Vienkristāla silīcijs: izaugsme un īpašības

Avots:https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-48933-9_13

CZ MCZ Single crystal

Silīcijs, kas vēl kādu laiku ir bijis un joprojām būs dominējošais materiāls pusvadītāju nozarē [13.1], mūs ievedīs īpaši liela mēroga integrācijas (ULSI) un sistēmas-on-chip (SOC) laikmetā.

Tā kā elektroniskās ierīces ir kļuvušas progresīvākas, ierīču veiktspēja ir jutīgāka pret to izgatavošanai izmantoto materiālu kvalitāti un īpašībām.

Germanium (Ge) sākotnēji tika izmantots kā pusvadītāju materiāls cietvielu elektroniskām ierīcēm. Tomēr Ge šaurais joslu atstarpe (0,66 eV) ierobežo ģermāna bāzes ierīču darbību līdz aptuveni∘C, jo augstākās temperatūrās novēro ievērojamas noplūdes strāvas. Turpretī platāka silīcija joslas atstarpe (1,12 eV) rada elektroniskas ierīces, kas spēj darboties līdz $\approx 200^{\circ} C$ . Tomēr ir daudz nopietnu problēmu nekā šaurais joslu attālums: germānijs uz virsmas nenodrošina viegli pārvaramu pasivācijas slāni. Piemēram, germānija dioksīds (GeO2) ir ūdenī šķīstošs un disociējas aptuveni 800∘Silīcija, atšķirībā no germānija, viegli uzņem virsmas pasivēšanu, veidojot silīcija dioksīdu (SiO2), kas nodrošina augstu ierīces pakāpi. Šis stabilais SiO2slānis rada neizšķiramas priekšrocības silīcijai salīdzinājumā ar germāniju kā pusvadītāju pamatmateriālu, ko izmanto elektronisko ierīču ražošanā. Šī priekšrocība ir radījusi daudz jaunu tehnoloģiju, tostarp difūzijas dopinga procesus un sarežģītu modeļu noteikšanu. Citas silīcija priekšrocības ir tas, ka tas ir pilnīgi netoksisks, un silīcija dioksīds (SiO2), izejviela, no kuras iegūst silīciju, satur aptuveni 60%%minerālu satura Zemes garozā. Tas nozīmē, ka izejviela, no kuras iegūst silīciju, ir daudz pieejama integrētajai shēmai (IC) rūpniecība. Turklāt elektronisko silīciju var iegūt mazāk nekā par vienu desmito daļu no germanija izmaksām. Visas šīs priekšrocības ir izraisījušas, ka silīcijs gandrīz pilnībā aizstāj germāniju pusvadītāju nozarē.

Kaut arī silīcijs nav optimāla izvēle katrai elektroniskai ierīcei, tā priekšrocības nozīmē, ka tas vēl kādu laiku gandrīz noteikti dominēs pusvadītāju nozarē.

13.1Pārskats

Kopš punktkontakta tranzistora izgudrošanas 1947. gadā, kad vajadzība pēcideāls un tīrstika atpazīti kristāli. Konkurence bieži bija tāda, ka jauno ierīču pieprasīto kristāla kvalitāti varēja apmierināt, tikai kontrolējot kristālu augšanu, izmantojot elektroniskās iekārtas, kas būvētas ar šīm jaunajām ierīcēm. Tā kā silīcija kristāli bez dislokācijas tika audzēti jau 1960. gados, izmantojotDash tehnika[13.2], pusvadītāju materiālu izpēte un izstrāde ir koncentrēta uz materiāla tīrību, ražošanas ražu un problēmām, kas saistītas ar ierīču ražošanu.

Pusvadītāju ierīces un shēmas izgatavo, izmantojot ļoti dažādus mehāniskos, ķīmiskos, fizikālos un termiskos procesus. Aflow diagramma tipiskiem pusvadītāju silīcija sagatavošanas procesiem parādīta attēlā.13.1. Silīcija monokristālu substrātu ar mehāniski un ķīmiski pulētu virsmu sagatavošana ir pirmais solis garajā un sarežģītajā ierīces izgatavošanas procesā.

Fig. 13.1 — 13.1. Attēls
Plūsmas diagramma tipiskiem pusvadītāju silīcija sagatavošanas procesiem. (Pēc [13.1])

Kā minēts iepriekš, silīcijs ir otrs visvairāk izplatītais elements uz Zemes; vairāk nekā 90%Zemes garozas sastāv no silīcija dioksīda un silikātiem. Ņemot vērā šo neierobežoto izejvielu piegādi, problēma ir silīcija pārveidošana par izmantojamo stāvokli, ko prasa pusvadītāju tehnoloģija. Pirmā un galvenā prasība ir tāda, ka elektroniskajām ierīcēm izmantotajam silīcijam jābūt ārkārtīgi tīram, jo ļoti nelielam dažu piemaisījumu daudzumam ir spēcīga ietekme uz silīcija elektroniskajām īpašībām un līdz ar to arī elektroniskās ierīces veiktspēju. Otra prasība attiecas uz liela diametra kristāliem, jo šķembu raža uz vienu vafeļu būtiski palielinās ar lielāku diametru, kā parādīts attēlā.13.2attiecībā uz DRAM [13.3], viena no izplatītākajām elektroniskajām ierīcēm. Papildus tīrībai un diametram, ražošanas izmaksām un materiāla specifikācijām, ieskaitot izaugušo defektu blīvumu un rezistīvo viendabīgumu, jāatbilst pašreizējām rūpniecības vajadzībām.

Fig. 13.2 — 13.2. Attēls
Mikroshēmas vienā vafelē kā DRAM ģenerēšanas funkcija. (Pēc [13.3])

Šajā nodaļā pašreizējās pieejas silīcija sagatavošanai - izejvielu pārvēršana vienkristāliskā silīcijā (skat.13.1) - tiek apspriesti.

13.2Sākuma materiāli

13.2.1Metalurģijas pakāpes silīcijs

Augstas tīrības pakāpes silīcija monokristālu izejviela ir silīcija dioksīds (SiO2). Pirmais silīcija ražošanas posms ir silīcija dioksīda kausēšana un reducēšana. To panāk, sajaucot silīcija dioksīdu un oglekli akmeņogļu, koksa vai šķeldas veidā un maisījumu sildot līdz augstai temperatūrai zemūdens elektrodu loka krāsnī. Šī silīcija dioksīda karbotermiskā reducēšana rada kausētu silīciju

S i O_{2} + 2C \to Si + 2CO .

(13.1) Krāsnī faktiski notiek sarežģītas reakciju sērijas temperatūrā no 1500 līdz 2000∘C. Šajā procesā iegūtos silīcija gabaliņus sauc par metalurģiskā līmeņa silīciju (MG-Si), un tā tīrība ir aptuveni 98–99%.

13.2.2Polikristālisks silīcijs

Starpposma ķīmiskie savienojumi

Nākamais solis ir MG-Si attīrīšana līdz pusvadītāja pakāpes silīcija (SG-Si) līmenim, ko izmanto kā izejmateriālu vienkristāliskajam silīcijam. Pamatkoncepcija ir tāda, ka pulverveida MG-Si tiek reaģēts ar bezūdens HCl, veidojot dažādus hlorosilāna savienojumus sašķidrinātā slāņa reaktorā. Tad silānus attīra, destilējot un ķīmiski nogulsnējot tvaikus (CVD), lai izveidotu SG-polisilīciju.

Ir apsvērts daudz starpposma ķīmisko savienojumu, piemēram, monosilāns (SiH4), silīcija tetrahlorīds (SiCl4), trihlorosilāns (SiHCl3) un dihlorosilānu (SiH2Cl2). Starp šiem trihlorosilānu visbiežāk izmanto polisilīcija nogulsnēšanai šādu iemeslu dēļ:

1.
To var viegli izveidot bezūdens ūdeņraža hlorīda reakcijā ar MG-Si samērā zemā temperatūrā (200–400∘C).
2.
Tas ir šķidrs istabas temperatūrā, tāpēc attīrīšanu var veikt, izmantojot standarta destilācijas paņēmienus.
3.
Ar to ir viegli rīkoties, un sausā stāvoklī to var uzglabāt oglekļa tērauda tvertnēs.
4.
Šķidro trihlorosilānu viegli iztvaiko, un, sajaucot ar ūdeņradi, to var transportēt tērauda līnijās.
5.
To var samazināt atmosfēras spiedienā ūdeņraža klātbūtnē.
6.
Tā nogulsnēšanās var notikt uz uzkarsēta silīcija, novēršot nepieciešamību pēc saskares ar svešām virsmām, kas var piesārņot iegūto silīciju.
7.
Tas reaģē zemākā temperatūrā (1000–1200∘C) un ātrāk nekā silīcija tetrahlorīds.

Silīcija hidrohlorēšana

Trihlorosilānu sintezē, sasildot pulverveida MG-Si apmēram 300∘C reaktīvā slānī. Tas ir, MG-Si tiek pārveidots par SiHCl3saskaņā ar šādu reakciju

Si + 3HCl \to S i H C l_{3} + H_{2} .

(13.2) Reakcija ir ļoti eksotermiska, tāpēc ir jānoņem siltums, lai maksimāli palielinātu trihlorosilāna ražu. Pārvēršot MG-Si SiHCl3, dažādi piemaisījumi, piemēram, Fe, Al un B, tiek noņemti, pārveidojot tos par halogenīdiem (FeCl3, AlCl3un BCl3un attiecīgi blakusproduktus, piemēram, SiCl4un H2tiek ražoti arī.

Trihlorosilāna destilācija un sadalīšanās

Trichlorosilāna attīrīšanai plaši izmantota destilācija. Trihlorosilāns, kura viršanas temperatūra ir zemāka (31.8∘C), tiek frakcionēti destilēts no nešķīstajiem halogenīdiem, kā rezultātā ievērojami palielinās tīrība un elektriski aktīvo piemaisījumu koncentrācija ir mazāka par 1 ppba. Pēc tam augstas tīrības pakāpes trihlorosilānu tvaicē, atšķaida ar ļoti tīru ūdeņradi un ievada nogulsnēšanās reaktorā. Reaktorā silīcija virsmas uzklāšanai atbilstoši reakcijai ir pieejami plāni silīcija stieņi, kurus sauc par slaidiem stieņiem, kurus atbalsta grafīta elektrodi.

S i H C l_{3} + H_{2} \to Si + 3HCl .

(13.3) Papildus šai reakcijai polisilīcija nogulsnēšanās laikā notiek arī šāda reakcija, kā rezultātā veidojas silīcija tetrahlorīds (procesa galvenais blakusprodukts)

HCl + S i H C l_{3} \to S i C l_{4} + H_{2} .

(13.4) Šo silīcija tetrahlorīdu izmanto, piemēram, augstas tīrības pakāpes kvarca ražošanai.

Lieki piebilst, ka plāno stieņu tīrībai jābūt salīdzināmai ar nogulsnētā silīcija tīrību. Slaidie stieņi ir iepriekš sasildīti līdz aptuveni 400∘C silīcija CVD procesa sākumā. Šī priekšsildīšana ir nepieciešama, lai paaugstinātu augstas tīrības pakāpes (augstas pretestības) plāno stieņu vadītspēju pietiekami, lai ļautu veikt pretestību. Depozīts 200–300 h apmēram 1100∘C rezultātā tiek iegūti augstas tīrības pakāpes polisilīcija stieņi ar diametru 150–200 mm. Polisilīcija stieņi tiek veidoti dažādās formās turpmākajiem kristālu augšanas procesiem, piemēram, gabali Czochralski kausēšanas augšanai un garie cilindriskie stieņi pludiņzonas augšanai. Trichlorosilāna reducēšanas process uz sakarsēta silīcija stieņa, izmantojot ūdeņradi, tika aprakstīts 1950. gadu beigās un 60. gadu sākumā vairākos procesa patentos, kas piešķirti Siemens; tāpēc šo procesu bieži sauc parSiemens metode[13.4].

Galvenie Siemens metodes trūkumi ir tās sliktā silīcija un hlora konversijas efektivitāte, salīdzinoši mazais partijas lielums un liels enerģijas patēriņš. Silīcija un hlora sliktā konversijas efektivitāte ir saistīta ar lielu silīcija tetrahlorīda tilpumu, kas ražots kā blakusprodukts CVD procesā. Tikai apmēram 30%silīcija, ko nodrošina CVD reakcija, tiek pārveidots par ļoti tīru polisilīciju. Arī augstas tīrības pakāpes silīcija ražošanas izmaksas var būt atkarīgas no blakusprodukta SiCl lietderības.4.

Monosilāna process

Apolisilīcija ražošanas tehnoloģija, kuras pamatā ir monosilāna ražošana un pirolīze, tika izveidota 1960. gadu beigās. Monosilāns potenciāli ietaupa enerģiju, jo tas nogulsnē polisilīciju zemākā temperatūrā un rada tīrāku polisilīciju nekā trihlorosilāna process; tomēr to gandrīz neizmanto, jo trūkst ekonomiska ceļa uz monosilānu un apstrādes problēmu dēļ nogulsnēšanās posmā [13.5]. Tomēr, nesen attīstoties ekonomiskiem ceļiem uz augstas tīrības pakāpes silānu un veiksmīgi darbojoties lielapjoma rūpnīcai, šī tehnoloģija ir piesaistījusi pusvadītāju nozares uzmanību, kurai nepieciešams augstākas tīrības pakāpes silīcijs.

Pašreizējos rūpnieciskos monosilāna procesos magniju un MG-Si pulveri silda līdz 500∘C zemūdeņraža atmosfērā, lai sintezētu magēnija silīciju (Mg2Si), kas pēc tam tiek reaģēts ar amonija hlorīdu (NH4Cl) šķidrā amonjakā (NH3) zem 0∘C, veidojot monosilānu (SiH4). Pēc tam, veicot monosilāna pirolīzi uz rezistīvi apsildāmām polisilīcija diegiem 700–800 temperatūrā, tiek iegūts augstas tīrības pakāpes polisilīcijs.∘C. Monosilāna ražošanas procesā lielākā daļa bora piemaisījumu no silāna tiek noņemti, ķīmiski reaģējot ar NH3. Izmantojot amonosilāna procesu, aborona saturs polisilīcijā ir 0,01–0,02 ppba. Šī koncentrācija ir ļoti zema, salīdzinot ar koncentrāciju polisilīcijā, kas sagatavots no trihlorosilāna. Turklāt iegūtais polisilīcijs ir mazāk piesārņots ar metāliem, kas iegūti, izmantojot ķīmiskos transporta procesus, jo monosilāna sadalīšanās nerada nekādas korozijas problēmas.

Granulu polisilīcija nogulsnēšana

Ir izstrādāts ievērojami atšķirīgs process, kurā monosilāna sadalīšanos izmanto sašķidrinātā slāņa nogulsnēšanās reaktorā, lai iegūtu brīvi plūstošu granulētu polisilīciju.13.5]. Tiny silīcija sēklu daļiņas tiek šķidrinātas amonosilāna ∕ ūdeņraža maisījumā, un polisilīcijs tiek nogulsnēts, lai izveidotu brīvi plūstošas sfēriskas daļiņas, kuru diametrs ir vidēji 700 μm ar asize sadalījumu 100–1500 μm. Sākotnēji slānās slāņa sēklas tika izgatavotas, sasmalcinot SG-Si aball vai āmura dzirnavās un izskalojot produktu ar skābi, ūdeņraža peroksīdu un ūdeni. Šis process bija laikietilpīgs un dārgs, un tam ar metāla slīpmašīnām bija tendence sistēmā ievadīt nevēlamus piemaisījumus. Tomēr, izmantojot jaunu metodi, lielas SG-Si daļiņas tiek apšaudītas viena ar otru ar ātrgaitas gāzes plūsmu, liekot tām sadalīties piemērotā lieluma daļiņās plūstošajā slānī. Šis process neievieš svešus materiālus un neprasa izskalošanos.

Sakarā ar lielāku granulētā polisilīcija platību plūstošo slāņu reaktori ir daudz efektīvāki nekā tradicionālie Siemens tipa stieņu reaktori. Ir pierādīts, ka slidinātā slāņa polisilīcija kvalitāte ir līdzvērtīga polisilīcijam, ko ražo ar parastāku Siemens metodi. Turklāt brīvi plūstošas formas granulēts polisilīcija un augsts tilpuma blīvums ļauj kristālu audzētājiem maksimāli iegūt no katra ražošanas cikla. Tas ir, Czochralski kristālu augšanas procesā (skat. Nākamo sadaļu) tīģeļus var ātri un viegli piepildīt līdz vienmērīgai slodzei, kas parasti pārsniedz nejauši sakrautu polisilīcija gabalu slodzi, kas ražota ar Siemens metodi. Ja mēs arī apsveram tehnikas potenciālu pāriet no partijas darbības uz nepārtrauktu vilkšanu (aplūkots vēlāk), mēs varam redzēt, ka brīvi plūstošas polisilīcija granulas varētu nodrošināt izdevīgu ceļu vienveidīgai barībai līdz patstāvīgai kausēšanai. Šis produkts, šķiet, ir arevolucionārs izejmateriāls, kas sola silīcija kristālu augšanu.

13.3Viena kristāla izaugsme

Lai gan polisilīcija pārveidošanai par silīcija monokristāliem ir izmantotas dažādas metodes, to ražošanā elektronikai ir dominējušas divas metodes, jo tās atbilst mikroelektronikas ierīču nozares prasībām. Viena ir azona kausēšanas metode, ko parasti sauc parpeldošā zona (FZ) metodi, un otra ir apulling metode, ko tradicionāli sauc parCzochralski (CZ) metodi, lai gan to faktiski vajadzētu saukt parZilgana - mazā metode. Šo divu kristālu augšanas metožu principi ir parādīti 1. attēlā.13.3. FZ metodē izkausētā zona tiek izvadīta caur apolisilīcija stieni, lai to pārveidotu par vienkristāla lietni; CZ metodē vienkristālu audzē, izvelkot no amartas, kas atrodas akvarca tīģelī. Abos gadījumossēklu kristālsspēlē ļoti svarīgu lomu viena kristāla iegūšanā ar vēlamo kristalogrāfisko orientāciju.

Fig. 13.3a,b — 13.3.a, b att
Viena kristāla augšanas principi (a) peldošās zonas metode un (b) Čohralska metode. (Pēc [13.1])

Tiek lēsts, ka apmēram 95%visa monokristāla silīcija tiek ražota ar CZ metodi, bet pārējais galvenokārt ar FZ metodi. Silīcija pusvadītāju rūpniecībai ir nepieciešama augsta tīrības pakāpe un minimāla defektu koncentrācija to silīcija kristālos, lai optimizētu ierīces ražošanas ražīgumu un darbības veiktspēju. Šīs prasības kļūst arvien stingrākas, kad tehnoloģija mainās no LSI uz VLSI ∕ ULSI un pēc tam uz SOC. Papildus silīcija kristālu kvalitātei vai pilnībai kristāla diametrs ir nepārtraukti palielinājies, lai apmierinātu ierīču ražotāju prasības. Tā kā mikroelektroniskās mikroshēmas tiek ražotas, izmantojot apartijas sistēma, ierīču ražošanai izmantoto silīcija plāksnīšu diametri būtiski ietekmē produktivitāti (kā parādīts 1.13.2), savukārt ražošanas izmaksas.

Nākamajās sadaļās vispirms mēs apspriežam FZ metodi un pēc tam pārejam uz CZ metodi. Pēdējais tiks apspriests sīkāk, jo tas ir ārkārtīgi svarīgs mikroelektronikas nozarei.

13.3.1Peldošās zonas metode

Vispārīgas piezīmes

FZ metode radās kausēšanas zonā, kas tika izmantota bināro sakausējumu rafinēšanai [13.6] un to izgudrojaTeuers[13.7]. Šķidrā silīcija reaktivitāte ar tīģelim izmantoto materiālu ļāva izstrādāt FZ metodi [13.8], kas ļauj kristalizēt silīciju bez nepieciešamības sazināties ar tīģeļa materiālu, kas nepieciešams, lai varētu izaugt vajadzīgās pusvadītāja tīrības kristāli.

Procesa izklāsts

FZ procesā apolisilīcija stienis tiek pārveidots par vienkristāla lietni, izlaižot izkausēto zonu, ko silda adatas-acs spole, no viena stieņa gala uz otru, kā parādīts attēlā.13.3a. Pirmkārt, polisilīcija stieņa galu saskaras un sapludina ar vajadzīgo kristālu ar vēlamo kristāla orientāciju. Šo procesu saucsēšana. Sēklu izkausētā zona tiek izvadīta caur polisilīcija stieni, vienlaikus pārvietojot vienkristāla sēklas uz leju. Kad izkausētā silīcija zona sacietē, polisilīcija ar sēklas kristāla palīdzību tiek pārveidota par vienkristālisku silīciju. Zonai ceļojot pa polisilīcija stieni, viena kristāla silīcijs tā galā sasalst un aug kā sēklu kristāla pagarinājums.

Pēc sēšanas izveidojas kakla diametrs apmēram 2 vai 3 mm un garums 10–20 mm. Šo procesu sauckakla izgriešana. Pieaugoša aneka novērš dislokācijas, kuras siltuma trieciena dēļ sēšanas laikā var ievadīt jaunaudzētā vienkristāla silīcijā. Šis kakla izgriešanas process, ko sauc parDash tehnika[13.2], tāpēc ir pamats kristālu bez dislokācijas audzēšanai un tiek universāli izmantots gan FZ, gan CZ metodēs. Ar FZ metodi audzēto asilikona monokristālu sēklu, kakla un konusveida daļas rentgenstaru topogrāfs parādīts attēlā.13.4. Ir acīmredzams, ka izkausējumi, kas radušies kausēšanas kontaktā, tiek pilnībā novērsti ar kakla palīdzību. Pēc koniskās daļas izveidošanas tiek audzēts galvenais korpuss ar pilnu mērķa diametru. Visā FZ augšanas procesā izkausētās zonas formu un lietņu diametru nosaka, pielāgojot spoles jaudu un kustības ātrumu, kas abi ir datora kontrolē. Metode, ko visbiežāk izmanto, lai automātiski kontrolētu diametru gan FZ, gan CZ metodēs, izmanto infrasarkano staru sensoru, kas vērsts uz menisku. Meniska forma uz agro kristāla ir atkarīga no tā saskares leņķa pie trīsfāžu robežas, kristāla diametra un virsmas spraiguma lieluma. Tiek uztverta meniska leņķa (un līdz ar to arī kristāla diametra) maiņa, un informācija tiek atgriezta, lai automātiski pielāgotu augšanas apstākļus.

Fig. 13.4 — 13.4. Attēls
Peldošās zonas silīcija sēklu, kakla un konusveida daļas rentgenogrāfija. (Dr T. Abe pieklājība)

Atšķirībā no CZ kristālu augšanas, kurā sēklas kristāls tiek iemērkts silīcija kausējumā un augošais kristāls tiek uzvilkts uz augšu, FZ metodē plāns sēklu kristāls uztur augošo kristālu, tāpat kā polisilīcija stienis no apakšas (1. attēls).13.3). Rezultātā visa augšanas procesa laikā stienis nestabili sabalansē uz plānās sēklas un kakla. Sēkla un kakls var izturēt akrilu līdz 2020 kg, kamēr augošā kristāla smaguma centrs paliek augšanas sistēmas centrā. Ja smaguma centrs attālinās no centra līnijas, sēklas viegli saplīsīs. Tāpēc pirms garu un smagu FZ silīcija kristālu audzēšanas bija nepieciešams izgudrot akrila stabilizācijas un atbalsta tehniku. Lieliem kristāliem ir nepieciešams atbalstīt augošo kristālu tā, kā parādīts attēlā.13.5[13.9], īpaši nesenajiem FZ kristāliem ar lielu diametru (150–200 mm), jo to svars viegli pārsniedz 20 kg.

Fig. 13.5 — 13.5. Attēls
Atbalsta sistēma peldošās zonas silīcija kristāliem. (Pēc [13.9])

Dopings

Lai iegūtu vajadzīgās pretestības n- vai p-veida silīcija monokristālus, vai nu polisilīcija, vai augošie kristāli ir jāpielieto attiecīgi ar atbilstošiem donora vai akceptora piemaisījumiem. Lai gan FZ silīcija augšanai ir izmēģinātas vairākas dopinga metodes, kristālus parasti leģē, pūšot adopanta gāzi, piemēram, fosfīnu (PH3) n-veida silīcijam vai diborānam (B2H6) p-veida silīcijam uz izkusušās zonas. Piedevu gāzi parasti atšķaida ar akarjera gāzi, piemēram, argonu. Šīs metodes lielā priekšrocība ir tā, ka silīcija kristālu ražotājam nav nepieciešams uzglabāt polisilīcija avotus ar dažādu pretestību.

Tā kā n-veida silīcija elementāro piedevu nošķiršana (apspriesta nākamajā apakšnodaļā) ir daudz mazāka nekā vienotība, FZ kristāliem, kas leģēti ar tradicionālo metodi, ir radiālie piedevu gradienti. Turklāt, tā kā kristalizācijas ātrums mikroskopiskajā skalā mainās radiālajā virzienā, piedevu koncentrācija izplatās cikliski un rada tā saukto.dopantu stīgas, kā rezultātā radiālās pretestības neviendabīgums. Lai iegūtu viendabīgāku leģētu n-veida silīciju, neitronu transmutācijas dopings (NTD) ir uzklāts uz FZ silīcija kristāliem [13.10]. Šī procedūra ietver silīcija kodola pārveidošanu par fosforu, bombardējot kristālu ar termiskiem neitroniem atbilstoši reakcijai

^{30} S i (n, γ) \to^{31} S i \overset{2.6 h}{\to}^{31} P + β .

(13.5) Radioaktīvais izotops31Si veidojas, kad30Si uztver aneutronu un pēc tam sadalās stabilajā izotopā31P (donora atomi), kura sadalījums nav atkarīgs no kristāla augšanas parametriem. Tūlīt pēc apstarošanas kristāliem piemīt augsta pretestība, kas ir saistīts ar lielo režģa defektu skaitu, kas rodas no radiācijas bojājumiem. Apstarotais kristāls tāpēc ir jāatkausē inertā vidē aptuveni 700 temperatūrā∘C, lai iznīcinātu defektus un atjaunotu pretestību pret fosfora dopinga iegūto. Saskaņā ar NTD shēmu kristālus audzē bez dopinga un pēc tam apstaro anukleārajā reaktorā ar lielu siltuma un ātru neitronu attiecību, lai uzlabotu neitronu uztveršanu un līdz minimumam samazinātu kristāla režģa bojājumus.

NTD pielietojums ir gandrīz tikai ierobežots ar FZ kristāliem, jo tiem ir lielāka tīrība, salīdzinot ar CZ kristāliem. Kad CZ silīcija kristāliem tika piemērota NTD metode, tika atklāts, ka skābekļa donora veidošanās atlaidināšanas procesā pēc apstarošanas mainīja pretestību no gaidītā, kaut arī fosfora donora viendabīgums tika sasniegts [13.11]. NTD ir papildu trūkums, ka p tipa dopantiem nav pieejams process un ka zemas pretestības gadījumā (diapazonā no 1 līdz 10 Ω cm) ir nepieciešams pārāk ilgs apstarošanas periods.

FZ-silīcija kristāla īpašības

FZ kristālu augšanas laikā izkausētais silīcijs nesaskaras ar citām vielām, izņemot augšanas kamerā esošo apkārtējo gāzi. Tāpēc FZ silīcija kristāls pēc savas būtības atšķiras ar tā augstāko tīrību, salīdzinot ar aCZ kristālu, kuru audzē no kausējuma - saskarē ar akvarca tīģeli. Šis kontakts rada augstu skābekļa piemaisījumu koncentrāciju apmēram 1018atomi ∕ cm3CZ kristālos, savukārt FZ silīcijs satur mazāk nekā 1016atomi ∕ cm3. Šī augstākā tīrība ļauj FZ silīcijam sasniegt augstu pretestību, kuru nevar iegūt, izmantojot CZ silīciju. Lielākajai daļai patērētā FZ silīcija arestivitāte ir no 10 līdz 200 Ω cm, savukārt CZ silīcijs parasti ir gatavs pretestībai 50 Ω cm vai mazāk, jo ir piesārņots no kvarca tīģeļa. Tāpēc FZ silīciju galvenokārt izmanto pusvadītāju strāvas ierīču ražošanai, kas atbalsta reverso spriegumu, kas pārsniedz 750–1000 V. NTD FZ-Si augstas tīrības kristālu augšana un precīzās dopinga īpašības ir novedušas arī pie tā izmantošanas infrasarkanajos detektoros13.12], piemēram.

Tomēr, ja ņemam vērā mehānisko izturību, daudzus gadus ir atzīts, ka FZ silīcijs, kas satur mazāk skābekļa piemaisījumu nekā CZ silīcijs, ierīces izgatavošanas laikā ir mehāniski vājāks un neaizsargātāks pret termisko stresu [13.13,13.14]. Silīcija plāksnīšu apstrāde augstā temperatūrā elektronisko ierīču ražošanas laikā bieži rada pietiekamu termisko spriegumu, lai radītu slīdēšanas dislokācijas un deformācijas. Šie efekti rada ražas zudumu noplūdušo krustojumu, dielektrisko defektu un saīsināta kalpošanas laika dēļ, kā arī samazina fotolitogrāfijas ražu, pateicoties vafeļu līdzenuma degradācijai. Ģeometriskās planaritātes zudums deformācijas dēļ var būt tik nopietns, ka vafeles vairs netiek apstrādātas. Tāpēc CZ silīcija plāksnītes IC ierīču ražošanā ir izmantotas daudz plašāk nekā FZ plāksnes. Šī atšķirība mehāniskajā stabilitātē pret termisko spriegumu ir dominējošais iemesls, kāpēc CZ silīcija kristālus izmanto tikai tādu IC ražošanai, kuriem nepieciešams liels termisko procesu posmu skaits.

Lai novērstu šos FZ silīcija trūkumus, FZ silīcija kristālu augšana ar tādiem dopinga piemaisījumiem kā skābeklis [13.15] un slāpeklis [13.16] ir mēģināts. Tika konstatēts, ka FZ silīcija kristālu dopēšana ar skābekli vai slāpekli koncentrācijā $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ vai $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ , attiecīgi, ievērojami palielina mehānisko izturību.

13.3.2Čohralska metode

Vispārīgas piezīmes

Šī metode tika nosaukta J. Czochralski vārdā, kurš izveidoja metālu kristalizācijas ātrumu noteikšanas tehniku [13.17]. Tomēr faktisko vilkšanas metodi, kas plaši izmantota vienkristālu augšanai, izstrādājaZilganzaļaunMaz[13.18], kurš modificēja Čohralska pamatprincipu. Viņi bija pirmie, kas 1950. gadā veiksmīgi audzēja germanija monokristālus, kuru garums bija 8 collas un diametrs - 0,75 collas. Pēc tam viņi izstrādāja citu aparātu silīcija audzēšanai augstākā temperatūrā. Kaut arī vienkristāla silīcija ražošanas pamatprocess ir maz mainījies, kopš to izstrādāja Teal un kolēģi, liela diametra (līdz 400 mm) silīcija monokristāli ar augstu pilnības pakāpi, kas atbilst vismodernākajai ierīcei prasības ir pieaugušas, aparātā iekļaujot Dash tehniku un secīgas tehnoloģiskās inovācijas.

Mūsdienu pētījumi un izstrāde attiecībā uz silīcija kristāliem ir vērsta uz tādu kristālu īpašību mikroskopiskas vienveidības sasniegšanu kā piemaisījumu un mikrodefektu pretestība un koncentrācija, kā arī to mikroskopiskā kontrole, kas tiks apspriesta citur šajā rokasgrāmatā.

Procesa izklāsts

Trīs vissvarīgākie CZ kristālu augšanas soļi ir shematiski parādīti attēlā.13.3b. Principā CZ augšanas process ir līdzīgs FZ augšanas procesam: (1) polisilīcija kausēšana, (2) sēšana un (3) audzēšana. CZ vilkšanas procedūra tomēr ir sarežģītāka nekā FZ augšanas procedūra, un to atšķir ar akvarca tīģeļa izmantošanu izkausētā silīcija saturēšanai. Attēls13.6parāda tipisku mūsdienu CZ kristālu augšanas iekārtu askētisku skatu. Svarīgi soļi faktiskajā vai standarta CZ silīcija kristālu augšanas secībā ir šādi:

1.
Polisilīcija gabaliņus vai graudus ievieto akvarca tīģelī un kausē temperatūrā, kas augstāka par silīcija kušanas temperatūru (1420∘C) inertā apkārtējā gāzē.
2.
Kausējums kādu laiku tiek turēts augstā temperatūrā, lai nodrošinātu pilnīgu kušanu un sīku burbuļu izmešanu, kas var izraisīt tukšumus vai negatīvus kristālu defektus.
3.
Aseed kristāls ar vēlamo kristāla orientāciju tiek iemērkts kausējumā, līdz tas pats sāk kust. Pēc tam sēklas tiek izņemtas no kausējuma tā, lai kakls veidotos, pakāpeniski samazinot diametru; tas ir vissmalkākais solis. Visā kristālu augšanas procesā inertā gāze (parasti argons) plūst lejup caur vilkšanas kameru, lai izvadītu tādus reakcijas produktus kā SiO un CO.
4.
Pamazām palielinot kristāla diametru, tiek izaudzēta koniskā daļa un plecs. Diametru palielina līdz mērķa diametram, samazinot vilkšanas ātrumu un ∕ vai kausēšanas temperatūru.
5.
Visbeidzot, ķermeņa cilindriskā daļa ar nemainīgu diametru tiek izaudzēta, kontrolējot vilkšanas ātrumu un kausēšanas temperatūru, vienlaikus kompensējot kausējuma līmeņa kritumu kristālam augot. Vilkšanas ātrums parasti tiek samazināts uz agro kristāla astes galu, galvenokārt sakarā ar pieaugošo siltuma starojumu no tīģeļa sienas, kad kausējuma līmenis pazeminās un augošajam kristālim pakļauj vairāk tīģeļu sienas. Augšanas procesa tuvumā, bet pirms tīģeļa pilnīgas iztukšošanas no izkusušā silīcija, kristāla diametrs pakāpeniski jāsamazina, lai izveidotu gala konusu, lai samazinātu termisko šoku, kas astes galā var izraisīt izslīdēšanu. Kad diametrs kļūst pietiekami mazs, kristālu var atdalīt no kausējuma, neradot dislokācijas.

Attēls13.7parāda izaugušā CZ silīcija kristāla sēklas daļu. Kaut arī aseed-kukurūza, kas ir pārejas reģions no sēklām uz cilindrisko daļu, ekonomisku iemeslu dēļ parasti tiek veidota diezgan plakana, no akrila kvalitātes viedokļa varētu būt vēlama konusveida forma. Plecu daļu un tās apkārtni nevajadzētu izmantot ierīces izgatavošanai, jo šī daļa daudzās nozīmēs tiek uzskatīta par atransijas reģionu, un tai ir augsts apstākļu pēkšņu izmaiņu dēļ neviendabīgas kristāla īpašības.

Fig. 13.6 — 13.6. Attēls
Shematisks skats uz tipisku Czochralski silīcija kristālu audzēšanas sistēmu. (Pēc [13.1])

Fig. 13.7 — 13.7. Attēls
Paaugušā Czochralski silīcija kristāla sēklu daļa

Attēls13.8parāda īpaši lielu CZ silīcija kristāla lietni 400 mm diametrā un 1800 mm garumā, ko audzējis Super Silicon Crystal Research Institute Corporation Japānā [13.3].

Fig. 13.8 — 13.8. Attēls
Īpaši liels izaugušais Czochralski silīcija lietnis 400 mm diametrā un 1800 mm garumā. (Pateicoties Super Silicon Crystal Research Institute Corporation, Japāna)

Telpiskās atrašanās vietas ietekme inGrownCrystal

Kā att.13.9skaidri attēlots, katra aCZ kristāla daļa tiek audzēta atšķirīgā laikā ar dažādiem augšanas apstākļiem [13.19]. Tādējādi ir svarīgi saprast, ka katrai porcijai ir atšķirīgs kristāla raksturlielumu kopums un atšķirīga termiskā vēsture, pateicoties tā atšķirīgajai pozīcijai gar kristāla garumu. Piemēram, sēklu gala daļai ir garāka termiskā vēsture, sākot no kušanas temperatūras 1420 līdz aptuveni 400∘C apullerā, savukārt astes gala daļai ir aizkavēšanās vēsture un tā diezgan ātri atdziest no kušanas temperatūras. Galu galā katrai silīcija plāksnei, kas sagatavota no agrona kristāla atšķirīgās daļas, varētu būt dažādas fizikāli ķīmiskās īpašības atkarībā no tā atrašanās vietas lietnī. Faktiski ir ziņots, ka skābekļa nokrišņu uzvedībai ir vislielākā atkarība no vietas, kas, savukārt, ietekmē lielapjoma defektu rašanos [13.20].

Fig. 13.9 — 13.9. Attēls
Termiskā vide Czochralski kristālu augšanas laikā sākotnējā un pēdējā posmā.Bultasnorāda aptuvenos siltuma plūsmas virzienus. (Pēc [13.19])

Arī anonīmveidīgs gan kristālu defektu, gan piemaisījumu sadalījums notiek aflatronu šķērsgriezumā, kas sagatavots no aCZ kristāla silīcija kausējuma, kas kristalizēts vai nostiprināts secīgi kristāla un kausējuma saskarnē, kas parasti ir izliekts CZ kristālu augšanas procesā. Tādas neviendabības var novērot kāsvītras, kas tiek apspriesti vēlāk.

13.3.3Piemaisījumi Czochralski Silicon

Elektroniskajās ierīcēs izmantoto silīcija pusvadītāju īpašības ir ļoti jutīgas pret piemaisījumiem. Šīs jutības dēļ silīcija elektriskās un elektroniskās īpašības var precīzi kontrolēt, pievienojot pēc iespējas mazāku piedevas daudzumu. Papildus šai piedevu jutībai piesārņojums ar piemaisījumiem (īpaši pārejas metāliem) negatīvi ietekmē silīcija īpašības un nopietni pasliktina ierīces darbību. Turklāt skābeklis CZ silīcija kristālos tiek iekļauts desmitiem atomu uz miljonu līmenī, pateicoties silīcija kausējuma un kvarca tīģeļa reakcijai. Neatkarīgi no tā, cik daudz skābekļa ir kristālā, silīcija kristālu īpašības ļoti ietekmē skābekļa koncentrācija un izturēšanās [13.21]. Turklāt CZ silīcija kristālos ogleklis tiek iekļauts vai nu no polisilīcija izejvielām, vai arī augšanas procesā, pateicoties grafīta daļām, ko izmanto CZ vilkšanas iekārtās. Lai gan oglekļa koncentrācija komerciālajos CZ silīcija kristālos parasti ir mazāka par 0,1 ppma, ogleklis ir piemaisījums, kas ļoti ietekmē skābekļa uzvedību [13.22,13.23]. Arī slāpekli saturoši CZ silīcija kristāli [13.24,13.25] pēdējā laikā ir piesaistījuši lielu uzmanību, pateicoties to augstajai mikroskopisko kristālu kvalitātei, kas, iespējams, atbilst prasībām par vismodernākajām elektroniskajām ierīcēm [13.26,13.27].

Piemaisījumu neviendabīgums

Kristalizējot no kausējuma, augošajā kristālā tiek iekļauti dažādi piemaisījumi (ieskaitot piedevas), kas atrodas kausējumā. Cietās fāzes piemaisījumu koncentrācija parasti atšķiras no šķidrās fāzes koncentrācijas, pateicoties fenomenam, kas pazīstams kānošķiršana.

Segregācija

Līdzsvara segregācijas uzvedību, kas saistīta ar daudzkomponentu sistēmu sacietēšanu, var noteikt pēc attiecīgās abināra sistēmas fāzes diagrammas arizšķīdis(piemaisījums) un ašķīdinātājs(resursdatora materiāls) kā sastāvdaļas.

Piemaisījuma Ain cietā silīcija šķīdības attiecība [CA]sšķidrā silīcijā esošajamCA]L

k_{0} = \frac{[C_{A}]_{s}}{[C_{A}]_{L}}

(13.6) tiek saukta parlīdzsvara segregācijas koeficients. Piemaisījumu šķīdība šķidrā silīcijā vienmēr ir augstāka nekā cietā silīcijā; tas ir,k0& lt; 1. Līdzsvara segregācijas koeficientsk0ir piemērojams tikai sacietēšanai ar nenozīmīgi lēnu augšanas ātrumu. Attiecībā uz ierobežotu vai augstāku sacietēšanas ātrumu piemaisījumu atomi ark0& lt; 1 tiek noraidīts ar progresējošu cietvielu ar lielāku ātrumu, nekā tie var difundēt kausējumā. CZ kristālu augšanas procesā segregācija notiek sacietēšanas sākumā agenētā sēklu un kausējuma saskarnē, un noraidītie piemaisījumu atomi sāk uzkrāties kausējuma slānī augšanas saskarnes tuvumā un izkliedējas kausējuma lielākās daļas virzienā. Šajā situācijāefektīvais segregācijas koeficientskefvar noteikt jebkurā brīdī CZ kristālu augšanas laikā, un piemaisījumu koncentrāciju [C]saCZ kristālā var iegūt

[C]_{s} = k_{e f f} [C_{0}] (1 - g)^{k_{e f f} - 1},

(13.7) kur [C0] ir sākotnējā piemaisījumu koncentrācija kausējumā ungir frakcija sacietējusi.

Līdz ar to ir skaidrs, ka amakroskopiskās piemaisījumu līmeņa gareniskās izmaiņas, kas piedevas koncentrācijas izmaiņu dēļ izraisa pretestības palielināšanos, ir raksturīgas CZ partijas augšanas procesam; tas ir saistīts ar segregācijas fenomenu. Turklāt piemaisījumu garenisko sadalījumu ietekmē kausēšanas konvekcijas lieluma un rakstura izmaiņas, kas rodas, kristāla augšanas laikā samazinoties kausējuma malu attiecībai.

Striated

Lielākajā daļā kristālu augšanas procesu parametros, piemēram, momentānā mikroskopiskā augšanas ātrumā un difūzijas robežas slāņa biezumā, ir pārejas periodi, kā rezultātā mainās efektīvais segregācijas koeficientskef. Šīs variācijas rada mikroskopiskas kompozīcijas neviendabīgumusvītrasparalēli kristāla un kausējuma saskarnei. Striated var viegli noteikt ar vairākiem paņēmieniem, piemēram, ar preferenciālu ķīmisko kodināšanu un rentgena topogrāfiju. Attēls13.10parāda ķīmiskajā kodināšanā atklātās svītras aCZ silīcija kristāla gareniskā šķērsgriezuma plecu daļā. Skaidri tiek novērota arī pakāpeniska augšanas saskarnes formas maiņa.

Fig. 13.10 — 13.10. Attēls
Pieauguma svītras, kas atklātas ar ķīmisku kodināšanu, Czochralski silīcija pelēkajā zonā

Strijas fiziski izraisa piemaisījumu un arī punktu defektu nošķiršana; tomēr svītras praktiski izraisa temperatūras svārstības kristāla un kausējuma saskarnes tuvumā, ko izraisa nestabila termiskā konvekcija kausējumā un kristāla rotācija asimetriskā termiskā vidē. Turklāt mehāniskās vibrācijas, ko rada slikti vilces vadības mehānismi augšanas iekārtās, var izraisīt arī temperatūras svārstības.

Attēls13.11shematiski ilustrē aCZ audzēto kristālu šķērsgriezumu, kas satur izliektu kristāla un kausējuma saskarni, kā rezultātā uz neveselības virsmas ir neviendabīgums. Katrai plakanai vafelei sagriežot šķēlēs, tajā ir dažādas vairāku izliektu virkņu daļas. Savādākfonogrāfa gredzeni, ko sauc arī parvirpuļot, tad katrā vafelē var rasties, ko var novērot visā vafelē, izmantojot iepriekš minētos paņēmienus.

Fig. 13.11 — 13.11. Attēls
Shematiski ilustrēta Czochralski kristāla šķērsgriezums, kas satur izliektu kristāla un kausējuma saskarni un plakanas plāksnes, sagrieztas dažādās daļās. (Pēc [13.1])

Dopings

Lai iegūtu vēlamo pretestību, asilikona kausējumam pievieno noteiktu daudzumu dopanta (vai nu donora, vai akceptora atomu) atbilstoši pretestības un koncentrācijas attiecībai. Parasti tiek pieļauta piedevu pievienošana silīcija daļiņām vai gabaliņiem, kuru pretestība ir aptuveni 0,01 Ω cm, un kurus sauc par piedevu stiprinājumu, jo nepieciešamā tīrā piedeva daudzums ir nepārvaldāmi mazs, izņemot stipri piedevas saturošus silīcija materiālus (n+vai lpp+silīcijs).

Kritēriji, lai atlasītu adopantu pozīcijas vadītājiem, ir tādi, ka tam ir šādas īpašības:

1.
Piemērots enerģijas līmenis
2.
Augsta šķīdība
3.
Piemērota vai zema difuzivitāte
4.
Zems tvaika spiediens.

Augsta difūzija vai augsts tvaika spiediens izraisa nevēlamu piedevu difūziju vai iztvaikošanu, kā rezultātā ierīces darbība ir nestabila un rodas grūtības precīzi kontrolēt pretestību. Pārāk maza šķīdība ierobežo iegūto pretestību. Papildus šiem kritērijiem jāņem vērā arī ķīmiskās īpašības (piemēram, toksiskums). Vēl no kristāla augšanas viedokļa ir tas, ka dopantam ir asegregācijas koeficients, kas ir tuvu vienotībai, lai padarītu pēc iespējas vienmērīgāku pretestību no CZ kristāla lietņa sēklas gala līdz astes galam. Līdz ar to fosfors (P) un bors (B) ir attiecīgi visbiežāk silīcija donori un akceptori. Par n+silīcijs, kurā donoru atomi ir stipri piedoti, fosfora vietā parasti izmanto antimonu (Sb), jo tā difūzija ir mazāka, neskatoties uz mazo segregācijas koeficientu un augsto tvaika spiedienu, kas noved pie lielām koncentrācijas variācijām gan aksiālajā, gan radiālie virzieni.

Skābeklis un ogleklis

Kā shematiski parādīts attēlos.13.3b un13.6, akvararts (SiO2) CZ-Si kristālu augšanas metodē izmanto tīģeli un grafīta sildelementus. Tīģeļa virsma, kas saskaras ar silīcija kausējumu, reakcijas dēļ pakāpeniski izšķīst

S i O_{2} + Si \to 2 S i O .

(13.8) Šī reakcija bagātina silīcija kausējumu ar skābekli. Lielākā daļa skābekļa atomu no kausējuma virsmas iztvaiko kā gaistošs silīcija mono-oksīds (SiO), bet daži no tiem caur kristāla un kausējuma saskarni ir iestrādāti asilikona kristālā. Tomēr ogleklis CZ silīcija kristālos galvenokārt rodas no polikristāliskā izejas materiāls. Oglekļa līmenis diapazonā no 0,1 līdz 1 ppma atkarībā no ražotāja ir atrodams polisilīcijā. Tiek pieņemts, ka oglekļa avoti polisilīcijā galvenokārt ir oglekli saturoši piemaisījumi, kas atrodami trihlorosilānā, ko izmanto polisilīcija ražošanā. Grafīta daļas CZ vilkšanas iekārtās var arī veicināt oglekļa piesārņojumu, reaģējot ar skābekli, kas vienmēr atrodas apkārtējās vides augšanas laikā. Iegūtie CO un CO produkti2tiek izšķīdināti silīcija kausējumā un ņem vērā oglekļa piemaisījumus silīcija kristālos. Tādējādi skābeklis un ogleklis ir divi galvenie nepiesārņojošie piemaisījumi, kas tiek iekļauti CZ silīcija kristālos tādā veidā, kā shematiski parādīts 1. attēlā.13.12. Šo piemaisījumu izturība silīcijā, kas ietekmē vairākas CZ silīcija kristālu īpašības, ir intensīvi pētīta kopš 1950. gadu beigām [13.21].

Fig. 13.12 — 13.12. Attēls
Skābekļa un oglekļa iekļaušana Czochralski silīcija kristālā. (Pēc [13.1])

13.4Jaunas kristāla augšanas metodes

Mikroelektronisko ierīču ražošanai izmantotajiem silīcija kristāliem jāatbilst daudzajām ierīču ražotāju noteiktajām prasībām. Papildus silīcija prasībāmvafeles, augstas produktivitātes un augstas veiktspējas mikroelektronisko ierīču ražošanas dēļ ir kļuvušas biežākas šādas kristalogrāfiskās prasības:

1.
Liels diametrs
2.
Zems vai kontrolēts defektu blīvums
3.
Vienveidīgs un mazs radiālās pretestības gradients
4.
Optimālā sākotnējā skābekļa koncentrācija un tās nokrišņi.

Ir skaidrs, ka silīcija kristālu ražotājiem ir ne tikai jāatbilst iepriekšminētajām prasībām, bet arī jāražo šie kristāli ekonomiski un ar augstu ražošanas ražību. Silīcija kristālu audzētāju galvenās rūpes ir kristālogrāfiskā pilnība un piedevu aksiālais sadalījums CZ silīcijā. Lai pārvarētu dažas problēmas ar parasto CZ kristālu augšanas metodi, ir izstrādātas vairākas jaunas kristālu augšanas metodes.

13.4.1Czochralski izaugsme ar AppliedMagneticField (MCZ)

Kausēšanas konvekcijas plūsma tīģelī spēcīgi ietekmē CZ silīcija kristālu kvalitāti. Jo īpaši nelabvēlīgas augšanas svārstības izraisa nestabila kausēšanas konvekcija, kā rezultātā augšanas saskarnē notiek temperatūras svārstības. Amagnētiskā lauka spēja nomākt siltuma konvekciju elektriski vadošā šķidrumā vispirms tika pielietota indija antimonīda kristālu augšanai, izmantojot horizontālās laivas tehniku [13.28] un horizontālās zonas kausēšanas tehnika [13.29]. Veicot šos pētījumus, tika apstiprināts, ka pietiekama stipruma magnētiskais lauks var nomākt temperatūras svārstības, kas pavada kausēšanas konvekciju, un var dramatiski samazināt augšanas svārstības.

Magnētiskā lauka ietekme uz augšanas svārstībām ir izskaidrojama ar tā spēju samazināt amelta turbulentu termisko konvekciju un savukārt samazināt temperatūras svārstības kristāla un kausējuma saskarnē. Magnētiskā lauka radītā šķidruma plūsmas slāpēšana ir saistīta ar inducēto magnētiskās kustības spēku, kad plūsma ir perpendikulāra magnētiskās plūsmas līnijām, kā rezultātā palielinās vadošā kausējuma faktiskā kinemātiskā viskozitāte.

Par silīcija kristālu augšanu ar magnētiskā lauka pielietoto CZ (MCZ) metodi pirmo reizi ziņots 1980. gadā [13.30]. Sākotnēji MCZ bija paredzēts CZ silīcija kristālu augšanai, kas satur zemu skābekļa koncentrāciju un tāpēc tiem ir augsta pretestība ar zemām radiālajām variācijām. Citiem vārdiem sakot, bija paredzēts, ka MCZ silīcijs aizstās FZ silīciju, kas gandrīz izmantots tikai enerģijas ierīču ražošanai. Kopš tā laika ir izstrādātas dažādas magnētiskā lauka konfigurācijas attiecībā uz magnētiskā lauka virzienu (horizontāli vai vertikāli) un izmantoto magnētu tipu (normāli vadoši vai supravadoši) [13.31]. MCZ silīcijs, kas ražots ar plašu vēlamās skābekļa koncentrācijas diapazonu (no zemas līdz augstākai), ir bijis ļoti interesants dažādu ierīču pielietojumos. MCZ silīcija vērtība ir tā augstā kvalitāte un spēja kontrolēt skābekļa koncentrāciju plašā diapazonā, ko nevar sasniegt, izmantojot parasto CZ metodi [13.32], kā arī tā uzlaboto izaugsmes tempu [13.33].

Kas attiecas uz kristāla kvalitāti, nav šaubu, ka MCZ metode nodrošina silīcija kristālus, kas ir vislabvēlīgākie pusvadītāju ierīču nozarei. MCZ silīcija ražošanas izmaksas var būt augstākas nekā parastā CZ silīcija, jo MCZ metode patērē vairāk elektroenerģijas un prasa papildu aprīkojumu un elektromagnētu darbības vietu; tomēr, ņemot vērā lielāku MCZ augšanas ātrumu un, ja tiek izmantoti supravadoši magnēti, kuriem nepieciešama mazāka telpa un kas patērē mazāk elektroenerģijas, salīdzinot ar vadošajiem magnētiem, MCZ silīcija kristālu ražošanas izmaksas var kļūt salīdzināmas ar parastajiem CZ silīcija kristāliem. Turklāt MCZ silīcija uzlabotā kristāla kvalitāte var palielināt ražu un samazināt ražošanas izmaksas.

13.4.2Nepārtrauktā Čohralska metode (CCZ)

Kristāla ražošanas izmaksas lielā mērā ir atkarīgas no materiālu izmaksām, jo īpaši no tām, kas tiek izmantotas kvarca tīģeļiem. Parastajā CZ procesā, ko sauc par apartijas process, no viena tīģeļa lādiņa izvelk akrilu, un kvarca tīģeli izmanto tikai vienu reizi un pēc tam izmet. Tas ir tāpēc, ka neliels atlikušā silīcija daudzums saplēš tīģeli, kad tas atdziest no augstās temperatūras katrā augšanas reizē.

Akvarca tīģeļa ar kausējumu ekonomiskai papildināšanai ir nepārtraukta barības pievienošana kristāla augšanas laikā un tādējādi kausējuma uzturēšana nemainīgā tilpumā. Papildus tīģeļu izmaksu ietaupīšanai nepārtrauktas uzlādes Czochralski (CCZ) metode nodrošina ideālu vidi silīcija kristālu augšanai. Kā jau minēts, daudzas kristālu nehomogenitātes, kas audzētas ar parasto CZ sērijveida procesu, ir netiešas kinētikas rezultāts, kas izriet no kausējuma tilpuma izmaiņām kristālu augšanas laikā. CCZ metodes mērķis ir ne tikai samazināt ražošanas izmaksas, bet arī stabilos apstākļos audzēt kristālus. Uzturot kausējuma tilpumu konstantā līmenī, var panākt vienmērīgus termiskos un kausēšanas plūsmas apstākļus (sk.13.9, kas parāda termiskās vides izmaiņas parasto CZ pieauguma laikā).

Nepārtrauktu uzlādi parasti veic ar polisilīcija padevi, kā parādīts attēlā.13.13[13.34]. Šī sistēma sastāv no polisilīcija izejvielu uzglabāšanas cisternām un avibratory padevēja, kas polisilīciju pārnes tīģelī. Tīģelī, kas satur silīcija kausējumu, ir nepieciešama akvarca deflektore, lai novērstu kausējuma turbulenci, ko izraisa cietā materiāla barošana ap augšanas saskarni. CCZ metodei acīmredzami ir izdevīgi brīvi plūstošas polisilīcija granulas, tādas kā iepriekš minētas.

Fig. 13.13 — 13.13. Attēls
Shematiska ilustrācija nepārtrauktas uzlādes Czochralski metodei. (Pēc [13.34])

CCZ metode noteikti atrisina lielāko daļu problēmu, kas saistīta ar parasto CZ metodi audzēto kristālu neviendabīgumu. Turklāt MCZ un CCZ kombinācija (nepārtraukta magnētiskā lauka pielietotā CZ (MCCZ) metode) sagaidīs galīgo kristālu augšanas metodi, nodrošinot ideālus silīcija kristālus plaša spektra mikroelektroniskām vajadzībām [13.1]. Patiešām, tas ir izmantots, lai audzētu augstas kvalitātes silīcija kristālus, kas paredzēti mikroelektroniskām ierīcēm [13.35].

Tomēr jāuzsver, ka dažādu kristāla daļu (no sēklas līdz astes galiem) atšķirīgā termiskā vēsture, kā parādīts attēlā.13.9) jāapsver pat tad, ja kristālu audzē ar ideālu augšanas metodi. Lai homogenizētu izaugušos kristālus vai iegūtu aksiālu viendabīgumu termiskajā vēsturē, kāda veida pēcapstrāde, piemēram, augstas temperatūras rūdīšana [13.36], ir nepieciešams kristālam.

13.4.3Izaugsmes metode bez kakla

Kā jau minēts iepriekš, Dash kakla process (kas aug atin kaklu 3-5 mm diametrā, att.13.7) ir kritisks solis CZ kristālu augšanas laikā, jo tas novērš izaugušās dislokācijas. Šī tehnika ir nozares standarts vairāk nekā 40 gadus. Tomēr nesenās prasības pēc liela kristāla diametra (& gt; 300 mm, kas sver vairāk nekā 300 kg) ir radījušas nepieciešamību pēc lielāka diametra kakliem, kas augošajā kristālā nerada izmežģījumus, jo Athin kakla diametrs ir 3-5 mm nevar atbalstīt tik lielus kristālus.

Liela diametra sēklas, kas parasti ir 170 mm garas, ar minimālo diametru> 10 mm un vidēji 12 mm, kas izauguši no silīcija, izkausē ar bora piedevām (

& gt; 10^{19} a t o m s / c m^{3}

) ir izmantoti, lai audzētu bez dislokācijas 200 mm diametra CZ silīcija kristālus [13.37,13.38]. Tiek lēsts, ka liela diametra kakli, kuru diametrs ir 12 mm, var CZ atbalstīt tikpat smagus kā 2000 kg kristālus [13.39]. Attēls13.14a,bpelē bez izmežģījuma CZ silīcija kristālus, kuru diametrs ir 200 mm un kas izaudzēti bez Dash kakla izgriešanas procesa, un att.13.14a,bb parāda tās palielināto sēklu (salīdziniet ar 1. att.)13.7). Mehānisms, ar kuru dislokācijas netiek iestrādātas augošajā kristālā, galvenokārt tiek attiecināts uz bora stiprās dopinga sacietēšanas efektu silīcijā.

Fig. 13.14a,b — 13.14a., B. Att
200 mm diametra bez dislokācijas Czochralski silīcija kristāls, kas audzēts bez Dash kakla procesa. (a)Visa ķermeņa, (b) sēklas un konuss. (Prof. K. Hošikavas pieklājība)

Atsauces

13.1F. Šimura:Pusvadītāju silīcija kristāla tehnoloģija(Akadēmiskais, Ņujorka, 1988)Google Scholar
13.2. Wash Dash: J. Appl. Fiz.29, 736 (1958)CrossRefGoogle Scholar
13.3K. Takada, H. Jamagiši, H.Minami, M.Imai: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington 1998) 376. lppGoogle Scholar
13.4JRMcCormic: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington, 1986) 43. lppGoogle Scholar
13.5PA Taylor: Cietvielu tehnoloģija.Jūlijs, 53 (1987)Google Scholar
13,6 WG Pfann: Trans. Am. Inst. Min. Metāls. Eng.194, 747 (1952)Google Scholar
13.7 CH Theererer: ASV patents 3060123 (1962)Google Scholar
13,8 PH Keks, Dž. Dž. Golajs: fiz. Sv.89, 1297 (1953)CrossRefGoogle Scholar
13.9W. Kellers, A. Mīlbauers:Peldošās zonas silīcijs(Marsels Dekers, Ņujorka, 1981)Google Scholar
13.10 JM Meese:Neitronu transmutācijas dopings pusvadītājos(Plēnums, Ņujorka 1979)CrossRefGoogle Scholar
13.11HMLiaw, CJVarker: Autors:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington 1977) 116. lppGoogle Scholar
13.12. ELKern, LSYaggy, JABarker: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington 1977) 52. lppGoogle Scholar
13.13SM Hu: Liet. Fiz. Lett.31, 53 (1977)CrossRefGoogle Scholar
13.14K. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Fiz.19, L49 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Appl. Fiz.19, L763 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.16. T.Abe, K.Kikuči, S.Širai: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington 1981) 54. lppGoogle Scholar
13.17J. Čohralskis: Z. Fiz. Chem.92, 219 (1918)Google Scholar
13.18. GK Teal, JB Little: Fiz. Sv.78, 647 (1950)Google Scholar
13.19W. Zulners, D. Hubers: In:8. kristāli: silīcijs, ķīmiskā kodināšana(Springer, Berlīne, Heidelberga 1982) lpp. 1Google Scholar
13.20H. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Electrochem. Soc.129, 374 (1982)CrossRefGoogle Scholar
13.21F. Šimura (Red.):Skābeklis Silīcijā(Akadēmiskais, Ņujorka, 1994)Google Scholar
13.22S. Kišīno, Y. Matsushita, M. Kanamori: Appl. Fiz. Lett.35, 213 (1979)CrossRefGoogle Scholar
13.23F. Šimura: J. Appl. Fiz.59, 3251 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: VLSI zinātnes tehnoloģija, Proc. 2. vid. Symp. Ļoti liela mēroga integrācija. (The Electroochemical Society, Pennington, 1984) lpp. 208Google Scholar
13.25F. Shimura, RS Hocket: Appl. Fiz. Lett.48, 224 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.26 A. Hubers, M. Kapsers, Dž. Grabmeiers, U. Lamberts, WvAmmon, R. Pech: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington 2002) 280. lppGoogle Scholar
13.27GARozgonyi: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington 2002) 149. lppGoogle Scholar
13.28 HP Utech, MC Flemings: J. Appl. Fiz.37, 2021 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.29HA Chedzey, DT Hurtle: Daba210, 933 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.30K. Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isawa: Ext. Abstr. Elektroķīmija. Soc. 157. tikšanās (The Electroochemical Society, Pennington 1980) 811. lppGoogle Scholar
13.31. Ohwa, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington, 1986) 117. lppGoogle Scholar
13.32MFutagami, K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki, Y.Okubo, Y. Kato, Y. Okamoto: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington, 1986), 939. lppGoogle Scholar
13.33. T. Suzuki, N.Isawa, K. Hoshi, Y. Kato, Y. Okubo: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington, 1986) 142. lppGoogle Scholar
13.34W. Zulehner: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington 1990), 30. lppGoogle Scholar
13.35Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington 1994), 180. lppGoogle Scholar
13.36F. Šimura: iekšā:VLSI Zinātne un tehnoloģija(The Electroochemical Society, Pennington, 1982) lpp. 17Google Scholar
13.37. Chandrasekhar, KMKim: In:Pusvadītāju silīcijs(The Electroochemical Society, Pennington 1998) 411. lppGoogle Scholar
13.38K. Hošikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Appl. Fiz.38, L1369 (1999)CrossRefGoogle Scholar
13.39KM Kim, P.Smetana: J. Cryst. Izaugsme100, 527 (1989)CrossRefGoogle Scholar

13.1Pārskats

13.2Sākuma materiāli

13.2.1Metalurģijas pakāpes silīcijs

13.2.2Polikristālisks silīcijs

Starpposma ķīmiskie savienojumi

Silīcija hidrohlorēšana

Trihlorosilāna destilācija un sadalīšanās

Monosilāna process

Granulu polisilīcija nogulsnēšana

13.3Viena kristāla izaugsme

13.3.1Peldošās zonas metode

Vispārīgas piezīmes

Procesa izklāsts

Dopings

FZ-silīcija kristāla īpašības

13.3.2Čohralska metode

Vispārīgas piezīmes

Procesa izklāsts

Telpiskās atrašanās vietas ietekme inGrownCrystal

13.3.3Piemaisījumi Czochralski Silicon

Piemaisījumu neviendabīgums

Segregācija

Striated

Dopings

Skābeklis un ogleklis

13.4Jaunas kristāla augšanas metodes

13.4.1Czochralski izaugsme ar AppliedMagneticField (MCZ)

13.4.2Nepārtrauktā Čohralska metode (CCZ)

13.4.3Izaugsmes metode bez kakla

Atsauces

Ar to saistīto nozaru

Nosūtīt pieprasījumu