Установки и методики исследования электропластических свойств НК.

42 45

50

3.1 Влияние растворимости в кремнии инициирующей примеси металла на электросопротивление НК кремния.

3.2 Влияние фоновой донорной примеси на 51 электросопротивление НК кремния.

3.3 Зависимость электросопротивления НК кремния от концентрации вводимой компенсирующей примеси. 69

62

3.4 Влияние электрического тока и режима термообработки на электрическое сопротивление и структуру НК.

3.5 Технологические рекомендации получения чувствительных элементов датчиков на НК, выращенных по ПЖК механизму.

75

86

IV. Практическое кремния.

применение датчиков на

НК

89

4.1 Тензодатчики на НК для контроля параметров технологических процессов.

4.2 Расчет внутренних напряжений в многослойных конструкциях.

4 .3 Измерение остаточных внутренних

напряжений в пластмассовых корпусах микросхем.

Выводы.

Литература.

89 93

103

110

112

Приложение.

ВВЕДЕНИЕ.

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 01860048140); «Создание регулярных систем нитевидных кристаллов кремния и термопреобразователей на их основе» (госбюджетная тема 2.91, № госрегистрации 01910054554); «Капиллярное формообразование нитевидных кристаллов кремния» (госбюджетная тема 6.96, № госрегистрации 01960009744).

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 НК; выработать 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 кремнии; при 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 научно-

техническом 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,1990г.);Всесоюзной школе-семинаре «Электрофизические методы и технологии воздействия на структуру и свойства металлических материалов» (г.Ленинград, 1990г.) ; 4-й научно-

технической отраслевой конференции «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов» ( г. Саратов,1990г.) 7-й научно-технической отраслевой конференции «Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов» (г. Воронеж,1993г.); 4-й

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

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 роста- к.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.

Объем диссертации 121 страница ,в том числе 4 2 рисунка, 18 таблиц, библиография, включающая 103 наименования.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Опыт получения НК кремния и создания контактов к НК.

1)Механизмы роста НК.

На основе НК разработаны и созданы образцы уникальных конкурентноспособных чувствительных элементов датчиков различного функционального назначения /14,32,97,37,29/. Для более широкого использования таких датчиков необходима отработка технологии выращивания НК с заданными электрическими свойствами и технологии изготовления чувствительных элементов.

Электрофизические свойства НК определяют примеси, распределение и концентрация которых связаны с механизмами и технологическими условиями роста.

Известны два механизма роста НК:

1- в закрытой системе( с постоянной массой), когда рост НК идет по двухстадийной модели/55/: на первом этапе по ПЖК механизму вырастает тонкий кристалл—«лидер», а затем происходит его радиальное разращивание по механизму пар-кристалл (ПК) . Электрические свойства полученных НК в большой степени определяются неоднородным распределением примесей. Распределение и поведение примесей изучено в работах /54,34,52,53/, однако причины и условия образования примесных распределений так и остались невыясненными . Метод закрытой ампулы не позволяет получать НК с контролируемыми повторяемыми параметрами заданной величины, так как является практически неуправляемым.

2- наиболее перспективным механизмом роста НК из газовой фазы (с постоянным давлением) является механизм пар-жидкость-кристалл (ПЖК)/13,55/ так как он позволяет объяснить многие закономерности роста и получать НК с заданной концентрацией примесей. Сущность ПЖК механизма заключается в следующем: частица примеси (металл-инициатор) помещается на монокристаллическую подложку и при нагреве до температуры выше эвтектической сплавляется с подложкой, образуя каплю раствора подложка-примесь. Если над подложкой находится газовая среда, содержащая атомы материала подложки и созданы условия преимущественного их выделения на поверхности капли, то жидкий раствор станет пересыщенным и на

границе его с подложкой начнется выделение материала подложки. Под каплей начнет расти кристаллический столбик, продолжающий кристаллическую решетку

подложки. Многолетние исследования процессов роста и легирования НК, а также их свойств позволили подойти к решению проблемы получения регулярных систем НК с повторяемыми геометрическими параметрами для

практических целей. Закономерности процессов роста и распределения примесей изложены в работах /15,9,10,11,1,2/. В качестве инициаторов роста обычно используют Аи, Си, Р1:, Ад, Рс1, N1. Для получения НК с необходимыми электрическими свойствами в процессе роста вводят легирующие примеси (обычно элементы 3-й или 5-й группы).

Распределение примесей в НК обусловлено как случайными так и закономерными факторами

/13,55,91,43,15,/. Случайные обусловлены

неконтролируемыми отклонениями технологических

параметров роста вследствие несовершенства

оборудования.

Можно выделить следующие ступени управляемости ПЖК процессом/13/:

1-выращивание НК нужного материала;

2-выращивание на монокристаллических подложках (ориентированные системы).

3-Выращивание с заданными геометрическими размерами и поверхностной плотностью расположения на подложке (регулярные системы).

Несмотря на успехи в технологии получения НК в проточной системе с воспроизводимой геометрией /11,10,1,13/ остается открытым вопрос о повторяемости электрических параметров для НК, выращенных в одинаковых технологических условиях.

Недостаточность данных о факторах, определяющих свойства НК, выращенных в проточной системе, неясность некоторых аспектов легирования НК в процессе ПЖК роста, сдерживает управляемое выращивание кристаллов с заданными электрическими свойствами. При решении этих проблем возможно получение массовых партий чувствительных элементов с воспроизводимыми

характеристиками при условии строгого задания длины и диаметра. Соответствующее легирование в процессе роста и послеростовая обработка позволят получить НК с заданными стабильными параметрами.

2)Опыт создания контактов к НК .

В связи с использованием НК в качестве первичных преобразователей датчиков различных физических величин актуальной является проблема создания омических контактов к НК. Контакты должны удовлетворять

требованиям, предъявляемых к контактам на массивных НК/15,25,48/ а именно