Egykristályos szilícium: növekedés és tulajdonságok

Mar 30, 2021

Hagyjon üzenetet

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


CZ  MCZ Single crystal


A szilícium, amely a félvezetőiparban még egy ideig meghatározó anyag volt és a jövőben is [13.1], az ultra-nagyszabású integráció (ULSI) és a rendszer-ona-chip (SOC) korszakába vezet.

Az elektronikus eszközök fejlettebbé válásával az eszközök teljesítménye érzékenyebbé vált az építésükhöz használt anyagok minőségére és tulajdonságaira.

A germániumot (Ge) eredetileg helyvezető anyagként használták fel szilárdtest elektronikai eszközökhöz. A Ge keskeny sávszélessége (0,66 eV) azonban a germánium-alapú eszközök működését körülbelül 90 ° C hőmérsékletre korlátozza.C a magasabb hőmérsékleten megfigyelhető jelentős szivárgási áramok miatt. A szilícium szélesebb sávszélessége (1,12 eV) viszont olyan elektronikus eszközöket eredményez, amelyek képesek akár200C. Van azonban még egy komoly probléma, mint a keskeny sávszélesség: a germánium nem biztosít könnyen megmunkálható passzivációs réteget a felszínen. Például a germánium-dioxid (GeO2) vízoldható és kb. 800-nál disszociálC. A szilícium a germániummal ellentétben szilícium-dioxid (SiO2), amely magas fokú védelmet nyújt az alapul szolgáló eszköz számára. Ez a stabil SiO2A réteg döntő előnyt eredményez a szilícium számára a germániummal szemben, mint az elektronikus eszközök gyártásához használt félvezető alapanyaggal. Ez az előny számtalan új technológiához vezetett, ideértve a diffúziós doppingolási folyamatokat és a bonyolult minták meghatározását. A szilícium további előnye, hogy teljesen nem toxikus, és a szilícium-dioxid (SiO2), az alapanyag, amelyből szilíciumot nyernek, körülbelül 60 tömegszázalékot tartalmaz%a földkéreg ásványianyag-tartalma. Ez azt jelenti, hogy a szilícium nyersanyag bőségesen rendelkezésre áll az integrált áramkör számára (IC) ipar. Ezenkívül az elektronikus minőségű szilícium a germánium költségének kevesebb mint egytizedével nyerhető. Mindezek az előnyök miatt a szilícium szinte teljesen felváltotta a germániumot a félvezetőiparban.

Bár a szilícium nem minden elektronikus eszköz optimális választása, előnyei azt jelentik, hogy még egy ideig szinte biztosan uralni fogja a félvezetőipart.

13.1Áttekintés

A pontvezetékes tranzisztor 1947-es feltalálása óta nagyon gyümölcsöző interakciók fordultak elő a félvezető anyagok felhasználói és gyártói között, amikortökéletes és tisztakristályokat ismerték fel. A verseny gyakran olyan volt, hogy az új eszközök által megkövetelt kristályminőség csak azáltal érhető el, hogy a kristálynövekedést ezen új eszközökkel felépített elektronikus berendezések segítségével szabályozták. Mivel a diszlokáció nélküli szilíciumkristályokat már az 1960-as években termesztették aDash technika[13.2], a félvezető anyagokkal kapcsolatos kutatások és fejlesztési erőfeszítések az anyag tisztaságára, a termelési hozamokra és az eszközök gyártásával kapcsolatos problémákra összpontosultak.

A félvezető eszközöket és áramköröket sokféle mechanikai, kémiai, fizikai és termikus folyamat felhasználásával állítják elő. A tipikus félvezető szilícium-előkészítési folyamatok Aflow-diagramját az ábra mutatja.13.1. A szilícium egykristályos szubsztrátok előállítása mechanikus és kémiailag csiszolt felületekkel az eszköz gyártásának hosszú és összetett folyamatának első lépése.
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.1
13.1. Ábra

Folyamatábra a tipikus félvezető szilícium előkészítési folyamatokhoz. (Utána[13.1])

Amint azt fentebb megjegyeztük, a szilícium a Föld második leggyakoribb eleme; több mint 90%a földkéreg szilícium-dioxidból és szilikátokból áll. Tekintettel erre a határtalan nyersanyag-ellátásra, a probléma a szilícium átalakítása a félvezető-technológia által megkövetelt használható állapotba. Az első és a fő követelmény az, hogy az elektronikus eszközökhöz használt szilíciumnak rendkívül tisztának kell lennie, mivel egyes szennyeződések nagyon kis mennyisége erősen befolyásolja a szilícium elektronikus jellemzőit, és ezért az elektronikus eszköz teljesítményét. A második követelmény a nagy átmérőjű kristályokra vonatkozik, mivel az ostyánkénti forgácshozam nagyobb átmérőknél lényegesen megnő, amint az a 2. ábrán látható.13.2a DRAM esetében [13.3], az egyik legelterjedtebb elektronikus eszköz. A tisztaság és az átmérő mellett az előállítási költségnek és az anyag specifikációinak, beleértve a megnövekedett hibasűrűséget és az ellenálló homogenitást, meg kell felelniük a jelenlegi ipari igényeknek.
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.2
13.2. Ábra

Forgácsonkénti chipek a DRAM-generáció függvényében. (Utána[13.3])

Ebben a fejezetben a szilícium előállításának jelenlegi megközelítései - a nyersanyag egykristályos szilíciummá alakítása (lásd.13.1) - tárgyalják.

13.2Kiindulási anyagok

13.2.1Kohászati ​​minőségű szilícium

A nagy tisztaságú szilícium monokristályok kiindulási anyaga a szilícium-dioxid (SiO2). A szilícium gyártásának első lépése a szilícium-dioxid megolvasztása és redukálása. Ezt úgy érik el, hogy a szilícium-dioxidot és a szenet szén, koksz vagy faforgács formájában összekeverik, és a keveréket magas hőmérsékletre melegítik az elmerített elektródás ívkemencében. A szilícium-dioxidnak ez a karboterm redukciója olvasztott szilíciumot eredményezSiO2+2CSi+2CO." role="presentation" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box; line-height: normal; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; float: none; direction: ltr; max-width: 100%; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; width: 655px; overflow: auto hidden; position: relative; display: block !important;">SiO2+2CSi+2CO.(13.1) A komplex reakciósorok valójában 1500 és 2000 közötti hőmérsékleten fordulnak elő a kemencébenC. Az ebben a folyamatban kapott szilíciumdarabokat kohászati ​​minőségű szilíciumnak (MG-Si) nevezzük, tisztasága körülbelül 98–99%.

13.2.2Polikristályos szilícium

Közbenső kémiai vegyületek

A következő lépés az MG-Si tisztítása a félvezető minőségű szilícium szintjéig (SG-Si), amelyet kiindulási anyagként használnak az egykristályos szilíciumhoz. Az alapkoncepció az, hogy a porított MG-Si-t vízmentes sósavval reagáltatva különféle klór-szilán-vegyületeket képeznek az afluidizált ágyas reaktorban. Ezután a szilánokat desztillációval és kémiai gőzleválasztással (CVD) az SG-poliszilícium képződéséhez.

Számos köztes kémiai vegyületet vettek figyelembe, például monoszilánt (SiH4), szilícium-tetraklorid (SiCl4), triklór-szilán (SiHCl3) és diklór-szilán (SiH2Cl2). Ezek közül a triklór-szilánt leggyakrabban a későbbi poliszilícium-lerakódáshoz használják a következő okok miatt:
  1. 1.

    Könnyen kialakítható vízmentes hidrogén-klorid és MG-Si reakciójával, meglehetősen alacsony hőmérsékleten (200–400 ° C).C).

  2. 2.

    Szobahőmérsékleten folyékony, ezért a tisztítást szokásos desztillációs technikákkal hajthatjuk végre.

  3. 3.

    Könnyen kezelhető, szárazon szénacél tartályokban tárolható.

  4. 4.

    A folyékony triklór-szilán könnyen elpárolog, és hidrogénnel keverve acélvezetékekben szállítható.

  5. 5.

    Légköri nyomáson hidrogén jelenlétében csökkenthető.

  6. 6.

    Lerakódása melegített szilíciumon történhet, így nincs szükség semmilyen idegen felületre, amely szennyezheti a keletkező szilíciumot.

  7. 7.

    Alacsonyabb hőmérsékleten (1000–1200 ° C) reagálC) és gyorsabban, mint a szilícium-tetraklorid.

Szilícium-hidrogénezés

A triklór-szilánt szintetizáljuk úgy, hogy porított MG-Si-t 300 körül melegítünkC-ot afluidizált ágyas reaktorban. Vagyis az MG-Si SiHCl-vá alakul3a következő reakció szerintSi+3HClSiHCl3+H2." role="presentation" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box; line-height: normal; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; float: none; direction: ltr; max-width: 100%; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; width: 655px; overflow: auto hidden; position: relative; display: block !important;">Si+3HClSiHCl3+H2.(13.2) A reakció erősen exoterm, ezért a hőt el kell távolítani a triklór-szilán hozamának maximalizálása érdekében. Miközben az MG-Si-t SiHCl-vá alakítja át3A különféle szennyeződéseket, például a Fe-t, az Al-t és a B-t úgy távolítják el, hogy halogenidjeivé (FeCl3, AlCl3és a BCl3és melléktermékek, például SiCl4és H2szintén előállítják.

A triklór-szilán desztillálása és bomlása

A triklór-szilán tisztításához széles körben alkalmazzák a desztillációt. A triklór-szilán, amelynek forráspontja alacsony (31,8C) frakcionálisan desztillálódik a szennyezett halogenidekből, ami jelentősen megnövelt tisztaságot eredményez, és az elektromosan aktív szennyező koncentrációja kevesebb, mint 1 ppba. A nagy tisztaságú triklór-szilánt ezután elpárologtatjuk, nagy tisztaságú hidrogénnel hígítjuk és bevezetjük a lerakódási reaktorba. A reaktorban vékony szilíciumrudak, úgynevezett vékony rudak, grafit elektródákkal támasztva állnak rendelkezésre a szilícium felszíni lerakódásához a reakciónak megfelelőenSiHCl3+H2Si+3HCl." role="presentation" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box; line-height: normal; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; float: none; direction: ltr; max-width: 100%; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; width: 655px; overflow: auto hidden; position: relative; display: block !important;">SiHCl3+H2Si+3HCl.(13.3) Ezen túlmenően ez a reakció a következő reakció is bekövetkezik a poliszilícium-lerakódás során, amelynek eredményeként szilícium-tetraklorid képződik (a folyamat fő mellékterméke).HCl+SiHCl3SiCl4+H2." role="presentation" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box; line-height: normal; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; float: none; direction: ltr; max-width: 100%; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; width: 655px; overflow: auto hidden; position: relative; display: block !important;">HCl+SiHCl3SiCl4+H2.(13.4) Ezt a szilícium-tetrakloridot például nagy tisztaságú kvarc előállítására használják.

Mondanom sem kell, hogy a vékony rudak tisztaságának meg kell egyeznie a lerakódott szilícium tisztaságával. A vékony rudakat körülbelül 400 fokra előmelegítikC a szilícium CVD folyamat kezdetén. Erre az előmelegítésre van szükség a nagy tisztaságú (nagy ellenállású) vékony rudak vezetőképességének megnövelése érdekében, hogy lehetővé váljon az ellenállásos melegítés. Betét 200–300 órára 1100 körülA C nagy tisztaságú, 150–200 mm átmérőjű poliszilícium rudakat eredményez. A poliszilíciumrudakat különféle formákká alakítják a későbbi kristálynövekedési folyamatokhoz, például darabokat a Czochralski olvadéknövekedéshez és hosszú hengeres rudakat az úszózónás növekedéshez. A triklór-szilán redukcióját melegített szilíciumrúdon hidrogén felhasználásával az 1950-es évek végén és az 1960-as évek elején számos, a Siemenshez rendelt eljárási szabadalomban írták le; ezért ezt a folyamatot gyakran nevezikSiemens módszer[13.4].

A Siemens módszer legfőbb hátrányai a gyenge szilícium- és klórátalakítási hatékonyság, a viszonylag kis tételméret és a magas energiafogyasztás. A szilícium és a klór gyenge konverziós hatékonysága összefügg a CVD folyamat melléktermékeként előállított nagy mennyiségű szilícium-tetrakloriddal. Csak 30 körül%a CVD reakcióban kapott szilíciumból nagy tisztaságú poliszilícium lesz. A nagy tisztaságú poliszilícium előállításának költsége függhet a melléktermék, a SiCl hasznosságától is4.

Monoszilán folyamat

A monoszilán előállításán és pirolízisén alapuló apoliszilícium-gyártási technológiát az 1960-as évek végén hozták létre. A monoszilán potenciálisan energiát takaríthat meg, mert alacsonyabb hőmérsékleten poliszilíciumot rak le, és tisztább poliszilíciumot állít elő, mint a triklór-szilán eljárás; azonban alig használták a monoszilánig tartó gazdaságos út hiánya és a lerakási lépésben jelentkező feldolgozási problémák miatt [13.5]. A nagy tisztaságú szilánig történő gazdaságos útvonalak közelmúltbeli fejlesztésével és a nagyüzemi erőmű sikeres működtetésével azonban ez a technológia felkeltette a félvezetőipar figyelmét, amely nagyobb tisztaságú szilíciumot igényel.

A jelenlegi ipari monoszilán eljárásokban a magnéziumot és az MG-Si port 500-ra melegítikC-et ahidrogénatmoszférában a magnézium-szilicid (Mg2Si), amelyet ezután ammónium-kloriddal (NH4Cl) folyékony ammóniában (NH3) 0 alattC monoszilánt (SiH4). Ezután nagy tisztaságú poliszilíciumot állítanak elő a monoszilán pirolízisén keresztül rezisztívan melegített poliszilíciumszálakon 700–800 ° C-onC. A monoszilán-előállítási folyamatban a bórszennyeződések nagy részét a szilánból NH-vel végzett kémiai reakció útján távolítják el3. A poliszilíciumban 0,01–0,02 ppba aborontartalmat amonoszilán eljárással értek el. Ez a koncentráció nagyon alacsony ahhoz képest, amelyet a triklór-szilánból készített poliszilíciumban észleltek. Ezenkívül a keletkező poliszilícium kevésbé szennyezett a vegyi transzport során felszedett fémekkel, mivel a monoszilán bomlása nem okoz korróziós problémákat.

Szemcsés poliszilícium leválasztás

Lényegesen eltérő eljárást fejlesztettek ki, amelynek során a monoszilán lebontását afluidizált ágyas lerakódási reaktorban szabadon folyó szemcsés poliszilícium előállítására használják.13.5]. Az apró szilícium magrészecskék fluidizálódnak az amonoszilán ∕ hidrogén keverékében, és a poliszilíciumot lerakva szabadon áramló gömb alakú részecskéket képeznek, amelyek átmérője átlagosan 700 μm, az asize eloszlás 100–1500 μm. A fluid ágyas magokat eredetileg úgy készítették, hogy az SG-Si-t aball vagy kalapácsmalomban megőrölték, és a terméket savval, hidrogén-peroxiddal és vízzel kimosták. Ez a folyamat időigényes és költséges volt, és a fémdarálókon keresztül nem kívánt szennyeződéseket vezetett be a rendszerbe. Új módszer szerint azonban nagy SG-Si részecskéket nagy sebességű gázáram lő egymásra, aminek következtében a fluid ágyhoz megfelelő méretű részecskékké válnak. Ez a folyamat nem vezet be idegen anyagokat és nem igényel kimosást.

A szemcsés poliszilícium nagyobb felülete miatt a fluid ágyas reaktorok sokkal hatékonyabbak, mint a hagyományos Siemens típusú rudas reaktorok. A fluid ágyas poliszilícium minősége egyenértékűnek bizonyult a hagyományosabb Siemens módszerrel előállított poliszilíciummal. Ezenkívül a szabadon folyó forma és a nagy térfogatsűrűségű szemcsés poliszilícium lehetővé teszi a kristálytermesztők számára, hogy a legtöbbet hozzák ki az egyes gyártási folyamatokból. Vagyis a Czochralski kristálynövekedési folyamatban (lásd a következő szakaszt) a tégelyeket gyorsan és egyszerűen meg lehet tölteni egyenletes terhelésig, amely általában meghaladja a Siemens módszerrel előállított véletlenszerűen egymásra rakott poliszilícium darabokat. Ha figyelembe vesszük a technika azon lehetőségét is, hogy a szakaszos műveletről a folyamatos húzásra (a későbbiekben tárgyalunk) térjen át, láthatjuk, hogy a szabadon áramló poliszilícium-granulátumok biztosíthatják az egynemű takarmány előnyös útját a halmazállapotú olvadékba. Úgy tűnik, hogy ez a termék arevolúciós kiindulási anyag, amely nagyon ígéretes a szilíciumkristály növekedésére.

13.3Egykristályos növekedés

Bár különféle technikákat alkalmaztak a szilícium szilícium monokristályokká történő átalakítására, két technika dominálta az elektronikai termékek előállítását, mivel megfelelnek a mikroelektronikai eszközipar követelményeinek. Az egyik az azonolvasztási módszer, amelyet általában alebegő zóna (F Z) módszer, a másik pedig hagyományosan azCzochralski (CZ) módszer, bár valójában annak kellene nevezniKékeszöld – Kis módszer. A két kristálynövekedési módszer alapelveit az 1. ábra szemlélteti.13.3. Az FZ módszerben az olvadt zónát egy apoliszilícium rúdon vezetik át, hogy egykristályos bugává alakítsák; a CZ módszerben az egykristályt úgy termesztik, hogy az akvarctégelyben lévő ameltől kihúzzák. Mindkét esetben amagkristálynagyon fontos szerepet játszik a kívánt kristálytani orientációjú egykristály megszerzésében.
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.3a,b
13.3a., B

Az egykristályos növekedés alapelvei (a) lebegő zónás módszer és (b) Czochralski-módszer. (Utána[13.1])

Becslések szerint körülbelül 95%az összes egykristályos szilíciumot CZ módszerrel, a többit főleg FZ módszerrel állítják elő. A szilícium félvezetőipar nagy tisztaságot és minimális hibakoncentrációt követel meg szilíciumkristályaikban az eszköz gyártási hozamának és működési teljesítményének optimalizálása érdekében. Ezek a követelmények egyre szigorúbbak, amikor a technológia LSI-ről VLSI-re változik ∕ ULSI, majd SOC-ra változik. A szilíciumkristályok minősége vagy tökéletessége mellett a kristályátmérő is folyamatosan növekszik, hogy megfeleljen az eszközgyártók igényeinek. Mivel a mikroelektronikus chipeket akötegelt rendszer, az eszköz gyártásához használt szilícium ostyák átmérője jelentősen befolyásolja a termelékenységet (amint az a.13.2), és viszont az előállítási költség.

A következő szakaszokban először az FZ módszert tárgyaljuk, majd továbblépünk a CZ módszerre. Ez utóbbit a mikroelektronikai ipar szempontjából rendkívüli jelentősége miatt részletesebben tárgyaljuk.

13.3.1Úszó zóna módszer

Általános megjegyzések

Az FZ módszer a zónaolvadásból származik, amelyet bináris ötvözetek finomítására használtak [13.6] és feltaláltaTheuerer[13.7]. A folyékony szilícium reakciókészsége a tégelyhez felhasznált anyaggal az FZ módszer kifejlesztéséhez vezetett [13.8], amely lehetővé teszi a szilícium kristályosodását anélkül, hogy bármilyen érintkezés lenne szükséges a tégely anyagával, amelyre szükség van a szükséges félvezető tisztaságú kristályok termesztéséhez.

A folyamat vázlata

Az FZ-eljárás során az apoliszilíciumrudat egykristályos rúdgá alakítják át azáltal, hogy a rúd egyik végéből a másikba a bél-szem tekercs által melegített olvadt zónát vezetik át, amint az a 2. ábrán látható.13.3a. Először a poliszilícium rúd csúcsát érintkeztetjük és összeolvasztjuk a kívánt kristály orientációjú aseed kristályokkal. Ezt a folyamatot hívjákvetés. A beoltott olvadt zónát az egykristály mag egyidejű mozgatásával a rúdon keresztül vezetjük át a poliszilícium rúdon. Amikor a szilícium megolvadt zónája megszilárdul, a poliszilícium a magkristály segítségével egykristályos szilíciumzá alakul. Amint a zóna a poliszilícium rúd mentén halad, az egykristályos szilícium a végén megfagy, és a magkristály meghosszabbításaként növekszik.

A magvetés után kb. 2 vagy 3 mm átmérőjű és 10–20 mm hosszú athin nyak képződik. Ezt a folyamatot hívjáksmárolás. A növekvő aneck kiküszöböli azokat a diszlokációkat, amelyek a termikus sokk miatt a vetés során az újonnan termesztett egykristályos szilíciumba bevezethetők. Ez a nyakatörés, az úgynevezettDash technika[13.2], ezért alapvető a diszlokációtól mentes kristályok növekedésében, és mind az FZ, mind a CZ módszerekben általánosan alkalmazzák. Az FZ módszerrel növesztett asilicon egykristály magjának, nyakának és kúpos részének röntgen topográfiája a 2. ábrán látható.13.4. Nyilvánvaló, hogy az olvadékkontaktusnál keletkezett diszlokációkat a nyakazás teljesen megszünteti. A kúpos rész kialakulása után a teljes célátmérőjű fő test megnő. A teljes FZ növekedési folyamat során az olvadt zóna alakját és a tuskó átmérőjét a tekercs teljesítményének és a menetsebességnek a beállításával határozzuk meg, mindkettőt számítógép vezérli. Az átmérő automatikus szabályozására a leggyakrabban alkalmazott módszer mind az FZ, mind a CZ módszerben a meniszkuszra összpontosított infravörös érzékelőt alkalmaz. A meniszkusz alakja az agrotisztító kristályon a háromfázisú határ érintkezési szögétől, a kristályátmérőtől és a felületi feszültség nagyságától függ. Érzékelhető a meniszkusz szögének (és ennek következtében a kristályátmérőjének) változása, és az információt visszacsatoljuk annak érdekében, hogy automatikusan beállítsuk a növekedési körülményeket.
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.4
13.4. Ábra

Az úszó zóna szilícium magjának, nyakának és kúpos részének röntgen topográfiája. (Dr. T. Abe jóvoltából)

Ellentétben a CZ kristálynövekedéssel, amelyben a magkristályt a szilícium-olvadékba mártják és a növekvő kristályt felfelé húzzák, az FZ-módszerben a vékony magkristály fenntartja a növekvő kristályt, csakúgy, mint a poliszilíciumrúd alulról (1. ábra).13.3). Ennek eredményeként a rúd az egész növekedési folyamat alatt bizonytalanul ki van egyensúlyozva a vékony magon és a nyakon. A mag és a nyak akár 20 kg-os akrilátot is képes eltartani, amíg a növekvő kristály súlypontja a növekedési rendszer közepén marad. Ha a súlypont elmozdul a középvonaltól, akkor a vetőmag könnyen eltörik. Ezért hosszú és nehéz FZ szilíciumkristályok termesztése előtt akrilstabilizáló és hordozó technikát kellett kitalálni. Nagy kristályok esetén a növekvő kristályt az 1. ábrán látható módon kell megtámasztani.13.5[13.9], különösen a legújabb, nagy átmérőjű (150–200 mm) FZ kristályok esetében, mivel súlyuk könnyen meghaladja a 20 kg-ot.
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.5
13.5. Ábra

Támogató rendszer lebegő zónás szilíciumkristályhoz. (Utána[13.9])

Dopping

A kívánt ellenállású n- vagy p-típusú szilícium egykristályok előállításához vagy a poliszilíciumot, vagy a növekvő kristályokat meg kell adni a megfelelő donor vagy akceptor szennyeződésekkel. Az FZ szilíciumnövekedéshez, bár számos doppingtechnikát kipróbáltak, a kristályokat általában adopáns gáz, például foszfin (PH3) n-típusú szilíciumhoz vagy diboránhoz (B.2H6) p-típusú szilíciumhoz az olvadt zónába. Az adalékgázt általában acarrier gázzal hígítják, például argonnal. A módszer nagy előnye, hogy a szilíciumkristálygyártónak nem kell különböző ellenállású poliszilíciumforrásokat tárolnia.

Mivel az elemi adalékanyagok szegregációja (a következő alfejezetben tárgyaltuk) az n-típusú szilícium esetében sokkal kisebb, mint az egység, a hagyományos módszerrel adalékolt FZ kristályoknak radiális adalék gradiensek vannak. Sőt, mivel a kristályosodási sebesség a mikroszkopikus skálán sugárirányban változik, az adalék koncentrációk ciklikusan oszlanak el, és ún.adalékcsíkok, ami radiális ellenállás inhomogenitásokat eredményez. A homogénebben adalékolt n-típusú szilícium megszerzéséhez neutrontranszmutációs adalékot (NTD) alkalmazták az FZ szilíciumkristályokra [13.10]. Ez az eljárás magában foglalja a szilícium nukleáris transzmutációját foszforgá, azzal, hogy a kristályt termikus neutronokkal bombázzák a reakciónak megfelelően.30Si(n,γ)31Si2.6h31P+β." role="presentation" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box; line-height: normal; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; float: none; direction: ltr; max-width: 100%; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; width: 655px; overflow: auto hidden; position: relative; display: block !important;">30Si(n,γ)31Si2.6h31P+β.(13.5) A radioaktív izotóp31Si akkor keletkezik30Si befogja az aneutront, majd lebomlik a stabil izotópba31P (donoratomok), amelyek eloszlása ​​nem függ a kristálynövekedési paraméterektől. Közvetlenül a besugárzás után a kristályok nagy ellenállást mutatnak, ami a sugárzás károsodásából eredő nagyszámú rácshibának tulajdonítható. A besugárzott kristályokat ezért inert környezetben kell 700 körüli hőmérsékleten megolvasztaniC a hibák megsemmisítése és a foszforadagolással kapott ellenállás helyreállítása érdekében. Az NTD-séma szerint a kristályokat adalékolás nélkül növesztik, majd anukleáris reaktorban besugározzák, a termikus és a gyors neutron nagy arányában, a neutronfelvétel fokozása és a kristályrács károsodásának minimalizálása érdekében.

Az NTD alkalmazása szinte kizárólag az FZ kristályokra korlátozódik, mivel a CZ kristályokhoz képest nagyobb tisztaságúak. Amikor az NTD technikát alkalmazták a CZ szilíciumkristályokra, azt találták, hogy a besugárzás utáni izzítási folyamat során az oxigéndonor képződése megváltoztatta az ellenállást a vártól, annak ellenére, hogy a foszfor donor homogenitását elérték.13.11]. Az NTD további hiányossága, hogy a p-típusú adalékanyagok esetében nincs folyamat, és alacsony ellenállóképesség esetén (1-10 Ω cm-es tartományban) túl hosszú sugárzási időre van szükség.

Az FZ-szilícium kristály tulajdonságai

Az FZ kristálynövekedés során az olvadt szilícium a növekedési kamrában lévő környezeti gázon kívül más anyaggal nem érintkezik. Ezért egy FZ szilíciumkristály eleve megkülönböztethető a nagyobb tisztasággal, mint az aCZ kristály, amelyet az olvadékból növesztettek - érintkezésbe került az akvarctégellyel. Ez az érintkezés magas oxigénszennyező-koncentrációt eredményez, körülbelül 10-szeres18atomok ∕ cm3CZ kristályokban, míg az FZ szilícium kevesebb, mint 1016atomok ∕ cm3. Ez a nagyobb tisztaság lehetővé teszi, hogy az FZ szilícium nagy ellenállást érjen el, amely nem érhető el a CZ szilícium felhasználásával. Az elfogyasztott FZ szilícium nagy részének arezisztivitása 10 és 200 Ω cm között van, míg a CZ szilícium általában 50 Ω cm vagy kisebb ellenállásra készen áll a kvarctégely szennyeződése miatt. Az FZ szilíciumot ezért elsősorban olyan félvezető áramellátó berendezések gyártására használják, amelyek támogatják a 750–1000 V fölötti fordított feszültséget. Az NTD FZ-Si nagy tisztaságú kristálynövekedése és precíziós doppingjellemzői az infravörös detektorokban való használatához is vezetettek13.12], például.

Ha azonban a mechanikai szilárdságot vesszük figyelembe, sok éve felismerték, hogy az FZ szilícium, amely kevesebb oxigén szennyeződést tartalmaz, mint a CZ szilícium, mechanikusan gyengébb és érzékenyebb a hőterhelésre az eszköz gyártása során [13.13,13.14]. A szilícium ostyák magas hőmérsékleten történő feldolgozása az elektronikus eszközök gyártása során gyakran elegendő hőfeszültséget eredményez a csúszás elmozdulása és a deformáció kialakulásához. Ezek a hatások hozamveszteséget okoznak a szivárgó csomópontok, a dielektromos hibák és a csökkentett élettartam miatt, valamint csökkentik a fotolitográfiai hozamokat az ostya laposságának romlása miatt. A deformáció miatti geometriai síkosság elvesztése olyan súlyos lehet, hogy az ostyákat nem dolgozzák fel tovább. Emiatt a CZ szilícium ostyákat sokkal szélesebb körben használták az IC készülékek gyártásában, mint az FZ ostyákat. Ez a különbség a hőfeszültségekkel szembeni mechanikai stabilitásban a domináns oka annak, hogy a CZ szilíciumkristályokat kizárólag olyan IC-k előállítására használják, amelyek nagy számú termikus eljárási lépést igényelnek.

Az FZ szilícium ezen hiányosságainak kiküszöbölése érdekében az FZ szilíciumkristályok szaporodása doppingszennyeződésekkel, például oxigénnel [13.15] és nitrogén [13.16] megkísérelték. Megállapították, hogy az FZ szilíciumkristályokat oxigénnel vagy nitrogénnel adalékolták11.5×1017atoms/cm3vagy1.5×1015atoms/cm3, illetve a mechanikai szilárdság jelentős növekedését eredményezi.

13.3.2Czochralski módszer

Általános megjegyzések

Ezt a módszert J. Czochralskiról nevezték el, aki technikát hozott létre a fémek kristályosodási sebességének meghatározására [13.17]. Az egykristályos növesztéshez széles körben alkalmazott tényleges húzó módszert azonban azA zöldeskékésKis[13.18], aki módosította Czochralski alapelvét. Elsőként sikeresen termelték 1950-ben 8 hüvelyk hosszú és 0,75 hüvelyk átmérőjű germánium egykristályait. Ezt követően egy újabb berendezést terveztek a szilícium magasabb hőmérsékleten történő növesztésére. Bár az egykristályos szilícium alapvető gyártási folyamata alig változott, mióta Teal és munkatársai úttörő szerepet játszottak, nagy átmérőjű (legfeljebb 400 mm-es) szilícium egykristályok magas fokú tökéletességgel, amelyek megfelelnek a korszerű készülékeknek Az igényeket a Dash technika és az egymást követő technológiai újítások beépítésével növelték.

A szilíciumkristályokkal kapcsolatos mai kutatási és fejlesztési erőfeszítések a kristálytulajdonságok mikroszkopikus egységességének elérésére irányulnak, mint például a szennyeződések és mikrodefektívek ellenállóképessége, koncentrációi, valamint mikroszkopikus szabályozása, amelyekről a kézikönyv másutt fog foglalkozni.

A folyamat vázlata

A CZ kristálynövekedés három legfontosabb lépését vázlatosan mutatjuk be az 1. ábrán.13.3b. Elvileg a CZ növekedésének folyamata hasonló az FZ növekedésének folyamatához: (1) poliszilícium megolvasztása, (2) magvetés és (3) növekedés. A CZ húzási eljárás azonban bonyolultabb, mint az FZ növekedése, és attól különbözik, hogy az olvadt szilícium visszatartására akvarctégelyt használnak. Ábra13.6a tipikus modern CZ kristálynövekedési berendezéseket mutatja be. A tényleges vagy szokásos CZ szilíciumkristály-növekedési szekvencia fontos lépései a következők:
  1. 1.

    A poliszilícium darabokat vagy szemcséket akvarctégelybe helyezzük, és a szilícium olvadáspontjánál magasabb hőmérsékleten megolvasztjuk (1420C) inert környezeti gázban.

  2. 2.

    Az olvadékot egy ideig magas hőmérsékleten tartják, hogy biztosítsák az olvadékból az olvadékból vagy negatív kristályhibákból fakadó apró buborékok teljes olvadását és kilökését.

  3. 3.

    A kívánt kristály-orientációjú olajos kristályt az olvadékba mártjuk, amíg el nem kezd olvadni. Ezután a magot kivonják az olvadékból úgy, hogy az átmérő fokozatos csökkentésével a nyak alakuljon ki; ez a legkényesebb lépés. A teljes kristálynövekedési folyamat alatt inert gáz (általában argon) áramlik lefelé a húzó kamrán, hogy reakciótermékeket, például SiO-t és CO-t szállítson.

  4. 4.

    A kristályátmérő fokozatos növelésével megnő a kúpos rész és a váll. Az átmérőt a célátmérőig növeljük a húzási sebesség és a ∕ vagy az olvadási hőmérséklet csökkentésével.

  5. 5.

    Végül a test aconstant átmérőjű hengeres részét megnöveljük a húzási sebesség és az olvadási hőmérséklet szabályozásával, miközben kompenzáljuk az olvadékszint csökkenését a kristály növekedésével. A húzósebesség általában csökken az eresztő kristály farka felé, főleg a tégely falának növekvő hősugárzása miatt, amikor az olvadékszint csökken, és több tégelyfalat tesz ki a növekvő kristálynak. A növekedési folyamat vége felé, de még mielőtt a tégelyt teljesen kiolvasztanák az olvadt szilíciumból, a kristályátmérőt fokozatosan csökkenteni kell, hogy végkúp képződjön a hőütés minimalizálása érdekében, ami csúszás elmozdulásokat okozhat a farok végén. Amikor az átmérő elég kicsi lesz, a kristály diszlokációk kialakulása nélkül elválasztható az olvadéktól.

Ábra13.7egy nőtt CZ szilíciumkristály magvégét mutatja. Habár a magmagtól a hengeres részig tartó átmeneti régió a kukoricakukorica gazdasági okokból általában meglehetősen lapos formában van, akrilminminőségi szempontból kívánatos lehet a kúposabb forma. A vállrész és környéke nem használható az eszköz gyártásához, mert ez a rész sok értelemben atranszíciós régiónak számít, és a növekedési körülmények hirtelen változása miatt homogén kristályjellemzőkkel rendelkezik.
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.6
13.6. Ábra

A tipikus Czochralski szilíciumkristály-termesztő rendszer vázlatos képe. (Utána[13.1])

Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.7
13.7. Ábra

A termesztett Czochralski szilíciumkristály magvége

Ábra13.8egy rendkívül nagy termesztett, 400 mm átmérőjű és 1800 mm hosszú CZ szilícium kristályöntvényt mutat be, amelyet a japán Szuper Szilícium Kristálykutató Intézet Corporation növesztett [13.3].
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.8
13.8

Extra nagyméretű, 400 mm átmérőjű és 1800 mm hosszú Czochralski szilíciumöntvény. (A Szuper Szilícium Kristálykutató Intézet, Japán hozzájárulásával)

A térbeli elhelyezkedés hatása az inGrownCrystal alkalmazásban

Ahogy a13.9világosan ábrázolja, hogy az aCZ kristály egyes részeit különböző időpontokban, különböző növekedési feltételekkel tenyésztik [13.19]. Ezért fontos megérteni, hogy mindegyik résznek különböző kristályjellemzői vannak, és eltérő a hőmennyisége, mivel a kristályhossz mentén más és más. Például a mag végének hőmennyisége hosszabb, 1420 olvadáspontjától 400 körüli értékig terjedC az apullerben, míg a farokrész előretekintő, és az olvadásponttól meglehetősen gyorsan lehűl. Végül minden egyes szilícium ostya, amelyet a koronakristály különböző részeiből készítettek, eltérő fizikai-kémiai jellemzőkkel rendelkezhetett, attól függően, hogy hol helyezkednek el a bugában. Valójában arról számoltak be, hogy az oxigéncsapás viselkedése mutatja a legnagyobb helyfüggést, ami viszont befolyásolja az ömlesztett hibák keletkezését [13.20].
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.9
13.9. Ábra

Termikus környezet a Czochralski kristálynövekedés során a kezdeti és a végső szakaszban.Nyilakadja meg a hőáramlás hozzávetőleges irányait. (Utána[13.19])

Ezenkívül a kristályhibák és a szennyeződések anonuniform eloszlása ​​következik be az aCZ kristály szilícium ömledékből előállított aflat ostya keresztmetszetén, amelyet egymás után kristályosítottak vagy szilárdítottak meg a kristály – olvadék határfelületen, amely általában ívelt a CZ kristálynövekedési folyamatban. Ilyen inhomogenitások figyelhetők megcsíkok, amelyeket később tárgyalunk.

13.3.3Szennyeződések a Czochralski szilíciumban

Az elektronikus eszközökben használt szilícium félvezetők tulajdonságai nagyon érzékenyek a szennyeződésekre. Ezen érzékenység miatt a szilícium elektromos és elektronikus tulajdonságai pontosan szabályozhatók, ha hozzáadunk kisebb mennyiségű adalékot. Ezen adalék érzékenység mellett a szennyeződések (különösen az átmenetifémek) által okozott szennyeződés negatívan befolyásolja a szilícium tulajdonságait, és az eszköz teljesítményének súlyos romlását eredményezi. Ezenkívül az oxigén tízmillió / millió atom mennyiségben épül be a CZ szilíciumkristályokba a szilíciumolvadék és a kvarctégely reakciója miatt. Függetlenül attól, hogy mennyi oxigén van a kristályban, a szilíciumkristályok jellemzőit nagyban befolyásolja az oxigén koncentrációja és viselkedése [13.21]. Ezenkívül a szén a szilícium-dioxid szilíciumkristályaiba beépül vagy poliszilícium-alapanyagokból, vagy a növekedési folyamat során, a CZ-húzóberendezésekben használt grafit alkatrészek miatt. Bár a kereskedelmi koncentrációjú CZ szilíciumkristályokban a szén koncentrációja általában kevesebb, mint 0,1 ppma, a szén olyan szennyeződés, amely nagyban befolyásolja az oxigén viselkedését [13.22,13.23]. Ezenkívül nitrogénnel adalékolt CZ szilíciumkristályok [13.24,13.25] a közelmúltban nagy figyelmet keltettek magas mikroszkopikus kristályminőségük miatt, amelyek megfelelhetnek a legkorszerűbb elektronikus eszközök követelményeinek [13.26,13.27].

Szennyeződés inhomogenitás

Az olvadékból történő kristályosítás során az olvadékban található különféle szennyeződések (ideértve az adalékanyagokat is) beépülnek a növekvő kristályokba. A szilárd fázis szennyeződési koncentrációja általában különbözik a folyékony fázistól az aphenomenon néven ismertelkülönítés.

Elkülönítés

A többkomponensű rendszerek megszilárdulásához kapcsolódó egyensúlyi szegregációs viselkedés az abináris rendszer megfelelő fázisdiagramjából határozható meg egyoldott anyag(a szennyeződés) és aoldószer(a gazda anyag) komponenseiként.

Az Ain szilárd szilícium-szennyező oldhatóságának aránya [CA]sfolyékony szilíciumhoz [CA]Lk0=[CA]s[CA]L" role="presentation" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box; line-height: normal; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; float: none; direction: ltr; max-width: 100%; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; width: 655px; overflow: auto hidden; position: relative; display: block !important;">k0=[CA]s[CA]L(13.6) nevezzükegyensúlyi szegregációs együttható. A szennyeződések oldhatósága folyékony szilíciumban mindig magasabb, mint a szilárd szilíciumban; vagyis:k0& lt; 1. Az egyensúlyi szegregációs együtthatók0csak elhanyagolhatóan lassú növekedési sebesség mellett alkalmazható szilárdulásra. Véges vagy magasabb megszilárdulási arány esetén a szennyező atomokk0& lt; Az 1. ábrát az előrenyomuló szilárd anyag nagyobb sebességgel elutasítja, mint amennyit az olvadékba diffundálhat. A CZ kristálynövekedési folyamatban a szegregáció a megszilárdulás kezdetén megy végbe az agenált mag és az olvadék határfelületén, és az elutasított szennyezőatomok a növekedési határ közelében lévő olvadékrétegben kezdenek felhalmozódni, és az olvadék nagy részének irányában diffundálnak. Ebben a helyzetben egyeffektív szegregációs együtthatókeffa CZ kristálynövekedés során bármikor meghatározható, és a szennyező koncentráció [C]saz aCZ kristályban levezethetők[C]s=keff[C0](1g)keff1," role="presentation" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box; line-height: normal; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; float: none; direction: ltr; max-width: 100%; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; width: 655px; overflow: auto hidden; position: relative; display: block !important;">[C]s=keff[C0](1g)keff1,(13.7) aholC0] az olvadékban a szennyeződés kezdeti koncentrációjaga frakció megszilárdul.

Következésképpen nyilvánvaló, hogy a szennyező szint amakroszkópos hosszanti változása, amely az ellenállás megnövekedését okozza az adalék koncentrációjának változása miatt, a CZ szakaszos növekedési folyamat velejárója; ez a szegregációs jelenségnek köszönhető. Ezenkívül a szennyeződések hosszanti eloszlását befolyásolják az olvadékkonvekció nagyságának és jellegének változásai, amelyek akkor jelentkeznek, amikor az olvadékarány csökken a kristálynövekedés során.

Csíkok
A legtöbb kristálynövekedési folyamatban vannak olyan tranziensek a paraméterekben, mint például a pillanatnyi mikroszkópos növekedési sebesség és a diffúziós határréteg vastagsága, amelyek a tényleges szegregációs együttható variációit eredményezik.keff. Ezek a variációk mikroszkopikus kompozíciós inhomogenitásokat eredményeznek formájábancsíkokpárhuzamos a kristály – olvadási felülettel. A csíkok könnyen meghatározhatók számos technikával, például preferenciális kémiai maratással és röntgen topográfiával. Ábra13.10mutatja az aCZ szilíciumkristály hosszmetszetének vállrészében a vegyi maratással feltárt csíkozásokat. A növekedési felület alakjának fokozatos változása szintén egyértelműen megfigyelhető.
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.10
13.10

A kémiai maratással feltárt növekedési csíkok Czochralski szilícium kőlapjában

A csíkokat fizikailag a szennyeződések és a ponthibák elkülönítése okozza; a csíkokat azonban gyakorlatilag a kristály – olvadási határ közelében lévő hőmérséklet-ingadozások okozzák, amelyeket az olvadék instabil hőkonvekciója és a kristályok forgása indukál aszimmetrikus hőkörnyezetben. Ezenkívül a növekedési berendezés gyenge húzószabályozó mechanizmusai miatti mechanikus rezgések a hőmérséklet ingadozását is okozhatják.

Ábra13.11sematikusan szemlélteti a cZ-ben növesztett kristály-keresztmetszetet, amely homorú kristály-olvadási felületet tartalmaz, amely inhomogenitásokat eredményez a felszíni felületen. Mivel minden sík ostya fel van vágva, több ívelt csík különböző részeit tartalmazza. Különbözőfonográf cseng, a továbbiakbanörvényEzután az egyes ostyákban előfordulhat, amely a fent említett technikák alkalmazásával az ostya egészében megfigyelhető.
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.11
13.11. Ábra

A Czochralski kristály keresztmetszetének sematikus ábrázolása, amely különféle részekre szeletelt acurved kristály – olvadási felületet és sík ostyákat tartalmaz. (Utána[13.1])

Dopping

A kívánt ellenállás elérése érdekében bizonyos mennyiségű adalékot (akár donor, akár akceptor atomokat) adunk az asilikon olvadékhoz az ellenállás és a koncentráció viszonyának megfelelően. Általános szokás adalékokat adni erősen adalékolt szilíciumrészecskék vagy körülbelül 0,01 Ω cm-es ellenállású darabok formájában, amelyeket adalékanyag-rögzítésnek nevezünk, mivel a szükséges tiszta adalékanyag mennyisége kezelhetetlenül kicsi, kivéve az erősen adalékolt szilícium-anyagokat (n+vagy p+szilícium).

Az adopant megválasztásának kritériumai a helyvezető anyagnál az, hogy a következő tulajdonságokkal rendelkezik:
  1. 1.

    Megfelelő energiaszint

  2. 2.

    Nagy oldhatóság

  3. 3.

    Megfelelő vagy alacsony diffúzió

  4. 4.

    Alacsony gőznyomás.

A nagy diffúzió vagy a magas gőznyomás az adalékanyagok nemkívánatos diffúziójához vagy párologtatásához vezet, ami instabil eszköz működését és nehézségeket eredményez a pontos ellenállás-szabályozás elérésében. A túl kicsi oldhatóság korlátozza a megszerezhető ellenállást. Ezen kritériumok mellett figyelembe kell venni a kémiai tulajdonságokat (például a toxicitást). A kristálynövekedés szempontjából további szempont, hogy az adalékanyag aszegregációs együtthatója közel van az egységhez annak érdekében, hogy az ellenállást a CZ kristályrúd magjától a farok végéig a lehető legegyenletesebbé tegye. Következésképpen a foszfor (P) és a bór (B) a szilíciumhoz leggyakrabban használt donor és akceptor adalékanyag. Mert n+a szilícium, amelyben a donor atomok erősen adalékoltak, a foszfor helyett általában antimonot (Sb) használnak kisebb diffúziója miatt, annak ellenére, hogy kis a szegregációs együtthatója és a magas gőznyomás, ami a koncentráció nagy változásaihoz vezet mind az axiális, mind a a sugárirányok.

Oxigén és szén

Ábra vázlatosan látható.13.3Zenekar13.6, akvarc (SiO2) tégelyt és grafit fűtőelemeket alkalmaznak a CZ-Si kristálynövekedési módszerben. A szilícium-olvadékkal érintkező tégely felülete a reakció következtében fokozatosan feloldódikSiO2+Si2SiO." role="presentation" style="font-size: 14px; box-sizing: border-box; line-height: normal; letter-spacing: normal; word-spacing: normal; overflow-wrap: normal; float: none; direction: ltr; max-width: 100%; max-height: none; min-width: 0px; min-height: 0px; border: 0px; padding: 0px; margin: 0px; width: 655px; overflow: auto hidden; position: relative; display: block !important;">SiO2+Si2SiO.(13.8) Ez a reakció oxigénnel dúsítja a szilícium-olvadékot. Az oxigénatomok többsége elpárolog az olvadék felületéről, mint illékony szilícium-mono-oxid (SiO), de ezek egy része beépül az asilicon kristályokba a kristály – olvadék felületen keresztül. A CZ szilíciumkristályokban lévő szén azonban elsősorban a polikristályos kiindulási anyagból származik. anyag. A gyártótól függően 0,1 és 1 ppma közötti szénszintek találhatók a poliszilíciumban. Feltételezzük, hogy a poliszilíciumban lévő szénforrások főként a poliszilícium előállításához használt triklór-szilánban található széntartalmú szennyeződések. A CZ húzóberendezések grafit alkatrészei szintén hozzájárulhatnak a szénszennyezéshez azáltal, hogy oxigénnel reagálnak, amely mindig jelen van a környezeti növekedés során. A kapott CO és CO termékek2a szilícium-olvadékban feloldódnak, és a szilíciumkristályokban lévő szén-szennyeződéseket figyelembe veszik. Tehát az oxigén és a szén a két fő nem szennyező szennyeződés, amely beépül a CZ szilíciumkristályokba az 1. ábrán sematikusan bemutatott módon.13.12. Ezeknek a szilíciumban lévő szennyeződéseknek a viselkedését, amelyek befolyásolják a CZ szilíciumkristályok számos tulajdonságát, az 1950-es évek vége óta intenzíven tanulmányozták [13.21].
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.12
13.12

Oxigén és szén beépítése Czochralski szilíciumkristályba. (Utána[13.1])

13.4Új kristálynövekedési módszerek

A mikroelektronikus készülékek gyártásához használt szilíciumkristályoknak meg kell felelniük az eszközgyártók által támasztott követelményeknek. A szilíciumra vonatkozó követelmények mellettostya, a következő kristálytani igények egyre gyakoribbá váltak a nagy hozamú és nagy teljesítményű mikroelektronikus készülékek gyártása miatt:
  1. 1.

    Nagy átmérőjű

  2. 2.

    Alacsony vagy ellenőrzött hibasűrűség

  3. 3.

    Egyenletes és alacsony radiális ellenállású gradiens

  4. 4.

    Optimális kezdeti oxigénkoncentráció és annak kicsapódása.

Nyilvánvaló, hogy a szilíciumkristálygyártóknak nemcsak a fenti követelményeknek kell megfelelniük, hanem gazdaságosan és magas gyártási hozam mellett is elő kell állítaniuk ezeket a kristályokat. A szilíciumkristály-termelők legfőbb gondjai a kristálytani tökéletesség és az adalékanyagok axiális eloszlása ​​a CZ-szilíciumban. A hagyományos CZ kristálynövekedési módszer néhány problémájának leküzdése érdekében számos új kristálynövekedési módszert fejlesztettek ki.

13.4.1Czochralski növekedés az AppliedMagneticField (MCZ)

Az olvadékkonvekciós áramlás a tégelyben erősen befolyásolja a CZ szilícium kristályminőségét. Különösen a kedvezőtlen növekedési csíkokat idézi elő az instabil olvadékkonvekció, amely hőmérsékleti ingadozásokat eredményez a növekedési határfelületen. Az elektromosan vezető folyadékban az amágneses tér hőkonvekciót gátló képességét először vízszintes csónaktechnikával alkalmazták az indium-antimonid kristálynövekedésére [13.28] és a vízszintes zóna-olvasztási technika [13.29]. Ezekkel a vizsgálatokkal megerősítették, hogy a kellő erősségű amágneses mező elnyomhatja az olvadékkonvekciót kísérő hőmérséklet-ingadozásokat, és drámai módon csökkentheti a növekedési csíkokat.

A mágneses tér növekedési szakaszokra gyakorolt ​​hatását azzal magyarázzák, hogy képes csökkenteni az amelt turbulens termikus konvekcióját, és ezáltal csökkenti a hőmérséklet-ingadozásokat a kristály – olvadás határfelületen. A mágneses tér által okozott folyadékáramlás csillapítása az indukált mágneses erőnek tudható be, amikor az áramlás merőleges a mágneses fluxus vonalakra, ami a vezető olvadék tényleges kinematikai viszkozitásának növekedését eredményezi.

A szilíciumkristály növekedéséről a mágneses téren alkalmazott CZ (MCZ) módszerrel először 1980-ban számoltak be [13.30]. Eredetileg az MCZ-t olyan CZ szilíciumkristályok szaporítására szánták, amelyek alacsony oxigénkoncentrációt tartalmaznak, ezért nagy ellenállásúak és kis radiális variációkkal rendelkeznek. Más szavakkal, az MCZ szilíciumától elvárták, hogy a szinte kizárólag az erőművek gyártásához használt FZ szilíciumot helyettesítse. Azóta számos mágneses tér konfigurációt fejlesztettek ki, a mágneses tér iránya (vízszintes vagy függőleges) és az alkalmazott mágnesek típusa (normál vezető vagy szupravezető) tekintetében [13.31]. A kívánt oxigénkoncentráció széles tartományában (alacsonyaktól a magasig) előállított MCZ szilícium nagy érdeklődésre tart számot a különböző eszközhasználatokban. Az MCZ szilícium értéke abban rejlik, hogy kiváló minőségű és képes az oxigénkoncentrációt széles tartományban szabályozni, ami a hagyományos CZ módszerrel nem érhető el [13.32], valamint fokozott növekedési üteme [13.33].

Ami a kristályminőséget illeti, nem kétséges, hogy az MCZ-módszer biztosítja a szilícium-kristályokat, amelyek a legkedvezőbbek a félvezető-eszközipar számára. Az MCZ szilícium előállítási költsége magasabb lehet, mint a hagyományos CZ szilíciumé, mert az MCZ módszer több elektromos energiát fogyaszt, és további berendezéseket és működési helyet igényel az elektromágnesekhez; figyelembe véve azonban az MCZ nagyobb növekedési sebességét, és amikor a vezetőképes mágnesekhez képest kisebb helyet igénylő és kevesebb elektromos energiát fogyasztó szupravezető mágneseket alkalmaznak, az MCZ szilíciumkristályok gyártási költsége összehasonlíthatóvá válhat a hagyományos CZ szilíciumkristályokéval. Ezenkívül az MCZ szilícium jobb kristályminősége növelheti a termelés hozamát és csökkentheti a gyártási költségeket.

13.4.2Folyamatos Czochralski-módszer (CCZ)

A kristály előállítási költségei nagymértékben függenek az anyagok költségeitől, különösen a kvarctégelyekhez használtak költségeitől. A hagyományos CZ folyamatban, az úgynevezett akötegelt folyamat, az acrystal-t kihúzzák az egyes tégelyek töltéséből, és a kvarc tégelyeket csak egyszer használják, majd eldobják. Ennek oka, hogy a maradék szilícium kis mennyisége megrepeszti a tégelyt, amikor minden egyes növekedési futtatás során lehűl a magas hőmérséklettől.

Az akvarctégely olvadékkal történő gazdaságos feltöltésének egyik célja az, hogy folyamatosan adagoljuk a takarmányt, miközben a kristály növekszik, és ezáltal az olvadékot állandó térfogatban tartjuk. A tégelyköltségek megtakarítása mellett a folyamatos töltésű Czochralski (CCZ) módszer ideális környezetet biztosít a szilíciumkristályok növekedéséhez. Mint már említettük, a hagyományos CZ szakaszos eljárással növesztett kristályok számos inhomogenitása a kristálynövekedés során bekövetkező olvadéktérfogat-változás következtében kialakuló bizonytalan kinetika következménye. A CCZ módszer célja nemcsak a gyártási költségek csökkentése, hanem a kristályok állandó körülmények közötti termesztése is. Az olvadéktérfogat állandó szinten tartásával stabil hő- és olvadékáramlási feltételek érhetők el (lásd.13.9, amely a termikus környezetek változását mutatja a hagyományos CZ növekedés során)

A folyamatos töltést általában szilícium-dioxid-adagolással hajtják végre, amint az a 2. ábrán látható.13.13[13.34]. Ez a rendszer a poliszilícium nyersanyag tárolására szolgáló tárolóból és a poliszilíciumot a tégelybe továbbító avibratáló adagolóból áll. A szilícium-olvadékot tartalmazó tégelyben aquartz terelőlemezre van szükség, hogy megakadályozzuk az olvadék turbulenciáját, amelyet a szilárd anyag táplálása okoz a növekedési határfelület körül. Az olyan szabadon folyó poliszilícium-szemcsék, mint amilyeneket korábban említettünk, nyilvánvalóan előnyösek a CCZ-módszer szempontjából.
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.13
13.13. Ábra

A folyamatos töltésű Czochralski-módszer sematikus ábrázolása. (Utána[13.34])

A CCZ módszer minden bizonnyal megoldja a hagyományos CZ módszerrel termesztett kristályok inhomogenitásaival kapcsolatos legtöbb problémát. Ezenkívül az MCZ és a CCZ (a mágneses mezővel alkalmazott folyamatos CZ (MCCZ) módszer) várhatóan biztosítja a végső kristálynövekedési módszert, amely ideális szilíciumkristályokat biztosít számos mikroelektronikai alkalmazáshoz [13.1]. Valóban, kiváló minőségű szilíciumkristályok termelésére használták, amelyek mikroelektronikai eszközökhöz készültek [13.35].

Hangsúlyozni kell azonban, hogy a kristály különböző részeinek eltérő hőhatása (a magtól a farokvégig, amint az a 2. ábrán látható).13.9) akkor is figyelembe kell venni, ha a kristályt az ideális növekedési módszerrel növesztik. A megnövekedett kristály homogenizálása vagy a hőtörténet axiális egyenletességének elérése érdekében az utókezelés valamilyen formája, például a magas hőmérsékletű hőkezelés [13.36] szükséges a kristályhoz.

13.4.3Nyak nélküli növekedési módszer

Amint azt korábban említettük, Dash nyakazási folyamata (amely 3–5 mm átmérőjű athin nyakat növeszt,13.7) kritikus lépés a CZ kristálynövekedés során, mert kiküszöböli a benőtt diszlokációkat. Ez a technika több mint 40 éve az ipari szabvány. A nagy kristályátmérők (& gt; 300 mm, 300 kg feletti súly) legutóbbi igényei azonban nagyobb átmérőjű nyakak szükségességét eredményezték, amelyek nem vezetnek diszlokációkat a növekvő kristályokba, mivel az athin nyak átmérője 3-5 mm nem képes ilyen nagy kristályokat támogatni.

Nagy átmérőjű magok, amelyek tipikusan 170 mm hosszúak, az aminátmérő pedig> 10 mm és átlagosan 12 mm szilíciumból kinőtt olvadék erősen adalékolva bórral (& gt;1019atoms/cm3) diszlokációtól mentes 200 mm átmérőjű CZ szilíciumkristályok termesztésére [13.37,13.38]. Becslések szerint a nagy átmérőjű, 12 mm átmérőjű nyakok képesek CZ-t támogatni olyan nehéz kristályoknál, mint 2000 kg [13.39]. Ábra13.14a,ba Dash-nyakképző eljárás nélkül termesztett, 200 mm átmérőjű, diszlokációtól mentes CZ szilíciumkristályt és13.14a,bb mutatja megnövekedett magját (vö. az 1. ábrával).13.7). Az a mechanizmus, amellyel a diszlokációk nem épülnek be a növekvő kristályokba, elsősorban a szilíciumban lévő bór erős doppingjának keményítő hatásának tulajdonítható.
Kép megnyitása új ablakbanFig. 13.14a,b
13.14a., B

200 mm átmérőjű, diszlokációtól mentes Czochralski szilíciumkristály, amelyet a Dash nyakazási eljárás nélkül termesztettek. (a)Egész test, (b) mag és kúp. (Prof. K. Hoshikawa jóvoltából)

Hivatkozások

  1. 13.1F. Shimura:Félvezető szilícium kristály technológia(Akadémikus, New York 1988)Google ösztöndíjas

  2. 13,2 WC Dash: J. Appl. Phys.29, 736 (1958)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  3. 13,3K. Takada, H.Yamagishi, H.Minami, M.Imai: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1998) 376. oGoogle ösztöndíjas

  4. 13.4JRMcCormic: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1986), 43. oldalGoogle ösztöndíjas

  5. 13.5PA Taylor: Szilárdtest Technol.július, 53 (1987)Google ösztöndíjas

  6. 13,6 WG Pfann: Ford. Am. Inst. Min. Metall. Eng.194, 747 (1952)Google ösztöndíjas

  7. Vásárló: 3060123 (1962) számú amerikai egyesült államokbeli szabadalomGoogle ösztöndíjas

  8. 13,8 PH Keck, MJE Golay: Phys. Fordulat.89, 1297 (1953)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  9. 13,9 W. Keller, A. Mühlbauer:Lebegő zónás szilícium(Marcel Dekker, New York, 1981)Google ösztöndíjas

  10. 13.10JM Meese:Neutron transzmutációs dopping félvezetőkben(Plénum, ​​New York 1979)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  11. 13.11HMLiaw, CJVarker: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1977) 116. oGoogle ösztöndíjas

  12. 13.12. ELKern, LSYaggy, JABarker: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1977) 52. oGoogle ösztöndíjas

  13. 13,13SM Hu: Appl. Phys. Lett.31, 53 (1977)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  14. 13,14K. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Phys.19, L49 (1980)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  15. 13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Appl. Phys.19, L763 (1980)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  16. 13.16T.Abe, K.Kikuchi, S.Shirai: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1981), 54. oGoogle ösztöndíjas

  17. 13,17J. Czochralski: Z. Phys. Chem.92, 219 (1918)Google ösztöndíjas

  18. 13.18GK Teal, JB Little: Fiz. Fordulat.78, 647 (1950)Google ösztöndíjas

  19. 13,19W. Zulehner, D. Huber: In:8. kristályok: szilícium, kémiai maratás(Springer, Berlin, Heidelberg 1982) p. 1Google ösztöndíjas

  20. 13.20H. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Electrochem. Soc.129, 374 (1982)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  21. 13.21F. Shimura (szerk.):Oxigén a szilíciumban(Akadémikus, New York 1994)Google ösztöndíjas

  22. 13,22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Appl. Phys. Lett.35, 213 (1979)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  23. 13,23F. Shimura: J. Appl. Phys.59, 3251 (1986)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  24. 13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: VLSI tudományos technológia, Proc. 2. Int. Symp. Nagyon nagy méretarányú integráció. (The Electrochemical Society, Pennington 1984) p. 208Google ösztöndíjas

  25. 13.25F. Shimura, RS Hocket: Appl. Phys. Lett.48, 224 (1986)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  26. 13.26A. Huber, M. Kapser, J. Grabmeier, U. Lambert, WvAmmon, R. Pech: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 2002) 280. oGoogle ösztöndíjas

  27. 13.27GARozgonyi: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 2002) 149. oGoogle ösztöndíjas

  28. 13,28 HP Utech, MC Flemings: J. Appl. Phys.37, 2021 (1966)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  29. 13.29HA Chedzey, DT Hurtle: Természet210, 933 (1966)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  30. 13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isawa: Ext. Abstr. Electrochem. Soc. 157. találkozás. (The Electrochemical Society, Pennington 1980), 811. oGoogle ösztöndíjas

  31. 13.31: Ohwa, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1986) 117. oGoogle ösztöndíjas

  32. 13.32M.Futagami, K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki, Y.Okubo, Y. Kato, Y. Okamoto: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1986), 939. oGoogle ösztöndíjas

  33. 13.33T. Suzuki, N.Isawa, K.Hoshi, Y. Kato, Y. Okubo: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1986) 142. oGoogle ösztöndíjas

  34. 13,34 W. Zulehner: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1990), 30. oGoogle ösztöndíjas

  35. 13.35Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1994), 180. oGoogle ösztöndíjas

  36. 13,36F. Shimura: In:VLSI Tudomány és Technológia(The Electrochemical Society, Pennington 1982) p. 17.Google ösztöndíjas

  37. 13.37. Chandrasekhar, KMKim: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1998), 411. oGoogle ösztöndíjas

  38. 13,38K. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Appl. Phys.38, L1369 (1999)CrossRefGoogle ösztöndíjas

  39. 13,39 km Kim, P. Smetana: J. Cryst. Növekedés100, 527 (1989)CrossRefGoogle ösztöndíjas


A szálláslekérdezés elküldése
A szálláslekérdezés elküldése