Получение монокристаллического кремния
Методом бестигельной зонной плавки
В методе бестигельной зонной плавки исключен контакт расплава кремния с тиглем, что позволяет получать монокристаллические слитки значительно более чистые, чем выращенные методом Чохральского. Схема установки, в которой реализован метод бестигельной зонной плавки, представлена на рис. 2.2. Цифрами на рисунке обозначены: 1 – исходный поликристаллический слиток кремний; 2 – зона расплава; 3 – монокристаллический кремний; 4 – кристалл-затравка; 5 – держатель слитка.
Суть метода заключается в следующем. Отливка в форме стержня из поликристаллического кремния прикрепляется одним концом к затравочному кристаллу с нужной кристаллографической ориентацией. Область контакта стержня с кристаллом-затравкой разогревается до плавления с помощью СВЧ-индуктора или электронным лучом, после чего узкая зона расплава перемещается по стержню к противоположному концу, оставляя за собой монокристаллический кремний. Вследствие явления сегрегации примеси вместе с зоной расплава перемещается и значительная доля примесных атомов. Перемещая зону расплава по всему слитку несколько раз, можно добиться того, что большая часть примесных атомов будет скапливаться вблизи торцов слитка. Эти области отрезаются и в результате получается монокристаллический слиток с малым содержанием примесных атомов.
Метод не свободен от недостатков. В частности, в нем может быть значительной концентрация дислокаций, поскольку вокруг расплавленной зоны возникают механические напряжения. Есть проблемы выращивания слитков большого диаметра. Удельное сопротивление слитков кремния, выращенных методом Чохральского, редко превышает величину 25 Ом×см вследствие загрязнения слитка неконтролируемыми примесными атомами (в первую очередь кислородом). Удельное сопротивление кристаллов, выращенных методом бестигельной зонной плавки, может изменяться в широких пределах, достигая величины 200 Ом×см. При выращивании в вакууме можно получить кристаллы с очень высоким удельным сопротивлением - до 30 000 Ом×см.
Контрольные вопросы
1. Почему кремний является базовым материалом для полупроводниковых ИС?
2. Как получают поликристаллический кремний?
3. Как выращивают монокристаллический кремний методом Чохральского?
4. Что такое явление сегрегации примесей?
5. В чем суть метода бестигельной зонной плавки?
3. Физико-химические основы технологии
полупроводниковых интегральных микросхем
3.1. Эпитаксиальные процессы в технологии
полупроводниковых интегральных микросхем
Классификация эпитаксиальных процессов. Круг решаемых задач
Под эпитаксией понимают процесс ориентированного выращивания монокристаллического слоя на поверхности монокристаллической подложки. В процессе эпитаксиального выращивания образующаяся фаза закономерно продолжает кристаллическую решетку подложки с образованием переходного эпитаксиального слоя. Переходный слой способствует когерентному срастанию двух решеток по плоскостям и направлениям со сходной плотностью упаковки атомов, через него передается основная информация о кристаллической структуре подложки в эпитаксиальный слой.
В современной технологии процессы эпитаксии занимают одно из ведущих мест в производстве полупроводниковых интегральных микросхем и большинства типов дискретных полупроводниковых приборов. Эпитаксиальные слои в настоящее время могут быть получены в структурном отношении более совершенными, чем объемные монокристаллы. Они обладают практически идеальной однородностью распределения легирующих примесей. Содержание неконтролируемых примесей в них значительно ниже, чем в монокристаллах, полученных методом Чохральского или бестигельной зонной плавкой.
По природе взаимодействия «подложка – растущая кристаллическая фаза» различают три вида эпитаксиальных процессов: гомоэпитаксия (автоэпитаксия), гетероэпитаксия и хемоэпитаксия. Гомоэпитаксия – это процесс выращивания монокристаллического слоя вещества, однотипного по структуре с подложкой и отличающегося от нее только содержанием легирующих примесей. Гетероэпитаксия – это процесс выращивания монокристаллического слоя вещества, отличающегося по химическому составу от вещества подложки, но близкому ему по кристаллографической структуре. Хемоэпитаксия – это процесс выращивания монокристаллического слоя вещества, в результате которого образование новой фазы происходит при химическом взаимодействии вещества подложки с веществом, поступающим из внешней среды. Полученный хемоэпитаксиальный слой отличается по составу как от вещества подложки, так и от вещества, поступающего на ее поверхность извне.
Эпитаксиальные процессы в технологии электронных средств предназначены для решения различных задач. Одним из важнейших применений эпитаксии является процесс формирования скрытого слоя в полупроводниковых интегральных микросхемах (см. рис. 1.5). Наличие скрытого слоя позволяет повысить быстродействие биполярных транзисторов и всей микросхемы в целом. Создать сильнолегированный скрытый слой, расположенный на достаточно большой глубине кремниевой пластины, не прибегая к эпитаксиальному процессу, невозможно.
Изменяя концентрацию легирующей примеси в эпитаксиальном слое, можно получать слои с любым отличным от подложки уровнем легирования. Это позволяет получать высокоомные слои на низкоомной подложке или создавать резкие р-п-переходы, не прибегая, например, к твердофазной диффузии. Возможно также непрерывное изменение степени легирования эпитаксиального слоя в процессе его выращивания, что приводит к постепенному изменению уровня легирования по толщине слоя. Этот метод используется, в частности, в производстве полупроводниковых солнечных батарей с улучшенными рабочими характеристиками.
Важная область применения операции эпитаксии связана с изготовлением так называемых структур КНД («кремний на диэлектрике»). В этом случае на монокристаллической подложке, в качестве которой используют сапфир, шпинель, оксид кремния или оксид бериллия, наращивают тонкий слой монокристаллического кремния (толщиной примерно 0,5 мкм). С помощью фотолитографии в слое формируются изолированные друг от друга «островки» кремния, в которых с помощью ионного легирования создаются полевые транзисторы и другие элементы ИМС. Поскольку в таких структурах используется изолирующая подложка, то электрическая емкость элементов невелика, что способствует снижению потребления энергии и повышению быстродействия. Кроме этого, полученные таким способом микросхемы обладают малыми токами утечки, радиационной стойкостью и высокой степенью интеграции. Наибольшее распространение получили структуры КНС («кремний на сапфире»). При наращивании слоев кремния на подложке из SiO2 получаются, как правило, аморфные слои, но последующая их рекристаллизация посредством обработки поверхности лазерным или электронным лучом позволяет получать монокристаллический эпитаксиальный слой хорошего качества.
С помощью гетероэпитаксии можно создавать гетерогеные электронно-дырочные переходы (гетеропереходы), широко применяемые в оптоэлектронике. Гетеропереход образуется в результате контакта двух полупроводников со схожими кристаллическими решетками, но отличающимися шириной запрещенной зоны. Чаще всего для решения таких задач используют полупроводниковые соединения группы А3В5 или А2В6, а также твердые растворы на их основе. Наиболее широкое применение гетеропереходы нашли при создании таких изделий, как светодиоды, полупроводниковые лазеры и так далее.
В зависимости от агрегатного состояния вещества, из которого на подложке формируется эпитаксиальный слой, различают парофазную, жидкофазную, твердофазную и газофазную эпитаксию, а также молекулярно-лучевую эпитаксию.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 815; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!