Bir kristalli kremniy: o'sish va xususiyatlari - bilim

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

CZ MCZ Single crystal

Bir muncha vaqtgacha yarimo'tkazgich sanoatida hukmron bo'lgan va shunday bo'lib qoladigan silikon [13.1] bizni ultra keng ko'lamli integratsiya (ULSI) va tizim-ona-chip (SOC) davriga olib boradi.

Elektron qurilmalar yanada takomillashganligi sababli, qurilmalarning ishlashi ularni qurish uchun ishlatiladigan materiallarning sifati va xususiyatlariga nisbatan sezgir bo'lib qoldi.

Germanium (Ge) dastlab qattiq elektron elektron qurilmalar uchun ozo'tkazgich material sifatida ishlatilgan. Shu bilan birga, Ge ning tor bandgapi (0,66 eV) germaniyga asoslangan qurilmalarning ishlashini taxminan 90 haroratgacha cheklaydi.∘C yuqori haroratlarda kuzatilgan oqish oqimlari tufayli. Boshqa tomondan, kremniyning (1,12 eV) kengligi, qadar ishlashga qodir bo'lgan elektron qurilmalarni keltirib chiqaradi. $\approx 200^{\circ} C$ . Shu bilan birga, tor bantdan ko'ra jiddiy muammolar mavjud: germaniy sirtda passivatsiya qatlamini osonlikcha ta'minlamaydi. Masalan, germaniy dioksidi (GeO)2) suvda eriydi va taxminan 800 ga ajraladi∘Silikon, germaniydan farqli o'laroq, silikon dioksid (SiO) hosil qilib, sirt passivatsiyasini osongina joylashtiradi.2), bu asosiy qurilmani yuqori darajada himoya qiladi. Ushbu barqaror SiO2qatlam, kremniyning germaniyga nisbatan aniq ustunligini keltirib chiqaradi, bu elektron qurilmalarni tayyorlash uchun ishlatiladigan asosiy yarimo'tkazgich materialidir. Ushbu afzallik yangi texnologiyalarning, shu jumladan diffuzion doping va murakkab naqshlarni aniqlash jarayonlarini keltirib chiqardi. Kremniyning boshqa afzalliklari shundaki, u butunlay toksik emas va kremniy (SiO)2), kremniy olinadigan xom ashyo taxminan 60 ga teng%Yer qobig'ining mineral tarkibidagi Bu shuni anglatadiki, kremniy olinadigan xom ashyo integral mikrosxemaga mo'l-ko'l etkazib berilishi mumkin (TUSHUNARLI) sanoat. Bundan tashqari, elektron silikonni germaniyning o'ndan bir qismidan arzonroq narxda olish mumkin. Bu afzalliklarning barchasi kremniyning yarimo'tkazgich sanoatida germaniyni deyarli to'liq almashtirishiga olib keldi.

Kremniy har bir elektron moslama uchun eng maqbul tanlov bo'lmasa-da, uning afzalliklari shuni anglatadiki, u hali ham yarimo'tkazgich sanoatida bir muncha vaqt hukmronlik qiladi.

13.1Umumiy nuqtai

Yarimo'tkazgichli materiallar ishlab chiqaruvchilari va foydalanuvchilari o'rtasida juda samarali o'zaro aloqalar 1947 yilda nuqtali-kontaktli tranzistor ixtiro qilinganidan beri paydo bo'ldi, chunkimukammal va tozakristallari tanib olindi. Raqobat tez-tez shunday bo'ladiki, yangi qurilmalar talab qiladigan kristall sifatini faqat ushbu yangi qurilmalar bilan qurilgan elektron uskunalar yordamida kristallarning o'sishini boshqarish orqali qondirish mumkin edi. Dislokatsiz kremniy kristallari 1960-yillarda o'sib chiqqanligi sababliDash texnikasi[13.2], yarimo'tkazgichli materiallarni tadqiq etish va rivojlantirish bo'yicha harakatlar materiallarning tozaligi, ishlab chiqarish rentabelligi va qurilmalarni ishlab chiqarish bilan bog'liq muammolarga qaratilgan.

Yarimo'tkazgichli qurilmalar va sxemalar turli xil mexanik, kimyoviy, fizikaviy va issiqlik jarayonlari yordamida tayyorlanadi. Odatda yarimo'tkazgichli silikon tayyorlash jarayonlari uchun quyida keltirilgan diagramma shakl.13.1. Mexanik va kimyoviy jilolangan sirtlari bo'lgan kremniy bir kristalli substratlarni tayyorlash qurilmani tayyorlashning uzoq va murakkab jarayonidagi birinchi qadamdir.

Fig. 13.1 — 13.1-rasm
Odatda yarimo'tkazgichli silikon tayyorlash jarayonlari uchun oqim diagrammasi. (Keyin [13.1])

Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, kremniy Yerdagi eng ko'p tarqalgan ikkinchi element hisoblanadi; 90 dan ortiq%Yer po'stining silika va silikatlardan iborat. Ushbu cheksiz xomashyo ta'minotini hisobga olgan holda, muammo silikonni yarimo'tkazgich texnologiyasi talab qiladigan holatga aylantirishdir. Birinchi va asosiy talab shundan iboratki, elektron qurilmalar uchun ishlatiladigan kremniy nihoyatda toza bo'lishi kerak, chunki juda oz miqdordagi ba'zi aralashmalar kremniyning elektron xususiyatlariga va shu sababli elektron qurilmaning ishlashiga juda ta'sir qiladi. Ikkinchi talab katta diametrli kristallarga taalluqlidir, chunki shaklda ko'rsatilgandek, gofret uchun chip hosildorligi katta diametrlar bilan sezilarli darajada oshadi.13.2DRAM ishi uchun [13.3], eng keng tarqalgan elektron qurilmalardan biri. Tozalik va diametrdan tashqari, ishlab chiqarish qiymati va materialning texnik xususiyatlari, shu jumladan etishtirilgan qusur zichligi va rezistent bir xillik, hozirgi sanoat talablariga javob berishi kerak.

Fig. 13.2 — 13.2-rasm
DRAM ishlab chiqarish vazifasi sifatida gofret uchun chiplar. (Keyin [13.3])

Ushbu bobda kremniyni tayyorlashga nisbatan dolzarb yondashuvlar - xom ashyoni bitta kristalli kremniyga aylantirish (rasmga qarang).13.1) - muhokama qilinadi.

13.2Boshlang'ich materiallar

13.2.1Metallurgiya sinfidagi silikon

Yuqori toza kremniyning yagona kristallari uchun boshlang'ich material kremniy (SiO) dir2). Kremniy ishlab chiqarishdagi birinchi qadam bu kremniyning erishi va kamayishi. Bunga silika va uglerodni ko'mir, koks yoki o'tin chiplari shaklida aralashtirish va aralashmani yuqori haroratgacha qizdirish orqali elektrod yoyi o'chog'ida etkazish orqali erishiladi. Kremniyning karbootermik qisqarishi natijasida birlashtirilgan silikon hosil bo'ladi

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

(13.1) Amppleks reaktsiyalar seriyasi pechda aslida 1500 dan 2000 gacha bo'lgan haroratda sodir bo'ladi∘C. Ushbu jarayon natijasida olingan kremniy parchalari metallurgiya darajasidagi silikon (MG-Si) deb nomlanadi va uning tozaligi taxminan 98-99%.

13.2.2Polikristalli kremniy

Oraliq kimyoviy birikmalar

Keyingi qadam MG-Si ni bir kristalli silikon uchun boshlang'ich material sifatida ishlatiladigan yarimo'tkazgichli silikon (SG-Si) darajasiga qadar tozalashdir. Asosiy tushuncha shundan iboratki, changlangan MG-Si suvsiz HCl bilan reaksiyaga kirishib, oqlangan qatlamli reaktorda har xil xlorosilan birikmalarini hosil qiladi. Keyin silanlar distillash va kimyoviy bug 'cho'ktirish yo'li bilan tozalanadi (CVD) SG-polisilikon hosil qilish uchun.

Monosilan (SiH) kabi oraliq kimyoviy birikmalarning soni ko'rib chiqildi4), kremniy tetraklorid (SiCl4), triklorosilan (SiHCl3) va diklorosilan (SiH2Cl2). Ular orasida triklorosilan quyidagi sabablarga ko'ra keyingi polsililikonni cho'ktirish uchun eng ko'p ishlatiladi:

1.
Suvsiz vodorod xloridning MG-Si bilan reaktsiyasi natijasida juda past haroratlarda (200-400) osonlikcha hosil bo'lishi mumkin.∘C).
2.
Bu xona haroratida suyuq, shuning uchun tozalash standart distillash texnikasi yordamida amalga oshirilishi mumkin.
3.
Uni boshqarish oson va quriganida uglerod po'lat idishlarda saqlanishi mumkin.
4.
Suyuq triklorosilan osongina bug'lanadi va vodorod bilan aralashtirilganda uni temir chiziqlar bilan tashish mumkin.
5.
Uni vodorod ishtirokida atmosfera bosimida kamaytirish mumkin.
6.
Uning cho'kishi isitilgan kremniyda sodir bo'lishi mumkin, natijada paydo bo'lgan kremniyni ifloslantirishi mumkin bo'lgan har qanday begona sirt bilan aloqa qilish zarurati yo'q bo'ladi.
7.
U pastroq haroratda (1000–1200) reaksiyaga kirishadi∘C) va kremniy tetrakloridga nisbatan tezroq.

Kremniyni gidroxlorlash

Triklorosilan MG-Si kukunini 300 atrofida qizdirish orqali sintezlanadi∘Suyuq yotqizilgan reaktorda C. Ya'ni, MG-Si SiHCl ga aylanadi3quyidagi reaktsiyaga muvofiq

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

(13.2) Reaksiya juda ekzotermikdir va shuning uchun triklorosilanning rentabelligini oshirish uchun issiqlikni olib tashlash kerak. MG-Si ni SiHCl ga aylantirish paytida3, Fe, Al va B kabi turli xil aralashmalar ularni galogenidlariga (FeCl) aylantirish orqali yo'q qilinadi3, AlCl3va BCl3va SiCl kabi yon mahsulotlar4va H2ishlab chiqariladi.

Triklorosilanni distillash va parchalanishi

Triklorosilanni tozalash uchun distillash keng qo'llanilgan. Triklorosilan, qaynash harorati yaxshi (31,8.)∘C), nopok galogenidlardan fraksiyonel distillangan bo'lib, tozaligi juda ko'payadi, elektr faol nopoklik konsentratsiyasi 1 ppba dan kam. Keyinchalik yuqori toza triklorosilan bug'lanadi, yuqori toza vodorod bilan suyultiriladi va cho'ktirish reaktoriga kiritiladi. Reaktorda kremniyni grafit elektrodlari qo'llab-quvvatlaydigan ingichka tayoqchalar deb ataladigan ingichka silikon tayoqchalar mavjud

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

(13.3) Ushbu reaksiya bilan bir qatorda, polsililikonni cho'ktirish jarayonida quyidagi reaktsiya ham sodir bo'ladi, natijada kremniy tetraklorid (jarayonning asosiy yon mahsuloti) hosil bo'ladi.

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

(13.4) Ushbu silikon tetraklorid, masalan, yuqori toza kvarts ishlab chiqarish uchun ishlatiladi.

Aytish kerakki, ingichka tayoqlarning tozaligi yotqizilgan kremniy bilan taqqoslanishi kerak. Nozik tayoqchalar taxminan 400 ga qadar isitiladi∘CVD kremniy jarayonining boshlanishida. Ushbu oldindan qizdirish yuqori darajada toza (yuqori qarshilikka ega) nozik tayoqchalarning o'tkazuvchanligini rezistiv isitishga imkon beradigan darajada oshirish uchun talab qilinadi. Taxminan soat 1100 da 200-300 soat davomida depozit∘C natijasida diametri 150-200 mm bo'lgan yuqori toza polsililikon tayoqchalari paydo bo'ladi. Polisilison tayoqchalari keyingi kristalli o'sish jarayonlari uchun har xil shakllarda shakllantirilgan, masalan Czochralski eritmasining o'sishi uchun qismlar va suzuvchi zonalar o'sishi uchun uzun silindrsimon tayoqchalar. Triklorosilanni isitiladigan silikon tayoqchada vodorod yordamida kamaytirish jarayoni 1950 yillarning oxiri va 60-yillarning boshlarida Siemensga berilgan texnologiya patentlari sonida tasvirlangan; shu sababli, bu jarayon ko'pinchaSiemens usuli[13.4].

Siemens usulining katta kamchiliklari uning silikon va xlorni konversiyalash samaradorligi, partiyaning nisbatan kichikligi va yuqori quvvat sarfi. Kremniy va xlorning konversiyalash samaradorligining pastligi, CVD jarayonida yon mahsulot sifatida ishlab chiqarilgan silikon tetrakloridning katta hajmiga bog'liq. Faqat 30 ga yaqin%CVD reaktsiyasida taqdim etilgan kremniyning yuqori tozaligi yuqori kremniyga aylanadi. Bundan tashqari, yuqori toza polil kremniy ishlab chiqarish qiymati yon mahsulot SiCl ning foydaliligiga bog'liq bo'lishi mumkin.4.

Monosilan jarayoni

Monosilan ishlab chiqarish va pirolizga asoslangan apolysilicon ishlab chiqarish texnologiyasi 1960 yillarning oxirida tashkil etilgan. Monosilan energiyani tejashga imkon beradi, chunki u polisilikonni yuqori haroratda yotqizadi va triklorosilan jarayoniga qaraganda toza polisilikon ishlab chiqaradi; ammo monosilanga tejamkor yo'l yo'qligi va cho'kindi pog'onadagi ishlov berish muammolari tufayli u deyarli ishlatilmagan [13.5]. Biroq, so'nggi paytlarda yuqori toza silanga tejamkor iqtisodiy yo'nalishlar ishlab chiqilganligi va katta hajmdagi zavodning muvaffaqiyatli ishlashi bilan ushbu texnologiya yuqori o'tkazuvchanlik kremniyini talab qiladigan yarimo'tkazgichlar sanoatining e'tiborini tortdi.

Hozirgi sanoat monosilan jarayonlarida magniy va MG-Si kukuni 500 ga qadar isitiladi∘Magnezium silitsidini (Mg.) Sintez qilish uchun vodorod atmosferasi ostida S2Ammiak xlorid (NH) bilan reaksiyaga kirishadigan Si)4Cl) suyuq ammiakda (NH)3) 0 ostida∘Monosilan (SiH) hosil qilish uchun C4). Keyinchalik yuqori toza polisilikon 700-800 da rezistiv ravishda qizdirilgan polisilikon iplarida monosilanni pirolizasi orqali ishlab chiqariladi.∘C. Monosilan hosil qilish jarayonida ko'p miqdordagi bor aralashmalari silandan NH bilan kimyoviy reaksiya orqali tozalanadi3. Polisilikonda 0,01-0,02 ppba miqdoridagi aboron miqdori amonosilan jarayoni yordamida erishildi. Ushbu konsentratsiya triklorosilandan tayyorlangan polisilikonda kuzatilganiga nisbatan juda past. Bundan tashqari, hosil bo'lgan polisilikon kimyoviy transport jarayonlari natijasida olingan metallarga nisbatan ozroq ifloslangan, chunki monosilan parchalanishi hech qanday korroziya bilan bog'liq muammolarni keltirib chiqarmaydi.

Granulali polisilikon qatlamlari

Erkin oqadigan granüllü polisilikon ishlab chiqarish uchun monosilanni zanglashtiruvchi qatlamli yotqizish reaktorida parchalanishini ishlatadigan sezilarli darajada boshqacha jarayon ishlab chiqilgan [.13.5]. Kichkina kremniy urug'i zarralari amonosilan-vodorod aralashmasida suyuqlanadi va polisilikon 100-1500 mkm asize taqsimoti bilan o'rtacha 700 mkm diametrli erkin oqadigan sferik zarrachalar hosil qilish uchun yotqiziladi. Suyultirilgan to'shak urug'lari dastlab SG-Si ni aball yoki bolg'a tegirmonida maydalash va mahsulotni kislota, vodorod peroksid va suv bilan yuvish orqali hosil bo'lgan. Ushbu jarayon uzoq vaqt va ko'p xarajatlarni talab qildi va metall silliqlash mashinalari orqali tizimga kiruvchi aralashmalarni kiritishga moyil edi. Shu bilan birga, yangi usulda katta SG-Si zarralari bir-biriga yuqori tezlikdagi gaz oqimi natijasida otilib chiqadi, bu esa ular suyuq qatlam uchun mos o'lchamdagi zarrachalarga aylanib ketishiga olib keladi. Ushbu jarayon chet el materiallarini kiritmaydi va yuvishni talab qilmaydi.

Granüllü polisilikonning sirt maydoni katta bo'lganligi sababli, oqimli qatlamli reaktorlar an'anaviy Siemens tipidagi novda reaktorlariga qaraganda ancha samarali. Suyuq qatlamli polisilikonning sifati odatdagi Siemens usuli bilan ishlab chiqarilgan polisilikonga teng ekanligi isbotlangan. Bundan tashqari, erkin oqadigan shakldagi granulali polisilikon va katta miqdordagi zichlik kristal ishlab chiqaruvchilarga har bir ishlab chiqarishdan maksimal darajada foyda olishlariga imkon beradi. Ya'ni, Czochralskiy kristalining o'sishi jarayonida (quyidagi bo'limga qarang) krujkalar tez va osonlik bilan bir xil yuklarga to'ldirilishi mumkin, ular odatda Siemens usuli bilan ishlab chiqarilgan tasodifiy yig'ilgan polisiliyon bo'laklaridan oshib ketadi. Agar biz texnikaning seriyali ishlashdan uzluksiz tortib olishga o'tish imkoniyatlarini ham ko'rib chiqsak (keyinroq muhokama qilingan bo'lsa), erkin oqadigan polisilikon granulalari auniform yemning asteady holatidagi eritmalarga foydali yo'nalishini ta'minlashi mumkin. Ushbu mahsulot silikon kristalining o'sishi uchun katta va'da beradigan evolyutsiyaviy boshlang'ich material bo'lib ko'rinadi.

13.3Yagona kristalli o'sish

Polisilikonni bitta kremniy kristaliga aylantirish uchun turli xil usullardan foydalanilgan bo'lsa-da, mikroelektronika asbobsozlik sanoatining talablariga javob beradiganligi sababli ularni elektronika uchun ishlab chiqarishda ikkita texnika ustunlik qildi. Ulardan biri odatda azon eritish usuli deb ataladisuzuvchi zona (FZ) usuli, ikkinchisi esa an'anaviy deb nomlangan apulling usuliChexralskiy (CZ) usuli, aslida uniTeal-Little usuli. Ushbu ikki kristall o'sish usulining asoslari shakl.13.3. FZ usulida amolten zonasi yakka kristalli ingotga aylantirish uchun apolysilisimon tayoqchadan o'tkaziladi; CZ usulida akril kristalidagi ameldan tortib yakka kristal o'stiriladi. Ikkala holatda hamurug 'kristalikerakli kristallografik yo'nalishga ega bo'lgan yagona kristalni olishda juda muhim rol o'ynaydi.

Fig. 13.3a,b — Shakl 13.3a, b
Bir kristalli o'sish printsiplari (asuzuvchi zonali usul va (b) Chexralskiy usuli. (Keyin [13.1])

Taxminan 95 ga teng%bitta kristalli kremniy CZ usuli bilan, qolgan qismi asosan FZ usuli bilan ishlab chiqariladi. Kremniy yarimo'tkazgich sanoati qurilmaning ishlab chiqarish rentabelligini va ishlash ko'rsatkichlarini optimallashtirish uchun yuqori tozaligi va kremniy kristallarida minimal nuqson kontsentratsiyasini talab qiladi. Ushbu talablar tobora kuchayib bormoqda, chunki texnologiya LSI dan VLSI ∕ ULSI ga va keyin SOC ga o'zgaradi. Silikon kristallarining sifati yoki mukammalligi bilan bir qatorda, qurilma ishlab chiqaruvchilarining talablarini qondirish uchun kristall diametri ham doimiy ravishda oshib bormoqda. Mikroelektronik chiplar a orqali ishlab chiqarilganligi sababliommaviy tizim, qurilma ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan silikon gofretlarning diametrlari mahsuldorlikka sezilarli darajada ta'sir qiladi (rasmda ko'rsatilganidek).13.2) va o'z navbatida ishlab chiqarish tannarxi.

Keyingi bo'limlarda biz avval FZ usulini muhokama qilamiz, so'ngra CZ uslubiga o'tamiz. Mikroelektronika sanoati uchun o'ta muhimligi sababli ikkinchisi batafsilroq muhokama qilinadi.

13.3.1Suzuvchi zonalar usuli

Umumiy eslatmalar

FZ usuli zonani eritishidan kelib chiqqan bo'lib, u ikkilik qotishmalarni tozalash uchun ishlatilgan [13.6] tomonidan ixtiro qilinganTheerer[13.7]. Suyuq kremniyning krujka uchun ishlatiladigan material bilan reaktivligi FZ usulini ishlab chiqishga olib keldi [13.8], bu zarur bo'lgan yarimo'tkazgich tozaligining kristallarini o'stirish uchun zarur bo'lgan krujka materiali bilan hech qanday aloqaga ehtiyoj sezmasdan kremniyni kristallanishiga imkon beradi.

Jarayonning qisqacha mazmuni

FZ jarayonida apolisilikon tayoqchasi shaklda ko'rsatilgandek tayoqning bir uchidan ikkinchisiga anidel-ko'z spirali bilan isitiladigan amolten zonasini o'tkazib, bitta kristalli ingotga aylantiriladi.13.3a. Birinchidan, polissilikon tayoqchaning uchi tegib, kerakli kristal yo'nalishi bilan aseed kristal bilan eritiladi. Ushbu jarayon deyiladiekish. Urug'langan eritilgan zona bir vaqtning o'zida bitta kristall urug'ini tayoqchani pastga siljitish yo'li bilan polsilisimon tayoqchadan o'tkaziladi. Kremniyning erigan zonasi qotib qolganda, polisilikon urug 'kristalining yordami bilan bitta kristalli kremniyga aylanadi. Zona polsilisilikon tayoqcha bo'ylab harakatlanayotganda, bitta kristalli kremniy oxirida muzlaydi va urug 'kristalining kengayishi sifatida o'sadi.

Urug'likdan so'ng, diametri taxminan 2 yoki 3 mm va uzunligi 10-20 mm bo'lgan atin bo'yni hosil bo'ladi. Ushbu jarayon deyiladibo'yinbog '. O'sib borayotgan anek termal zarba tufayli ekish paytida yangi o'sib chiqqan bitta kristalli kremniyga kiritilishi mumkin bo'lgan dislokatsiyani yo'q qiladi. Ushbu bo'yin jarayoniDash texnikasi[13.2], shuning uchun dislokatsiz kristallarning o'sishi uchun asos bo'lib, FZ va CZ usullarida universal ravishda qo'llaniladi. FZ usuli bilan o'stirilgan asilikon monokristalining urug ', bo'yin va konus qismining rentgenografiya topografiyasi shakl.13.4. Ko'rinib turibdiki, eritilgan kontaktda hosil bo'lgan dislokatsiyalar bo'yinbog 'bilan butunlay yo'q qilinadi. Konus qismi hosil bo'lgandan so'ng, to'liq maqsad diametri bo'lgan asosiy tanasi o'stiriladi. Butun FZ o'sish jarayonida eritilgan zonaning shakli va ingot diametri spiralga quvvatni va harakat tezligini sozlash orqali aniqlanadi, ikkalasi ham kompyuter nazorati ostida. FZ va CZ usullarida diametrni avtomatik ravishda boshqarish uchun eng ko'p ishlatiladigan usul meniskusga yo'naltirilgan infraqizil sensorni ishlatadi. Kattalashgan kristaldagi meniskus shakli uning uch fazali chegaradagi aloqa burchagi, kristall diametri va sirt tarangligi kattaligiga bog'liq. Meniskus burchagi o'zgarishi seziladi (va shuning uchun kristall diametri) va o'sish sharoitlarini avtomatik ravishda sozlash uchun ma'lumot qaytariladi.

Fig. 13.4 — 13.4-rasm
Suzuvchi zonali kremniyning urug ', bo'yin va konus qismining rentgenografiya topografiyasi. (Doktor T. Abening izni bilan)

Urug'lik kristalini kremniy eritmasiga botirib, o'sib boruvchi kristalni yuqoriga qarab tortib oladigan CZ kristalining o'sishidan farqli o'laroq, FZ usulida ingichka urug 'kristali o'sib boruvchi kristalni qo'llab-quvvatlaydi, pastdan polisilikon tayoqchasi ham shakllanadi.13.3). Qiziqish paytida novda butun o'sish jarayonida ingichka urug 'va bo'yniga nisbatan muvozanatli bo'ladi. O'sayotgan kristalning og'irlik markazi o'sish tizimining markazida qolgunga qadar, urug 'va bo'yin a20 kg gacha bo'lgan akristalni ushlab turishi mumkin. Agar tortishish markazi markaz chizig'idan uzoqlashsa, urug 'osongina sinadi. Shunday qilib, uzoq va og'ir FZ silikon kristallarini o'stirishdan oldin akrilat stabillashadigan va qo'llab-quvvatlovchi texnikani ixtiro qilish kerak edi. Katta kristallar uchun o'sib boruvchi kristalni shaklda ko'rsatilgan tarzda qo'llab-quvvatlash kerak.13.5[13.9], ayniqsa, yaqinda katta diametrli (150-200 mm) FZ kristallari bilan bog'liq holda, ularning og'irliklari osongina 20 kg dan oshadi.

Fig. 13.5 — 13.5-rasm
Suzuvchi zonali silikon kristalini qo'llab-quvvatlovchi tizim. (Keyin [13.9])

Doping

Kerakli rezistentlikdagi n-yoki p-tipli kremniyning yagona kristallarini olish uchun, yoki ko'pikli kremniy yoki o'sib boruvchi kristallni mos ravishda tegishli donor yoki akseptor aralashmalari bilan qo'shib qo'yish kerak. FZ silikon o'sishi uchun, bir nechta doping texnikasi sinab ko'rilgan bo'lsa-da, kristallar odatda fosfin (PH) singari qabul qiluvchi gazni puflash orqali aralashtiriladi.3) n-tipli kremniy yoki diboran uchun (B2H6) eritilgan zonaga p-tipli kremniy uchun. Dopant gaz odatda akarrier gazi bilan suyultiriladi, masalan, argon. Ushbu usulning katta afzalligi shundaki, kremniy kristallari ishlab chiqaruvchisi turli qarshilikka ega bo'lgan polisilikon manbalarini saqlashga hojat yo'q.

N-tipli kremniy uchun elementar dopantlarning ajratilishi (keyingi bo'limda muhokama qilingan) birlikdan ancha kam bo'lgani uchun an'anaviy usul bilan aralashtirilgan FZ kristallari radial dopant gradyanlariga ega. Bundan tashqari, kristallanish darajasi mikroskopik miqyosda radiusli yo'nalishda o'zgarib turadiganligi sababli, dopant kontsentratsiyasi tsikl bo'yicha tarqaladi va natijadadopant kurashlari, natijada radiusga chidamliligi bir xil emas. Bir hil dopingli n-tipli kremniy olish uchun neytron transmutatsion doping (NTD) FZ kremniy kristallariga qo'llanilgan [13.10]. Ushbu protsedura kristalni reaktsiyaga muvofiq termal neytronlar bilan bombardimon qilish orqali kremniyning fosforga yadroviy transmutatsiyasini o'z ichiga oladi.

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

(13.5) Radioaktiv izotop31Si qachon hosil bo'ladi30Si anevtronni ushlaydi va keyin barqaror izotopga ajraladi31P (donor atomlari), uning tarqalishi kristall o'sish parametrlariga bog'liq emas. Nurlanishdan so'ng darhol kristallar yuqori qarshilikka ega, bu radiatsiya shikastlanishidan kelib chiqadigan panjarali nuqsonlarning ko'pligi bilan bog'liq. Shuning uchun nurlangan kristal 700 atrofida haroratda inert muhitda tavlanishi kerak∘Kamchiliklarni yo'q qilish va fosforli dopingdan olingan rezistentlikni tiklash uchun C. NTD sxemasi bo'yicha kristallar dopingsiz o'stiriladi va neytron ushlashni kuchaytirish va kristall panjaraning shikastlanishini minimallashtirish uchun termal va tez neytronlarning katta nisbati bilan yadro reaktorida nurlanadi.

NTD-ning qo'llanilishi deyarli faqat FZ kristallari bilan cheklangan, chunki ularning tozaligi CZ kristallariga nisbatan yuqori. NTD texnikasi CZ kremniy kristallariga tatbiq etilganda, nurlanishdan so'ng tavlanish jarayonida kislorod donorining hosil bo'lishi, fosfor donorlarining bir hilligiga erishilgan bo'lsa ham, qarshilikni kutilganidan o'zgartirganligi aniqlandi [13.11]. NTD qo'shimcha kamchiliklarga ega, chunki p-tipdagi dopantlar uchun hech qanday jarayon mavjud emas va past rezistentlik uchun (1-10 Ω sm oralig'ida) haddan tashqari uzoq vaqt nurlanish kerak.

FZ-kremniy kristalining xususiyatlari

FZ kristalining o'sishi jarayonida eritilgan kremniy o'sish kamerasidagi atrof-muhit gazidan tashqari boshqa moddalar bilan aloqa qilmaydi. Shuning uchun, FZ kremniy kristali, eritmadan o'sadigan aCZ kristaliga nisbatan yuqori tozaligi bilan ajralib turadi - bu akvartz krujkasi bilan aloqa qilishni o'z ichiga oladi. Ushbu aloqa kislorodning yuqori konsentratsiyasini taxminan 10 ga olib keladi18atomlar ∕ sm3CZ kristallarida, FZ kremniyida esa 10 dan kam bo'lgan16atomlar ∕ sm3. Ushbu yuqori tozaligi FZ kremniyining CZ kremniyidan foydalanib olinmaydigan yuqori qarshiliklarga erishishiga imkon beradi. Iste'mol qilingan FZ kremniyining ko'p qismi 10 dan 200 Ω sm gacha bo'lgan rezistivlikka ega, CZ silikon esa kvarts krujkasidan ifloslanganligi sababli odatda 50 Ω sm yoki undan kam qarshilikka tayyorlanadi. Shuning uchun FZ kremniy asosan 750-1000 V dan yuqori bo'lgan teskari kuchlanishni qo'llab-quvvatlovchi yarimo'tkazgichli quvvat moslamalarini ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Yuqori tozaligidagi kristall o'sishi va NTD FZ-Si ning aniq doping xususiyatlari ham uni infraqizil detektorlarda ishlatilishiga olib keldi [13.12], masalan.

Ammo, agar biz mexanik quvvatni hisobga olsak, ko'p yillar davomida CZ kremniyidan kam kislorodli aralashmalarga ega bo'lgan FZ silikonining mexanik jihatdan kuchsizligi va qurilmani ishlab chiqarish paytida termal stressga nisbatan sezgir ekanligi tan olingan [.13.13,13.14]. Elektron moslamalarni ishlab chiqarish jarayonida kremniy plastinalarni yuqori haroratda qayta ishlash ko'pincha siljish dislokatsiyasini va ish holatini keltirib chiqarish uchun etarli issiqlik stresini keltirib chiqaradi. Ushbu effektlar sızıntılı kavşaklar, dielektrik nuqsonlar va umr ko'rish muddatini qisqartirish tufayli hosilni yo'qotishiga olib keladi, shuningdek, gofret tekisligining buzilishi tufayli fotolitografik hosilni kamaytiradi. Urush holati tufayli geometrik tekislikning yo'qolishi shunchalik og'ir bo'lishi mumkinki, gofretlar bundan keyin qayta ishlanmaydi. Shu sababli, CZ kremniy gofretlari IC moslamalarini ishlab chiqarishda FZ gofretlariga qaraganda ancha keng qo'llanilgan. Termik stresslarga qarshi mexanik barqarorlikning bu farqi CZ kremniy kristallarining faqat termik jarayon bosqichlarining katta sonini talab qiladigan IClarni ishlab chiqarish uchun ishlatilishining asosiy sababi hisoblanadi.

FZ kremniyning ushbu kamchiliklarini bartaraf etish uchun FZ kremniy kristallarining kislorod kabi doping aralashmalari bilan ko'payishi [13.15] va azot [13.16] ga urinib ko'rildi. Konsentrasiyalarda kislorod yoki azot bilan FZ kremniy kristallarini doping bilan to'ldirishi aniqlandi $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ yoki $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ navbati bilan mexanik quvvatning sezilarli darajada oshishiga olib keladi.

13.3.2Czochralski usuli

Umumiy eslatmalar

Ushbu usulga J. Chexralskiy nom berildi, u metallarning kristallanish tezligini aniqlash texnikasini yaratdi [13.17]. Shu bilan birga, bitta kristalli o'sishda keng qo'llanilgan haqiqiy tortishish usuli tomonidan ishlab chiqilganChoyvaOz[13.18], Czochralskiyning asosiy printsipini o'zgartirgan. Ular birinchi bo'lib 1950 yilda Germaniyaning bitta kristallarini, uzunligi 8 dyuym va diametri 0,75 dyuymni muvaffaqiyatli etishtirishdi. Keyinchalik ular kremniyni yuqori haroratlarda o'sishi uchun boshqa apparatni ishlab chiqdilar. Teal va uning hamkasblari kashshof bo'lganidan beri bitta kristalli kremniyni ishlab chiqarishning asosiy jarayoni ozgina o'zgargan bo'lsa-da, eng yuqori darajadagi mukammallikka ega bo'lgan katta diametrli (400 mm gacha) kremniy bitta kristallari eng zamonaviy qurilmaga javob beradi Dash texnikasi va ketma-ket texnologik yangiliklarni apparatga kiritish orqali talablar oshdi.

Kremniy kristallari bo'yicha olib borilayotgan izlanishlar va ishlab chiqarishning bugungi sa'y-harakatlari kristal xususiyatlarining mikroskopik bir xilligiga, masalan, rezistentlik va iflosliklar va mikro defektlarning konsentratsiyasiga, shuningdek ularni mikroskopik boshqarishga erishishga qaratilgan bo'lib, ushbu qo'llanmaning boshqa joylarida muhokama qilinadi.

Jarayonning qisqacha mazmuni

CZ kristalining o'sishidagi uchta eng muhim qadam sxematik ravishda shakl.13.3b. Printsipial jihatdan CZ o'sish jarayoni FZ o'sishiga o'xshaydi: (1) eriydigan polisilikon, (2) ekish va (3) o'sish. Biroq, CZni tortib olish tartibi FZ o'sishiga qaraganda ancha murakkab va undan eritilgan kremniyni o'z ichiga olish uchun akvarsli krujkadan foydalanish bilan ajralib turadi. Shakl13.6odatdagi zamonaviy CZ kristalli o'sish uskunalarining asematik ko'rinishini ko'rsatadi. Haqiqiy yoki standart CZ silikon kristalining o'sish ketma-ketligining muhim bosqichlari quyidagicha:

1.
Polisilikat bo'laklari yoki donalari akvarsli krujkaga solinadi va kremniyning erish nuqtasidan yuqori haroratda eritiladi (1420∘C) inert muhit gazida.
2.
Bo'shliqlarni yoki kristalning salbiy nuqsonlarini keltirib chiqarishi mumkin bo'lgan mayda pufakchalarning to'liq erishi va chiqarilishini ta'minlash uchun eritma bir muncha vaqt yuqori haroratda saqlanadi.
3.
Kerakli kristalli yo'nalishdagi zaytun kristallari eritib bo'lmaguncha eritib yuboriladi. Keyin urug 'eritmadan tortib olinadi, shunda bo'yin diametrini asta-sekin kamaytirib hosil bo'ladi; bu eng nozik qadam. Butun kristall o'sish jarayonida inert gaz (odatda argon) tortiladigan kameradan pastga qarab oqadi, masalan SiO va CO kabi reaktsiya mahsulotlarini tashish uchun.
4.
Kristall diametrini asta-sekin oshirib, konusning qismi va elkasi o'stiriladi. Diametri tortish tezligi va decre yoki eritish haroratini pasaytirish orqali maqsadli diametrga ko'tariladi.
5.
Nihoyat, tanasining doimiy diametrli silindrsimon qismi tortish tezligi va eritma haroratini boshqarish orqali o'stiriladi, shu bilan birga kristall o'sishi bilan eritma darajasining pasayishini qoplaydi. Tortish tezligi, asosan, eritma darajasi pasayib, o'sib borayotgan kristalga ko'proq tegib turgan devorga ta'sir etganda, krujka devoridan issiqlik nurlanishining ko'payishi hisobiga o'sib boruvchi kristalning dum tomoniga qarab kamayadi. O'sish jarayoni tugashiga yaqin vaqt ichida, lekin krujka eritilgan kremniydan to'liq quritilishidan oldin termal zarbani minimallashtirish uchun kristalning diametri asta-sekin kamayib, konus hosil bo'lishi kerak, bu esa dum uchida siljish dislokatsiyasini keltirib chiqarishi mumkin. Diametri etarlicha kichrayganda, kristal eritmadan dislokatsiya hosil bo'lmasdan ajralishi mumkin.

Shakl13.7o'sgan CZ kremniy kristalining urug 'qismini ko'rsatadi. Urug'likdan silindrsimon qismga o'tish davri bo'lgan aseed-makkajo'xori odatda iqtisodiy sabablarga ko'ra tekis bo'lib shakllangan bo'lsa-da, amore konusning shakli akrilat sifati nuqtai nazaridan ma'qul bo'lishi mumkin. Qurilmani ishlab chiqarish uchun elkadan va uning atrofidan foydalanmaslik kerak, chunki bu qism ko'p ma'noda o'tish davri mintaqasi hisoblanadi va o'sish sharoitlarining keskin o'zgarishi tufayli bir hil bo'lmagan kristal xususiyatlarini namoyish etadi.

Fig. 13.6 — 13.6-rasm
Odatda Czochralski silikon kristallarini o'stirish tizimining sxematik ko'rinishi. (Keyin [13.1])

Fig. 13.7 — 13.7-rasm
O'sib boradigan Czochralski silikon kristalining urug 'qismi

Shakl13.8Yaponiyada Super Silicon Crystal Research Institute Corporation tomonidan yetishtirilgan 400 mm diametrli va 1800 mm uzunlikdagi o'ta katta bo'lgan CZ silikon kristalli ingotini ko'rsatadi [13.3].

Fig. 13.8 — 13.8-rasm
400 mm diametrli va 1800 mm uzunlikdagi o'stirilgan juda katta Czochralski silikon ingot. (Super Silicon Crystal Research Institute Corporation korporatsiyasi, Yaponiya)

InaGrownCrystal-ning fazoviy joylashuvi ta'siri

Shakl sifatida.13.9aniq tasvirlangan, aCZ kristalining har bir qismi har xil o'sish sharoitlari bilan har xil vaqtda o'sadi [13.19]. Shunday qilib, har bir qism kristal uzunligi bo'yicha turlicha joylashishi tufayli turli xil kristalli xususiyatlarga ega va har xil termal tarixga ega ekanligini tushunish muhimdir. Masalan, urug 'uchi qismi termal tarixga ega bo'lib, erish nuqtasidan 1420 gacha 400 atrofida∘Apullerdagi C, uchi esa asterter tarixiga ega va erish nuqtasidan ancha tez soviydi. Oxir oqibat, o'stirilgan kristalning har xil qismidan tayyorlangan har bir kremniy gofret ingotdagi joylashishiga qarab har xil fizik-kimyoviy xususiyatlarni namoyish qilishi mumkin. Aslida, kislorodning yog'ingarchilik xatti-harakatlari joylashuvga eng katta bog'liqlikni namoyon etishi, bu esa o'z navbatida katta miqdordagi nuqsonlarning paydo bo'lishiga ta'sir qilishi haqida xabar berilgan [13.20].

Fig. 13.9 — 13.9-rasm
Dastlabki va oxirgi bosqichlarda Czochralskiy kristalining o'sishi paytida issiqlik muhiti.Oklarissiqlik oqimining taxminiy yo'nalishlarini ko'rsating. (Keyin [13.19])

Shuningdek, kristalli nuqsonlar va aralashmalarning anoniform taqsimlanishi, odatda CZ kristalining o'sish jarayonida egri bo'lgan, kristallangan yoki eritilgan interfeysda ketma-ket qotib qolgan aCZ kristalli kremniy eritmasidan tayyorlangan aflat gofretning ko'ndalang kesimi bo'ylab sodir bo'ladi. Bunday bir xil bo'lmaganlikni quyidagicha kuzatish mumkinkurashlar, keyinchalik muhokama qilinadi.

13.3.3Czochralski kremniyidagi aralashmalar

Elektron qurilmalarda ishlatiladigan kremniy yarimo'tkazgichlarining xossalari aralashmalarga juda sezgir. Ushbu sezuvchanlik tufayli kremniyning elektr-elektron xossalarini ozgina miqdorda dopant qo'shib aniq boshqarish mumkin. Ushbu dopant sezgirligidan tashqari, aralashmalar (ayniqsa, o'tish metallari) bilan ifloslanish kremniyning xususiyatlariga salbiy ta'sir qiladi va natijada qurilma ishi jiddiy tanazzulga uchraydi. Bundan tashqari, kislorod CZ kremniy kristallariga millionga o'nlab atomlar darajasida qo'shiladi, bu kremniy eritmasi va kvarts krujkasi o'rtasidagi reaktsiya tufayli. Kristallda qancha kislorod bo'lishidan qat'i nazar, kremniy kristallarining xususiyatlariga kontsentratsiya va kislorodning harakati katta ta'sir ko'rsatadi [13.21]. Bundan tashqari, uglerod, CZ tortish uskunasida ishlatiladigan grafit qismlari tufayli, CZ kremniy kristallariga ham polisilikon xomashyosidan yoki o'sish jarayonida qo'shiladi. Tijorat CZ kremniy kristallarida uglerod kontsentratsiyasi odatda 0,1 ppma dan kam bo'lsa-da, uglerod kislorod xatti-harakatiga katta ta'sir ko'rsatadigan nopoklikdir [13.22,13.23]. Shuningdek, azot bilan aralashtirilgan CZ kremniy kristallari [13.24,13.25] so'nggi elektron qurilmalar talablariga javob beradigan yuqori mikroskopik kristal sifati tufayli yaqinda ko'pchilikning e'tiborini tortdi [13.26,13.27].

Nopoklik bir xil emas

Eritmadan kristallashish jarayonida eritmaning tarkibiga kiradigan turli xil aralashmalar (shu jumladan dopantlar) o'sib boruvchi kristallga qo'shiladi. Qattiq fazaning nopoklik kontsentratsiyasi odatda ma'lum bo'lgan afenomen tufayli suyuqlik fazasidan farq qiladiajratish.

Ajratish

Ko'pkomponentli tizimlarning qotib qolishi bilan bog'liq bo'lgan muvozanatni ajratish xatti-harakatini abinary sistemaning tegishli faz diagrammasidanerigan(nopoklik) va ahal qiluvchi(mezbon material) tarkibiy qismlar sifatida.

Nopoklikning eruvchanligi nisbati Ain qattiq kremniy [CA]ssuyuq kremniydaCA]L

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

(13.6) gamuvozanatni ajratish koeffitsienti. Suyuq kremniydagi nopoklikning eruvchanligi har doim qattiq kremniydan yuqori; anavi,k0& lt; 1. Muvozanatni ajratish koeffitsientik0shunchaki sekin o'sish sur'atlarida qotish uchun qo'llaniladi. Sonli yoki undan yuqori qotish stavkalari uchun nopoklik atomlarik0& lt; 1 eritmaga tarqalib ketishi mumkinligi sababli, kelishuv tezligi bo'yicha oldinga siljish natijasida rad etiladi. CZ kristalining o'sish jarayonida segregatsiya urug'langan eritma interfeysida qotish boshlanganda sodir bo'ladi va rad qilingan nopoklik atomlari o'sish interfeysi yaqinidagi eritma qatlamida to'planib, eritmaning asosiy qismi yo'nalishi bo'yicha tarqaladi. Bunday vaziyatdasamarali ajratish koeffitsientikeffhar qanday vaqtda CZ kristalining o'sishi paytida aniqlanishi mumkin va nopoklik kontsentratsiyasi [C]saCZ kristalidan olinishi mumkin

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

(13.7) bu erda [C0] eritmadagi dastlabki nopoklik kontsentratsiyasi vagqotib qolgan qismdir.

Binobarin, dopant konsentratsiyasining o'zgarishi sababli rezistentlik o'zgarishini keltirib chiqaradigan nopoklik darajasidagi amakroskopik bo'ylama o'zgarishi CZ partiyasining o'sish jarayoniga xos ekanligi aniq; bu ajratish hodisasi bilan bog'liq. Bundan tashqari, aralashmalarning uzunlamasına taqsimlanishiga kattalikdagi o'zgarishlar va eritmaning konveksiya xarakteri ta'sir qiladi, chunki kristal o'sishi jarayonida eritmaning nisbati pasayadi.

Tirishishlar

Ko'pgina kristall o'sish jarayonlarida bir zumda mikroskopik o'sish tezligi va diffuziya chegara qatlamining qalinligi kabi parametrlarda vaqtinchalik moddalar mavjud bo'lib, natijada samarali ajratish koeffitsienti o'zgaradi.keff. Ushbu xilma-xilliklar mikroskopik kompozitsion bir xil bo'lmaganlikni keltirib chiqaradikurashlarerituvchi interfeysga parallel. Striations bir nechta usullar bilan osonlikcha ajratilishi mumkin, masalan, imtiyozli kimyoviy aşındırma va rentgenografiya. Shakl13.10aCZ silikon kristalining bo'ylama kesimining yelkasida kimyoviy o'girish natijasida aniqlangan chiziqlarni ko'rsatadi. O'sish interfeysi shaklidagi bosqichma-bosqich o'zgarish ham aniq kuzatilmoqda.

Fig. 13.10 — Shakl 13.10
Chexralskiy kremniyli polosasida kimyoviy ishlov berish natijasida aniqlangan o'sish harakatlari

Tanaffuslar jismonan kirlarni ajratilishi va nuqta nuqsonlaridan kelib chiqadi; Biroq, chiziqlar amalda eritmadagi noturg'un termal konveksiya va assimetrik termal muhitda kristalning aylanishi natijasida hosil bo'lgan kristall erituvchi interfeys yaqinidagi harorat o'zgarishi natijasida yuzaga keladi. Bunga qo'shimcha ravishda, o'sish uskunasidagi tortishishning yomon boshqarish mexanizmlari tufayli mexanik tebranishlar ham haroratning o'zgarishiga olib kelishi mumkin.

Shakl13.11aCZ-da o'stirilgan va kristall eritilgan interfeysni o'z ichiga olgan kristalning kesimini sxematik tarzda aks ettiradi va natijada asl yuzasida bir hillikka olib keladi. Har bir tekis planli gofret kesilgani uchun u bir nechta egri chiziqlarning turli qismlarini o'z ichiga oladi. Turli xilfonograf qo'ng'iroqlarideb nomlanadiaylanmoq, keyin yuqorida aytib o'tilgan texnikalar yordamida gofret bo'ylab kuzatilishi mumkin bo'lgan har bir gofretda paydo bo'lishi mumkin.

Fig. 13.11 — 13.11-rasm
Chexralskiy kristalli kesimining sxematik tasviri, u o'z ichiga kristall eritilgan interfeys va planar gofrirovka bilan turli qismlarga bo'lingan. (Keyin [13.1])

Doping

Kerakli qarshilikka erishish uchun qarshilik va kontsentratsiya munosabatlariga ko'ra asilikat eritmasiga aniq miqdordagi dopant (donor yoki akseptor atomlari) qo'shiladi. Dopantlarni yuqori darajada aralashtirilgan silikon zarralari yoki taxminan 0,01 Ω sm rezistentlik bo'lagi shaklida qo'shish odatiy holdir, ular dopant fiksturasi deb ataladi, chunki zarur bo'lgan toza dopant miqdori boshqarib bo'lmaydigan darajada kam, chunki juda qattiq aralashtirilgan kremniy materiallari (n+yoki p+kremniy).

Asemiko'tkazgichli material uchun qabul qiluvchini tanlash mezonlari uning quyidagi xususiyatlarga ega bo'lishidir:

1.
Tegishli energiya darajalari
2.
Yuqori eruvchanligi
3.
Muvofiq yoki past diffuzivlik
4.
Bug 'bosimi past.

Yuqori diffuzivlik yoki yuqori bug 'bosimi dopantlarning istalmagan diffuziyasiga yoki bug'lanishiga olib keladi, bu esa qurilmaning beqaror ishlashiga va aniq qarshilik qarshiligini boshqarishda qiyinchiliklarga olib keladi. Juda kichik bo'lgan eruvchanlik, olinadigan qarshilik qarshiligini cheklaydi. Ushbu mezonlarga qo'shimcha ravishda kimyoviy xususiyatlarni (masalan, toksikligini) hisobga olish kerak. Kristal o'sishi nuqtai nazaridan qo'shimcha ravishda, dopant CZ kristalli ingotining urug 'uchidan dumigacha rezistentligini iloji boricha bir hil qilish uchun birlikka yaqin bo'lgan assregatsiya koeffitsientiga ega. Binobarin, fosfor (P) va bor (B) navbati bilan kremniy uchun eng ko'p ishlatiladigan donor va akseptorli dopantlardir. N uchun+donor atomlari og'ir dopingga ega bo'lgan kremniy, diffuziyaligi kichik bo'lgani uchun fosfor o'rniga antimon (Sb) ishlatiladi, bu kichik ajratish koeffitsienti va yuqori bug 'bosimiga qaramay, eksenel va radial yo'nalishlar.

Kislorod va uglerod

Shakllarda ko'rsatilganidek, shakl.13.3b va13.6, akvars (SiO)2) krujka va grafitli isitish elementlari CZ-Si kristalining o'sish usulida qo'llaniladi. Kremniy eritmasi bilan aloqa qiladigan krujkaning yuzasi reaktsiya tufayli asta-sekin eriydi

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

(13.8) Ushbu reaksiya kremniy eritmasini kislorod bilan boyitadi. Kislorod atomlarining katta qismi eritilgan yuzadan uchuvchi kremniy mono-oksidi (SiO) sifatida bug'lanadi, ammo ularning bir qismi kristal-eritma interfeysi orqali asilikat kristaliga qo'shiladi, ammo CZ kremniy kristallaridagi uglerod asosan polikristaldan boshlanadi material. Ishlab chiqaruvchiga qarab 0,1 dan 1 ppma gacha bo'lgan uglerod sathlari polisilikonda uchraydi. Polisilikon tarkibidagi uglerod manbalari asosan polisilikon ishlab chiqarishda ishlatiladigan triklorosilanda topilgan uglerod tarkibidagi aralashmalardir. CZ tortish uskunasidagi grafit qismlari, shuningdek, atrof-muhit o'sishi paytida doimo mavjud bo'lgan kislorod bilan reaksiyaga kirishib, uglerod ifloslanishiga hissa qo'shishi mumkin. Natijada paydo bo'lgan CO va CO mahsulotlari2kremniy eritmasida eritiladi va kremniy kristallaridagi uglerod aralashmalarini hisobga oladi. Shunday qilib, kislorod va uglerod shakllantirilgan sxematik tarzda CZ silikon kristallariga kiritilgan ikkita asosiy nopopik aralashmalardir.13.12. CZ kremniy kristallarining xususiyatlariga ta'sir ko'rsatadigan kremniy tarkibidagi ushbu aralashmalarning harakati 1950 yillarning oxiridan boshlab intensiv tadqiqotlar mavzusi bo'ldi [13.21].

Fig. 13.12 — 13.12-rasm
Chexralskiy silikon kristaliga kislorod va uglerod qo'shilishi. (Keyin [13.1])

13.4Kristal o'sishning yangi usullari

Mikroelektronik moslamalarni tayyorlash uchun ishlatiladigan kremniy kristallari asboblar ishlab chiqaruvchilari tomonidan qo'yiladigan talablarning har xilligiga javob berishi kerak. Kremniyga qo'yiladigan talablardan tashqarigofretlar, yuqori rentabellikga va yuqori mahsuldorlikka ega bo'lgan mikroelektronik asboblarni ishlab chiqarish tufayli quyidagi kristalografik talablar keng tarqalgan:

1.
Katta diametr
2.
Kam yoki boshqariladigan nuqson zichligi
3.
Bir xil va past radiusli qarshilik gradiyenti
4.
Optimal dastlabki kislorod kontsentratsiyasi va uning yog'inlanishi.

Shunisi aniqki, kremniy kristallari ishlab chiqaruvchilari nafaqat yuqoridagi talablarga javob berishi, balki shu kristallarni iqtisodiy va yuqori ishlab chiqarish rentabelligi bilan ishlab chiqarishi kerak. Silikon kristal ishlab chiqaruvchilarning asosiy tashvishlari kristalografik mukammallik va CZ kremniyidagi dopantlarning eksenel tarqalishi. An'anaviy CZ kristalli o'sish usuli bilan bog'liq ba'zi muammolarni bartaraf etish uchun bir nechta yangi kristall o'sish usullari ishlab chiqildi.

13.4.1AppliedMagneticField bilan Czochralski o'sishi (MCZ)

Tigeldagi eritilgan konvektsiya oqimi CZ kremniyning kristal sifatiga kuchli ta'sir qiladi. Xususan, noqulay o'sishga intilishlar eritmaning notekis konvektsiyasi natijasida hosil bo'ladi, natijada o'sish interfeysida harorat o'zgaradi. Amagnit maydonning elektr o'tkazuvchan suyuqlikda termal konvektsiyani inhibe qilish qobiliyati birinchi navbatda gorizontal qayiq texnikasi yordamida indiy antimonidning kristalli o'sishiga tatbiq etildi [13.28] va gorizontal zonani eritish texnikasi [13.29]. Ushbu tadqiqotlar davomida etarli kuchga ega bo'lgan magnit maydon eritma konvektsiyasi bilan birga keladigan harorat o'zgarishini bostirishi va o'sish intilishlarini keskin kamaytirishi mumkinligi tasdiqlandi.

Magnit maydonning o'sish chizig'iga ta'siri, eritmaning turbulent issiqlik konvektsiyasini kamaytirish va o'z navbatida kristal eritish interfeysidagi harorat o'zgarishini kamaytirish qobiliyati bilan izohlanadi. Magnit maydon tomonidan yuzaga keladigan suyuqlik oqimining pasayishi, oqim magnit oqim liniyalariga ortogonal bo'lganda indüklenen magnetomotiv kuchiga bog'liq bo'lib, bu o'tkazuvchan eritmaning samarali kinematik yopishqoqligi oshishiga olib keladi.

CZ (MCZ) usuli qo'llaniladigan magnit maydon bo'yicha silikon kristalining o'sishi birinchi marta 1980 yilda qayd etilgan [13.30]. Dastlab MCZ past kislorod kontsentratsiyasini o'z ichiga olgan va shu sababli past radiusli o'zgarishlarga ega yuqori rezistentlikka ega bo'lgan CZ kremniy kristallarini o'sishiga mo'ljallangan edi. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, MCZ silikon deyarli faqat quvvat moslamalarini ishlab chiqarish uchun ishlatiladigan FZ silikonini almashtirishi kutilgan edi. O'shandan beri magnit maydon yo'nalishi bo'yicha (gorizontal yoki vertikal) va ishlatiladigan magnitlarning turi (normal o'tkazuvchan yoki supero'tkazuvchi) bo'yicha turli xil magnit maydon konfiguratsiyalari ishlab chiqildi [13.31]. Kerakli kislorod kontsentratsiyasining (pastdan yuqori darajagacha) ko'pligi bilan ishlab chiqarilgan MCZ kremniy turli xil qurilmalar uchun katta qiziqish uyg'otdi. MCZ kremniyining qiymati uning yuqori sifatiga va kislorod kontsentratsiyasini katta diapazonda boshqarish qobiliyatiga bog'liq, bunga an'anaviy CZ usuli yordamida erishib bo'lmaydi [13.32], shuningdek, uning o'sish sur'atlari [13.33].

Kristalning sifatiga kelsak, MCZ usuli yarimo'tkazgichli qurilmalar sanoatiga eng qulay bo'lgan silikon kristallarini taqdim etishi shubhasizdir. MCZ silikonining ishlab chiqarish qiymati an'anaviy CZ silikonidan yuqori bo'lishi mumkin, chunki MCZ usuli ko'proq elektr energiyasini iste'mol qiladi va elektromagnitlar uchun qo'shimcha uskunalar va ish joylarini talab qiladi; ammo, MCZ ning yuqori o'sish tezligini hisobga olgan holda va kichikroq maydonga muhtoj bo'lgan va Supero'tkazuvchilar magnit bilan taqqoslaganda kam elektr energiyasini iste'mol qiladigan supero'tkazuvchi magnitlardan foydalanilganda, MCZ silikon kristallarini ishlab chiqarish qiymati odatiy CZ silikon kristallari bilan taqqoslanishi mumkin. Bundan tashqari, MCZ kremniyining yaxshilangan kristal sifati ishlab chiqarish samaradorligini oshirishi va ishlab chiqarish tannarxini pasaytirishi mumkin.

13.4.2Uzluksiz Chexralskiy usuli (CCZ)

Kristal ishlab chiqarish xarajatlari katta darajada materiallarning narxiga, xususan, kvarts krujkalar uchun ishlatiladigan narsalarning narxiga bog'liq. An'anaviy CZ jarayonida, a deb nomlanganommaviy jarayon, akril kristalni bitta krujka zaryadidan tortib oladilar va kvarts krujkasi faqat bir marta ishlatiladi va keyin tashlanadi. Buning sababi shundaki, qolgan oz miqdordagi kremniy har bir o'sish jarayonida yuqori haroratdan soviganida krujkani yorib yuboradi.

Akvars tigelini eritma bilan tejamkorlik bilan to'ldirish uchun onestratiya - bu kristall o'stirilganda doimiy ravishda ozuqa qo'shish va shu bilan eritmani doimiy hajmda ushlab turishdir. Uzluksiz quvvat oladigan Czochralski (CCZ) usuli krujka xarajatlarini tejashdan tashqari, kremniy kristalining o'sishi uchun ideal muhitni yaratadi. Yuqorida aytib o'tilganidek, an'anaviy CZ partiyasi jarayoni natijasida hosil bo'lgan kristallarning bir xil bo'lmaganligi, kristal o'sishi paytida eritma hajmining o'zgarishi natijasida hosil bo'lgan beqaror kinetikaning ajoyib natijasidir. CCZ usuli nafaqat ishlab chiqarish xarajatlarini kamaytirishga, balki barqaror sharoitda kristallarni o'stirishga ham qaratilgan. Eritma hajmini doimiy darajada ushlab turish orqali barqaror termal va eritilgan oqim sharoitlariga erishish mumkin (Qarang: rasm).13.9, bu an'anaviy CZ o'sishi paytida issiqlik muhitining o'zgarishini ko'rsatadi).

Uzluksiz zaryadlash, rasmda ko'rsatilgandek, odatda polsilisonli oziqlantirish orqali amalga oshiriladi.13.13[13.34]. Ushbu tizim polsilisilikon xomashyosini saqlash uchun qoziqdan va polisilikonni krujkaga o'tkazadigan avibratatorli oziqlantiruvchidan iborat. Kremniy eritmasini o'z ichiga olgan krujkada, o'sish interfeysi atrofidagi qattiq moddada oziqlanish natijasida yuzaga keladigan eritma turbulansining oldini olish uchun akvars to'sig'i talab qilinadi. Yuqorida aytib o'tilgan kabi erkin oqadigan polisilikon granulalari, shubhasiz, CCZ usuli uchun foydalidir.

Fig. 13.13 — 13.13-rasm
Uzluksiz quvvat oladigan Czochralskiy usulining sxematik tasviri. (Keyin [13.34])

CCZ usuli an'anaviy CZ usuli bilan o'stirilgan kristalning bir xil bo'lmaganligi bilan bog'liq muammolarning ko'pini aniq hal qiladi. Bundan tashqari, MCZ va CCZ kombinatsiyasi (magnit maydonida qo'llaniladigan doimiy CZ (MCCZmetodi) kristall o'sishining yakuniy usulini taqdim etishi kutilmoqda, bu esa turli xil mikroelektronik qo'llanmalar uchun ideal kremniy kristallarini beradi [13.1]. Darhaqiqat, u mikroelektronik qurilmalar uchun mo'ljallangan yuqori sifatli kremniy kristallarini etishtirish uchun ishlatilgan [13.35].

Shu bilan birga, shuni ta'kidlash kerakki, kristallning turli qismlarining har xil termal tarixi (rasmda ko'rsatilgandek, urug'dan quyruqgacha).13.9) ideal o'sish usuli bilan kristall o'stirilganda ham hisobga olinishi kerak. O'sgan kristallni bir hil holga keltirish yoki termal tarixda eksenel bir xillikni olish uchun keyingi ishlov berishning ba'zi turlari, masalan, yuqori haroratli tavlanishlar [13.36], kristall uchun talab qilinadi.

13.4.3Bo'yinsiz o'sish usuli

Yuqorida aytib o'tganimizdek, Dashning bo'yinbog 'jarayoni (diametri 3-5 mm bo'lgan bo'yin qismida o'sib boradi).13.7) CZ kristalining o'sishi paytida juda muhim qadamdir, chunki u katta dislokatsiyani yo'q qiladi. Ushbu uslub 40 yildan ortiq vaqt davomida sanoat standarti bo'lib kelgan. Ammo so'nggi paytlarda katta kristalli diametrlarga bo'lgan talablar (& gt; 300 mm, og'irligi 300 kg dan yuqori) o'sib boruvchi kristalga dislokatsiya kiritmaydigan katta diametrli bo'yinlarga ehtiyoj tug'dirdi, chunki diametri 3-5 mm bo'lgan atin bo'yinlari bunday katta kristallarni qo'llab-quvvatlay olmaydi.

Odatda 170 mm uzunlikdagi katta diametrli urug'lar, ularning minimal diametri> 10 mm va o'rtacha 12 mm kremniydan o'stirilgan, bor bilan qattiq aralashtirilgan (

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

) dislokatsiz 200 mm diametrli CZ kremniy kristallarini o'stirish uchun ishlatilgan [13.37,13.38]. Diametri 12 mm bo'lgan katta diametrli bo'yinlar CZ 2000 kg og'irlikdagi kristallarni qo'llab-quvvatlashi mumkin [13.39]. Shakl13.14a,bDash bo'yinbog'siz o'stirilgan a200 mm diametrli dislokatsiz CZ kremniy kristali va Fig.13.14a,bb uning kattalashgan urug'ini ko'rsatadi (rasm bilan taqqoslang.13.7). Dislokatsiyani o'sib boruvchi kristallga qo'shmaslik mexanizmi, avvalambor, kremniydagi borning og'ir dopingining qattiqlashishi bilan bog'liq.

Fig. 13.14a,b — Shakl.13.14a, b
Dash bo'yinbog'siz o'stirilgan 200 mm diametrli dislokatsiz Czochralski silikon kristali. (a)Butun tana, (b) urug 'va konus. (Prof. K. Xoshikava izni bilan)

Adabiyotlar

13.1F. Shimura:Yarimo'tkazgichli silikon kristall texnologiyasi(Akademik, Nyu-York, 1988 yil)Google Scholar
13.2 WC chizig'i: J. Appl. Fizika.29, 736 (1958)CrossRefGoogle Scholar
13.3K.Takada, H.Yamagishi, H.Minami, M.Imai: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1998) s.376Google Scholar
13.4JRMcCormic: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1986) 43-betGoogle Scholar
13.5 PA Teylor: Solid State Technol.Iyul, 53 (1987)Google Scholar
13.6WG Pfann: Trans. Am. Inst. Min. Metall. Ing.194, 747 (1952)Google Scholar
13.7CHTheerer: AQSh Patenti 3060123 (1962)Google Scholar
13.8PH Keck, MJE Golay: Fizika. Rev.89, 1297 (1953)CrossRefGoogle Scholar
13,9 Vt. Keller, A. Mühlbauer:Suzuvchi zonali silikon(Marsel Dekker, Nyu-York, 1981 yil)Google Scholar
13.10JM meese:Yarimo'tkazgichlarda neytron transmutatsion doping(Plenum, Nyu-York, 1979 yil)CrossRefGoogle Scholar
13.11HMLiaw, CJVarker: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1977) s.116Google Scholar
13.12ELKern, LSYaggy, JABarker: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1977) s.52Google Scholar
13.13SM Xu: Appl. Fizika. Lett.31, 53 (1977)CrossRefGoogle Scholar
13.14K. Sumino, X. Xarada, I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Fizika.19, L49 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Appl. Fizika.19, L763 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.16T.Abe, K.Kikuchi, S.Shirai: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1981) 54-betGoogle Scholar
13.17J. Czochralski: Z. Fiz. Kimyoviy.92, 219 (1918)Google Scholar
13.18GK Teal, JB Little: Fizika. Rev.78, 647 (1950)Google Scholar
13.19 Vt. Zulehner, D. Xuber: In:Kristallar 8: Kremniy, kimyoviy ishlov berish(Springer, Berlin, Heidelberg 1982) p. 1Google Scholar
13.20H. Tsuya, F. Shimura, K. Ogava, T. Kavamura: J. Elektrokimyo. Soc.129, 374 (1982)CrossRefGoogle Scholar
13.21F. Shimura (Ed.):Kremniydagi kislorod(Akademik, Nyu-York, 1994 yil)Google Scholar
13.22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Dastur. Fizika. Lett.35, 213 (1979)CrossRefGoogle Scholar
13.23F. Shimura: J. Appl. Fizika.59, 3251 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: VLSI ilmiy texnologiyasi, Proc. 2-chi Int. Simp. Juda katta miqyosli integral. (Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1984) p. 208Google Scholar
13.25F. Shimura, RS Hocket: Appl. Fizika. Lett.48, 224 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.26A.Huber, M.Kapser, J.Grabmayer, U.Lambert, VvAmmon, R.Pech: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 2002) s.280Google Scholar
13.27GARozgonyi: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 2002) s.149Google Scholar
13.28HP Utech, MC Flemings: J. Appl. Fizika.37, 2021 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.29HA Chedzey, DT Xurtle: Tabiat210, 933 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isava: Ext. Abstr. Elektrokimyo. Soc. 157-uchrashuv. (Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1980) s.811Google Scholar
13.31M Ohva, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1986) p.117Google Scholar
13.32M.Futagami, K.Hoshi, N.Isava, T.Suzuki, Y.Okubo, Y.Kato, Y.Okamoto: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1986) s.939Google Scholar
13.33T.Suzuki, N.Isava, K.Hoshi, Y.Kato, Y.Okubo: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1986) s.142Google Scholar
13.34W Zulehner: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1990) s.30Google Scholar
13.35Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1994) s.180Google Scholar
13.36F. Shimura: In:VLSI Fan va Texnologiya(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1982) p. 17Google Scholar
13.37 S. Chandrasekhar, KMKim: In:Yarimo'tkazgichli silikon(Elektrokimyoviy jamiyat, Pennington 1998) s.411Google Scholar
13.38K. Xoshikava, X. Xuang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Appl. Fizika.38, L1369 (1999)CrossRefGoogle Scholar
13.39KM Kim, P. Smetana: J. Cryst. O'sish100, 527 (1989)CrossRefGoogle Scholar