Heterogeneous precipitation and internal gettering efficiency of iron in silicon

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-03-23
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
33, [50]
Series
TKK dissertations, 64
Abstract
In this thesis the heterogeneous iron precipitation was studied in silicon using oxide precipitates and related defects as precipitation sites. The motivation of the theoretical work is to find a model which quantitatively describes internal gettering results of iron under various supersaturation levels. The experimental work is used to verify the model. The results of this thesis indicate that the initial iron concentration level has a major impact on gettering efficiency and a high supersaturation ∼0.34 eV is needed before significant nucleation of iron precipitates can occur. The internal gettering of iron at low levels of initial iron concentration (<1×1012 cm−3) is practically impossible to achieve by cooling. The low temperature nucleation anneal is needed to induce a significant number of iron precipitates which then grow and getter iron at higher temperatures. For optimal internal gettering the proper combination of nucleation and growth steps of iron precipitates must be found. The optimal place for two step gettering is after the last high temperature anneal in which all iron precipitates are dissolved, if it is assumed that device performance is mainly determined by the final concentration of metal precipitates and dissolved iron concentration in the device layer. A model is presented for the heterogeneous precipitation of iron to oxygen-related defects in silicon during thermal processing. In the model we use special growth and dissolution rates, which are inserted into a set of modified Chemical Rate Equations or into the Fokker Planck Equation, to simulate time evolution of iron precipitates. This approach allows us to calculate the size distribution of iron precipitates and the residual iron concentration. By comparing the simulated results with numerous experimental results, it is proved that this model can be used to estimate the internal gettering efficiency of iron under a variety of processing conditions.

Väitöskirjatyössä tutkittiin raudan heterogeenista erkautumista piissä käyttäen happierkaumia sekä niihin liittyviä virheitä erkautumiskeskuksina. Teoreettisen työn tavoitteena on löytää malli, jolla raudan sisäisen getteroinnin tulokset useilla supersaturaatiotasoilla pystytään kvantitatiivisesti laskemaan. Kokeellisia tuloksia käytettiin mallin tuloksien varmentamiseen. Tulokset osoittavat, että alkutilanteen rautakonsentraatiolla on erittäin suuri merkitys getterointitehoon ja korkea supersaturaatio ∼0.34 eV tarvitaan ennen kuin merkittävää raudan erkautumista voi tapahtua. Pienen alkutilanteen rautakonsentraation (<1×1012 cm-3) tapauksessa sisäistä getterointia ei käytännössä tapahdu jäähdytyksen aikana. Tässä tapauksessa tarvitaan matalan lämpötilan ydintamiskäsittely, jossa syntyy merkittävä määrä rautaerkaumia, jotka voivat kasvaa ja getteroida raudan korkeammassa kasvatus lämpötilassa. Optimaalinen sisäinen getterointi vaati oikeanlaisen yhdistelmän ydintämis- ja kasvatuskäsittelyjä. Kaksivaiheisen getteroinnin optimaalinen paikka on prosessin viimeisen korkean lämpötilan käsittelyn jälkeen, jossa kaikki rautaerkaumat liukenevat, jos oletetaan rautaerkaumien ja liuenneen raudan konsentraation komponenttialueella yksin määräävän komponenttien suorituskyvyn. Raudan heterogeeniselle erkautumiselle happierkaumiin esitetaan malli. Mallissa käytetään erityisiä kasvu- ja liukenemis kertoimia, joiden avulla simuloidaan ajasta riippuvaa raudan erkautumista, käyttäen modifioituja kemiallisia muutosyhtälöitä tai Fokker Planck yhtälöä. Tällä tavalla saadaan laskettua rautaerkaumien kokojakauma ja jäljelle jäänyt liuennut rautakonsentraatio. Vertaamalla simuloituja ja useita kokeellisia tuloksia osoitetaan, että esitettyä mallia voidaan käyttää sisäisen getteroinnin tehon laskentaan hyvinkin erilaisissa prosessointiolosuhteissa.
Description
Keywords
silicon, iron, internal gettering, precipitation, oxide precipitates, pii, rauta, erkautuminen, sisäisen getterointi, happierkauma
Other note
Parts
  • A. Haarahiltunen, M. Yli-Koski, H. Väinölä, M. Palokangas, E. Saarnilehto, and J. Sinkkonen, Experimental study of internal gettering efficiency of iron in silicon, Physica Scripta T114, 91-93 (2004). [article1.pdf] © 2004 Institute of Physics Publishing. By permission.
  • A. Haarahiltunen, H. Väinölä, M. Yli-Koski, E. Saarnilehto, and J. Sinkkonen, Detection of iron contamination in internally gettered p-type silicon wafers by lifetime measurements, The Electrochemical Society Proceedings Vol. 05, High purity silicon VIII, Editors: C. L. Claeys, M. Watanabe, R. Falster and P. Stallhofer, p 135-145 (2004). [article2.pdf] © 2004 The Electrochemical Society (ECS). By permission.
  • H. Väinölä, A. Haarahiltunen, E. Saarnilehto, M. Yli-Koski, J. Sinkkonen, and O. Anttila, Enhancement of internal gettering efficiency of iron by low temperature nucleation, The Electrochemical Society Proceedings Vol. 05, High purity silicon VIII, Editors: C. L. Claeys, M. Watanabe, R. Falster and P. Stallhofer, p 160-164 (2004). [article3.pdf] © 2004 The Electrochemical Society (ECS). By permission.
  • A. Haarahiltunen, H. Väinölä, O. Anttila, E. Saarnilehto, M. Yli-Koski, J. Storgårds, and J. Sinkkonen, Modeling of heterogeneous precipitation of iron in silicon, Applied Physics Letters 87, 151908 (2005). [article4.pdf] © 2005 American Institute of Physics. By permission.
  • A. Haarahiltunen, H. Väinölä, O. Anttila, M. Yli-Koski, and J. Sinkkonen, Experimental and theoretical study of heterogeneous iron precipitation in silicon, Journal of Applied Physics 101, 043507 (2007). [article5.pdf] © 2007 American Institute of Physics. By permission.
  • A. Haarahiltunen, H. Väinölä, O. Anttila, M. Yli-Koski, and J. Sinkkonen, Modeling and optimization of internal gettering of iron in silicon, ECS Transactions Vol. 3 (4), Editors: C. L. Claeys, M. Watanabe, R. Falster and P. Stallhofer, p 273-284 (2006). [article6.pdf] © 2006 The Electrochemical Society (ECS). By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-009056