В. И. Смирнов (987304), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Причин этому несколько. Во-первых,на поверхности кремния можно легко сформировать оксидную пленку, используемую в качестве маскирующего покрытия при фотолитографии. Во-вторых,свойствами кремния легко управлять с помощью легирования его примеснымиатомами. В-третьих, кремний имеет достаточно высокую механическую прочность и теплопроводность.
В-четвертых, кремний широко распространен в природе в виде соединений, хорошо обрабатывается и имеет невысокую стоимость.Монокристаллический Si получают из поликристаллического, исходнымсырьем для которого, в свою очередь, является кварц SiO2 (в свободном состоянии кремний в природе не встречается). Технология получения поликристаллического Si включает в себя следующие основные операции.Восстановление SiO2 углеродом путем нагрева кварцевого песка и коксадо 1500 − 1750° С. В результате получается технический кремний, существеннозагрязненный различными примесными атомами:SiO2 + 2C → Si + 2CO.Степень загрязнения технического кремния примесями (Fe, Al, B, P и другие)составляет 1−2 %. Использовать такой кремний для получения каких-либо полупроводниковых приборов нельзя, требуется его очистка.
Очисткаот примесей кремния, находящегося в твердой фазе, является очень сложнойзадачей. Поэтому данную операцию проводят в два этапа. На первом этапекремний переводят в какое-нибудь газообразное соединение и производятего очистку. В качестве газообразных соединений кремния используются SiCl4,SiHCl3, SiH4, SiI4 и другие. Примеры реакций:Si + 2Cl2 → SiCl4 ,Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 .Вторым этапом является восстановление кремния из газообразного соединения и получение чистого кремния с содержанием примесных атомовна уровне 10-7 − 10-6 %. Примеры реакций:SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl ,SiH4 → Si + 2H2 .Из полученного таким способом поликристаллического кремния можновырастить кремний монокристаллический.
При этом следует учитыватьтот факт, что кремний при переходе из расплавленного состоянияв кристаллическое увеличивает свой объем примерно на 10 %. Если проводитьэтот процесс в тигле, то воздействие стенок тигля на растущий кристалл вызо12вет образование в последнем большого количества дислокаций. Поэтому используют методы выращивания, исключающие воздействие стенок тигляна кристалл. Наиболее широко используются методы Чохральскогои бестигельной зонной плавки.2.2.
Выращивание монокристаллических слитков кремнияметодом ЧохральскогоУпрощенная схема установки, в которой реализован метод Чохральского,представлена на рис. 2.1. На рисунке цифрами обозначены: 1 – расплав кремния; 2 – монокристаллический слиток кремния; 3 – кристалл-затравка; 4 –кварцевый тигель; 5 – вал затравки; 6 – вал тигля; 7 – водоохлаждаемый кожух.Сущность метода Чохральскогозаключается в следующем. Чистый,свободный от дислокаций кристаллзатравка, с кристаллографической ориентацией (111) или (100), приводится всоприкосновение с поверхностью расплавленного кремния.
Слой расплавакремния,находящийсяв контактес кристаллом-затравкой, кристаллизуется, причем структура образующейсятвердой фазы кремния полностью повторяет структуру кристалла-затравки.Вращая кристалл-затравку и одновреРис. 2.1. Схема установки дляменно перемещая ее вверх, можно вывыращивания монокристаллическогокремния методом Чохральскоготянуть из расплава монокристаллический слиток кремния цилиндрическойформы.
Диаметр слитка может быть разным. В настоящее время освоена технология получения слитков, диаметр которых равен 300 мм.Кристалл-затравку и тигель обычно вращают в противоположные стороны, что обеспечивает радиальную однородность температурного поля, а такжеспособствует однородности растущего кристалла.
Желательно, чтобы скоростьвращения была максимально возможной, поскольку это позволяет вывести дислокации за пределы кристалла. Легирование слитка осуществляют путем добавления в расплав сильно легированных гранул кремния. При этом на однородность распределения примесных атомов по слитку сильное влияние оказывает явление сегрегации. Явление сегрегации примесных атомов обусловленоразличной растворимостью атомов в жидкой и твердой фазах и сопровождаетсяперераспределением концентрации примеси на границе раздела двух фаз. Отношение концентраций примесей в твердой и жидкой фазах называется коэффициентом сегрегации примеси.
Коэффициенты сегрегации наиболее распространенных примесных атомов приведены в таблице 2.1.13Таблица 2.1Коэффициенты сегрегации некоторых примесных атомовПримесьk=Cтв/CжP0,35As0,30Sb0,023B0,80Al0,002При вытягивании слитка из расплава вместе с ним из расплава в кристаллпереходят и примесные атомы, но их относительная доля в слитке из-за явлениясегрегации примеси будет меньше, чем в расплаве. Поэтому в процессе увеличения размеров слитка расплав будет обогащаться примесными атомами. В результате возникнет неоднородность распределения примеси по длине слитка.Неоднородность распределения примеси возникнет и по сечению слитка, поскольку его периферийная часть будет затвердевать раньше, чем область, находящаяся ближе к оси слитка. В итоге сопротивление слитка в радиальном направлении будет отличаться примерно на 30 %, в то время как в производствеполупроводниковых микросхем допускаются вариации не более 10 %.
Термический отжиг в значительной степени способствует устранению этой неоднородности.Другим недостатком метода Чохральского является относительно высокая концентрация неконтролируемой примеси в выращенном слитке,в основном кислорода (≈1016 − 1018 см-3) и углерода (≈1017 см-3). Атомы кислорода возникают в слитке из кварцевого тигля, переходя из тигля в расплав и далее в слиток. Источниками углерода являются различные держатели, нагреватели, теплоизоляторы, которые обычно выполняются из графита.
Большаячасть атомов кислорода в конце концов образует молекулы SiO2, которые выделяются вдоль дислокаций и становятся причиной непригодности микросхем,изготовленных их этой части кристалла. Что касается углерода, то он можетобразовывать с кремнием твердый раствор карбида кремния, что также оказывает негативное влияние на качество изготовляемых из полученного слиткамикросхем.Имеется несколько способов, позволяющих уменьшить содержание примесных атомов кислорода и углерода. Так нанесение слоя нитрида кремния навнутреннюю поверхность кварцевого тигля снижает концентрацию кислорода вслитке, а нанесение карбида кремния на поверхность графитового нагревателяуменьшает содержание углерода. Уменьшению содержания кислорода в слиткеспособствует также приложение магнитного поля вдоль оси выращиваемогослитка, поскольку магнитное поле ограничивает тепловую конвекциюв расплаве, тем самым снижаются локальные изменения температурыв расплаве.
Несмотря на отмеченные недостатки, метод Чохральскогов настоящее время является основным в производстве интегральных микросхем, поскольку с его помощью можно получать слитки большого диаметра идостаточно высокого качества.142.3. Получение монокристаллического кремнияметодом бестигельной зонной плавкиВ методе бестигельной зонной плавки исключен контакт расплава кремния с тиглем, что позволяет получать монокристаллические слитки значительноболее чистые, чем выращенные методом Чохральского.
Схема установки, в которой реализован метод бестигельной зонной плавки, представлена на рис. 2.2.Цифрами на рисунке обозначены: 1 – исходный поликристаллический слитоккремний; 2 – зона расплава; 3 – монокристаллический кремний; 4 – кристалл-затравка; 5 – держатель слитка.Суть метода заключается в следующем. Отливка в форме стержня из поликристаллическогокремнияприкрепляетсяоднимконцомк затравочному кристаллу с нужной кристаллографической ориентацией. Область контактастержня с кристаллом-затравкой разогревается доРис. 2.2. Схемы установкиплавления с помощью СВЧ-индуктора или элекбестигельной зонной плавкитронным лучом, после чего узкая зона расплаваперемещается по стержню к противоположномуконцу, оставляя за собой монокристаллический кремний.
Вследствие явлениясегрегации примеси вместе с зоной расплава перемещается и значительная доляпримесных атомов. Перемещая зону расплава по всему слитку несколько раз,можно добиться того, что большая часть примесных атомов будет скапливатьсявблизи торцов слитка. Эти области отрезаются и в результате получается монокристаллический слиток с малым содержанием примесных атомов.Метод не свободен от недостатков. В частности, в нем может быть значительной концентрация дислокаций, поскольку вокруг расплавленной зоны возникают механические напряжения. Есть проблемы выращивания слитковбольшого диаметра.
Удельное сопротивление слитков кремния, выращенныхметодом Чохральского, редко превышает величину 25 Ом⋅см вследствие загрязнения слитка неконтролируемыми примесными атомами (в первую очередькислородом). Удельное сопротивление кристаллов, выращенных методом бестигельной зонной плавки, может изменяться в широких пределах, достигая величины 200 Ом⋅см. При выращивании в вакууме можно получить кристаллы сочень высоким удельным сопротивлением − до 30 000 Ом⋅см.Контрольные вопросы1.2.3.4.5.Почему кремний является базовым материалом для полупроводниковых ИС?Как получают поликристаллический кремний?Как выращивают монокристаллический кремний методом Чохральского?Что такое явление сегрегации примесей?В чем суть метода бестигельной зонной плавки?153.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ3.1. Эпитаксиальные процессы в технологииполупроводниковых интегральных микросхемКлассификация эпитаксиальных процессов. Круг решаемых задачПод эпитаксией понимают процесс ориентированного выращивания монокристаллического слоя на поверхности монокристаллической подложки.В процессе эпитаксиального выращивания образующаяся фаза закономернопродолжает кристаллическую решетку подложки с образованием переходногоэпитаксиального слоя. Переходный слой способствует когерентному срастаниюдвух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковкиатомов, через него передается основная информация о кристаллической структуре подложки в эпитаксиальный слой.В современной технологии процессы эпитаксии занимают одноиз ведущих мест в производстве полупроводниковых интегральных микросхеми большинства типов дискретных полупроводниковых приборов. Эпитаксиальные слои в настоящее время могут быть получены в структурном отношенииболее совершенными, чем объемные монокристаллы.
Они обладают практически идеальной однородностью распределения легирующих примесей. Содержание неконтролируемых примесей в них значительно ниже, чемв монокристаллах, полученных методом Чохральского или бестигельной зонной плавкой.По природе взаимодействия «подложка – растущая кристаллическая фаза» различают три вида эпитаксиальных процессов: гомоэпитаксия (автоэпитаксия), гетероэпитаксия и хемоэпитаксия. Гомоэпитаксия – это процесс выращивания монокристаллического слоя вещества, однотипного по структуре сподложкой и отличающегося от нее только содержанием легирующих примесей. Гетероэпитаксия – это процесс выращивания монокристаллического слоявещества, отличающегося по химическому составу от вещества подложки, ноблизкому ему по кристаллографической структуре.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
