Monokristalni silicij: rast in lastnosti

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

CZ MCZ Single crystal

Silicij, ki je bil in bo še nekaj časa prevladujoč material v industriji polprevodnikov [13.1], nas bo popeljal v obdobje ultravelike integracije (ULSI) in obdobje sistemskega čipa (SOC).

Ko so elektronske naprave postale bolj napredne, je zmogljivost naprav postala bolj občutljiva na kakovost in lastnosti materialov, uporabljenih za njihovo izdelavo.

Germanij (Ge) se je prvotno uporabljal kot polprevodniški material za polprevodniške elektronske naprave. Vendar pa ozek pas (0,66 eV) Ge omejuje delovanje naprav na osnovi germanija na temperature približno 90∘C zaradi znatnih tokov uhajanja, opaženih pri višjih temperaturah. Širši pas silicijevega pasu (1,12 eV) pa povzroči elektronske naprave, ki lahko delujejo do $\approx 200^{\circ} C$ . Vendar pa obstaja resnejši problem kot ozek pasovni pas: germanij na površju ne zagotovi hitro stabilne pasivacijske plasti. Na primer germanijev dioksid (GeO2) je topen v vodi in disociira pri približno 800∘C. Silicij v nasprotju z germanijem zlahka prilagodi površinsko pasivizacijo tako, da tvori silicijev dioksid (SiO2), ki zagotavlja visoko stopnjo zaščite osnovne naprave. Ta stabilen SiO2sloj ima za odločilno prednost silicij pred germanijem kot osnovnim polprevodniškim materialom, ki se uporablja za izdelavo elektronskih naprav. Ta prednost je privedla do številnih novih tehnologij, vključno s postopki za difuzijsko dopiranje in določanjem zapletenih vzorcev. Druge prednosti silicija so, da je popolnoma netoksičen in da je silicijev dioksid (SiO2), surovina, iz katere dobimo silicij, obsega približno 60%%vsebnosti mineralov v zemeljski skorji. To pomeni, da je surovina, iz katere je pridobljen silicij, na voljo v velikem obsegu integriranega vezja (IC) industrija. Poleg tega je mogoče silicij elektronskega razreda pridobiti z manj kot desetino stroškov germanija. Vse te prednosti so povzročile, da je silicij skoraj v celoti nadomestil germanij v industriji polprevodnikov.

Čeprav silicij ni optimalna izbira za vsako elektronsko napravo, njegove prednosti pomenijo, da bo skoraj zagotovo še nekaj časa prevladoval v industriji polprevodnikov.

13.1Pregled

Od iznajdbe točkovnega tranzistorja leta 1947, ko je bila potreba popopolno in čistokristalov. Konkurenca je bila pogosto takšna, da je kakovost kristalov, ki jo zahtevajo nove naprave, mogoče doseči le z nadzorom rasti kristalov z uporabo elektronske opreme, zgrajene s temi novimi napravami. Ker so silicijevi kristali brez dislokacije gojeni že v šestdesetih letih prejšnjega stoletja z uporaboTehnika pomišljajev[13.2], raziskave polprevodniškega materiala in razvojna prizadevanja so se osredotočila na čistost materiala, donose in težave, povezane z izdelavo naprav.

Polprevodniške naprave in vezja se izdelujejo z najrazličnejšimi mehanskimi, kemičnimi, fizikalnimi in toplotnimi postopki. Diagram Aflow za tipične polprevodniške postopke priprave silicija je prikazan na sliki.13.1. Priprava silicijevih monokristalnih podlag z mehansko in kemično poliranimi površinami je prvi korak v dolgem in zapletenem postopku izdelave naprav.

Fig. 13.1 — Slika 13.1
Diagram poteka za tipične polprevodniške postopke priprave silicija. (Po [13.1])

Kot smo že omenili, je silicij drugi najpogostejši element na Zemlji; več kot 90%Zemljine skorje sestavljajo kremen in silikati. Glede na to neomejeno dobavo surovin je potem težava pretvoriti silicij v uporabno stanje, ki ga zahteva polprevodniška tehnologija. Prva in glavna zahteva je, da mora biti silicij, ki se uporablja za elektronske naprave, izredno čist, saj zelo majhne količine nekaterih nečistoč močno vplivajo na elektronske lastnosti silicija in s tem na delovanje elektronske naprave. Druga zahteva je za kristale velikega premera, saj se donos sekancev na rezino znatno poveča z večjimi premeri, kot je prikazano na sl.13.2za primer DRAM [13.3], ena najpogostejših elektronskih naprav. Poleg čistosti in premera morajo proizvodni stroški in specifikacije materiala, vključno z gostoto napak in uporovno homogenostjo, ustrezati trenutnim industrijskim zahtevam.

Fig. 13.2 — Slika 13.2
Čipi na rezin kot funkcija generacije DRAM-a. (Po [13.3])

V tem poglavju so današnji pristopi k pripravi silicija - pretvorba surovine v monokristalni silicij (glej sliko13.1) - so obravnavani.

13.2Izhodni materiali

13.2.1Metalurški razred silicija

Izhodiščna snov za monokristale silicija visoke čistosti je silicijev dioksid (SiO2). Prvi korak pri izdelavi silicija je taljenje in redukcija silicijevega dioksida. To dosežemo z mešanjem silicijevega dioksida in ogljika v obliki premoga, koksa ali sekancev in segrevanjem mešanice na visoke temperature v obločni peči z elektrodo. Ta karbotermična redukcija silicijevega dioksida daje taljeni silicij

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

(13.1) Nekompleksne vrste reakcij se dejansko pojavijo v peči pri temperaturah od 1500 do 2000∘C. Silicijeve kepe, pridobljene s tem postopkom, se imenujejo silicij metalurškega razreda (MG-Si), njegova čistost pa je približno 98–99%.

13.2.2Polikristalni silicij

Vmesne kemijske spojine

Naslednji korak je čiščenje MG-Si do ravni polprevodniškega silicija (SG-Si), ki se uporablja kot vhodni material za monokristalni silicij. Osnovni koncept je, da MG-Si v prahu reagira z brezvodno HCl, da tvori različne klorosilanske spojine v reaktorju s fluidizirano plastjo. Nato silane očistimo z destilacijo in kemijskim nanašanjem s paro (KVB) za tvorbo SG-polisilicija.

Upoštevano je bilo število vmesnih kemičnih spojin, kot je monosilan (SiH4), silicijev tetraklorid (SiCl4), triklorosilan (SiHCl3) in diklorosilan (SiH2Kl2). Med njimi se triklorosilan najpogosteje uporablja za naknadno nanašanje polisilicija iz naslednjih razlogov:

1.
Z lahkoto nastane z reakcijo brezvodnega klorovodika z MG-Si pri razmeroma nizkih temperaturah (200–400∘C).
2.
Je tekoča pri sobni temperaturi, zato je čiščenje mogoče izvesti s standardnimi destilacijskimi tehnikami.
3.
Z njim je enostavno rokovati in ga je mogoče sušiti v posodah iz ogljikovega jekla.
4.
Tekoči triklorosilan se zlahka upari in, če ga zmešamo z vodikom, lahko prevažamo v jeklenih ceveh.
5.
Lahko ga zmanjšamo pri atmosferskem tlaku v prisotnosti vodika.
6.
Njeno nanašanje lahko poteka na ogrevanem siliciju, kar odpravlja potrebo po stiku s tujimi površinami, ki bi lahko kontaminirale nastali silicij.
7.
Reagira pri nižjih temperaturah (1000–1200∘C) in hitreje kot silicijev tetraklorid.

Hidrokloriranje silicija

Triklorosilan se sintetizira s segrevanjem MG-Si v prahu na približno 300 ° C∘C v reaktorju s fluidiziranim slojem. To pomeni, da se MG-Si pretvori v SiHCl3po naslednji reakciji

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

(13.2) Reakcija je zelo eksotermna, zato je treba odstraniti toploto, da se maksimizira donos triklorosilana. Med pretvorbo MG-Si v SiHCl3, različne nečistoče, kot so Fe, Al in B, odstranimo s pretvorbo v njihove halogenide (FeCl3, AlCl3in BCl3) in stranskih proizvodov, kot je SiCl4in H2se tudi proizvajajo.

Destilacija in razgradnja triklorosilana

Destilacija se pogosto uporablja za čiščenje triklorosilana. Triklorosilan, ki ima nižje vrelišče (31.8∘C), je frakcijsko destilirana iz nečistih halogenidov, kar ima za posledico močno povečano čistost z koncentracijo električno aktivnih nečistot manj kot 1 ppba. Triklorosilan visoke čistosti nato uparimo, razredčimo z vodikom visoke čistosti in vnesemo v reaktor za usedanje. V reaktorju so na voljo tanke silicijeve palice, imenovane tanke palice, podprte z grafitnimi elektrodami za površinsko nanašanje silicija glede na reakcijo

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

(13.3) Poleg te reakcije se med nanašanjem polisilicija pojavi tudi naslednja reakcija, ki povzroči nastanek silicijevega tetraklorida (glavni stranski produkt postopka)

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

(13.4) Ta silicijev tetraklorid se na primer uporablja za izdelavo krema visoke čistosti.

Ni treba posebej poudarjati, da mora biti čistost tankih palic primerljiva s čistostjo naloženega silicija. Tanke palice so predhodno ogrete na približno 400∘C na začetku postopka silicijevega KVB. To predhodno segrevanje je potrebno za povečanje prevodnosti tankih palic visoke čistosti (visoke odpornosti) v zadostni meri, da omogoča uporovno ogrevanje. Deponiranje za 200–300 h okoli 1100∘Rezultat C so polislikonske palice visoke čistosti s premerom 150–200 mm. Polisilicijeve palice so oblikovane v različne oblike za nadaljnje procese rasti kristalov, kot so koščki za rast taline Czochralskega in dolge valjaste palice za rast plavajočega območja. Postopek za zmanjšanje triklorosilana na ogrevanem silicijevem drogu z uporabo vodika je bil opisan v poznih petdesetih in zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja v številnih patentnih patentih, ki so bili dodeljeni Siemensu; zato ta postopek pogosto imenujemoSiemensova metoda[13.4].

Glavne slabosti Siemensove metode so slaba učinkovitost pretvorbe silicija in klora, razmeroma majhna velikost šarže in velika poraba energije. Slaba učinkovitost pretvorbe silicija in klora je povezana z veliko količino silicijevega tetraklorida, ki nastane kot stranski produkt v procesu CVD. Samo približno 30%silicija, zagotovljenega v reakciji CVD, pretvori v polisilicij visoke čistosti. Tudi stroški proizvodnje polisilicija visoke čistosti so lahko odvisni od uporabnosti stranskega produkta, SiCl4.

Monosilanski postopek

Tehnologija proizvodnje apolizilicija, ki temelji na proizvodnji in pirolizi monosilana, je bila ustanovljena konec šestdesetih let. Monosilan potencialno prihrani energijo, ker odlaga polisilicij pri nižji temperaturi in proizvaja čistejši polisilicij kot triklorosilanski postopek; vendar se skoraj ne uporablja zaradi pomanjkanja varčne poti do monosilana in zaradi težav pri obdelavi v koraku nanašanja [13.5]. Vendar pa je ta tehnologija z nedavnim razvojem varčnih poti do silana z visoko čistostjo in uspešnim obratovanjem tovarne alarge pritegnila pozornost polprevodniške industrije, ki zahteva večjo čistost silicija.

V trenutnih industrijskih procesih z monosilanom se magnezij in prašek MG-Si segrejeta na 500∘C v vodikovi atmosferi, da se sintetizira magnezijev silicid (Mg2Si), ki nato reagira z amonijevim kloridom (NH4Cl) v tekočem amoniaku (NH3) pod 0∘C, da nastane monosilan (SiH4). Nato se s pirolizo monosilana na uporovno segretih polisilicijevih filamentih pri 700–800 proizvede polislikon visoke čistosti.∘C. V procesu tvorjenja monosilana se večina borovih nečistoč odstrani iz silana s kemično reakcijo z NH3. Vsebnost aborona 0,01–0,02 ppba v polisiliciju je bila dosežena z uporabo amonosilanskega postopka. Ta koncentracija je zelo nizka v primerjavi s koncentracijo polisilicija, pripravljenega iz triklorosilana. Poleg tega je nastali polisilicij manj onesnažen s kovinami, pobranimi s kemičnimi transportnimi procesi, ker razgradnja monosilana ne povzroča težav s korozijo.

Zrnat nanos polisilicija

Razvit je bil bistveno drugačen postopek, ki uporablja razgradnjo monosilana v reaktorju za nanašanje s tekočimi plastmi za proizvodnjo prosto tekočega granuliranega polisilicija [13.5]. Drobni delci silicijevega semena se fluidizirajo v mešanici amonosilana in vodika, polisilicij pa se nalaga, da tvori prosto tekoče sferične delce s premerom povprečno 700 μm s porazdelitvijo velikosti 100–1500 μm. Semena s tekočim slojem so bila prvotno narejena z mletjem SG-Si v mlinu ali kladivu in izpiranjem izdelka s kislino, vodikovim peroksidom in vodo. Ta postopek je bil dolgotrajen in drag in je skozi kovinske brusilnike v sistem vnašal neželene nečistoče. Po novi metodi pa veliki delci SG-Si medsebojno streljajo s hitrim tokom plina, zaradi česar se razbijejo v delce primerne velikosti za fluidno plast. Ta postopek ne vsebuje tujih materialov in ne zahteva izpiranja.

Zaradi večje površine granuliranega polisilicija so reaktorji s tekočim slojem veliko bolj učinkoviti kot tradicionalni palični reaktorji tipa Siemens. Izkazalo se je, da je kakovost polisilicija v fluidiziranem sloju enakovredna polisiliciju, proizvedenemu po bolj običajni Siemensovi metodi. Poleg tega granulirani polisilicij prosto tekoče oblike in velika nasipna gostota omogoča pridelovalcem kristalov, da čim bolje izkoristijo vsako proizvodnjo. To pomeni, da se v postopku rasti kristalov Czochralski (glej naslednje poglavje) lončki hitro in enostavno napolnijo do enakomernih obremenitev, ki običajno presegajo naključno zložene koščke polisilicija, proizvedene po Siemensovi metodi. Če upoštevamo tudi potencial tehnike, da se preklopi iz šaržnega delovanja v neprekinjeno vlečenje (o čemer bomo razpravljali kasneje), lahko vidimo, da bi lahko prosto tečejo polisilikove granule zagotovile ugodno pot avniformne krme v talilno stanje. Zdi se, da je ta izdelek revolucionaren izhodni material, ki veliko obeta rast silikonskih kristalov.

13.3Monokristalna rast

Čeprav so bile različne tehnike uporabljene za pretvorbo polisilicija v monokristale silicija, sta v njihovi proizvodnji prevladovali dve tehniki za elektroniko, ker ustrezata zahtevam industrije mikroelektronskih naprav. Ena je metoda taljenja ozona, ki jo običajno imenujemoplavajoče območje (FZ) metoda, drugi pa je metoda apuliranja, ki se tradicionalno imenujeCzochralski (CZ) metoda, čeprav bi ga dejansko morali imenovatiMetoda Teal – Little. Načeli teh dveh načinov rasti kristalov so prikazani na sl.13.3. Pri FZ metodi se amoltenska cona prenaša skozi apolizilicijevo palico, da se pretvori v enokristalni ingot; pri metodi CZ vzgojimo krogličasti kristal z vlečenjem iz melt, ki ga vsebuje lonček iz akvarca. V obeh primerih jesemenski kristaligra zelo pomembno vlogo pri pridobivanju enotnega kristala z želeno kristalografsko usmeritvijo.

Fig. 13.3a,b — Slika 13.3a, b
Načela rasti monokristalov z (a) metoda s plavajočo cono in (b) Metoda Czochralskega. (Po [13.1])

Ocenjuje se, da je približno 95%vsega monokristalnega silicija dobimo po metodi CZ, preostanek pa večinoma po metodi FZ. Industrija silicijevih polprevodnikov zahteva visoko čistost in minimalne koncentracije napak v svojih silicijevih kristalih, da optimizira donosnost in operativno zmogljivost naprave. Te zahteve postajajo vedno strožje, ko se tehnologija spreminja iz LSI v VLSI ∕ ULSI in nato SOC. Poleg kakovosti ali dovršenosti silicijevih kristalov se tudi premer kristalov nenehno povečuje, da zadosti zahtevam proizvajalcev naprav. Ker se mikroelektronski čipi proizvajajo prek ašaržni sistem, premeri silicijevih rezin, ki se uporabljajo za izdelavo naprav, pomembno vplivajo na produktivnost (kot je prikazano na sl.13.2) in posledično proizvodni stroški.

V naslednjih razdelkih najprej razpravljamo o metodi FZ in nato preidemo k metodi CZ. Slednje bomo podrobneje obravnavali zaradi izjemnega pomena za mikroelektronsko industrijo.

13.3.1Metoda s plavajočo cono

Splošne opombe

Metoda FZ izvira iz taljenja v conah, ki je bila uporabljena za prečiščevanje binarnih zlitin [13.6] in jo je izumilTheuerer[13.7]. Reaktivnost tekočega silicija z materialom, uporabljenim za lonček, je privedla do razvoja metode FZ [13.8], ki omogoča kristalizacijo silicija brez kakršnega koli stika z lončkom, ki je potreben za rast kristalov zahtevane polprevodniške čistosti.

Oris procesa

V postopku FZ se apolizilicijeva palica pretvori v enokristalni ingot, tako da amoltensko cono, ogrevano s tuljavo z iglicami, segreje z enega konca palice na drugega, kot je prikazano na sliki.13.3a. Najprej se dotakne konice polisilicijeve palice in se zlije s semenskim kristalom z želeno kristalno orientacijo. Ta postopek se imenujesejanje. Zasejano staljeno območje prehaja skozi polisilicijevo palico s hkratnim premikanjem monokristalnega semena navzdol po palici. Ko se staljeno območje silicija strdi, se polisilicij s pomočjo semenskega kristala pretvori v monokristalni silicij. Ko območje potuje vzdolž polisilicijeve palice, monokristalni silicij zamrzne na koncu in raste kot podaljšek semenskega kristala.

Po sejanju nastane vratu s premerom približno 2 ali 3 mm in dolžino 10–20 mm. Ta postopek se imenujevratu. Odraščanje na vratu odpravlja dislokacije, ki jih lahko vnesemo v novo gojeni monokristalni silicij med sejanjem zaradi toplotnega šoka. Ta postopek vračanja, imenovanTehnika pomišljajev[13.2], je torej bistvenega pomena za gojenje kristalov brez dislokacije in se splošno uporablja tako v metodah FZ kot v CZ. Na sliki je prikazan rentgenski topograf semena, vratu in stožčastega dela monokristala asilija, pridelanega po FZ metodi.13.4. Očitno je, da se dislokacije, ki nastanejo na stiku s talino, popolnoma odstranijo z vratarjem. Po oblikovanju stožčastega dela zraste glavnina s polnim ciljnim premerom. Med celotnim postopkom rasti FZ se oblika staljenega območja in premer zlitka določita s prilagoditvijo moči tuljavi in hitrosti potovanja, ki sta pod računalniškim nadzorom. Tehnika, ki se najpogosteje uporablja za samodejni nadzor premera tako pri metodah FZ kot pri CZ, uporablja infrardeči senzor, osredotočen na meniskus. Oblika meniskusa na rastočem kristalu je odvisna od njegovega kontaktnega kota na trifazni meji, premera kristala in velikosti površinske napetosti. Zazna se sprememba kota meniskusa (in s tem premera kristala), informacije pa se vrnejo nazaj, da se samodejno prilagodijo pogoji rasti.

Fig. 13.4 — Slika 13.4
Rentgenska topografija semena, vratu in stožčastega dela silicija s plavajočo cono. (Prispevek dr. T. Abe)

V nasprotju z rastjo kristalov CZ, pri kateri je semenski kristal potopljen v silicijevo talino in naraščajoči kristal povlečen navzgor, pri FZ metodi tanek semenski kristal vzdržuje rastoči kristal, tako kot polislikonska palica od spodaj (sl.13.3). Kot je rezultat, je palica v celotnem procesu rasti negotovo uravnotežena na tankem semenu in vratu. Seme in vrat lahko podpirata akril do 20 kg, če ostane težišče rastočega kristala v središču rastnega sistema. Če se težišče odmakne od središčnice, seme zlahka zlomi. Zato je bilo treba izumiti tehniko za stabilizacijo in podporo akristalov, preden so lahko vzgojili dolge in težke silicijeve kristale FZ. Za velike kristale je treba rastoči kristal podpirati na način, ki je prikazan na sl.13.5[13.9], zlasti v primeru nedavnih kristalov FZ z velikimi premeri (150–200 mm), saj njihova teža zlahka presega 20 kg.

Fig. 13.5 — Slika 13.5
Podporni sistem za silicijev kristal s plavajočo cono. (Po [13.9])

Doping

Da bi dobili silicijeve monokristale n- ali p-tipa z zahtevano upornostjo, je treba polisilicij ali rastoči kristal dopirati z ustreznimi donornimi oziroma akceptorskimi nečistočami. Za rast FZ silicija, čeprav je bilo preizkušenih več tehnik dopinga, se kristali običajno dopirajo s pihanjem prevzemnega plina kot je fosfin3) za silicij ali diboran n-tipa (B2H6) za silicij tipa p na staljeno območje. Dopantni plin se običajno razredči z akarijevim plinom, kot je argon. Velika prednost te metode je, da proizvajalcu silicijevih kristalov ni treba hraniti polisilicijevih virov z različno upornostjo.

Ker je ločevanje (o katerem bomo razpravljali v naslednjem podpoglavju) elementarnih dodatkov za silicij n-tipa veliko manjše od enotnosti, imajo kristali FZ, dopirani po tradicionalni metodi, radialne gradientne dodatke. Poleg tega, ker se hitrost kristalizacije spreminja v radialni smeri na mikroskopski lestvici, se koncentracije dopantov ciklično porazdelijo in povzročijo tako imenovanodopantne proge, kar ima za posledico nehomogenosti radialnega upora. Da bi dobili bolj homogeno dopiran silicij n-tipa, je treba doping nevtronske transmutacije (NTD) je bil uporabljen za silicijeve kristale FZ [13.10]. Ta postopek vključuje jedrsko transmutacijo silicija v fosfor z bombardiranjem kristala s toplotnimi nevtroni v skladu z reakcijo

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

(13.5) Radioaktivni izotop31Si nastane, ko30Si zajame anevtron in nato razpade v stabilen izotop31P (donatorski atomi), katerih porazdelitev ni odvisna od parametrov rasti kristalov. Takoj po obsevanju kristali pokažejo visoko upornost, kar je pripisano velikemu številu mrežastih napak, ki so posledica poškodb zaradi sevanja. Zato je treba obsevan kristal žariti v inertnem okolju pri temperaturah okoli 700∘C, da se uničijo napake in se upornost povrne tistemu, ki izhaja iz dopinga fosforja. Po shemi NTD kristale gojimo brez dopinga in jih nato obsevamo v jedrskem reaktorju z zaskrbljujočim razmerjem med termičnimi in hitrimi nevtroni, da bi povečali zajemanje nevtronov in zmanjšali škodo na kristalni rešetki.

Uporaba NTD je bila skoraj izključno omejena na kristale FZ zaradi njihove večje čistosti v primerjavi s kristali CZ. Ko je bila tehnika NTD uporabljena za silicijeve kristale CZ, je bilo ugotovljeno, da je tvorba darovalcev kisika med žarjenjem po obsevanju spremenila upornost od pričakovane, čeprav je bila dosežena homogenost darovalcev fosforja [13.11]. NTD ima še dodatno pomanjkljivost, ker za dopatante tipa p ni na voljo nobenega postopka in da je pri nizkih uporih (v območju 1–10 Ω cm) potrebno predolgo obdobje obsevanja.

Lastnosti kristala FZ-silicij

Med rastjo kristalov FZ staljeni silicij ne pride v stik z nobeno snovjo, razen s plinom iz okolice v rastni komori. Zato se silicijev kristal FZ odlikuje po svoji višji čistosti v primerjavi s kristalom aCZ, ki ga gojimo iz taline, ki vključuje stik z vodnim lončkom. Ta kontakt povzroči visoke koncentracije kisikovih nečistoč približno 1018atomi ∕ cm3v CZ kristalih, medtem ko FZ silicij vsebuje manj kot 1016atomi ∕ cm3. Ta višja čistost omogoča FZ siliciju, da doseže visoko upornost, ki je ni mogoče dobiti s CZ silicijem. Večina porabljenega FZ silicija ima izpornost med 10 in 200 Ω cm, medtem ko je CZ silicij običajno pripravljen na upornost 50 Ω cm ali manj zaradi onesnaženja iz kremenovega lončka. FZ silicij se zato v glavnem uporablja za izdelavo polprevodniških napajalnih naprav, ki podpirajo povratne napetosti nad 750–1000 V. Rast kristalov visoke čistosti in natančne lastnosti dopinga NTD FZ-Si so privedle tudi do njegove uporabe v infrardečih detektorjih [13.12], na primer.

Če pa upoštevamo mehansko trdnost, že vrsto let priznavamo, da je FZ silicij, ki vsebuje manj kisikovih nečistoč kot CZ silicij, mehansko šibkejši in bolj občutljiv na toplotne obremenitve med izdelavo naprav [13.13,13.14]. Visokotemperaturna obdelava silicijevih rezin med proizvodnjo elektronskih naprav pogosto povzroči dovolj toplotnega stresa, da povzroči drsne dislokacije in deformacije. Ti učinki povzročajo izgubo izkoristka zaradi puščajočih križišč, dielektričnih napak in zmanjšanja življenjske dobe, pa tudi zmanjšane fotolitografske izkoristke zaradi poslabšanja ravnosti rezin. Izguba geometrijske ravnine zaradi deformacije je lahko tako velika, da se oblati ne obdelujejo več. Zaradi tega so se silicijeve rezine CZ veliko bolj pogosto uporabljale pri izdelavi naprav IC kot plošče FZ. Ta razlika v mehanski stabilnosti pred toplotnimi napetostmi je glavni razlog, da se silicijevi kristali CZ uporabljajo izključno za izdelavo integriranih vezij, ki zahtevajo veliko število korakov toplotnega procesa.

Da bi odpravili te pomanjkljivosti FZ silicija, je rast FZ silicijevih kristalov z doping nečistočami, kot je kisik [13.15] in dušik [13.16] je bil poskusen. Ugotovljeno je bilo, da doziranje kristalov silicija FZ s kisikom ali dušikom pri koncentracijah $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ ali $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ povzroči izredno povečanje mehanske trdnosti.

13.3.2Metoda Czochralskega

Splošne opombe

Ta metoda je dobila ime po J. Czochralskemu, ki je vzpostavil tehniko za določanje hitrosti kristalizacije kovin [13.17]. Vendar je dejansko vlečno metodo, ki se je pogosto uporabljala za rast monokristalov, razvilZelenomodrainMalo[13.18], ki je spremenil osnovno načelo Czochralskega. Prvi so leta 1950 uspešno gojili monokristale germanija, dolgih 8 in premer 0,75 palca. Nato so zasnovali še en aparat za rast silicija pri višjih temperaturah. Čeprav se je osnovni proizvodni postopek za monokristalni silicij le malo spremenil, odkar so ga začeli izvajati Teal in sodelavci, silicijevi monokristali velikega premera (do 400 mm) z visoko stopnjo popolnosti, ki ustrezajo najsodobnejši napravi zahteve so se povečale z vključitvijo tehnike Dash in zaporednimi tehnološkimi novostmi v aparat.

Današnja prizadevanja za raziskave in razvoj silicijevih kristalov so usmerjena v doseganje mikroskopske enakomernosti lastnosti kristalov, kot so upornost in koncentracije nečistoč in mikrodefektov, ter njihovo mikroskopsko kontrolo, o čemer bomo razpravljali drugje v tem priročniku.

Oris procesa

Trije najpomembnejši koraki v rasti kristalov CZ so shematsko prikazani na sl.13.3b. Načeloma je postopek rasti CZ podoben postopku rasti FZ: (1) taljenje polisilicija, (2) sejanje in (3) gojenje. Postopek vlečenja CZ pa je bolj zapleten kot postopek rasti FZ in se od njega razlikuje po uporabi akvartnega lončka za zadrževanje staljenega silicija. Slika13.6prikazuje ashematični pogled na tipično sodobno opremo za rast kristalov CZ. Pomembni koraki v dejanskem ali običajnem zaporedju rasti silicijevih kristalov CZ so naslednji:

1.
Polisilicijevi kosi ali zrna se dajo v akvarski lonček in se stopijo pri temperaturah, višjih od tališča silicija (1420∘C) v inertnem plinu iz okolice.
2.
Talino nekaj časa držimo pri visoki temperaturi, da zagotovimo popolno taljenje in izmet drobnih mehurčkov, ki lahko povzročijo praznine ali negativne kristalne napake, iz taline.
3.
Semenski kristal z želeno kristalno usmeritvijo potopimo v talino, dokler se ne začne sam topiti. Nato se seme umakne iz taline, tako da nastane vrat s postopnim zmanjševanjem premera; to je najbolj občutljiv korak. Med celotnim postopkom rasti kristalov inertni plin (običajno argon) teče navzdol skozi vlečno komoro, da odvede reakcijske produkte, kot sta SiO in CO.
4.
S postopnim povečevanjem kristalnega premera rastejo stožčasti del in pleče. Premer se poveča do ciljnega premera z zmanjšanjem vlečne hitrosti in ∕ ali temperature taline.
5.
Na koncu cilindrični del telesa s konstantnim premerom zraste z uravnavanjem hitrosti vlečenja in temperature taline, hkrati pa kompenzira padec stopnje taline, ko kristal raste. Hitrost vlečenja se običajno zmanjša proti koncu obraščajočega se kristala, predvsem zaradi povečanja toplotnega sevanja iz stene lončka, ko stopnja taline pade in izpostavi več stene lončka rastočemu kristalu. Pred koncem procesa rasti, vendar preden se lonček popolnoma izprazni iz staljenega silicija, je treba premer kristala postopoma zmanjševati, da se tvori končni stožec, da se čim bolj zmanjša toplotni šok, ki lahko povzroči drsne dislokacije na koncu repa. Ko postane premer dovolj majhen, lahko kristal ločimo od taline brez nastajanja dislokacij.

Slika13.7prikazuje del semenskega dela gojenega silicijevega kristala CZ. Čeprav je koruza semen, ki je prehodno območje iz semena v cilindrični del, navadno iz ekonomskih razlogov precej ravna, je z vidika kakovosti akristala morda zaželena bolj zožena oblika. Naramenskega dela in njegove okolice ne bi smeli uporabljati za izdelavo naprav, ker ta del v mnogih pogledih velja za prehodno območje in ima nenadne lastnosti kristalov zaradi nenadne spremembe pogojev rasti.

Fig. 13.6 — Slika 13.6
Shematski prikaz tipičnega sistema za gojenje silicijevega kristala Czochralski. (Po [13.1])

Fig. 13.7 — Slika 13.7
Semenski del pridelanega silicijevega kristala Czochralski

Slika13.8prikazuje izredno velik kotnik CZ silicijev kristalni ingot s premerom 400 mm in dolžino 1800 mm, ki ga goji Super Silicon Crystal Research Institute Corporation na Japonskem [13.3].

Fig. 13.8 — Slika 13.8
Izjemno velik, kot gojen silicijev ingotek Czochralski, premera 400 mm in dolžine 1800 mm (Z dovoljenjem Super Silicon Crystal Research Institute Corporation, Japonska)

Vpliv prostorske lokacije inaGrownCrystal

Kot kaže sl.13.9jasno prikazuje, da je vsak del kristala aCZ gojen ob različnem času z različnimi rastnimi pogoji [13.19]. Zato je pomembno razumeti, da ima vsak del različen niz značilnosti kristalov in različno toplotno zgodovino zaradi svojega drugačnega položaja vzdolž kristalne dolžine. Na primer, del s semenom ima nadaljnjo toplotno zgodovino, ki se giblje od tališča 1420 do približno 400∘C v Apullerju, medtem ko ima zadnji del zgodovino brez strahu in se od tališča dokaj hitro ohladi. Na koncu bi lahko vsaka silicijeva rezina, pripravljena iz različnega dela gojenega kristala, pokazala različne fizikalno-kemijske lastnosti, odvisno od tega, kje se nahaja v kalupu. Dejansko poročajo, da ima obnašanje kisika največjo lokacijsko odvisnost, kar pa vpliva na nastanek večjih napak [13.20].

Fig. 13.9 — Slika 13.9
Termično okolje med rastjo kristalov Czochralski v začetni in končni fazi.Puščicenavedite približne smeri toplotnega toka. (Po [13.19])

Prav tako pride do anonuiformne porazdelitve tako kristalnih napak kot nečistoč po prečnem prerezu ploščate plošče, pripravljene iz aCZ kristalne silicijeve taline, ki se kristalizira ali strdi zaporedoma na vmesniku kristal-talina, ki je na splošno ukrivljen v procesu rasti kristalov CZ. Takšne nehomogenosti lahko opazimo kotproge, o katerih bomo govorili kasneje.

13.3.3Nečistoče v siliciju Czochralski

Lastnosti silicijevih polprevodnikov, ki se uporabljajo v elektronskih napravah, so zelo občutljive na nečistoče. Zaradi te občutljivosti lahko električne ∕ elektronske lastnosti silicija natančno nadzorujemo z dodajanjem majhne količine dodatka. Poleg te občutljivosti na dopant onesnaženje z nečistočami (zlasti s prehodnimi kovinami) negativno vpliva na lastnosti silicija in povzroči resno poslabšanje zmogljivosti naprave. Poleg tega je kisik vključen v koncentraciji deset atomov na milijon v silicijeve kristale CZ zaradi reakcije med silicijevo talino in kremenovim lončkom. Ne glede na to, koliko kisika je v kristalu, na značilnosti silicijevih kristalov močno vplivata koncentracija in obnašanje kisika [13.21]. Poleg tega se ogljik vgradi tudi v kristale silicija CZ bodisi iz polisilicijevih surovin bodisi med postopkom rasti zaradi delov grafita, ki se uporabljajo v vlečni opremi CZ. Čeprav je koncentracija ogljika v komercialnih CZ silicijevih kristalih običajno manjša od 0,1 ppma, je ogljik nečistoča, ki močno vpliva na obnašanje kisika [13.22,13.23]. Prav tako dušikovi kristali CZ silicija [13.24,13.25] v zadnjem času pritegnejo veliko pozornosti zaradi visoke mikroskopske kakovosti kristalov, ki lahko ustrezajo zahtevam po najsodobnejših elektronskih napravah [13.26,13.27].

Nečistoča Nehomogenost

Med kristalizacijo iz taline se v rastoči kristal vgradijo različne nečistoče (vključno z dodatki), ki jih vsebuje talina. Koncentracija nečistoč v trdni fazi se na splošno razlikuje od koncentracije v tekoči fazi zaradi pojava, znanega kotločevanje.

Ločevanje

Ravnotežno ločeno vedenje, povezano s strjevanjem večkomponentnih sistemov, je mogoče določiti iz ustreznega faznega diagrama abinarnega sistema ztopljen(nečistoča) in atopilo(gostiteljski material) kot sestavni deli.

Razmerje topnosti nečistoč Ain v trdnem siliciju [CA]sna tisto v tekočem siliciju [CA]L

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

(13.6) se imenujeravnotežni koeficient ločevanja. Topnost nečistoč v tekočem siliciju je vedno večja kot v trdnem siliciju; to je,k0& lt; 1. Ravnotežni koeficient ločevanjak0velja le za strjevanje pri zanemarljivo počasnih stopnjah rasti. Za končne ali večje stopnje strjevanja nečistotni atomi zk0& lt; 1 napredujoča trdna snov zavrne s hitrejšo hitrostjo, kot jo lahko razprši v talino. V procesu rasti kristalov CZ poteka ločevanje na začetku strjevanja na vmesni površini agiven seme-talina, zavrnjeni atomi nečistoče pa se začnejo kopičiti v plasti taline blizu vmesnika rasti in difundirajo v smeri večjega dela taline. V tej situaciji jeefektivni koeficient ločevanjakefflahko določimo kadar koli med rastjo kristalov CZ in koncentracijo nečistoč [C]sv aCZ kristal lahko dobimo z

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

(13.7) kjer [C0] začetna koncentracija nečistoč v talini ingje frakcija strjena.

Posledično je jasno, da je postopek serijske rasti CZ neločljivo povezan z amakroskopskimi vzdolžnimi nihanji v nivoju nečistoč, ki povzročajo nespremenljivost upornosti zaradi nihanja koncentracije dodatka; to je posledica pojava ločevanja. Poleg tega na vzdolžno porazdelitev nečistoč vplivajo spremembe velikosti in narave konvekcije taline, ki se pojavijo, ko se razmerje stranic taline med rastjo kristalov zmanjša.

Proge

V večini procesov rasti kristalov obstajajo prehodni parametri, kot sta trenutna mikroskopska hitrost rasti in debelina difuzijske mejne plasti, kar povzroči spremembe efektivnega koeficienta ločevanjakeff. Te spremembe povzročajo mikroskopske kompozicijske nehomogenosti v oblikiprogevzporedno z vmesnikom kristal-talina. Proge lahko enostavno razmejimo z več tehnikami, kot sta prednostno kemično jedkanje in rentgenska topografija. Slika13.10prikazuje proge, razkrite s kemičnim jedkanjem v ramenskem delu vzdolžnega preseka silicijevega kristala aCZ. Jasno je opaziti tudi postopno spreminjanje oblike vmesnika za rast.

Fig. 13.10 — Slika 13.10
Strateže rasti, razkrite s kemičnim jedkanjem, v plehu silicija Czochralski

Črepi so fizično posledica ločevanja nečistoč in tudi točkovnih napak; toda praske so praktično posledica temperaturnih nihanj v bližini vmesnika kristal-talina, ki jih povzroča nestabilna toplotna konvekcija v talini in vrtenje kristalov v asimetričnem toplotnem okolju. Poleg tega lahko mehanska nihanja zaradi slabih krmilnih mehanizmov vlečenja v rastni opremi povzročajo tudi nihanja temperature.

Slika13.11shematsko ponazarja presek kristala, vzgojenega s CZ, ki vsebuje zaobljen vmesnik kristal-talina, kar ima za posledico nehomogenost na površini aslice. Ko je vsak ravninski rezin narezan, vsebuje različne dele več ukrivljenih trakov. Drugačenfonografski obročki, imenovanovrtinec, se lahko nato pojavijo v vsaki oblatni, kar lahko opazujemo po oblatni z zgoraj omenjenimi tehnikami.

Fig. 13.11 — Slika 13.11
Shematski prikaz preseka kristala Czochralski, ki vsebuje ostri vmesnik kristal-talina in ploske rezine, narezane na različne dele. (Po [13.1])

Doping

Da bi dobili želeno upornost, določimo določeno količino dopanta (bodisi darovalca bodisi akceptorskega atoma) v talino azilicija glede na razmerje med upornostjo in koncentracijo. Običajna praksa je dodajanje dodatkov v obliki visoko dopiranih delcev silicija ali kosov z uporovno upornostjo približno 0,01 Ω cm, ki jih imenujemo pritrdilna naprava, saj je potrebna količina čistega dodatka neobvladljivo majhna, razen za močno dopirane silicijeve materiale (n+ali str+silicij).

Kriteriji za izbiro sprejemnika za polprevodniški material so, da ima naslednje lastnosti:

1.
Primerna raven energije
2.
Visoka topnost
3.
Primerna ali nizka difuzivnost
4.
Nizek parni tlak.

Visoka difuznost ali visok parni tlak vodi do neželene difuzije ali izhlapevanja dopantov, kar povzroči nestabilno delovanje naprave in težave pri natančnem nadzoru upora Premajhna topnost omejuje upor, ki ga je mogoče dobiti. Poleg teh meril je treba upoštevati še kemijske lastnosti (na primer strupenost). Nadaljnji premislek z vidika rasti kristalov je, da ima dopant segregacijski koeficient, ki je skoraj enak, da bi bila upornost čim bolj enakomerna od konca semena do konca kristala CZ. Posledično sta fosfor (P) in bor (B) najpogosteje uporabljena donatorska in akceptorska dopantna sredstva za silicij. Za n+silicij, v katerem so donatorski atomi močno dopirani, se namesto fosforja običajno uporablja antimon (Sb), kljub majhnemu koeficientu segregacije in visokemu parnemu tlaku, kar vodi do velikih sprememb koncentracije tako v aksialni kot v radialne smeri.

Kisik in ogljik

Kot je shematsko prikazano na sl.13.3b in13.6, akvarc (SiO2) lončki in grafitni grelni elementi se uporabljajo pri metodi rasti kristalov CZ-Si. Površina lončka, ki je v stiku s silicijevo talino, se zaradi reakcije postopoma raztopi

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

(13.8) Ta reakcija obogati silicijevo talino s kisikom. Večina atomov kisika izhlapi s taline kot hlapljiv silicijev mono-oksid (SiO), nekateri pa se vgradijo v kristal azil iz vmesnika kristal-talina. Vendar ogljik v kristalih silicija iz CZ izvira predvsem iz polikristalnega izhodišča material. Stopnje ogljika v razponu od 0,1 do 1 ppma, odvisno od proizvajalca, najdemo v polisiliciju. Predpostavlja se, da so viri ogljika v polisiliciju v glavnem nečistoče, ki vsebujejo ogljik in jih najdemo v triklorosilanu, ki se uporablja pri proizvodnji polisilicija. Grafitni deli v vlečni opremi CZ lahko prispevajo tudi k onesnaženju ogljika z reakcijo s kisikom, ki je vedno prisoten med rastjo okolice. Nastali produkti CO in CO2se raztopijo v silicijevi talini in upoštevajo ogljikove nečistoče v silicijevih kristalih. Tako sta kisik in ogljik dve glavni nedopirljivi nečistoči, ki sta vgrajeni v silicijeve kristale CZ na shematski način, prikazan na sliki.13.12. Obnašanje teh nečistoč v siliciju, ki vplivajo na število lastnosti silicijevih kristalov CZ, je bilo predmet intenzivnih raziskav od poznih petdesetih let [13.21].

Fig. 13.12 — Slika 13.12
Vključitev kisika in ogljika v silicijev kristal Czochralski. (Po [13.1])

13.4Nove metode kristalne rasti

Silicijevi kristali, ki se uporabljajo za izdelavo mikroelektronskih naprav, morajo izpolnjevati številne zahteve proizvajalcev naprav. Poleg zahtev za silicijnapolitanke, so naslednje kristalografske zahteve postale bolj pogoste zaradi visoko donosne in visoko zmogljive proizvodnje mikroelektronskih naprav:

1.
Velik premer
2.
Nizka ali nadzorovana gostota napak
3.
Enoten in nizek gradient radialnega upora
4.
Optimalna začetna koncentracija kisika in njegove padavine.

Jasno je, da proizvajalci silicijevih kristalov ne smejo zgolj izpolnjevati zgornjih zahtev, temveč jih morajo proizvajati tudi gospodarno in z visokim proizvodnim donosom. Glavni pomisleki pridelovalcev silicijevega kristala sta kristalografska dovršenost in osna porazdelitev dopantov v CZ siliciju. Da bi premagali nekatere težave s konvencionalno metodo rasti kristalov CZ, je bilo razvitih več novih metod rasti kristalov.

13.4.1Czochralski Rast z uporabljenim magnetnim poljem (MCZ)

Tok konvekcije taline v lončku močno vpliva na kakovost kristalov CZ silicija. Zlasti neugodne rastne pasove povzroča nestabilna konvekcija taline, ki povzroča temperaturna nihanja na rastni površini. Sposobnost magnetnega polja, da zavira toplotno konvekcijo v električno prevodni tekočini, je bila najprej uporabljena za rast kristalov indijevega antimonida s tehniko vodoravnih čolnov [13.28] in vodoravno cono taljenja [13.29]. S temi preiskavami je bilo potrjeno, da lahko magnetno polje z zadostno močjo zavira temperaturna nihanja, ki spremljajo konvekcijo taline, in lahko dramatično zmanjša rastne pasove.

Učinek magnetnega polja na rastne pasove je razložen z njegovo zmožnostjo zmanjševanja turbulentne toplotne konvekcije melt in posledično zmanjšanja temperaturnih nihanj na vmesniku kristal-talina. Dušenje pretoka tekočine, ki ga povzroča magnetno polje, je posledica inducirane magnetomotivne sile, kadar je pretok pravokoten na črte magnetnega pretoka, kar povzroči povečanje efektivne kinematične viskoznosti prevodne taline.

Rast silicijevih kristalov z magnetno polje po metodi CZ (MCZ) je bila prvič poročana leta 1980 [13.30]. Prvotno je bil MCZ namenjen rasti silicijevih kristalov CZ, ki vsebujejo nizke koncentracije kisika in imajo zato visoko upornost z majhnimi radialnimi variacijami. Z drugimi besedami, pričakoval je, da bo silicij MCZ nadomestil silicij FZ, ki se skoraj izključno uporablja za izdelavo pogonskih naprav. Od takrat so bile razvite različne konfiguracije magnetnega polja glede na smer magnetnega polja (vodoravno ali navpično) in vrsto uporabljenih magnetov (običajni prevodni ali superprevodni) [13.31]. MCZ silicij, proizveden s širokim razponom želenih koncentracij kisika (od nizkih do visokih), je bil zelo zanimiv za različne aplikacije naprav. Vrednost silicija MCZ je v njegovi visoki kakovosti in zmožnosti nadzora koncentracije kisika v širokem razponu, česar ni mogoče doseči z običajno metodo CZ [13.32], pa tudi povečana stopnja rasti [13.33].

Kar zadeva kakovost kristalov, ni dvoma, da metoda MCZ zagotavlja silicijeve kristale, ki so najbolj ugodni za industrijo polprevodniških naprav. Proizvodni stroški silicija MCZ so lahko višji od stroškov običajnega silicija CZ, ker metoda MCZ porabi več električne energije in zahteva dodatno opremo in obratovalni prostor za elektromagnete; ob upoštevanju višje stopnje rasti MCZ in kadar se uporabljajo superprevodni magneti, ki potrebujejo manj prostora in porabijo manj električne energije v primerjavi s prevodnimi magneti, lahko proizvodni stroški kristalov silicija MCZ postanejo primerljivi s tistimi pri običajnih CZ silicijevih kristalih. Poleg tega lahko izboljšana kakovost kristalov silicija MCZ poveča proizvodne donose in zniža proizvodne stroške.

13.4.2Neprekinjena metoda Czochralskega (CCZ)

Stroški proizvodnje kristalov so v veliki meri odvisni od stroškov materiala, zlasti stroškov tistih, ki se uporabljajo za kremenčeve lončke. V običajnem postopku CZ, imenovanem aserijski postopek, akristal se izvleče iz enakomernega lončka, kremenov lonček pa se uporabi samo enkrat, nato pa ga zavržemo. To je zato, ker majhna količina preostalega silicija razpoči lonček, ko se med vsako rastjo ohladi od visoke temperature.

Ena strategija za ekonomično polnjenje lončka iz akvarca s talino je neprekinjeno dodajanje krme, ko kristal raste, in s tem vzdrževanje taline na ustrezni prostornini. Metoda Czochralski (CCZ) z neprekinjenim polnjenjem poleg prihranka stroškov zagotavlja idealno okolje za rast silicijevih kristalov. Kot smo že omenili, so številne nehomogenosti v kristalih, pridelanih s konvencionalnim šaržnim postopkom CZ, neposreden rezultat nestabilne kinetike, ki izhaja iz spremembe volumna taline med rastjo kristalov. Cilj metode CCZ ni le zmanjšanje proizvodnih stroškov, temveč tudi gojenje kristalov v enakomernih pogojih. Z ohranjanjem prostornine taline na konstantni ravni lahko dosežemo enakomerne pogoje toplotnega in talnega toka (glej sliko13.9, ki prikazuje spremembe v toplotnih okoljih med konvencionalno rastjo CZ).

Neprekinjeno polnjenje se običajno izvaja s polisilicijevim dovajanjem, kot je prikazano na sliki.13.13[13.34]. Ta sistem je sestavljen iz lopute za shranjevanje polisilicijeve surovine in avibratorja za dovajanje polisilicija v lonček. V lončku, ki vsebuje silicijevo talino, je potreben akvartni odbojnik, da se prepreči turbulanca taline, ki nastane zaradi dovajanja trdne snovi okoli vmesne površine. Prosto tekoče polisilikove granule, kot so prej omenjene, so očitno ugodne za CCZ metodo.

Fig. 13.13 — Slika 13.13
Shematski prikaz metode Czochralskega z neprekinjenim polnjenjem. (Po [13.34])

Metoda CCZ zagotovo rešuje večino problemov, povezanih z nehomogenostmi kristalov, pridelanih s konvencionalno metodo CZ. Poleg tega kombinacija MCZ in CCZ (neprekinjeni CZ z magnetnim poljem) (MCCZ) metoda) naj bi zagotovila končno metodo rasti kristalov, ki daje idealne silicijeve kristale za najrazličnejše mikroelektronske aplikacije [13.1]. Dejansko so ga uporabljali za gojenje visokokakovostnih silicijevih kristalov, namenjenih za mikroelektronske naprave [13.35].

Vendar je treba poudariti, da so različne toplotne zgodovine različnih delov kristala (od semen do konca repa, kot je prikazano na sl.13.9), je treba upoštevati tudi, če kristal gojimo z metodo idealne rasti. Za homogenizacijo gojenega kristala ali za doseganje aksialne enakomernosti v termični zgodovini je treba uporabiti neko obliko naknadne obdelave, kot je visokotemperaturno žarjenje [13.36], je potrebno za kristal.

13.4.3Metoda brezrastne rasti

Kot smo že omenili, Dashov postopek vratov (ki zraste na vratu s premerom 3-5 mm, sl.13.7) je ključni korak med rastjo kristalov CZ, ker odpravlja vrasle dislokacije. Ta tehnika je industrijski standard že več kot 40 let. Vendar pa so nedavne zahteve po velikih premerih kristalov (& gt; 300 mm, tehtajo več kot 300 kg) povzročile potrebo po vratu z večjim premerom, ki ne vnaša dislokacij v rastoči kristal, saj je premer vratu 3-5 mm v premeru ne more podpirati tako velikih kristalov.

Semena velikega premera, ki so običajno dolga 170 mm, z najmanjšim premerom> 10 mm in povprečno 12 mm, pridelanih iz silicijeve taline, močno dopirane z borom (

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

) so bili uporabljeni za gojenje silicijskih kristalov CZ s premerom 200 mm s premerom [13.37,13.38]. Ocenjuje se, da lahko vratovi velikega premera s premerom 12 mm CZ podpirajo kristale, težke do 2000 kg [13.39]. Slika13.14a,bprikazuje silicijev kristal CZ s premerom 200 mm brez dislokacije, vzgojen brez Dash-ovega vratu, in sl.13.14a,bb prikazuje povečano seme (primerjaj s sl.13.7). Mehanizem, s katerim se dislokacije ne vključijo v rastoči kristal, je bil predvsem pripisan utrjevalnemu učinku močnega dopiranja bora v siliciju.

Fig. 13.14a,b — Slika 13.14a, b
Silicijev kristal Czochralski s premerom 200 mm brez dislokacije, vzgojen brez Dash-ovega vratu. (a)Celo telo, (b) seme in storž. (Prispevek prof. K. Hoshikawa)

Reference

13.1F. Šimura:Polprevodniška silicijeva kristalna tehnologija(Academic, New York 1988)Google Učenjak
13.2 Crtica WC: J. Appl. Fiz.29, 736 (1958)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13.3K.Takada, H.Yamagishi, H.Minami, M.Imai: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1998) str.376Google Učenjak
13.4JRMcCormic: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1986) str.43Google Učenjak
13.5PA Taylor: Solid State Technol.Julij, 53 (1987)Google Učenjak
13.6WG Pfann: Trans. Am. Inst. Min. Metall. Inž.194, 747 (1952)Google Učenjak
13.7CHTheuerer: ameriški patent 3060123 (1962)Google Učenjak
13,8PH Keck, MJE Golay: Phys. Rev.89, 1297 (1953)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13,9 W. Keller, A. Mühlbauer:Silicij s plavajočo cono(Marcel Dekker, New York 1981)Google Učenjak
13.10JM Meese:Doping nevtronske transmutacije v polprevodnikih(Plenum, New York 1979)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13.11HMLiaw, CJVarker: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1977) str.116Google Učenjak
13.12ELKern, LSYaggy, JABarker: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1977) str.52Google Učenjak
13.13SM Hu: predl. Fiz. Lett.31, 53 (1977)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13,14 tisoč. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Fiz.19, L49 (1980)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13,15 tisoč. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Appl. Fiz.19, L763 (1980)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13.16 T. Abe, K. Kikuchi, S. Shirai: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1981) str.54Google Učenjak
13.17J. Czochralski: Z. Phys. Chem.92, 219 (1918)Google Učenjak
13,18GK Teal, JB Little: Phys. Rev.78, 647 (1950)Google Učenjak
13,19 W. Zulehner, D. Huber: V:Kristali 8: silicij, kemično jedkanje(Springer, Berlin, Heidelberg 1982) str. 1.Google Učenjak
13.20H. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Electrochem. Soc.129, 374 (1982)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13.21F. Šimura (ur.):Kisik v siliciju(Academic, New York 1994)Google Učenjak
13,22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Appl. Fiz. Lett.35, 213 (1979)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13,23F. Shimura: J. Appl. Fiz.59, 3251 (1986)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: VLSI znanstvena tehnologija, Proc. 2. Int. Simp. Integr. Zelo velikega obsega. (The Electrochemical Society, Pennington 1984) str. 208Google Učenjak
13,25F. Shimura, RS Hocket: Appl. Fiz. Lett.48, 224 (1986)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13.26 A. Huber, M. Kapser, J. Grabmeier, U. Lambert, WvAmmon, R. Pech: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 2002) str. 280Google Učenjak
13.27GARozgonyi: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 2002) str.149Google Učenjak
13.28HP Utech, MC Flemings: J. Appl. Fiz.37, 2021 (1966)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13.29HA Chedzey, DT Hurtle: Narava210, 933 (1966)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isawa: Zunaj. Povzetek Elektrokemija. Soc. 157. srečanje. (The Electrochemical Society, Pennington 1980) str.811Google Učenjak
13.31 M. Ohwa, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1986) str.117Google Učenjak
13.32 M. Futagami, K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki, Y.Okubo, Y.Kato, Y.Okamoto: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1986) str.939Google Učenjak
13.33T.Suzuki, N.Isawa, K.Hoshi, Y.Kato, Y.Okubo: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1986) str.142Google Učenjak
13.34 W. Zulehner: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1990) str.30Google Učenjak
13.35 Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1994) str.180Google Učenjak
13,36F. Šimura: V:VLSI Znanost in tehnologija(The Electrochemical Society, Pennington 1982) str. 17.Google Učenjak
13.37 S. Chandrasekhar, KMKim: V:Polprevodniški silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1998) str.411Google Učenjak
13,38 tisoč. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Appl. Fiz.38, L1369 (1999)NavzkrižjeGoogle Učenjak
13.39KM Kim, P. Smetana: J. Cryst. Rast100, 527 (1989)NavzkrižjeGoogle Učenjak

13.1Pregled

13.2Izhodni materiali

13.2.1Metalurški razred silicija

13.2.2Polikristalni silicij

Vmesne kemijske spojine

Hidrokloriranje silicija

Destilacija in razgradnja triklorosilana

Monosilanski postopek

Zrnat nanos polisilicija

13.3Monokristalna rast

13.3.1Metoda s plavajočo cono

Splošne opombe

Oris procesa

Doping

Lastnosti kristala FZ-silicij

13.3.2Metoda Czochralskega

Splošne opombe

Oris procesa

Vpliv prostorske lokacije inaGrownCrystal

13.3.3Nečistoče v siliciju Czochralski

Nečistoča Nehomogenost

Ločevanje

Proge

Doping

Kisik in ogljik

13.4Nove metode kristalne rasti

13.4.1Czochralski Rast z uporabljenim magnetnim poljem (MCZ)

13.4.2Neprekinjena metoda Czochralskega (CCZ)

13.4.3Metoda brezrastne rasti

Reference

S tem povezanih industrij

Pošlji povpraševanje