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

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 akár. 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 disszociál∘C. 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.
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. Folyamatábra a tipikus félvezető szilícium előkészítési folyamatokhoz. (Utána[13.1]) 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. 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. 1. Könnyen kialakítható vízmentes hidrogén-klorid és MG-Si reakciójával, meglehetősen alacsony hőmérsékleten (200–400 ° C).∘C). 2. Szobahőmérsékleten folyékony, ezért a tisztítást szokásos desztillációs technikákkal hajthatjuk végre. 3. Könnyen kezelhető, szárazon szénacél tartályokban tárolható. 4. A folyékony triklór-szilán könnyen elpárolog, és hidrogénnel keverve acélvezetékekben szállítható. 5. Légköri nyomáson hidrogén jelenlétében csökkenthető. 6. Lerakódása melegített szilíciumon történhet, így nincs szükség semmilyen idegen felületre, amely szennyezheti a keletkező szilíciumot. 7. Alacsonyabb hőmérsékleten (1000–1200 ° C) reagál∘C) és gyorsabban, mint a szilícium-tetraklorid. Mondanom sem kell, hogy a vékony rudak tisztaságának meg kell egyeznie a lerakódott szilícium tisztaságával. A vékony rudakat körülbelül 400 fokra előmelegítik∘C 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 körül∘A 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. 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 melegítik∘C-et ahidrogénatmoszférában a magnézium-szilicid (Mg2Si), amelyet ezután ammónium-kloriddal (NH4Cl) folyékony ammóniában (NH3) 0 alatt∘C monoszilánt (SiH4). Ezután nagy tisztaságú poliszilíciumot állítanak elő a monoszilán pirolízisén keresztül rezisztívan melegített poliszilíciumszálakon 700–800 ° C-on∘C. 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. 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. 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. 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. 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. Az úszó zóna szilícium magjának, nyakának és kúpos részének röntgen topográfiája. (Dr. T. Abe jóvoltából) Támogató rendszer lebegő zónás szilíciumkristályhoz. (Utána[13.9]) 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. 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 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 adalékoltákvagy, illetve a mechanikai szilárdság jelentős növekedését eredményezi. 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. 1. A poliszilícium darabokat vagy szemcséket akvarctégelybe helyezzük, és a szilícium olvadáspontjánál magasabb hőmérsékleten megolvasztjuk (1420∘C) inert környezeti gázban. 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. 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. 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. 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. A tipikus Czochralski szilíciumkristály-termesztő rendszer vázlatos képe. (Utána[13.1]) A termesztett Czochralski szilíciumkristály magvége Extra nagyméretű, 400 mm átmérőjű és 1800 mm hosszú Czochralski szilíciumöntvény. (A Szuper Szilícium Kristálykutató Intézet, Japán hozzájárulásával) 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. 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]. 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. 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. 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. 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. A Czochralski kristály keresztmetszetének sematikus ábrázolása, amely különféle részekre szeletelt acurved kristály – olvadási felületet és sík ostyákat tartalmaz. (Utána[13.1]) 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). 1. Megfelelő energiaszint 2. Nagy oldhatóság 3. Megfelelő vagy alacsony diffúzió 4. Alacsony gőznyomás. Oxigén és szén beépítése Czochralski szilíciumkristályba. (Utána[13.1]) 1. Nagy átmérőjű 2. Alacsony vagy ellenőrzött hibasűrűség 3. Egyenletes és alacsony radiális ellenállású gradiens 4. Optimális kezdeti oxigénkoncentráció és annak kicsapódása. 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. 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 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. 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. 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) 13.1F. Shimura:Félvezető szilícium kristály technológia(Akadémikus, New York 1988)Google ösztöndíjas 13,2 WC Dash: J. Appl. Phys.29, 736 (1958)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13,3K. Takada, H.Yamagishi, H.Minami, M.Imai: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1998) 376. oGoogle ösztöndíjas 13.4JRMcCormic: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1986), 43. oldalGoogle ösztöndíjas 13.5PA Taylor: Szilárdtest Technol.július, 53 (1987)Google ösztöndíjas 13,6 WG Pfann: Ford. Am. Inst. Min. Metall. Eng.194, 747 (1952)Google ösztöndíjas Vásárló: 3060123 (1962) számú amerikai egyesült államokbeli szabadalomGoogle ösztöndíjas 13,8 PH Keck, MJE Golay: Phys. Fordulat.89, 1297 (1953)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13,9 W. Keller, A. Mühlbauer:Lebegő zónás szilícium(Marcel Dekker, New York, 1981)Google ösztöndíjas 13.10JM Meese:Neutron transzmutációs dopping félvezetőkben(Plénum, New York 1979)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13.11HMLiaw, CJVarker: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1977) 116. oGoogle ösztöndíjas 13.12. ELKern, LSYaggy, JABarker: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1977) 52. oGoogle ösztöndíjas 13,13SM Hu: Appl. Phys. Lett.31, 53 (1977)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13,14K. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Phys.19, L49 (1980)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Appl. Phys.19, L763 (1980)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13.16T.Abe, K.Kikuchi, S.Shirai: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1981), 54. oGoogle ösztöndíjas 13,17J. Czochralski: Z. Phys. Chem.92, 219 (1918)Google ösztöndíjas 13.18GK Teal, JB Little: Fiz. Fordulat.78, 647 (1950)Google ösztöndíjas 13,19W. Zulehner, D. Huber: In:8. kristályok: szilícium, kémiai maratás(Springer, Berlin, Heidelberg 1982) p. 1Google ösztöndíjas 13.20H. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Electrochem. Soc.129, 374 (1982)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13.21F. Shimura (szerk.):Oxigén a szilíciumban(Akadémikus, New York 1994)Google ösztöndíjas 13,22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Appl. Phys. Lett.35, 213 (1979)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13,23F. Shimura: J. Appl. Phys.59, 3251 (1986)CrossRefGoogle ösztöndíjas 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 13.25F. Shimura, RS Hocket: Appl. Phys. Lett.48, 224 (1986)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13.26A. Huber, M. Kapser, J. Grabmeier, U. Lambert, WvAmmon, R. Pech: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 2002) 280. oGoogle ösztöndíjas 13.27GARozgonyi: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 2002) 149. oGoogle ösztöndíjas 13,28 HP Utech, MC Flemings: J. Appl. Phys.37, 2021 (1966)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13.29HA Chedzey, DT Hurtle: Természet210, 933 (1966)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isawa: Ext. Abstr. Electrochem. Soc. 157. találkozás. (The Electrochemical Society, Pennington 1980), 811. oGoogle ösztöndíjas 13.31: Ohwa, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1986) 117. oGoogle ösztöndíjas 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 13.33T. Suzuki, N.Isawa, K.Hoshi, Y. Kato, Y. Okubo: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1986) 142. oGoogle ösztöndíjas 13,34 W. Zulehner: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1990), 30. oGoogle ösztöndíjas 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 13,36F. Shimura: In:VLSI Tudomány és Technológia(The Electrochemical Society, Pennington 1982) p. 17.Google ösztöndíjas 13.37. Chandrasekhar, KMKim: In:Félvezető szilícium(The Electrochemical Society, Pennington 1998), 411. oGoogle ösztöndíjas 13,38K. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Appl. Phys.38, L1369 (1999)CrossRefGoogle ösztöndíjas 13,39 km Kim, P. Smetana: J. Cryst. Növekedés100, 527 (1989)CrossRefGoogle ösztöndíjas13.1Áttekintés


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 eredményez13.2.2Polikristályos szilícium
Közbenső kémiai vegyületek
Szilícium-hidrogénezés
A triklór-szilánt szintetizáljuk úgy, hogy porított MG-Si-t 300 körül melegítünk∘C-ot afluidizált ágyas reaktorban. Vagyis az MG-Si SiHCl-vá alakul3a következő reakció szerintA triklór-szilán desztillálása és bomlása
A triklór-szilán tisztításához széles körben alkalmazzák a desztillációt. A triklór-szilán, amelynek forráspontja alacsony (31,8∘C) 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 megfelelőenMonoszilán folyamat
Szemcsés poliszilícium leválasztás
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.
13.3.1Úszó zóna módszer
Általános megjegyzések
A folyamat vázlata


Dopping
Az FZ-szilícium kristály tulajdonságai
13.3.2Czochralski módszer
Általános megjegyzések
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:
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.


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 terjed∘C 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].
13.3.3Szennyeződések a Czochralski szilíciumban
Szennyeződés inhomogenitás
Elkülönítés
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.

Dopping
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 feloldódik
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:
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)
13.4.2Folyamatos Czochralski-módszer (CCZ)

13.4.3Nyak nélküli növekedési módszer

Hivatkozások








