Monokristalni silicij: rast i svojstva

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

CZ MCZ Single crystal

Silicij, koji je i bit će dominantan materijal u industriji poluvodiča još neko vrijeme [13.1], odvest će nas u eru ultra-velikih integracija (ULSI) i eru system-ona-chip (SOC).

Kako su elektronički uređaji postajali sve napredniji, performanse uređaja postajale su osjetljivije na kvalitetu i svojstva materijala korištenih za njihovu izradu.

Germanij (Ge) se izvorno koristio kao asemikovodni materijal za elektroničke uređaje u čvrstom stanju. Međutim, uski pojas (0,66 eV) Ge ograničava rad uređaja na bazi germanija na temperature od približno 90∘C zbog znatnih struja propuštanja uočenih na višim temperaturama. Šira širina pojasa silicija (1,12 eV), s druge strane, rezultira elektroničkim uređajima koji mogu raditi na do $\approx 200^{\circ} C$ . Međutim, postoji ozbiljniji problem od uskog pojasa: germanij ne pruža lako postojani pasivacijski sloj na površini. Na primjer, germanijev dioksid (GeO2) je topiv u vodi i disocira na približno 800∘C. Silicij, za razliku od germanija, lako prihvata površinsku pasivaciju tvoreći silicijev dioksid (SiO2), koji pruža visoki stupanj zaštite osnovnog uređaja. Ovaj stabilni SiO2sloj rezultira adekvatnom prednošću za silicij u odnosu na germanij kao osnovni poluvodički materijal koji se koristi za proizvodnju elektroničkih uređaja. Ova prednost dovela je do broja novih tehnologija, uključujući procese difuznog dopinga i definiranje zamršenih obrazaca. Ostale prednosti silicija su u tome što je potpuno netoksičan, a taj silicij (SiO2), sirovina iz koje se dobiva silicij obuhvaća približno 60%sadržaja minerala u Zemljinoj kori. To podrazumijeva da je sirovina iz koje se dobiva silicij dostupna u obilnoj opskrbi integriranom krugu (IC) industrija. Štoviše, silicij elektroničkog stupnja može se dobiti s manje od jedne desetine cijene germanija. Sve ove prednosti dovele su do toga da silicij gotovo u potpunosti zamjenjuje germanij u industriji poluvodiča.

Iako silicij nije optimalan izbor za svaki elektronički uređaj, njegove prednosti znače da će gotovo sigurno još neko vrijeme dominirati industrijom poluvodiča.

13.1Pregled

Vrlo korisne interakcije dogodile su se između korisnika i proizvođača poluvodičkih materijala od izuma točkastog tranzistora 1947. godine, kada je potreba zasavršen i čistkristali su prepoznati. Natjecanje je često bilo takvo da se kvaliteta kristala koju zahtijevaju novi uređaji mogla zadovoljiti samo kontrolom rasta kristala pomoću elektroničke opreme izgrađene s tim novim uređajima. Budući da su silicijski kristali bez dislokacije uzgajani još 1960-ih koristećiTehnika crtica[13.2], istraživanja i razvojni napori poluvodičkih materijala koncentrirani su na čistoću materijala, proizvodne prinose i probleme povezane s proizvodnjom uređaja.

Poluvodički uređaji i sklopovi izrađuju se pomoću širokog spektra mehaničkih, kemijskih, fizikalnih i toplinskih procesa. Dijagram Aflow-a za tipične postupke pripreme poluvodičkih silicija prikazan je na sl.13.1. Priprema silicijskih monokristalnih podloga s mehanički i kemijski poliranim površinama prvi je korak u dugom i složenom procesu izrade uređaja.

Fig. 13.1 — Slika 13.1
Dijagram toka za tipične postupke pripreme poluvodičkih silicija. (Nakon[13.1])

Kao što je gore spomenuto, silicij je drugi najrasprostranjeniji element na Zemlji; više od 90%Zemljine kore sastoji se od silicijevog dioksida i silikata. S obzirom na ovu neograničenu opskrbu sirovinom, problem je tada transformirati silicij u korisno stanje koje zahtijeva poluvodička tehnologija. Prvi i glavni zahtjev je da silicij koji se koristi za elektroničke uređaje mora biti izuzetno čist, jer vrlo male količine nekih nečistoća snažno utječu na elektroničke karakteristike silicija, a time i na rad elektroničkog uređaja. Drugi je zahtjev za kristale velikog promjera, jer se prinos strugotine po oblatni znatno povećava s većim promjerima, kao što je prikazano na sl.13.2za slučaj DRAMA [13.3], jedan od najčešćih elektroničkih uređaja. Osim čistoće i promjera, troškovi proizvodnje i specifikacije materijala, uključujući uraslu gustoću kvarova i otpornu homogenost, moraju udovoljavati trenutnim industrijskim zahtjevima.

Fig. 13.2 — Slika 13.2
Čipovi po oblatni kao funkcija generacije DRAM-a. (Nakon[13.3])

U ovom poglavlju, trenutni pristupi pripremi silicija - pretvaranje sirovine u monokristalni silicij (vidi sl.13.1) - raspravlja se.

13.2Polazni materijali

13.2.1Metalurški razred silicija

Polazni materijal za monokristale silicija visoke čistoće je silicijev dioksid (SiO2). Prvi korak u proizvodnji silicija je topljenje i redukcija silicijevog dioksida. To se postiže miješanjem silicijevog dioksida i ugljika u obliku ugljena, koksa ili drvene sječke i zagrijavanjem smjese na visoke temperature u lučnoj peći s potopljenom elektrodom. Ova karbotermna redukcija silicijevog dioksida daje topljeni silicij

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

(13.1) Nekomplicirani niz reakcija zapravo se događa u peći pri temperaturama u rasponu od 1500 do 2000∘C. Grudice silicija dobivene ovim postupkom nazivaju se silicij metalurškog stupnja (MG-Si), a njegova čistoća je oko 98–99%.

13.2.2Polikristalni silicij

Intermedijarni kemijski spojevi

Sljedeći je korak pročišćavanje MG-Si do razine poluvodičkog silicija (SG-Si), koji se koristi kao polazni materijal za monokristalni silicij. Osnovni koncept je da MG-Si u prahu reagira s bezvodnom HCl da bi stvorio različite spojeve klorosilana u reaktoru s fluidiziranim slojem. Tada se silani pročišćavaju destilacijom i kemijskim taloženjem (KVB) da nastane SG-polisilicij.

Razmotren je broj intermedijarnih kemijskih spojeva, kao što je monosilan (SiH4), silicijev tetraklorid (SiCl4), triklorosilan (SiHCl3) i diklorosilan (SiH2Kl2). Među njima se triklorosilan najčešće koristi za naknadno taloženje polisilicija iz sljedećih razloga:

1.
Može se lako stvoriti reakcijom bezvodnog klorovodika s MG-Si na razumno niskim temperaturama (200–400∘C).
2.
Tekuća je na sobnoj temperaturi, pa se pročišćavanje može izvršiti pomoću standardnih tehnika destilacije.
3.
Lako se njime rukuje i može se čuvati u spremnicima od ugljičnog čelika kad je suho.
4.
Tekući triklorosilan lako se ispari i, kad se pomiješa s vodikom, može se transportirati u čeličnim vodovima.
5.
Može se smanjiti pri atmosferskom tlaku u prisutnosti vodika.
6.
Njegovo taloženje može se dogoditi na zagrijanom siliciju, uklanjajući potrebu za kontaktom s bilo kojim stranim površinama koje mogu kontaminirati nastali silicij.
7.
Reagira na nižim temperaturama (1000–1200∘C) i bržim brzinama od silicijevog tetraklorida.

Hidrokloriranje silicija

Triklorosilan se sintetizira zagrijavanjem MG-Si u prahu na oko 300∘C u reaktoru s fluidiziranim slojem. Odnosno, MG-Si se pretvara u SiHCl3prema sljedećoj reakciji

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

(13.2) Reakcija je vrlo egzotermna pa se mora ukloniti toplina da bi se maksimalizirao prinos triklorosilana. Tijekom pretvaranja MG-Si u SiHCl3, razne nečistoće poput Fe, Al i B uklanjaju se pretvaranjem u njihove halogenide (FeCl3, AlCl3i BCl3, odnosno nusproizvodi poput SiCl4i H2također se proizvode.

Destilacija i razgradnja triklorosilana

Destilacija se naširoko koristi za pročišćavanje triklorosilana. Triklorosilan koji ima temperaturu ispod vrelišta (31.8∘C), frakcijski se destilira iz nečistih halogenida, što rezultira znatno povećanom čistoćom, s koncentracijom električno aktivne nečistoće manjom od 1 ppba. Potom se triklorsilan visoke čistoće upari, razrijedi vodikom visoke čistoće i uvede u reaktor taloženja. U reaktoru su dostupne tanke silicijske šipke zvane tanke šipke koje nose grafitne elektrode za površinsko taloženje silicija u skladu s reakcijom

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

(13.3) Uz ovu reakciju, slijedi i sljedeća reakcija tijekom taloženja polisilicija, što rezultira stvaranjem silicijevog tetraklorida (glavni nusprodukt postupka)

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

(13.4) Ovaj silicijev tetraklorid koristi se, na primjer, za proizvodnju kvarca visoke čistoće.

Nepotrebno je reći da čistoća tankih šipki mora biti usporediva s čistoćom taloženog silicija. Tanke šipke su prethodno zagrijane na približno 400∘C na početku postupka silicijskog CVD. Ovo je predgrijavanje potrebno kako bi se provodljivost tankih šipki visoke čistoće (visokog otpora) povećala dovoljno da omogući otporno zagrijavanje. Polaganje 200–300 h oko 1100∘C rezultira polisilicijskim šipkama visoke čistoće promjera 150-200 mm. Polisilicijske šipke oblikovane su u razne oblike za naknadne procese rasta kristala, kao što su komadići za rast Czochralskog topišta i duge cilindrične šipke za rast plutajuće zone. Proces smanjenja triklorosilana na zagrijanom silicijskom štapiću pomoću vodika opisan je krajem 1950-ih i početkom 1960-ih u broju procesnih patenata dodijeljenih tvrtki Siemens; stoga se ovaj proces često nazivaSiemensova metoda[13.4].

Glavni nedostaci Siemensove metode su loša učinkovitost pretvorbe silicija i klora, relativno mala veličina šarže i velika potrošnja energije. Slaba učinkovitost konverzije silicija i klora povezana je s velikim volumenom silicijevog tetraklorida koji se proizvodi kao nusprodukt u procesu CVD. Tek oko 30%silicija dobivenog u CVD reakciji pretvara se u polisilicij visoke čistoće. Također, troškovi proizvodnje polisilicija visoke čistoće mogu ovisiti o korisnosti nusproizvoda, SiCl4.

Monosilanski postupak

Tehnologija proizvodnje apolizilicija koja se temelji na proizvodnji i pirolizi monosilana uspostavljena je krajem 1960-ih. Monosilan potencijalno štedi energiju jer taloži polisilicij na nižoj temperaturi i stvara čistiji polisilicij od triklorosilanskog postupka; međutim, jedva je korišten zbog nedostatka ekonomičnog puta do monosilana i zbog problema s preradom u koraku taloženja [13.5]. Međutim, nedavnim razvojem ekonomskih putova do silana visoke čistoće i uspješnim radom postrojenja velike razine, ova je tehnologija privukla pozornost industrije poluvodiča, koja zahtijeva silicij veće čistoće.

U trenutnim industrijskim postupcima monosilana magnezij i MG-Si prah zagrijavaju se na 500∘C u atmosferi vodika kako bi se sintetizirao magnezijev silicid (Mg2Si), koji se zatim reagira s amonijevim kloridom (NH4Cl) u tekućem amonijaku (NH3) ispod 0∘C da nastane monosilan (SiH4). Zatim se polisilicij visoke čistoće proizvodi pirolizom monosilana na rezistentno zagrijanim polisilicijevim nitima na 700–800∘C. U procesu stvaranja monosilana, većina nečistoća bora uklanja se iz silana kemijskom reakcijom s NH3. Sadržaj aborona od 0,01–0,02 ppba u polisilicijumu postignut je postupkom amonosilana. Ta je koncentracija vrlo niska u usporedbi s onom primijećenom u polisilicijumu pripravljenom od triklorosilana. Štoviše, rezultirajući polisilicij manje je onečišćen metalima koji se pokupe postupcima kemijskog transporta, jer razgradnja monosilana ne uzrokuje nikakve probleme s korozijom.

Granulirano taloženje polisilicija

Razvijen je značajno drugačiji postupak koji koristi razgradnju monosilana u reaktoru taloženja u tekućem sloju za proizvodnju slobodno tekućeg zrnastog polisilicija [13.5]. Sitne čestice silicijinih sjemenki fluidiziraju se u smjesi amonosilana i vodika, a polisilicij se taloži kako bi se stvorile slobodno tekuće sferne čestice promjera prosječno 700 μm s raspodjelom veličine 100–1500 μm. Sjeme u fluidizovanom sloju izvorno je napravljeno mljevenjem SG-Si u mlinovima ili čekićima i luženjem proizvoda kiselinom, vodikovim peroksidom i vodom. Ovaj postupak bio je dugotrajan i skup, a imao je tendenciju uvođenja nepoželjnih nečistoća u sustav kroz metalne brusilice. Međutim, novom metodom velike se SG-Si čestice ispaljuju jedna na drugu strujom plina velike brzine zbog čega se razbijaju u čestice prikladne veličine za fluidni sloj. Ovaj postupak ne unosi strane materijale i ne zahtijeva ispiranje.

Zbog veće površine granuliranog polisilicija, reaktori s fluidizovanim slojem mnogo su učinkovitiji od tradicionalnih štapnih reaktora tipa Siemens. Pokazalo se da je kvaliteta polisilicija u fluidizovanom sloju jednaka polisilicijumu proizvedenom uobičajenijom Siemensovom metodom. Štoviše, granulirani polisilicij bezljevnog oblika i velike zapreminske gustoće omogućuje uzgajivačima kristala da iz svakog proizvodnog ciklusa dobiju najviše. Odnosno, u procesu rasta kristala Czochralski (vidi sljedeći odjeljak), lončići se mogu brzo i jednostavno napuniti do jednoličnih opterećenja koja obično premašuju nasumično naslagane polisilicijeve komade proizvedene Siemensovom metodom. Ako također uzmemo u obzir potencijal tehnike da prijeđe iz šaržnog rada u kontinuirano izvlačenje (o čemu ćemo kasnije raspravljati), možemo vidjeti da bi slobodno tekuće polisilicijske granule mogle pružiti povoljan put auniformne sirovine u rastopljenu talinu. Čini se da je ovaj proizvod revolucionarni polazni materijal koji obećava rast kristala silicija.

13.3Monokristalni rast

Iako su korištene razne tehnike za pretvaranje polisilicija u monokristale silicija, dvije tehnike dominiraju njihovom proizvodnjom za elektroniku jer udovoljavaju zahtjevima industrije mikroelektronskih uređaja. Jedna je metoda topljenja azona koja se obično nazivaplutajuća zona (FZ) metoda, a druga je metoda apuliranja koja se tradicionalno nazivaCzochralski (CZ) metoda, iako bi se zapravo trebao zvatiTeal – Little metoda. Načela koja stoje iza ove dvije metode rasta kristala prikazana su na sl.13.3. U FZ metodi, zona amoltena prolazi se kroz apolizilicijevu šipku da bi se pretvorila u jednokristalni ingot; u CZ metodi, jednostruki kristal se uzgaja izvlačenjem iz melt koji je sadržan u akvartnom loncu. U oba slučajasjemenski kristaligra vrlo važnu ulogu u dobivanju jednokristalnog kristala željene kristalografske orijentacije.

Fig. 13.3a,b — Slika 13.3a, b
Principi rasta monokristala pomoću (a) metoda plutajuće zone i (b) Czochralski metoda. (Nakon[13.1])

Procjenjuje se da je oko 95%od svega monokristalnog silicija dobiva se CZ metodom, a ostatak uglavnom FZ metodom. Industrija silicijskih poluvodiča zahtijeva visoku čistoću i minimalne koncentracije grešaka u svojim silicijevim kristalima kako bi optimizirala prinos proizvodnje uređaja i operativne performanse. Ti zahtjevi postaju sve stroži kako se tehnologija mijenja iz LSI u VLSI ∕ ULSI, a zatim i SOC. Osim kvalitete ili savršenstva kristala silicija, promjer kristala također se neprestano povećava kako bi se udovoljilo zahtjevima proizvođača uređaja. Budući da se mikroelektronski čipovi proizvode putem ašaržni sustav, promjeri silicijskih pločica koje se koriste za izradu uređaja značajno utječu na produktivnost (kao što je prikazano na sl.13.2), a zauzvrat proizvodni trošak.

U sljedećim odjeljcima prvo raspravljamo o FZ metodi, a zatim prelazimo na CZ metodu. O potonjem će se raspravljati detaljnije zbog njegove iznimne važnosti za mikroelektronsku industriju.

13.3.1Metoda plutajuće zone

Opće napomene

FZ metoda potječe od zonskog topljenja, koje je korišteno za pročišćavanje binarnih legura [13.6] i izumio ga jeTheuerer[13.7]. Reaktivnost tekućeg silicija s materijalom koji se koristi za lončić dovela je do razvoja FZ metode [13.8], koja omogućuje kristalizaciju silicija bez ikakvog kontakta s materijalom za lonče, koji je potreban da bi se mogli kristali zahtijevati čistoću poluvodiča.

Okvir postupka

U FZ procesu, apolizilicijeva šipka pretvara se u jednokristalni ingot, prolazeći kroz zonu amoltena zagrijanu zavojnicom oka igla s jednog kraja šipke na drugi, kao što je prikazano na slici.13.3a. Prvo se dodirne vrh polisilicijeve šipke i stopi s kristalima sjemenki željene orijentacije kristala. Taj se proces nazivasijanje. Sjejena rastopljena zona prolazi se kroz polisilikonsku šipku istodobnim pomicanjem monokristalnog sjemena niz štap. Kada se rastopljena zona silicija skrutne, polisilicij se uz pomoć sjemenskog kristala pretvara u monokristalni silicij. Kako zona putuje duž polisilicijeve šipke, monokristalni silicij se smrzava na svom kraju i raste kao produžetak sjemenskog kristala.

Nakon sjetve formira se tanki vrat promjera oko 2 ili 3 mm i dužine 10–20 mm. Taj se proces nazivavratu. Uzgoj na vratu eliminira dislokacije koje se mogu unijeti u novo uzgojeni monokristalni silicij tijekom postupka sjetve uslijed toplinskog šoka. Ovaj proces vraćanja, nazvanTehnika crtica[13.2], stoga je temeljna za uzgoj kristala bez dislokacije i univerzalno se koristi i u FZ i u CZ metodama. Rentgenski topograf sjemena, grlića i konusnog dijela monokristala asilija uzgojenog FZ metodom prikazan je na slici.13.4. Očito je da se dislokacije stvorene na kontaktu s talinom u potpunosti uklanjaju ogrtačem. Nakon formiranja konusnog dijela, raste glavno tijelo s punim promjerom cilja. Tijekom cijelog procesa rasta FZ, oblik rastopljene zone i promjer poluge određuju se podešavanjem snage zavojnice i brzine hoda, a obje su pod računalnom kontrolom. Tehnika koja se najčešće koristi za automatsku kontrolu promjera i u FZ i u CZ metodama koristi infracrveni senzor fokusiran na meniskus. Oblik meniska na rastućem kristalu ovisi o kutu dodira na trofaznoj granici, promjeru kristala i veličini površinske napetosti. Osjeti se promjena kuta meniskusa (a time i promjera kristala) i podaci se vraćaju kako bi se automatski prilagodili uvjeti rasta.

Fig. 13.4 — Slika 13.4
Rentgenska topografija sjemena, grlića i konusnog dijela silicija s plutajućom zonom. (Ljubaznošću dr. T. Abe)

Za razliku od rasta CZ kristala, u kojem se kristal sjemena umače u silicijsku talinu, a rastući kristal povlači prema gore, kod FZ metode tanki kristal sjemena održava rastući kristal, kao i polisilicijska šipka s dna (Sl.13.3). Kao rezultat, štapić je nesigurno uravnotežen na tankom sjemenu i vratu tijekom cijelog procesa rasta. Sjeme i grlić mogu podržati kristal do 20 kg sve dok težište rastućeg kristala ostaje u središtu sustava rasta. Ako se težište odmakne od središnje crte, sjeme će lako puknuti. Stoga je bilo potrebno izumiti tehniku stabilizacije i podupiranja kristala prije nego što su se mogli uzgajati dugi i teški FZ silicijski kristali. Za velike kristale potrebno je podržati rastući kristal na način prikazan na sl.13.5[13.9], posebno u slučaju novijih FZ kristala s velikim promjerom (150–200 mm), jer njihova težina lako prelazi 20 kg.

Fig. 13.5 — Slika 13.5
Sustav potpore za kristal silicija u plutajućoj zoni. (Nakon[13.9])

Doping

Da bi se dobili monokristali silicija n- ili p-tipa potrebne otpornosti, polisilicij ili rastući kristal moraju biti dopirani odgovarajućim donornim ili akceptorskim nečistoćama. Za rast FZ silicija, iako je isprobano nekoliko tehnika dopinga, kristali se obično dopiraju puhanjem usvojenog plina kao što je fosfin (PH3) za silicij ili diboran n-tipa (B2H6) za silicij p-tipa na zaljenu zonu. Dopantni plin se obično razrijedi s akarijernim plinom, poput argona. Velika prednost ove metode je što proizvođač kristala silicija ne treba čuvati izvore polisilicija s različitim otpornostima.

Budući da je segregacija (o kojoj će se raspravljati u sljedećem pododjeljku) elementarnih dodavača za silicij n-tipa mnogo manja od jedinke, FZ kristali dopirani tradicionalnom metodom imaju radijalne gradijente dodavanja. Štoviše, budući da brzina kristalizacije varira u radijalnom smjeru na mikroskopskoj skali, koncentracije dopantnog sredstva raspoređuju se ciklički i stvaraju tzv.dopantne pruge, što rezultira nehomogenostima radijalnog otpora. Kako bi se dobio homogeniji dopirani silicij n-tipa, dopiranje neutronske transmutacije (NTD) primijenjen je na FZ kristale silicija [13.10]. Ovaj postupak uključuje nuklearnu transmutaciju silicija u fosfor bombardiranjem kristala toplinskim neutronima u skladu s reakcijom

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

(13.5) Radioaktivni izotop31Si nastaje kada30Si hvata aneutron, a zatim se raspada u stabilni izotop31P (donatorski atomi), čija raspodjela ne ovisi o parametrima rasta kristala. Neposredno nakon ozračivanja kristali pokazuju visoku otpornost, što se pripisuje velikom broju defekata rešetke koji proizlaze iz oštećenja zračenjem. Stoga ozračeni kristal mora biti žaren u inertnom ambijentu na temperaturama od oko 700∘C kako bi se uništili nedostaci i vratila otpornost na onu koja proizlazi iz dopinga fosfora. Prema NTD shemi, kristali se uzgajaju bez dopinga, a zatim se zrače u nuklearnom reaktoru s alarmantnim omjerom toplotnih i brzih neutrona kako bi se pojačalo hvatanje neutrona i smanjilo oštećenje kristalne rešetke.

Primjena NTD-a gotovo je isključivo ograničena na FZ kristale zbog njihove veće čistoće u odnosu na CZ kristale. Kada je NTD tehnika primijenjena na CZ kristale silicija, utvrđeno je da je stvaranje donora kisika tijekom procesa žarenja nakon zračenja promijenilo otpor od očekivanog, iako je postignuta homogenost davatelja fosfora [13.11]. NTD ima dodatni nedostatak što nije dostupan postupak za dodavanje p-tipa i što je potrebno pretjerano dugo zračenje za male otpornosti (u rasponu od 1-10 Ω cm).

Svojstva kristala silicija FZ

Tijekom rasta FZ kristala, rastaljeni silicij ne dolazi u kontakt s bilo kojom tvari osim s ambijentalnim plinom u komori za rast. Stoga se FZ silicijev kristal inherentno razlikuje po svojoj većoj čistoći u usporedbi s aCZ kristalom koji se uzgaja iz taline, uključujući kontakt s akvartnim lončićem. Taj kontakt dovodi do visokih koncentracija nečistoće kisika od oko 1018atomi ∕ cm3u CZ kristalima, dok FZ silicij sadrži manje od 1016atomi ∕ cm3. Ova veća čistoća omogućuje FZ siliciju da postigne visoke otpornosti koje se ne mogu dobiti korištenjem CZ silicija. Većina konzumiranog FZ silicija ima reznost između 10 i 200 Ω cm, dok je CZ silicij obično spreman na otpornost od 50 Ω cm ili manje zbog onečišćenja iz kvarcnog lonca. FZ silicij se stoga uglavnom koristi za proizvodnju poluvodičkih pogonskih uređaja koji podržavaju reverzne napone veće od 750–1000 V. Rast kristala visoke čistoće i precizne karakteristike dopinga NTD FZ-Si dovele su i do njegove upotrebe u infracrvenim detektorima [13.12], na primjer.

Međutim, ako uzmemo u obzir mehaničku čvrstoću, već je duži niz godina prepoznato da je FZ silicij, koji sadrži manje nečistoća kisika od CZ silicija, mehanički slabiji i osjetljiviji na toplinsko naprezanje tijekom izrade uređaja [13.13,13.14]. Visokotemperaturna obrada silicijskih pločica tijekom proizvodnje elektroničkih uređaja često stvara dovoljno toplinskog naprezanja da stvori klizne dislokacije i iskrivljenje. Ovi učinci donose gubitak prinosa zbog nepropusnih spojeva, dielektričnih nedostataka i smanjenog vijeka trajanja, kao i smanjeni fotolitografski prinosi uslijed degradacije ravnosti oblatne. Gubitak geometrijske ravnine zbog iskrivljenja može biti toliko ozbiljan da se oblatne ne obrađuju dalje. Zbog toga su se CZ silicijeve pločice mnogo više koristile u proizvodnji IC uređaja od FZ pločica. Ova razlika u mehaničkoj stabilnosti protiv toplinskih naprezanja dominantan je razlog zašto se CZ kristali silicija koriste isključivo za proizvodnju IC-a koji zahtijevaju velik broj koraka toplinskog procesa.

Kako bi se prevladali ovi nedostaci FZ silicija, rastom kristala FZ silicija s doping nečistoćama poput kisika [13.15] i dušik [13.16] je pokušan. Utvrđeno je da dopiranje FZ kristala silicija kisikom ili dušikom u koncentracijama $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ ili $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ , odnosno rezultira značajnim povećanjem mehaničke čvrstoće.

13.3.2Czochralski metoda

Opće napomene

Ova je metoda dobila ime po J. Czochralskom, koji je uspostavio tehniku za određivanje brzina kristalizacije metala [13.17]. Međutim, stvarnu metodu izvlačenja koja se široko primjenjuje za rast monokristala razvio jeTealiMalo[13.18], koji je izmijenio osnovno načelo Czochralskog. Oni su prvi koji su uspješno uzgojili monokristale germanija, duljine 8 inča i promjera 0,75 inča, 1950. godine. Potom su dizajnirali još jedan aparat za rast silicija na višim temperaturama. Iako se osnovni postupak proizvodnje monokristalnog silicija malo promijenio otkako su ga Teal i suradnici pionirali, silicijski monokristali velikog promjera (do 400 mm) visokog stupnja savršenstva koji zadovoljavaju vrhunski uređaj zahtjevi su povećani uključivanjem tehnike Dash i uzastopnim tehnološkim inovacijama u aparat.

Današnji napori istraživanja i razvoja u vezi s kristalima silicija usmjereni su ka postizanju mikroskopske ujednačenosti svojstava kristala kao što su otpornost i koncentracije nečistoća i mikrodefekata, kao i njihove mikroskopske kontrole, o čemu će se raspravljati drugdje u ovom priručniku.

Okvir postupka

Tri najvažnija koraka u rastu CZ kristala shematski su prikazana na sl.13.3b. U principu, postupak rasta CZ sličan je procesu rasta FZ: (1) topljenje polisilicija, (2) sijanje i (3) rast. Međutim, postupak povlačenja CZ složeniji je od postupka rasta FZ, a od njega se razlikuje upotrebom akvartnog lonca za zadržavanje rastaljenog silicija. Lik13.6prikazuje ashematični prikaz tipične moderne opreme za rast CZ kristala. Važni koraci u stvarnom ili standardnom slijedu rasta kristala silicija CZ su sljedeći:

1.
Komadi polisilicija ili zrna stavljaju se u akvarski lončić i tope na temperaturama višim od točke taljenja silicija (1420∘C) u inertnom ambijentalnom plinu.
2.
Talina se neko vrijeme drži na visokoj temperaturi kako bi se osiguralo potpuno topljenje i izbacivanje sitnih mjehurića koji mogu uzrokovati praznine ili negativne kristalne nedostatke iz taline.
3.
Kristal sjemenki željene orijentacije kristala umače se u talinu dok se sam ne počne topiti. Zatim se sjeme izvlači iz taline tako da se oblikuje vrat postupnim smanjivanjem promjera; ovo je najdelikatniji korak. Tijekom cijelog procesa rasta kristala inertni plin (obično argon) struji prema dolje kroz povlačnu komoru kako bi odnio produkte reakcije poput SiO i CO.
4.
Postupnim povećanjem promjera kristala raste konusni dio i rame. Promjer se povećava do ciljanog promjera smanjenjem brzine izvlačenja i ∕ ili temperature topljenja.
5.
Konačno, cilindrični dio tijela s konstantnim promjerom raste uz kontrolu brzine izvlačenja i temperature topljenja, dok se kompenzira pad razine taline kako kristal raste. Brzina izvlačenja općenito se smanjuje prema zadnjem kraju kristala koji raste, uglavnom zbog povećanja toplinskog zračenja iz stijenke lonca s padom razine taline i izlaganja više stijenke lonca rastućem kristalu. Pred kraj procesa rasta, ali prije nego što se lončić potpuno isprazni rastopljenog silicija, promjer kristala mora se postupno smanjivati kako bi se stvorio krajnji konus kako bi se smanjio toplinski udar, koji može uzrokovati klizanje dislokacije na kraju repa. Kad promjer postane dovoljno malen, kristal se može odvojiti od taline bez stvaranja dislokacija.

Lik13.7prikazuje dio sjemena uzgojenog CZ kristala silicija. Iako je sjeme-kukuruz, koje je prijelazno područje iz sjemena u cilindrični dio, iz ekonomskih razloga obično oblikovano prilično ravnim, sa stajališta kvalitete akristala mogao bi biti poželjniji suženiji oblik. Rameni dio i njegova okolina ne bi se trebali koristiti za izradu uređaja, jer se ovaj dio u mnogim osjetilima smatra prijelaznim područjem i pokazuje nehomogene karakteristike kristala zbog nagle promjene u uvjetima rasta.

Fig. 13.6 — Slika 13.6
Shematski prikaz tipičnog sustava uzgoja kristala silicija Czochralski. (Nakon[13.1])

Fig. 13.7 — Slika 13.7
Sjemenski dio uzgojenog kristala silicija Czochralski

Lik13.8prikazuje ekstra veliki uzgojeni CZ silicijev kristalni klip promjera 400 mm i duljine 1800 mm uzgojen u korporaciji Super Silicon Crystal Research Institute u Japanu [13.3].

Fig. 13.8 — Slika 13.8
Izuzetno velik kao uzgojeni Czochralski silicijev ingot promjera 400 mm i duljine 1800 mm. (Uz dopuštenje Super Silicon Crystal Research Institute Corporation, Japan)

Utjecaj prostornog položaja inaGrownCrystal

Kao što je sl.13.9jasno prikazuje, svaki dio kristala aCZ uzgaja se u različito vrijeme s različitim uvjetima rasta [13.19]. Stoga je važno shvatiti da svaki dio ima različit skup karakteristika kristala i različitu toplinsku povijest zbog svog različitog položaja duž duljine kristala. Na primjer, dio sjemena ima istodobnu toplinsku povijest, koja se kreće od točke taljenja od 1420 do oko 400∘C u Apulleru, dok zadnji dio ima prošlost i prilično se brzo hladi od točke taljenja. U konačnici, svaka silicijska oblatna pripremljena od različitog dijela obrašćenog kristala mogla bi pokazivati različite fizičko-kemijske karakteristike ovisno o svom položaju u kalupu. Zapravo je zabilježeno da ponašanje oborina kisika pokazuje najveću ovisnost o položaju, što, pak, utječe na stvaranje rasutih nedostataka [13.20].

Fig. 13.9 — Slika 13.9
Toplinsko okruženje tijekom rasta kristala Czochralski u početnoj i završnoj fazi.Strelicenaznačite približne smjerove protoka topline. (Nakon[13.19])

Također, anonuiformna raspodjela i kristalnih defekata i nečistoća javlja se u poprečnom presjeku napuhane pločice pripremljene od aCZ kristalne silicijeve taline koja je kristalizirala ili učvrstila sukcesivno na granici kristal-talina, koja je obično zakrivljena u procesu rasta CZ kristala. Takve se nehomogenosti mogu uočiti kaopruge, o kojima će biti riječi kasnije.

13.3.3Nečistoće u silicijumu Czochralski

Svojstva silicijskih poluvodiča koji se koriste u elektroničkim uređajima vrlo su osjetljivi na nečistoće. Zbog ove osjetljivosti, električna ∕ elektronička svojstva silicija mogu se precizno kontrolirati dodavanjem male količine aditiva. Uz ovu osjetljivost na dopant, onečišćenje nečistoćama (posebno prijelaznim metalima) negativno utječe na svojstva silicija i rezultira ozbiljnom pogoršanjem performansi uređaja. Štoviše, kisik se ugrađuje u razinama od desetaka atoma na milijun u CZ kristale silicija zbog reakcije između silicijske taline i kvarcnog lonca. Bez obzira na količinu kisika u kristalu, na karakteristike kristala silicija uvelike utječu koncentracija i ponašanje kisika [13.21]. Uz to, ugljen se također ugrađuje u CZ kristale silicija bilo iz polisilicijskih sirovina ili tijekom procesa rasta, zbog dijelova grafita koji se koriste u CZ vučnoj opremi. Iako je koncentracija ugljika u komercijalnim CZ kristalima silicija obično manja od 0,1 ppma, ugljik je nečistoća koja uvelike utječe na ponašanje kisika [13.22,13.23]. Također, kristali silicija CZ dopirani dušikom [13.24,13.25] nedavno su privukli veliku pažnju zbog svoje visoke mikroskopske kvalitete kristala, koji mogu ispuniti zahtjeve za najsuvremenije elektroničke uređaje [13.26,13.27].

Nečistoća nečistoća

Tijekom kristalizacije iz taline, razne nečistoće (uključujući dodavače) sadržane u talini ugrađuju se u rastući kristal. Koncentracija nečistoće u čvrstoj fazi općenito se razlikuje od koncentracije u tekućoj fazi zbog pojave koja je poznata kaosegregacija.

Segregacija

Ravnotežno segregacijsko ponašanje povezano s skrućivanjem višekomponentnih sustava može se odrediti iz odgovarajućeg faznog dijagrama abinarnog sustava sotopljeni(nečistoća) i aotapalo(materijal domaćin) kao komponente.

Odnos topljivosti nečistoće Ain čvrsti silicij [CA]sonom u tekućem siliciju [CA]L

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

(13.6) naziva sekoeficijent segregacije ravnoteže. Topljivost u nečistoći u tekućem siliciju uvijek je veća od one u čvrstom siliciju; to je,k0& lt; 1. Ravnotežni koeficijent segregacijek0primjenjiv je samo za skrućivanje pri zanemarivo sporim stopama rasta. Za konačne ili veće brzine skrućivanja, atomi nečistoće sak0& lt; 1, odbijajuća krutina odbija većom brzinom nego što može difundirati u talinu. U procesu rasta kristala CZ, segregacija se odvija na početku skrućivanja na sučelju agivenog sjemena i taline, a odbačeni atomi nečistoće počinju se nakupljati u sloju taline u blizini površine rasta i difundiraju u smjeru glavnine taline. U ovoj situaciji, anefektivni koeficijent segregacijekeffmože se definirati u bilo kojem trenutku tijekom rasta CZ kristala, a koncentracija nečistoće [C]su aCZ kristal se može dobiti pomoću

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

(13.7) gdje [C0] je početna koncentracija nečistoće u talini igje frakcija skrutnuta.

Slijedom toga, jasno je da su amakroskopske uzdužne promjene u razini nečistoće, koje uzrokuju promjenjivost otpornosti zbog promjene koncentracije dodataka, svojstvene procesu rasta šarže CZ; to je zbog pojave segregacije. Štoviše, na uzdužnu raspodjelu nečistoća utječu promjene veličine i prirode konvekcije taline koje nastaju smanjenjem omjera taline tijekom rasta kristala.

Striations

U većini procesa rasta kristala postoje prijelazni parametri kao što su trenutna mikroskopska brzina rasta i debljina difuzijskog graničnog sloja što rezultira varijacijama u efektivnom koeficijentu segregacijekeff. Te varijacije dovode do mikroskopskih kompozicijskih nehomogenosti u oblikuprugeparalelno s granicom kristal-talina. Prugice se mogu lako razgraničiti s nekoliko tehnika, poput preferencijalnog kemijskog nagrizanja i rendgenske topografije. Lik13.10prikazuje pruge otkrivene kemijskim nagrizanjem u dijelu ramena uzdužnog presjeka kristala silicija aCZ. Jasno se uočava i postupna promjena oblika sučelja za rast.

Fig. 13.10 — Slika 13.10
Strategija rasta, otkrivena kemijskim nagrizanjem, u plemenu silicija Czochralski

Pruge su fizički uzrokovane odvajanjem nečistoća i također točkastih nedostataka; međutim, pruge su praktički uzrokovane temperaturnim fluktuacijama u blizini kristal-taline, uzrokovane nestabilnom toplinskom konvekcijom u talini i rotacijom kristala u asimetričnom toplinskom okruženju. Uz to, mehaničke vibracije zbog loših mehanizama upravljanja povlačenjem u opremi za rast također mogu uzrokovati temperaturne fluktuacije.

Lik13.11shematski ilustrira poprečni presjek kristala uzgojenog u CZ koji sadrži zaobljenu površinu kristal-talina, što rezultira nehomogenostima na površini aslice. Kako je svaka ravninska oblatna narezana, sadrži različite dijelove nekoliko zakrivljenih pruga. Drugačijifonografski prstenovi, odnosi se kaovrtlog, tada se mogu pojaviti u svakoj oblatni, što se može promatrati na oblatni pomoću gore spomenutih tehnika.

Fig. 13.11 — Slika 13.11
Shematska ilustracija presjeka kristala Czochralski koji sadrži zaokruženo sučelje kristal-rastop i ravninske oblatne narezane na različite dijelove. (Nakon[13.1])

Doping

Da bi se dobio željeni otpor, određenoj količini dopanata (bilo donorni ili akceptorski atomi) dodaje se u azil-otopinu u skladu s omjerom otpor-koncentracija. Uobičajena je praksa dodavanje dodavača u obliku visoko dopiranih čestica silicija ili komadića otpora otprilike 0,01 Ω cm, koji se nazivaju učvršćivačem za dodavanje, budući da je potrebna količina čistog dodatka za upravljanje neupravljivo mala, osim za jako dopirane silicijske materijale (n+ili str+silicij).

Kriteriji za odabir sredstva za primjenu asemičkog vodiča su sljedeća svojstva:

1.
Prikladne razine energije
2.
Visoka topljivost
3.
Prikladna ili niska difuzivnost
4.
Niski tlak pare.

Visoka difuznost ili visoki tlak pare dovodi do neželjene difuzije ili isparavanja dopantera, što rezultira nestabilnim radom uređaja i poteškoćama u postizanju precizne kontrole otpora. Premala topljivost ograničava otpor koji se može dobiti. Uz te kriterije, moraju se uzeti u obzir i kemijska svojstva (na primjer toksičnost). Dalje razmatranje sa stajališta rasta kristala je da dodatak ima koeficijent segregacije koji je blizu jedinici kako bi se otpor učinio što je moguće ujednačenijem od sjemenskog do stražnjeg dijela CZ kristalnog ingota. Stoga su fosfor (P) i bor (B) najčešće korišteni donatorski i akceptorski dodavači za silicij. Za n+silicija, u kojem su donatorski atomi jako dopirani, umjesto fosfora obično se koristi antimon (Sb) zbog njegove manje difuznosti, usprkos malom koeficijentu segregacije i visokom tlaku pare, što dovodi do velikih varijacija u koncentraciji i u aksijalnom i u aksijalnom radijalni smjerovi.

Kisik i ugljik

Kao što je shematski prikazano na sl.13.3bend13.6, akvart (SiO2) grijaći elementi za lonče i grafit koriste se u metodi rasta kristala CZ-Si. Površina lonca koji kontaktira talinu silicija postupno se otapa zbog reakcije

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

(13.8) Ova reakcija obogaćuje talinu silicija kisikom. Većina atoma kisika isparava s površine taline u obliku hlapljivog silicijevog mono-oksida (SiO), ali neki od njih ugrađuju se u kristal asilicija preko sučelja kristal-talina. Međutim, ugljik u kristalima silicijevog dioksida CZ potječe uglavnom iz polikristalnog polaznog materijala materijal. Razine ugljika u rasponu od 0,1 do 1 ppma, ovisno o proizvođaču, nalaze se u polisiliciju. Pretpostavlja se da su izvori ugljika u polisiliciju uglavnom nečistoće koje sadrže ugljik i koje se nalaze u triklorosilanu i koriste se u proizvodnji polisilicija. Dijelovi grafita u CZ vučnoj opremi također mogu pridonijeti onečišćenju ugljikom reakcijom s kisikom, koji je uvijek prisutan tijekom rasta okoline. Dobiveni proizvodi CO i CO2otapaju se u silicijskoj talini i uzimaju u obzir nečistoće ugljika u kristalima silicija. Prema tome, kisik i ugljik su dvije glavne netopne nečistoće koje su ugrađene u CZ kristale silicija na način shematski prikazan na sl.13.12. Ponašanje ovih nečistoća u siliciju, koje utječu na broj svojstava CZ silicijskih kristala, predmet je intenzivnog proučavanja od kasnih 1950-ih [13.21].

Fig. 13.12 — Slika 13.12
Uključivanje kisika i ugljika u silicijev kristal Czochralski. (Nakon[13.1])

13.4Nove metode rasta kristala

Kristali silicija koji se koriste za proizvodnju mikroelektronskih uređaja moraju udovoljavati raznim zahtjevima koje postavljaju proizvođači uređaja. Pored zahtjeva za silicijoblatne, sljedeći kristalografski zahtjevi postali su češći zahvaljujući proizvodnji mikroelektronskih uređaja visokog prinosa i visokih performansi:

1.
Veliki promjer
2.
Niska ili kontrolirana gustoća kvarova
3.
Ujednačen i nizak gradijent radijalnog otpora
4.
Optimalna početna koncentracija kisika i njegove oborine.

Jasno je da proizvođači silicijskih kristala moraju ne samo udovoljavati gore navedenim zahtjevima, već i proizvoditi te kristale ekonomično i s visokim proizvodnim prinosima. Glavna briga uzgajivača silicijskog kristala su kristalografsko savršenstvo i aksijalna raspodjela dodataka dodavača u CZ siliciju. Kako bi se prevladali neki problemi s konvencionalnom metodom rasta kristala CZ, razvijeno je nekoliko novih metoda rasta kristala.

13.4.1Czochralski rast pomoću Primijenjenog magnetskog polja (MCZ)

Protok konvekcije taline u loncu snažno utječe na kvalitetu kristala CZ silicija. Nepovoljne pruge rasta posebno su uzrokovane nestalnom konvekcijom taline što rezultira temperaturnim fluktuacijama na površini rasta. Sposobnost magnetskog polja da inhibira toplinsku konvekciju u električno provodljivoj tekućini prvi je put primijenjena na rast kristala indij-ovog antimonida pomoću tehnike vodoravnog broda [13.28] i tehnika topljenja vodoravne zone [13.29]. Kroz ova ispitivanja potvrđeno je da magnetsko polje dovoljne jakosti može suzbiti temperaturne fluktuacije koje prate konvekciju taline i može dramatično smanjiti pojave rasta.

Učinak magnetskog polja na pojase rasta objašnjava se njegovom sposobnošću da smanji turbulentnu toplinsku konvekciju taline i zauzvrat smanji temperaturne fluktuacije na granici kristal-talina. Prigušivanje protoka fluida uzrokovano magnetskim poljem posljedica je inducirane magnetomotorne sile kada je protok pravokutan na magnetske tokove, što rezultira povećanjem efektivne kinematičke viskoznosti provodne taline.

Rast kristala silicija magnetskim poljem primijenjenom CZ (MCZ) metodom prvi je put zabilježen 1980. godine [13.30]. Izvorno je MCZ bio namijenjen rastu CZ kristala silicija koji sadrže niske koncentracije kisika i stoga imaju veliku otpornost s malim radijalnim varijacijama. Drugim riječima, očekivalo se da će MCZ silicij zamijeniti FZ silicij koji se gotovo isključivo koristi za proizvodnju pogonskih uređaja. Od tada su razvijene različite konfiguracije magnetskog polja, u smislu smjera magnetskog polja (vodoravnog ili okomitog) i vrste korištenih magneta (normalni vodljivi ili supravodljivi) [13.31]. MCZ silicij proizveden u širokom rasponu željenih koncentracija kisika (od niskih do visokih) bio je od velikog interesa za različite primjene uređaja. Vrijednost MCZ silicija leži u visokoj kvaliteti i sposobnosti upravljanja koncentracijom kisika u širokom rasponu, što se ne može postići konvencionalnom CZ metodom [13.32], kao i njegov pojačani stupanj rasta [13.33].

Što se tiče kvalitete kristala, nema sumnje da MCZ metoda daje kristale silicija najpovoljnije za industriju poluvodičkih uređaja. Troškovi proizvodnje silicija MCZ mogu biti veći od troškova konvencionalnog silicija CZ jer MCZ metoda troši više električne energije i zahtijeva dodatnu opremu i radni prostor za elektromagnete; međutim, uzimajući u obzir veću brzinu rasta MCZ i kada se koriste supravodljivi magneti kojima je potreban manji prostor i troše manje električne energije u usporedbi s vodljivim magnetima, proizvodni trošak kristala silicija MCZ može postati usporediv s onim kod konvencionalnih CZ kristala silicija. Uz to, poboljšana kvaliteta kristala silicija MCZ može povećati prinose proizvodnje i smanjiti proizvodne troškove.

13.4.2Kontinuirana metoda Czochralskog (CCZ)

Troškovi proizvodnje kristala u velikoj mjeri ovise o troškovima materijala, posebno o troškovima onih koji se koriste za kvarcne tigle. U uobičajenom CZ procesu, nazvanom ašaržni postupak, akristal se izvlači iz jednokratnog naboja za lonče, a kvarcni se lončić koristi samo jednom, a zatim odbacuje. To je zato što mala količina preostalog silicija puca u loncu dok se hladi od visoke temperature tijekom svakog rasta.

Jedna od strategija ekonomičnog nadopunjavanja vodenog lonca talinom talinom je kontinuirano dodavanje hrane dok kristal raste, a time i održavanje taline na suglasnom volumenu. Uz uštedu troškova lonca, metoda kontinuiranog punjenja Czochralski (CCZ) pruža idealno okruženje za rast kristala silicija. Kao što je već spomenuto, mnoge nehomogenosti u kristalima uzgojenim uobičajenim CZ šaržnim postupkom neizravni su rezultat nestalne kinetike koja proizlazi iz promjene volumena taline tijekom rasta kristala. CCZ metoda ima za cilj ne samo smanjenje proizvodnih troškova već i uzgoj kristala u stalnim uvjetima. Održavanjem volumena rastopine na suglasnoj razini mogu se postići stalni uvjeti topline i protoka rastopine (vidi sl.13.9, koja pokazuje promjenu toplinskog okruženja tijekom konvencionalnog rasta CZ).

Neprekidno punjenje obično se izvodi dodavanjem polisilicija, kao što je prikazano na sl.13.13[13.34]. Ovaj se sustav sastoji od sjekire za skladištenje polisilicijske sirovine i avibracijskog hranilica koji prenosi polisilicij u lončić. U loncu koji sadrži silicijsku talinu potrebna je akvartna pregrada kako bi se spriječilo turbulantiranje taline uzrokovano uvlačenjem čvrstog materijala oko površine rasta. Slobodno tekuće polisilicijeve granule, poput prethodno spomenutih, očito su korisne za CCZ metodu.

Fig. 13.13 — Slika 13.13
Shematski prikaz metode Czochralskog s kontinuiranim punjenjem. (Nakon[13.34])

CCZ metoda sigurno rješava većinu problema povezanih s nehomogenostima u kristalima uzgojenim konvencionalnom CZ metodom. Štoviše, kombinacija MCZ i CCZ (kontinuirano CZ primijenjeno na magnetsko polje (MCCZ)) očekuje se da će pružiti konačnu metodu rasta kristala, dajući idealne kristale silicija za širok spektar mikroelektronskih primjena [13.1]. Zapravo se koristi za uzgoj visokokvalitetnih kristala silicija namijenjenih mikroelektronskim uređajima [13.35].

Međutim, treba naglasiti da su različite toplinske povijesti različitih dijelova kristala (od sjemena do repnih krajeva, kao što je prikazano na Sl.13.9) mora se uzeti u obzir čak i kad se kristal uzgaja metodom idealnog rasta. Kako bi se homogenizirao uzgojeni kristal ili postigla aksijalna ujednačenost u toplinskoj povijesti, neki oblik naknadne obrade, poput visokotemperaturnog žarenja [13.36], potreban je za kristal.

13.4.3Metoda rasta bez vrata

Kao što je prethodno spomenuto, Dash-ov postupak vrata (koji raste na vratu promjera 3-5 mm, Sl.13.7) je presudan korak tijekom rasta CZ kristala jer eliminira urasle dislokacije. Ova je tehnika industrijski standard više od 40 godina. Međutim, nedavni zahtjevi za velikim promjerom kristala (& gt; 300 mm, težinom preko 300 kg) rezultirali su potrebom za vratovima većeg promjera koji ne unose dislokacije u rastući kristal, jer je tanki vrat promjera 3-5 mm. ne mogu podržati tako velike kristale.

Sjeme velikog promjera koje je obično dugo 170 mm, s minimalnim promjerom> 10 mm i prosječno 12 mm uzgojeno iz silicijeve taline jako dopirane borom (

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

) korišteni su za uzgoj CZ silicijskih kristala promjera 200 mm promjera [13.37,13.38]. Procjenjuje se da grlovi velikog promjera promjera 12 mm mogu CZ poduprijeti kristale teške čak 2000 kg [13.39]. Lik13.14a,bpokazuje silicijev kristal CZ promjera 200 mm promjera bez dislokacije uzgojen bez Dash-ovog postupka vratovljenja, i Sl.13.14a,bb prikazuje svoje uvećano sjeme (usporedi sa sl.13.7). Mehanizam kojim se dislokacije ne ugrađuju u rastući kristal ponajprije se pripisuje učvršćivanju jakog dopiranja bora u siliciju.

Fig. 13.14a,b — Slika 13.14a, b
Czochralski silicijski kristal promjera 200 mm promjera bez dislokacije uzgojen bez Dash-ovog postupka ogrlice. (a)Cijelo tijelo, (b) sjeme i češer. (Uz dopuštenje prof. K. Hoshikawe)

Reference

13.1F. Šimura:Tehnologija poluprovodničkih silicijskih kristala(Academic, New York 1988)Google Scholar
13.2WC crtica: J. Appl. Fiz.29, 736 (1958)CrossRefGoogle Scholar
13.3K.Takada, H.Yamagishi, H.Minami, M.Imai: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1998) str.376Google Scholar
13.4JRMcCormic: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1986) str.43Google Scholar
13.5PA Taylor: Solid State Technol.srpanj, 53 (1987)Google Scholar
13.6WG Pfann: Prijev. Am. Inst. Min. Metall. Inž.194, 747 (1952)Google Scholar
13.7CHTheuerer: američki patent 3060123 (1962)Google Scholar
13,8PH Keck, MJE Golay: Phys. Vlč.89, 1297 (1953)CrossRefGoogle Scholar
13,9 W. Keller, A. Mühlbauer:Silicij s plutajućom zonom(Marcel Dekker, New York 1981.)Google Scholar
13.10JM Meese:Doping neutron-transmutacije u poluvodičima(Plenum, New York 1979)CrossRefGoogle Scholar
13.11HMLiaw, CJVarker: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1977) str.116Google Scholar
13.12ELKern, LSYaggy, JABarker: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1977) str.52Google Scholar
13.13SM Hu: predstavka br. Fiz. Lett.31, 53 (1977)CrossRefGoogle Scholar
13,14K. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Fiz.19, L49 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13,15 tisuća. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Appl. Fiz.19, L763 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.16T.Abe, K.Kikuchi, S.Shirai: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1981) str.54Google Scholar
13.17J. Czochralski: Z. Phys. Chem.92, 219 (1918)Google Scholar
13,18GK Teal, JB Little: Phys. Vlč.78, 647 (1950)Google Scholar
13,19 W. Zulehner, D. Huber: U:Kristali 8: Silicij, kemijsko jetkanje(Springer, Berlin, Heidelberg 1982) str. 1Google Scholar
13,20 sati. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Electrochem. Soc.129, 374 (1982)CrossRefGoogle Scholar
13,21F. Šimura (ur.):Kisik u siliciju(Academic, New York 1994)Google Scholar
13,22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Appl. Fiz. Lett.35, 213 (1979)CrossRefGoogle Scholar
13,23F. Shimura: J. Appl. Fiz.59, 3251 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: VLSI znanstvena tehnologija, Proc. 2. Int. Simp. Vrlo velika cjelina. (Elektrokemijsko društvo, Pennington 1984.) str. 208Google Scholar
13,25F. Shimura, RS Hocket: Predstavka br. Fiz. Lett.48, 224 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.26A.Huber, M.Kapser, J.Grabmeier, U.Lambert, WvAmmon, R.Pech: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 2002) str. 280Google Scholar
13.27GARozgonyi: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 2002) str.149Google Scholar
13,28 HP Utech, MC Flemings: J. Appl. Fiz.37, 2021 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.29HA Chedzey, DT Hurtle: Priroda210, 933 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isawa: van. Sažetak Elektrokemija. Soc. 157. susret. (The Electrochemical Society, Pennington 1980) str.811Google Scholar
13.31 M.Ohwa, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1986) str.117Google Scholar
13.32M.Futagami, K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki, Y.Okubo, Y.Kato, Y.Okamoto: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1986) str.939Google Scholar
13.33T.Suzuki, N.Isawa, K.Hoshi, Y.Kato, Y.Okubo: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1986) str.142Google Scholar
13,34 W. Zulehner: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1990) str.30Google Scholar
13.35 Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1994) str.180Google Scholar
13,36F. Šimura: U:VLSI znanost i tehnologija(Elektrokemijsko društvo, Pennington 1982) str. 17Google Scholar
13.37S.Chandrasekhar, KMKim: U:Poluvodički silicij(The Electrochemical Society, Pennington 1998) str.411Google Scholar
13,38 tis. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Appl. Fiz.38, L1369 (1999)CrossRefGoogle Scholar
13,39 km Kim, P. Smetana: J. Cryst. Rast100, 527 (1989)CrossRefGoogle Scholar

13.1Pregled

13.2Polazni materijali

13.2.1Metalurški razred silicija

13.2.2Polikristalni silicij

Intermedijarni kemijski spojevi

Hidrokloriranje silicija

Destilacija i razgradnja triklorosilana

Monosilanski postupak

Granulirano taloženje polisilicija

13.3Monokristalni rast

13.3.1Metoda plutajuće zone

Opće napomene

Okvir postupka

Doping

Svojstva kristala silicija FZ

13.3.2Czochralski metoda

Opće napomene

Okvir postupka

Utjecaj prostornog položaja inaGrownCrystal

13.3.3Nečistoće u silicijumu Czochralski

Nečistoća nečistoća

Segregacija

Striations

Doping

Kisik i ugljik

13.4Nove metode rasta kristala

13.4.1Czochralski rast pomoću Primijenjenog magnetskog polja (MCZ)

13.4.2Kontinuirana metoda Czochralskog (CCZ)

13.4.3Metoda rasta bez vrata

Reference

Prateće industrije

Pošaljite upit