Ühekristalliline räni: kasv ja omadused

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

CZ MCZ Single crystal

Räni, mis veel mõnda aega on olnud ja jääb pooljuhtide tööstuses domineerivaks materjaliks [13.1] viib meid ülisuure integreerimise (ULSI) ja süsteemi-on-chip (SOC) ajastusse.

Kui elektroonikaseadmed on arenenud, on seadme jõudlus nende ehitamiseks kasutatud materjalide kvaliteedi ja omaduste suhtes tundlikum.

Germaaniumit (Ge) kasutati algselt tahkes olekus elektroonikaseadmete asemikmaterjalina. Ge kitsas ribalaius (0,66 eV) piirdub germaaniumil põhinevate seadmete töö temperatuuriga umbes 90 ° C∘C kõrgemate temperatuuride korral täheldatud märkimisväärsete lekkevoolude tõttu. Räni laiem riba (1,12 eV) annab seevastu elektroonikaseadmed, mis on võimelised töötama kuni $\approx 200^{\circ} C$ . Siiski on tõsine probleem kui kitsas ribavahe: germaanium ei paku pinnale hõlpsasti passiivset passiivkihti. Näiteks germaaniumdioksiid (GeO2) on vees lahustuv ja dissotsieerub umbes 800 juures∘C. Räni, erinevalt germaaniumist, mahutab pinna passivatsiooni ränidioksiidi (SiO2), mis tagab alusseadme kõrge kaitse. See stabiilne SiO2kiht annab ränile otsustava eelise germaaniumi kui elektroonikaseadmete valmistamisel kasutatava põhilise pooljuhtmaterjali ees. See eelis on toonud kaasa hulga uusi tehnoloogiaid, sealhulgas difusioonse dopingu protsessid ja keerukate mustrite määratlemise. Räni muud eelised on see, et see on täielikult mittetoksiline ja ränidioksiid (SiO2), tooraine, millest räni saadakse, sisaldab umbes 60%%maakoore mineraalainete sisaldusest. See tähendab, et toorainet, millest räni saadakse, saab integraallülitusse rohkesti (IC) tööstus. Pealegi võib elektroonilist räni saada vähem kui kümnendiku germaaniumi maksumusest. Kõik need eelised on pannud räni asendama germaaniumit pooljuhtide tööstuses peaaegu täielikult.

Kuigi räni pole iga elektroonikaseadme jaoks optimaalne valik, tähendavad selle eelised, et see domineerib veel mõnda aega pooljuhtide tööstuses.

13.1Ülevaade

Alates punkt-kontakttransistori leiutamisest 1947. aastal on pooljuhtmaterjali kasutajate ja tootjate vahel olnud väga viljakaid koostoimeid, kuitäiuslik ja puhastunnistati kristallid. Konkurents oli sageli selline, et uute seadmete nõutavat kristallikvaliteeti oli võimalik täita ainult kristallide kasvu kontrollimisega, kasutades nende uute seadmetega ehitatud elektroonilisi seadmeid. Kuna dislokatsioonivabad ränikristallid kasvatati juba 1960. aastatel, kasutadesKriipsutehnika[13.2], pooljuhtmaterjalide uurimine ja arendustegevus on keskendunud materjali puhtusele, tootmise saagikusele ja seadmete valmistamisega seotud probleemidele.

Pooljuhtseadmed ja -ahelad on valmistatud mitmesuguste mehaaniliste, keemiliste, füüsikaliste ja termiliste protsesside abil. Tüüpiliste pooljuhtide räni ettevalmistusprotsesside allavoolu diagramm on näidatud joonisel fig.13.1. Mehaaniliselt ja keemiliselt poleeritud pindadega ränist ühekristalliliste substraatide valmistamine on seadme pika ja keeruka protsessi esimene etapp.

Fig. 13.1 — Joonis 13.1
Vooludiagramm tüüpiliste pooljuhtide räni ettevalmistusprotsesside jaoks. (Pärast [13.1])

Nagu eespool märgitud, on räni Maa arvukuselt teine element; rohkem kui 90%maakoorest koosneb ränidioksiidist ja silikaatidest. Arvestades seda piiramatut toormaterjali tarnimist, on probleemiks räni muundamine pooljuhttehnoloogiaga nõutavasse kasutatavasse olekusse. Esimene ja peamine nõue on see, et elektroonikaseadmete jaoks kasutatav räni peab olema äärmiselt puhas, kuna väga vähesed lisandid mõjutavad tugevalt räni elektroonilisi omadusi ja seega ka elektroonikaseadme toimivust. Teine nõue on suure läbimõõduga kristallide puhul, kuna kiibi saagis vahvli kohta suureneb suurema läbimõõduga, nagu on näidatud joonisel fig.13.2DRAM-i puhul [13.3], üks levinumaid elektroonilisi seadmeid. Lisaks puhtusele ja läbimõõdule peavad tootmiskulud ja materjali spetsifikatsioonid, sealhulgas sisse kasvanud defektide tihedus ja takistuslik homogeensus, vastama praegustele tööstusvajadustele.

Fig. 13.2 — Joonis 13.2
Kiibid plaadi kohta DRAM-i genereerimise funktsioonina (Pärast [13.3])

Selles peatükis on praegused lähenemisviisid räni valmistamisele - tooraine muundamine ühekristalliliseks ränioks (vt joonis fig.13.1) - arutatakse.

13.2Algmaterjalid

13.2.1Metallurgilise klassi räni

Kõrge puhtusastmega räni monokristallide lähteaine on ränidioksiid (SiO2). Räni tootmise esimene etapp on ränidioksiidi sulatamine ja redutseerimine. See saavutatakse ränidioksiidi ja süsiniku segamisega kivisöe, koksi või hakkepuidu kujul ja segu kuumutamisel kõrgel temperatuuril suletud elektroodkaarahjus. See ränidioksiidi karbotermiline redutseerimine annab sulatatud räni

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

(13.1) Komplekssed reaktsiooniseeriad toimuvad ahjus temperatuuridel vahemikus 1500 kuni 2000∘C. Selle protsessi käigus saadud ränikogusid nimetatakse metallurgiliseks räniks (MG-Si) ja selle puhtus on umbes 98–99%.

13.2.2Polükristalne räni

Vahepealsed keemilised ühendid

Järgmine samm on MG-Si puhastamine pooljuhtklassi räni (SG-Si) tasemeni, mida kasutatakse ühekristallilise räni lähteainena. Põhimõte on see, et pulbristatud MG-Si reageeritakse veevaba HCl-ga, moodustades vedelkihtreaktoris mitmesugused klorosilaanühendid. Seejärel puhastatakse silaanid destilleerimise ja aurude keemilise sadestamise teel (CVD) moodustamaks SG-polüsilikooni.

Arvesse on võetud arvukalt vahepealseid keemilisi ühendeid, näiteks monosilaan (SiH4), ränitetrakloriid (SiCl4), triklorosilaan (SiHCl3) ja diklorosilaan (SiH2Cl2). Nende hulgas kasutatakse triklorosilaanit kõige sagedamini ränidioksiidi sadestamiseks järgmistel põhjustel:

1.
Seda saab hõlpsasti moodustada veevaba vesinikkloriidi reageerimisel MG-Si-ga suhteliselt madalatel temperatuuridel (200–400 ° C).∘C).
2.
See on toatemperatuuril vedel, nii et puhastamise saab läbi viia tavapäraste destilleerimistehnikate abil.
3.
Seda on lihtne käsitseda ja kuivana saab seda hoida süsinikterasest mahutites.
4.
Vedel triklorosilaan on kergesti aurustuv ja vesinikuga segatuna saab seda transportida terastorustikes.
5.
Seda saab vähendada atmosfäärirõhul vesiniku manulusel.
6.
Selle sadestumine võib toimuda kuumutatud räni peal, mis välistab kontakti tekkimise vajaduse võõra pinnaga, mis võib saadud räni saastata.
7.
See reageerib madalamatel temperatuuridel (1000–1200∘C) ja kiiremini kui ränitetrakloriid.

Räni hüdrokloorimine

Triklorosilaan sünteesitakse pulbrilise MG-Si kuumutamisel umbes 300 ° C juures∘C ülevõetud kihiga reaktoris. See tähendab, et MG-Si muundatakse SiHCl-ks3vastavalt järgnevale reaktsioonile

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

(13.2) Reaktsioon on väga eksotermiline ja seetõttu tuleb triklorosilaani saagise maksimeerimiseks eemaldada kuumus. MG-Si muundamisel SiHCl-ks3, mitmesugused lisandid nagu Fe, Al ja B eemaldatakse, muutes need halogeniidideks (FeCl3, AlCl3ja BCl3kõrvalsaadused nagu SiCl4ja H2toodetakse ka.

Triklorosilaani destilleerimine ja lagunemine

Triklorosilaani puhastamiseks on laialdaselt kasutatud destilleerimist. Triklorosilaan, mille keemistemperatuur on madal (31,8 ° C)∘C), destilleeritakse ebapuhastest halogeniididest fraktsionaalselt, mille tulemuseks on oluliselt suurem puhtus, elektriliselt aktiivse lisandi kontsentratsioon on väiksem kui 1 ppba. Seejärel aurutatakse ülipuhas triklorosilaan, lahjendatakse ülipuhta vesinikuga ja viiakse sadestamisreaktorisse. Reaktoris on räni pinna sadestamiseks vastavalt reaktsioonile saadaval õhukesed ränivardad, mida nimetatakse õhukesteks vardadeks, mida toetavad grafiitelektroodid

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

(13.3) Lisaks sellele toimub järgmine reaktsioon ka polüsilikooni sadestamisel, mille tulemuseks on ränitetrakloriidi moodustumine (protsessi peamine kõrvalprodukt)

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

(13.4) Seda ränitetrakloriidi kasutatakse näiteks kõrge puhtusega kvartsi tootmiseks.

Ütlematagi selge, et õhukeste varraste puhtus peab olema võrreldav ladestunud räni puhtusega. Õhukesed vardad on eelsoojendatud umbes 400-ni∘C räni CVD protsessi alguses. See eelsoojendus on vajalik selleks, et suurendada kõrge puhtusastmega (suure takistusega) õhukeste varraste juhtivust, et võimaldada takistuslikku kuumutamist. Hoiustamine 200–300 tunniks umbes 1100∘C tulemuseks on kõrge puhtusega 150–200 mm läbimõõduga polüoksiidvardad. Polükristallvarrastest vormitakse järgnevate kristallide kasvuprotsesside jaoks mitmesugused vormid, näiteks tükid Czochralski sulakasvuks ja pikad silindrilised vardad ujuktsooni kasvuks. Triklorosilaani redutseerimise protsessi kuumutatud ränivardal vesiniku abil kirjeldati 1950. aastate lõpus ja 1960. aastate alguses paljudes Siemensile antud protsessipatentides; seetõttu nimetatakse seda protsessi sageliSiemensi meetod[13.4].

Siimensi meetodi peamisteks puudusteks on halb räni ja kloori muundamise efektiivsus, suhteliselt väike partii suurus ja suur energiatarve. Räni ja kloori kehv konversioonitõhusus on seotud CVD protsessi kõrvalsaadusena toodetud ränitetrakloriidi suure mahuga. Ainult umbes 30%CVD reaktsioonis sisalduv räni muundatakse ülipuhtaks polüsiidiks. Samuti võivad kõrge puhtusega polüoksiidi tootmise kulud sõltuda kõrvalsaaduse SiCl kasulikkusest4.

Monosilaani protsess

Monosilaani tootmisel ja pürolüüsil põhinev apolüsilikooni tootmistehnoloogia kehtestati 1960. aastate lõpus. Monosilaan säästab potentsiaalselt energiat, kuna hoiab polüsilooni madalamal temperatuuril ja tekitab puhtamat polüsilikooni kui triklorosilaanprotsess; seda pole aga kasutatud peaaegu monosilaani säästliku tee puudumise ja ladestamisetapi töötlemisprobleemide tõttu [13.5]. Kuid tänu ülipuhta silaani säästlike marsruutide hiljutisele arengule ja suuremahulise tehase edukale tööle on see tehnoloogia äratanud pooljuhttööstuse tähelepanu, mis nõuab kõrgema puhtusega räni.

Praegustes tööstuslikes monosilaanprotsessides kuumutatakse magneesium ja MG-Si pulber temperatuurini 500 ° C∘C vesiniku atmosfääris magneesiumsilikaadi (Mg2Si), mis pannakse seejärel reageerima ammooniumkloriidiga (NH4Cl) vedelas ammoniaagis (NH3) alla 0∘C moodustades monosilaani (SiH4). Seejärel toodetakse kõrge puhtusega ränisisaldus monosilaani pürolüüsi teel resistiivselt kuumutatud polükristallfilamentkiududel temperatuuril 700–800∘C. Monosilaanide tekitamise protsessis eemaldatakse enamus boori lisandeid silaanist keemilise reaktsiooni abil NH-ga3. Aboroni sisaldus polüoksiidis on 0,01–0,02 ppba, kasutades amonosilaanprotsessi. See kontsentratsioon on väga madal võrreldes triklorosilaanist valmistatud polüsiidi kontsentratsiooniga. Pealegi on saadud polüsilikon vähem saastunud keemiliste transpordiprotsesside käigus kogutud metallidega, kuna monosilaani lagunemine ei tekita korrosiooniprobleeme.

Granuleeritud ränidioksiidi sadestamine

On välja töötatud märkimisväärselt erinev protsess, kus vabalt voolava teralise polüsiidi tootmiseks kasutatakse monosilaani lagundamist vedelkihis sadestamisreaktoris [13.5]. Pisikesed räni seemnete osakesed keevitatakse amonosilaani vesinikusegus ja polüoksiid ladestub, moodustades vabalt voolavaid sfäärilisi osakesi, mille läbimõõt on keskmiselt 700 μm ja asize jaotus 100–1500 μm. Keevkihi seemned valmistati algselt SG-Si jahvatamisel aball- või vasariveskis ja toote leotamise teel happe, vesinikperoksiidi ja veega. See protsess oli aeganõudev ja kulukas ning kippus metalliveskite kaudu süsteemi lisama soovimatuid lisandeid. Uue meetodi korral lastakse suured SG-Si osakesed üksteisega suure kiirusega gaasivoolu mõjul, mis põhjustab nende murdumise keevkihi jaoks sobiva suurusega osakesteks. See protsess ei sisalda võõrmaterjale ega nõua leostumist.

Granuleeritud polüsiidi suurema pinna tõttu on keevkihtreaktorid palju tõhusamad kui traditsioonilised Siemensi tüüpi vardareaktorid. Keevkihis sisalduva polüoksiidi kvaliteet on osutunud samaväärseks tavapärasema Siemensi meetodil toodetud polüoksiidiga. Pealegi võimaldab vabalt voolava vormi ja suure puistetihedusega granuleeritud ränidioksiid kristallikasvatajatel saada igast tootmisetapist maksimumi. See tähendab, et Czochralski kristallide kasvuprotsessis (vt järgmist jaotist) saab tiigleid kiiresti ja hõlpsalt täita ühtlaste koormusteni, mis tavaliselt ületavad Siemensi meetodil toodetud juhuslikult virnastatud polüsiidist tükke. Kui arvestada ka tehnika potentsiaaliga liikuda partiitöötluselt pidevale tõmbamisele (käsitletakse hiljem), siis näeme, et vabalt voolavad polüoksiidgraanulid võiksid pakkuda aunitaarse sööda soodsa tee tasakaaluolekusse. See toode näib olevat revolutsiooniline lähtematerjal, mis lubab ränikristallide kasvu väga palju.

13.3Ühekristalliline kasv

Ehkki polükristalli muutmiseks räni üksikkristallideks on kasutatud erinevaid tehnikaid, on nende valmistamisel elektroonika jaoks domineerinud kaks tehnikat, kuna need vastavad mikroelektroonikaseadmete tööstuse nõuetele. Üks on asooni sulatamise meetod, mida tavaliselt nimetatakseujuvvöönd (FZ) meetodja teine on apulling meetod, mida traditsiooniliselt nimetatakseCzochralski (CZ) meetod, kuigi seda tuleks tegelikult nimetadaTeal – väike meetod. Nende kahe kristallide kasvu meetodi põhimõtted on kujutatud joonisel fig.13.3. FZ-meetodil lastakse sulatatud tsoon läbi apolüsilikoonvarda, et muuta see ühekristallvaluks; CZ meetodil kasvatatakse ühekristalle akvarelltiiglis sisalduvast amelist tõmmates. Mõlemal juhul onseemnekristallmängib väga olulist rolli soovitud kristallograafilise orientatsiooniga ühekristallide saamiseks.

Fig. 13.3a,b — Joonised 13.3a, b
Ühekristallilise kasvu põhimõtted (a) ujuva tsooni meetod ja (b) Czochralski meetod. (Pärast [13.1])

Hinnanguliselt on umbes 95%kogu monokristallilisest räni toodetakse CZ meetodil ja ülejäänu peamiselt FZ meetodil. Räni pooljuhtide tööstus nõuab seadme ränikristallides suurt puhtust ja minimaalset defektide kontsentratsiooni, et optimeerida seadme tootmise saagikust ja tööparameetreid. Need nõuded muutuvad üha karmimaks, kui tehnoloogia muutub LSI-st VLSI-ks ULSI-ks ja seejärel SOC-ks. Lisaks ränikristallide kvaliteedile või täiuslikkusele on seadmete tootjate nõudmistele vastamiseks pidevalt suurenenud ka kristallide läbimõõt. Kuna mikroelektroonilisi kiipe toodetakse apartiisüsteem, seadme valmistamiseks kasutatud ränilaudade läbimõõdud mõjutavad oluliselt tootlikkust (nagu on näidatud joonisel fig.13.2) ja omakorda tootmiskulud.

Järgmistes jaotistes käsitleme kõigepealt FZ-meetodit ja seejärel liikume edasi CZ-meetodile. Viimast käsitletakse üksikasjalikumalt, kuna see on mikroelektroonikatööstuse jaoks äärmiselt oluline.

13.3.1Ujuva tsooni meetod

Üldised märkused

FZ-meetod sai alguse tsoonisulatusest, mida kasutati binaarsulamite täpsustamiseks [13.6] ja selle leiutasTheuerer[13.7]. Vedel räni reaktiivsus tiiglis kasutatud materjaliga viis FZ meetodi väljatöötamiseni [13.8], mis võimaldab räni kristalliseerumist, ilma et oleks vaja kontakti tiigli materjaliga, mis on vajalik nõutava pooljuhtpuhtusega kristallide kasvatamiseks.

Protsessi ülevaade

FZ-protsessis muundatakse apolüsilikoonvarras ühekristall-valuplokiks, läbides varda-silma mähisega kuumutatud sulatsooni varda ühest otsast teise, nagu on näidatud joonisel fig.13.3a. Esiteks võetakse polüsisioonvarda ots kokku ja sulatatakse soovitud kristallisuunas aseedkristallidega. Seda protsessi nimetataksekülvamine. Külvatud sulatatud tsoon lastakse läbi ränidioksiidvarda, viies ühekristalliseemne samal ajal vardast alla. Kui räni sulatatud tsoon tahkub, muundatakse polüoksiid seemnekristalli abil ühekristalseks räni. Tsooni liikumisel mööda ränidioksiidvarda külmub ühekristalliline räni selle otsas ja kasvab seemnekristalli jätkuna.

Pärast külvamist moodustub umbes 2 või 3 mm läbimõõduga ja 10–20 mm pikkune kaelus. Seda protsessi nimetataksekaelus. Kasvav aneck välistab nihestused, mida võib termilise šoki tõttu külviprotsessi käigus äsja kasvanud ühekristallilisse räni viia. See kaelamisprotsess, mida nimetatakseKriipsutehnika[13.2], on seega dislokatsioonivabade kristallide kasvatamisel fundamentaalne ja seda kasutatakse universaalselt nii FZ kui ka CZ meetodites. FZ-meetodil kasvatatud asilikooni üksikkristalli seemne, kaela ja koonilise osa röntgenpilt on näidatud joonisel fig.13.4. On ilmne, et sulatuskontaktil tekkinud dislokatsioonid kaob täielikult ära. Pärast koonilise osa moodustamist kasvatatakse kogu sihtmärgi läbimõõduga põhiosa. Kogu FZ kasvuprotsessi vältel määratakse sulatatud tsooni kuju ja valuploki läbimõõt, reguleerides mähise võimsust ja liikumiskiirust, mis mõlemad on arvuti kontrolli all. Nii FZ kui ka CZ meetodi puhul kasutatakse kõige sagedamini läbimõõdu automaatseks juhtimiseks tehnikat, mis kasutab meniskile keskendunud infrapunaandurit. Meniski kuju juurduva kristalli korral sõltub selle kokkupuutenurgast kolmefaasilisel piiril, kristalli läbimõõdust ja pindpinevuse suurusest. Tuvastatakse meniski nurga (ja seega ka kristalli läbimõõdu) muutus ning teave suunatakse tagasi, et kasvutingimusi automaatselt reguleerida.

Fig. 13.4 — Joonis 13.4
Ujuvtsooni räni seemne, kaela ja koonilise osa röntgenograafia. (Dr T. Abe nõusolekul)

Erinevalt CZ kristallide kasvust, kus seemnekristall kastetakse ränisulasse ja kasvav kristall tõmmatakse ülespoole, toetab FZ-meetodi järgi õhuke seemnekristall kasvavat kristalli, nagu ka põhjaga silikoonvarda (joonis fig.13.3). Selle tulemusena on varras kogu kasvuprotsessi vältel õhukese seemne ja kaela suhtes ebakindel. Seeme ja kael suudavad toetada kuni 20 kg kaaluvat akristat, kui kasvava kristalli raskuskese jääb kasvusüsteemi keskmesse. Kui raskuskese eemaldub keskjoonest, puruneb seeme kergesti. Seetõttu oli enne pikkade ja raskete FZ räni kristallide kasvatamist vaja leiutada akrüüli stabiliseerimis- ja tugitehnika. Suurte kristallide jaoks on vaja kasvavat kristalli toetada joonisel fig.13.5[13.9], eriti hiljutiste suure läbimõõduga (150–200 mm) FZ-kristallide puhul, kuna nende kaal ületab kergesti 20 kg.

Fig. 13.5 — Joonis 13.5
Ujuktsooniga ränikristalli tugisüsteem. (Pärast [13.9])

Doping

Nõutava takistusega n- või p-tüüpi räni monokristallide saamiseks tuleb kas polüsilikoonile või kasvavale kristallile lisada sobivaid doonori- või aktseptorilisandeid. FZ räni kasvatamiseks, kuigi on proovitud mitmeid dopinguvõtteid, lisatakse kristalle tavaliselt adopantgaasi, näiteks fosfiini (PH3) n-tüüpi räni või diboraani (B2H6) p-tüüpi räni jaoks sulatatud tsooni. Lisandgaas lahjendatakse tavaliselt vesikihiga, näiteks argooniga. Selle meetodi suur eelis on see, et ränikristallide tootja ei pea hoidma erineva takistusega polüoksiidallikaid.

Kuna n-tüüpi räni elementaarsete lisandite eraldamine (käsitletakse järgmises alapeatükis) on palju väiksem kui ühtsus, on traditsioonilisel meetodil legeeritud FZ-kristallidel radiaalsed dopandi gradientid. Veelgi enam, kuna kristalliseerumiskiirus varieerub mikroskoopilises skaalas radiaalsuunas, jaotuvad lisandi kontsentratsioonid tsükliliselt ja tekitavad nn.dopandivöödad, mille tulemuseks on radiaalse takistuse ebaühtlus. Homogeensemalt legeeritud n-tüüpi räni saamiseks tuleb neutronite transmutatsiooniga dopingut (NTD) on rakendatud FZ ränikristallidele [13.10]. See protseduur hõlmab räni tuuma transmutatsiooni fosforiks, pommitades kristalli termiliste neutronitega vastavalt reaktsioonile

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

(13.5) Radioaktiivne isotoop31Si moodustub siis, kui30Si haarab aneutroni ja laguneb seejärel stabiilseks isotoopiks31P (doonori aatomid), mille jaotus ei sõltu kristallide kasvu parameetritest. Vahetult pärast kiiritamist on kristallidel kõrge takistus, mis tuleneb kiirguskahjustustest tulenevast suurest võre defektist. Kiiritatud kristall tuleb seetõttu lõõmutada inertses keskkonnas temperatuuril umbes 700 ° C∘C defektide hävitamiseks ja fosfori dopingust tuleneva vastupanuvõime taastamiseks. NTD skeemi kohaselt kasvatatakse kristalle ilma dopinguta ja seejärel kiiritatakse neid tuumareaktoris suurte termiliste ja kiirete neutronite suhtega, et suurendada neutronite püüdmist ja minimeerida kristallvõre kahjustusi.

NTD rakendamine on peaaegu eranditult piiratud FZ kristallidega, kuna nende puhtus on suurem kui CZ kristallidel. Kui CZ räni kristallidele rakendati NTD tehnikat, leiti, et hapniku doonori moodustumine lõõmutamisprotsessi ajal pärast kiiritamist muutis vastupanuvõimet oodatust, kuigi fosforidoonori homogeensus saavutati [13.11]. NTD-l on täiendav puudus, et p-tüüpi dopandite jaoks pole ühtegi protsessi saadaval ja madala vastupanuvõime korral (vahemikus 1–10 Ω cm) on vaja liiga pikka kiiritusperioodi.

FZ-ränikristalli omadused

FZ kristallide kasvu ajal ei puutu sula räni kokku ainega, mis on kasvukambris olev ümbritsev gaas. Seetõttu eristab FZ ränikristalle oma suurema puhtuse poolest võrreldes sulamist kasvanud aCZ-kristallidega, mis on seotud kokkupuutega akvaarkiigliga. See kokkupuude põhjustab kõrge hapniku lisandi kontsentratsiooni umbes 1018aatomid ∕ cm3CZ kristallides, samas kui FZ räni sisaldab vähem kui 1016aatomid ∕ cm3. See suurem puhtus võimaldab FZ ränil saavutada kõrge vastupidavuse, mida ei saa CZ räni abil. Enamiku tarbitud FZ räni arestistivus on vahemikus 10 kuni 200 Ω cm, samal ajal kui CZ räni on tavaliselt ette nähtud kvartstiigli saastumise tõttu 50 Ω cm või vähem. FZ-räni kasutatakse seetõttu peamiselt pooljuhtseadmete tootmiseks, mis toetavad vastupidiseid pingeid üle 750–1000 V. NTD FZ-Si ülipuhaste kristallide kasv ja täpsed dopinguomadused on viinud ka selle kasutamiseni infrapunadetektorites [13.12], näiteks.

Kui aga arvestada mehaanilist tugevust, on juba aastaid tunnustatud, et FZ räni, mis sisaldab vähem hapniku lisandeid kui CZ räni, on seadme valmistamisel mehaaniliselt nõrgem ja haavatavam termilise stressi suhtes [13.13,13.14]. Räni vahvlite töötlemine kõrgel temperatuuril elektroonikaseadmete tootmisel tekitab sageli piisavalt termilist pinget, et tekitada libisemisohte ja deformatsioone. Need mõjud toovad kaasa saagikadu lekkivate ristmike, dielektriliste defektide ja lühema eluea tõttu, samuti vähenevad fotolitograafilised saagid vahvlite lameduse halvenemise tõttu. Väändumisest tingitud geomeetrilise tasapinna kadu võib olla nii suur, et oblaate ei töödelda enam. Seetõttu on CZ räni vahvleid IC-seadmete valmistamisel kasutatud palju laiemalt kui FZ-plaate. See erinevus mehaanilises stabiilsuses termiliste pingete vastu on domineeriv põhjus, miks CZ räni kristalle kasutatakse eranditult selliste IC-de tootmiseks, mis nõuavad suurt hulka termilise protsessi etappe.

Nimetatud FZ räni puuduste kõrvaldamiseks tuleks FZ ränikristallide kasvu koos dopinguliste lisanditega nagu hapnik [13.15] ja lämmastik [13.16] on üritatud. Leiti, et FZ ränikristallide doping hapniku või lämmastikuga kontsentratsioonil $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ või $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ vastavalt põhjustab märgatavat mehaanilise tugevuse kasvu.

13.3.2Czochralski meetod

Üldised märkused

See meetod sai nime J. Czochralski järgi, kes rajas metallide kristalliseerumiskiiruste määramiseks ateenika [13.17]. Kuid tegeliku tõmbamismeetodi, mida on ühekristallide kasvu jaoks laialdaselt kasutatud, töötas väljaTealjaVähe[13.18], kes muutis Czochralski põhiprintsiipi. Nad kasvatasid esimesena 1950. aastal 8 tolli pikkuse ja 0,75 tolli läbimõõduga germaaniumi üksikkristallid. Seejärel kavandasid nad teise seadme räni kasvatamiseks kõrgematel temperatuuridel. Ehkki ühekristallilise räni tootmise põhiprotsess on pärast Teali ja töökaaslaste teerajamist vähe muutunud, on suure läbimõõduga (kuni 400 mm) kõrge täiuslikkusega ränikristallkristallid, mis vastavad tipptasemel seadmetele nõudmisi on kasvatatud, lisades aparaati Dashi tehnika ja järjestikused tehnoloogilised uuendused.

Tänased ränikristalle puudutavad uurimis- ja arendustegevused on suunatud kristallide omaduste mikroskoopilise ühtluse saavutamisele, näiteks lisakindluse ja lisandite ning mikrodefektide kontsentratsioonidele, samuti nende mikroskoopilisele kontrollile, mida käsitletakse mujal selles käsiraamatus.

Protsessi ülevaade

CZ kristallide kasvu kolm kõige olulisemat etappi on skemaatiliselt näidatud joonisel fig.13.3b. Põhimõtteliselt on CZ kasvu protsess sarnane FZ kasvu protsessiga: (1) polüsilikooni sulatamine, (2) külvamine ja (3) kasvatamine. CZ tõmbamisprotseduur on aga keerukam kui FZ kasvu korral ja erineb sellest sulatatud räni sisaldamiseks akvaarkiigli kasutamisega. Joonis fig13.6näitab aschemaatilist vaadet tüüpilistele kaasaegsetele CZ kristallide kasvuseadmetele. Olulised etapid tegelikus või standardses CZ räni kristallide kasvu järjestuses on järgmised:

1.
Polükristalli tükid või terad pannakse akvaarkiiglisse ja sulatatakse räni sulamistemperatuurist kõrgemal temperatuuril (1420∘C) inertses ümbritsevas gaasis.
2.
Sulat hoitakse mõnda aega kõrgel temperatuuril, et tagada sulatamisest pisikeste mullide täielik sulamine ja väljaviskamine, mis võivad põhjustada tühimikke või negatiivseid kristallidefekte.
3.
Soovitud kristallisuunas olevad kristallid kastetakse sulatisse, kuni see hakkab ise sulama. Seejärel tõmmatakse seeme sulatisest välja nii, et läbimõõt järk-järgult vähendades moodustub kael; see on kõige õrnem samm. Kogu kristallide kasvuprotsessi vältel voolab inertgaas (tavaliselt argoon) tõmbekambri kaudu allapoole, et viia välja reaktsioonisaadused, nagu SiO ja CO.
4.
Kristalli läbimõõtu järk-järgult suurendades kasvatatakse koonilist osa ja õla. Läbimõõtu suurendatakse kuni läbimõõduni, vähendades tõmbamiskiirust ja ∕ või sulamistemperatuuri.
5.
Lõpuks kasvatatakse konstantse läbimõõduga keha silindrilist osa, reguleerides tõmbamiskiirust ja sulamistemperatuuri, kompenseerides samal ajal kristallide kasvades sula taseme langust. Tõmbamiskiirus väheneb tavaliselt külvatava kristalli sabaosa suunas, peamiselt tiigli seina suureneva soojuskiirguse tõttu, kui sulamistase langeb ja paljastab kasvava kristalli jaoks suurema tiigli seina. Kasvuprotsessi lõpu lähedal, kuid enne, kui tiigel sulavast ränist täielikult välja voolab, tuleb kristallide läbimõõtu järk-järgult vähendada, et moodustada otsakoonus, et minimeerida termilist šokki, mis võib sabaotsas põhjustada libisemisi. Kui läbimõõt muutub piisavalt väikeseks, saab kristalli sulast eraldada ilma dislokatsioone tekitamata.

Joonis fig13.7näitab kasvanud CZ ränikristalli seemneotsa osa. Ehkki seemnest silindrilisele osale üleminekupiirkonnaks olev mais on tavaliselt majanduslikel põhjustel üsna tasane, võib akrüüli kvaliteedi seisukohast olla soovitav kitsenev kuju. Õlaosa ja selle ümbrust ei tohiks seadme valmistamiseks kasutada, sest seda osa peetakse paljudes mõttes atransiioonipiirkonnaks ja sellel on kasvutingimuste järsu muutuse tõttu ebaühtlased kristallomadused.

Fig. 13.6 — Joonis 13.6
Skemaatiline vaade tüüpilisele Czochralski räni kristallide kasvatamise süsteemile. (Pärast [13.1])

Joonis fig13.8näitab eriti suurt kasvanud CZ ränikristallvalu läbimõõduga 400 mm ja pikkust 1800 mm, mille on kasvatanud Jaapani superräni kristallide uurimisinstituut Corporation [13.3].

Ruumilise asukoha mõjuGrownCrystalile

Nagu joon.13.9on selgelt kujutatud, et aCZ kristallide iga osa kasvatatakse erineval ajal erinevate kasvutingimustega [13.19]. Seega on oluline mõista, et igal portsjonil on erinev kristallide omaduste kogum ja erinev termiline ajalugu, kuna see on kristallipikkuses erinev. Näiteks on seemneotsa osa pikema termilise ajalooga, ulatudes sulamistemperatuurist 1420 kuni umbes 400 ° C∘C on apulleris, samal ajal kui sabaosa osa on anamneesis ja jahutatakse sulamistemperatuurist üsna kiiresti. Lõppkokkuvõttes võib igal räniklaasil, mis on valmistatud alamkristalli erinevast osast, olla erinevad füüsikalis-keemilised omadused, sõltuvalt selle asukohast valuplokis. Tegelikult on teatatud, et hapniku sadestumise käitumisel on suurim sõltuvus asukohast, mis omakorda mõjutab puistevigade teket [13.20].

Fig. 13.9 — Joonis 13.9
Termiline keskkond Czochralski kristallide kasvu ajal alg- ja lõppfaasis.Noolednäidata ligikaudseid soojusvoo suundi. (Pärast [13.19])

Samuti toimub nii kristallidefektide kui ka lisandite anonüümne jaotus kogu aCZ-kristalli ränisulast kristallunud või tahkunud kristall-sulamispiirkonnas kristalliseerunud või tahkunud aflati vahvli ristlõikes, mis on tavaliselt CZ-kristallide kasvu protsessis kõver. Selliseid mittehomogeensusi võib täheldada järgmiselt:triibud, mida arutatakse hiljem.

13.3.3Lisandid Czochralski ränis

Elektroonilistes seadmetes kasutatavate räni pooljuhtide omadused on lisandite suhtes väga tundlikud. Selle tundlikkuse tõttu saab räni elektrilisi ja elektroonilisi omadusi täpselt kontrollida, lisades võimalikult väikese koguse lisandeid. Lisaks sellele lisandi tundlikkusele mõjutab saastumine lisanditega (eriti siirdemetallidega) negatiivselt räni omadusi ja põhjustab seadme jõudluse tõsist halvenemist. Pealegi on CZ ränikristallides hapniku sisaldus kümnetes aatomites miljoni kohta räni sulatise ja kvartstiigli vahelise reaktsiooni tõttu. Sõltumata sellest, kui palju hapnikku kristallis on, mõjutab ränikristallide omadusi suuresti hapniku kontsentratsioon ja käitumine [13.21]. Lisaks sellele lisatakse süsinik CZ räni kristallidesse kas polüsiidist toorainest või kasvuprotsessis, tänu CZ tõmbeseadmetes kasutatavatele grafiidiosadele. Kuigi süsiniku kontsentratsioon kaubanduslikes CZ räni kristallides on tavaliselt väiksem kui 0,1 ppma, on süsinik lisand, mis mõjutab oluliselt hapniku käitumist [13.22,13.23]. Samuti lämmastikuga legeeritud CZ ränikristallid [13.24,13.25] on viimasel ajal pälvinud palju tähelepanu oma kõrge mikroskoopilise kristallkvaliteedi tõttu, mis võib vastata tipptehnoloogiliste elektroonikaseadmete nõuetele [13.26,13.27].

Lisandite mittehomogeensus

Sulatamisest kristallimisel lisatakse kasvavasse kristalli mitmesuguseid sulas sisalduvaid lisandeid (sealhulgas lisandeid). Tahke faasi lisandite kontsentratsioon erineb tavaliselt vedelast faasist, mis on tingitud aphenomenonist, mida nimetatakseeraldamine.

Eraldamine

Mitmekomponendiliste süsteemide tahkumisega seotud tasakaalu segregatsioonikäitumise saab määrata abinaarsüsteemi vastava faasiskeemi abilsoluut(lisand) ja alahusti(peremeesmaterjal) komponentidena.

Aine tahke räni lahustuvuse suhe [CA]ssellele vedelas räni [CA]L

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

(13.6) nimetataksetasakaalu eraldamise koefitsient. Lisandite lahustuvus vedelas ränis on alati kõrgem kui tahkes ränis; see on,k0& lt; 1. Tasakaalu segregatsiooni koefitsientk0on rakendatav tahkestumisel ainult tühiselt aeglase kasvu korral. Lõpliku või suurema tahkestumise korral on lisandiga aatomidk0& lt; Ühendid 1 lükatakse edasiliikuva tahke aine poolt tagasi suurema kiirusega, kui need võivad sulasse hajuda. CZ kristallide kasvuprotsessis toimub eraldumine tahkestumise alguses ageniseeritud seemne ja sulatuse piiril ning tagasilükatud lisandite aatomid hakkavad kasvupiirkonna lähedal kogunema sulakihis ja difundeeruvad suurema osa sula suunas. Selles olukorrasefektiivne eralduskoefitsientkefsaab määratleda CZ kristallide kasvu ajal ja lisandite kontsentratsiooni [C]saCZ kristallis saab tuletada

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

(13.7) kus [C0] on lisandite esialgne kontsentratsioon sulamis jagon tahkestunud fraktsioon.

Sellest tulenevalt on selge, et lisandite taseme amakroskoopiline pikisuunaline varieerumine, mis põhjustab lisandi kontsentratsiooni varieerumise tõttu takistuse suurenemist, on CZ partii kasvuprotsessile omane; see on tingitud segregatsiooninähtusest. Veelgi enam, lisandite pikisuunalist jaotumist mõjutavad sula konvektsiooni suuruse ja olemuse muutused, mis tekivad, kui kristallide kasvu ajal sulasuhte suhe väheneb.

Vöötused

Enamikus kristallide kasvuprotsessides on parameetrites nagu hetkeline mikroskoopiline kasvukiirus ja difusiooni piirikihi paksus üleminekud, mille tulemuseks on efektiivse segregatsioonikoefitsiendi variatsioonidkef. Need variatsioonid põhjustavad mikroskoopilisi kompositsioonide mittehomogeensusi vormistriibudparalleelselt kristalli ja sula liidesega. Vöötlemisi saab hõlpsasti piiritleda mitme tehnika abil, näiteks eelistatava keemilise söövitamise ja röntgentopograafia abil. Joonis fig13.10näitab keemilise söövitamise käigus ilmnenud triipe aCZ ränikristalli pikisuunalise ristlõike õlaosas. Samuti on selgelt täheldatud kasvupiirkonna kuju järkjärgulist muutumist.

Fig. 13.10 — Joonis 13.10
Keemilise söövitamise tulemusel ilmnenud kasvulõngad Czochralski räni tuhas

Triibud on füüsiliselt põhjustatud lisandite ja ka punktdefektide eraldamisest; striatsioone põhjustavad praktiliselt temperatuuri kõikumised kristalli ja sula vahelise liidese lähedal, mille põhjuseks on ebastabiilne termiline konvektsioon sulas ja kristalli pöörlemine asümmeetrilises termilises keskkonnas. Lisaks võivad kasvuseadmete halbadest juhtimismehhanismidest tingitud mehaanilised vibratsioonid põhjustada ka temperatuuri kõikumisi.

Joonis fig13.11illustreerib skemaatiliselt aCZ-s kasvatatud kristallide ristlõiget, mis sisaldab kõverdatud kristallide ja sulamite liidest, mille tulemuseks on ashice'i pinnal ebaühtlus. Kuna iga tasapinnaline vahvkel on viilutatud, sisaldab see mitut kõverat vöö erinevat osa. Erinevadfonograaf heliseb, nimetataksekeerlema, siis võib igas vahvlis esineda, mida võib ülalnimetatud tehnikaid kasutades täheldada kogu vahvel.

Doping

Soovitud takistuse saamiseks lisatakse ränisulamile vastavalt takistuse ja kontsentratsiooni suhtele teatud kogus dopanti (kas doonori või aktseptori aatomeid). Tavapärane on lisada lisandeid räniosakeste või umbes 0,01 Ω cm takistustükkidena, mida nimetatakse lisandi kinnitusteks, kuna vajaliku puhta lisandi kogus on juhitamatult väike, välja arvatud tugevalt legeeritud ränimaterjalid (n+või lk+räni).

Asendijuhtmaterjali adopandi valimise kriteeriumid on järgmised:

1.
Sobiv energiatase
2.
Suur lahustuvus
3.
Sobiv või madal hajuvus
4.
Madal aururõhk.

Suur difusioon või kõrge aururõhk põhjustab dopandite ebasoovitavat difusiooni või aurustumist, mille tulemuseks on seadme ebastabiilne töö ja raskused takistuse täpse juhtimise saavutamisel. Liiga väike lahustuvus piirab saadavat takistust. Lisaks nendele kriteeriumidele tuleb arvestada ka keemiliste omadustega (näiteks toksilisusega). Kristallide kasvu seisukohast on veel see, et dopandil on asegregatsioonikoefitsient, mis on lähedane ühtsusele, et muuta takistus võimalikult ühtlaseks alates CZ kristallvalu seemneotsast kuni sabaotsast. Järelikult on fosfor (P) ja boor (B) kõige sagedamini kasutatavad räni doonorid ja aktseptorid. Sest n+räni, milles doonori aatomid on tugevalt legeeritud, kasutatakse fosfori asemel tavaliselt antimoni (Sb) selle väiksema hajutatuse tõttu, vaatamata väikesele eralduskoefitsiendile ja suurele aururõhule, mis põhjustavad kontsentratsiooni suuri muutusi nii aksiaalses kui ka radiaalsuunad.

Hapnik ja süsinik

Nagu skemaatiliselt näidatud joonistel fig.13.3b ja13.6, vesikvarts (SiO2) CZ-Si kristallide kasvu meetodil kasutatakse tiigli ja grafiidi kuumutuselemente. Ränisulaga kokkupuutuva tiigli pind lahustub reaktsiooni toimel järk-järgult

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

(13.8) See reaktsioon rikastab ränisulatust hapnikuga. Suurem osa hapniku aatomitest aurustub sulamispinnalt lenduva räni monooksiidina (SiO), kuid osa neist integreeritakse ränikristallidesse kristallide ja sulamite liidese kaudu. Kuid CZ räni kristallides sisalduv süsinik pärineb peamiselt polükristallilisest lähteainest materjal. Süsiniku sisaldus vahemikus 0,1 kuni 1 ppma, olenevalt tootjast, on polüsiidist. Eeldatakse, et polüsilikooni süsinikuallikad on peamiselt süsinikku sisaldavad lisandid, mida leidub polükliidi tootmisel kasutatud triklorosilaanis. CZ tõmbeseadmete grafiitdetailid võivad süsiniku saastumisele kaasa aidata ka hapniku reageerimisel, mis on alati ümbritseva keskkonna ajal olemas. Saadud CO ja CO tooted2lahustatakse räni sulatises ja arvestatakse ränikristallides sisalduvate süsiniku lisanditega. Seega on hapnik ja süsinik kaks peamist mittepopulaarset lisandit, mis on lisatud CZ räni kristallidesse joonisel fig.13.12. Nende lisandite käitumist ränis, mis mõjutavad CZ ränikristallide omadusi, on intensiivselt uuritud alates 1950. aastate lõpust [13.21].

Fig. 13.12 — Joonis 13.12
Hapniku ja süsiniku lisamine Czochralski räni kristallidesse. (Pärast [13.1])

13.4Uued kristallide kasvu meetodid

Mikroelektrooniliste seadmete valmistamiseks kasutatavad ränikristallid peavad vastama seadmetootjate kehtestatud nõuetele. Lisaks räni nõuetelevahvlid, on suure saagikuse ja suure jõudlusega mikroelektrooniliste seadmete tootmise tõttu muutunud tavalisemaks järgmised kristallograafilised nõuded:

1.
Suur läbimõõt
2.
Väike või kontrollitud defektide tihedus
3.
Ühtne ja madala radiaalse takistuse gradient
4.
Optimaalne algne hapniku kontsentratsioon ja selle sadestumine.

On selge, et ränikristallide tootjad peavad mitte ainult vastama ülaltoodud nõuetele, vaid ka tootma neid kristalle säästlikult ja suure tootlikkusega. Räni kristallikasvatajate peamisteks muredeks on kristallograafiline täiuslikkus ja CZ räni lisandid aksiaalsel jaotusel. Tavapärase CZ kristallide kasvu meetodiga seotud probleemide ületamiseks on välja töötatud mitu uut kristallide kasvu meetodit.

13.4.1Czochralski kasv rakendatudmagnetväljas (MCZ)

Sulakonvektsioonivoog tiiglis mõjutab tugevalt CZ räni kristallide kvaliteeti. Eelkõige indutseerib ebasoodsad kasvulõngad ebastabiilse sula konvektsiooni tagajärjel, mis põhjustab temperatuuri kõikumisi kasvupiirkonnas. Esmalt rakendati indiumantimoniidi kristallikasvule horisontaalse paaditehnika abil magnetvälja võimet pärssida termokonvektsiooni elektrit juhtivas vedelikus [13.28] ja horisontaalse tsooni sulatamise tehnika [13.29]. Nende uuringute abil kinnitati, et piisava tugevusega magnetväli võib pärssida sula konvektsiooniga kaasnevaid temperatuurikõikumisi ja võib dramaatiliselt vähendada kasvu triipe.

Magnetvälja mõju kasvu triibudele on seletatav selle võimega vähendada amelli turbulentset termilist konvektsiooni ja omakorda vähendada temperatuuri kõikumisi kristalli ja sulatuse liidesel. Magnetvälja põhjustatud vedeliku voolu sumbumine on tingitud indutseeritud magnetomotoorjõust, kui vool on magnetvoo joontega ristkülikukujuline, mille tulemuseks on juhtiva sula efektiivse kinemaatilise viskoossuse suurenemine.

Ränikristallide kasvu magnetvälja rakendatud CZ (MCZ) meetodil teatati esmakordselt 1980. aastal [13.30]. Algselt oli MCZ ette nähtud CZ ränikristallide kasvatamiseks, mis sisaldavad väikeseid hapniku kontsentratsioone ja millel on seetõttu madalad radiaalsed variatsioonid suured takistused. Teisisõnu eeldati, et MCZ räni asendab peaaegu eranditult elektriseadmete tootmiseks kasutatavat FZ räni. Sellest ajast alates on välja töötatud mitmesuguseid magnetvälja konfiguratsioone nii magnetvälja suuna (horisontaalne või vertikaalne) kui ka kasutatud magnetite tüübi (tavaline juhtiv või ülijuhtiv) osas [13.31]. MCZ räni, mis on toodetud soovitud hapniku kontsentratsioonide ulatuslikus vahemikus (madalast kuni kõrgeimani), on erinevate seadmete rakenduste jaoks suurt huvi pakkunud. MCZ räni väärtus seisneb selle kõrges kvaliteedis ja võimes kontrollida hapniku kontsentratsiooni ulatuslikus vahemikus, mida ei saa saavutada tavapärase CZ-meetodi abil [13.32], samuti selle suurenenud kasvumäär [13.33].

Mis puutub kristallikvaliteeti, siis pole kahtlust, et MCZ-meetod tagab ränikristallid, mis on pooljuhtseadmete tööstusele kõige soodsamad. MCZ-räni tootmiskulud võivad olla kõrgemad kui tavapärase CZ-räni omad, kuna MCZ-meetod kulutab rohkem elektrit ja nõuab elektromagnetite jaoks täiendavaid seadmeid ja tööruumi; võttes arvesse MCZ suuremat kasvukiirust ja kui kasutatakse ülijuhtivaid magneteid, mis vajavad väiksemat ruumi ja tarbivad vähem elektrienergiat võrreldes juhtivate magnetitega, võivad MCZ ränikristallide tootmiskulud olla võrreldavad tavapäraste CZ ränikristallide omadega. Lisaks võib MCZ räni parem kristallikvaliteet suurendada tootmist ja vähendada tootmiskulusid.

13.4.2Pidev Czochralski meetod (CCZ)

Kristallide tootmiskulud sõltuvad suures osas materjalide maksumusest, eriti kvartstiiglite jaoks kasutatavate kuludest. Tavapärases CZ-protsessis, mida nimetatakse apartiiprotsess, tõmmatakse akrüül ühes tiigli laengust ja kvartstiiglit kasutatakse ainult üks kord ja seejärel visatakse ära. Seda seetõttu, et väike kogus järelejäänud räni lõheneb tiiglit, kui see iga kasvukorra ajal kõrgest temperatuurist jahtub.

Akvaretttiigli sulaga ökonoomse täiendamise ainulaadne eesmärk on kristalli kasvades pidevalt sööda lisamine ja seeläbi sula püsiva mahu säilitamine. Lisaks tiigikulude kokkuhoiule pakub pideva laadimisega Czochralski (CCZ) meetod ideaalset keskkonda ränikristallide kasvuks. Nagu juba mainitud, on paljud tavapärase CZ-partiiprotsessiga kasvatatud kristallide mittehomogeensused otsese ebakindla kineetika tagajärg, mis tuleneb sulamahu muutumisest kristallide kasvu ajal. CCZ meetodi eesmärk on lisaks tootmiskulude vähendamisele ka kristallide kasvatamine püsivates tingimustes. Hoides sulamahtu konstantsel tasemel, on võimalik saavutada püsivad termilised ja sulavoolu tingimused (vt joonis fig.13.9, mis näitab termilise keskkonna muutust tavapärase CZ kasvu ajal).

Pidev laadimine viiakse tavaliselt läbi ränidioksiidi söötmisega, nagu on näidatud joonisel fig.13.13[13.34]. See süsteem koosneb polüoksiidist toormaterjali ladustamiseks mõeldud isikust ja polüsiidi tiiglisse viivast lennukisööturist. Räni sulatist sisaldavas tiiglis on vaja akvartsist deflektorit, et vältida sulamisturbulentsi, mis on põhjustatud tahke materjali söötmisest kasvupinna ümber. CCZ meetodi jaoks on ilmselgelt kasulikud vabalt voolavad polüsiidist graanulid, nagu eespool mainitud.

CCZ-meetod lahendab kindlasti suurema osa tavapärase CZ-meetodiga kasvatatud kristallide mittehomogeensusega seotud probleemidest. Veelgi enam, MCZ ja CCZ (magnetvälja abil rakendatava pideva CZ (MCCZ) meetod) peaks pakkuma ülimat kristallide kasvu meetodit, mis annab ideaalsed ränikristallid mitmesuguste mikroelektrooniliste rakenduste jaoks [13.1]. Tõepoolest, seda on kasutatud mikroelektrooniliste seadmete jaoks mõeldud kvaliteetsete ränikristallide kasvatamiseks [13.35].

Siiski tuleb rõhutada, et kristalli eri osade (seemnest sabaotsteni) erinevad termilised ajalood, nagu on näidatud joonisel fig.13.9) tuleb kaaluda ka siis, kui kristalli kasvatatakse ideaalse kasvumeetodi abil. Kasvanud kristalli homogeniseerimiseks või termilise anamneesi aksiaalse ühtluse saavutamiseks on mingis vormis järeltöötlus, näiteks kõrgel temperatuuril lõõmutamine [13.36], on kristalli jaoks vajalik.

13.4.3Kaeluseta kasvu meetod

Nagu varem mainitud, on Dashi kaelusprotsess (mis kasvatab kaela läbimõõduga 3–5 mm, joon.13.7) on CZ kristallide kasvu ajal kriitiline samm, kuna see välistab kasvanud dislokatsioonid. See tehnika on olnud tööstusharu standard juba üle 40 aasta. Kuid hiljutised nõudmised suurte kristallide läbimõõdu (& gt; 300 mm, kaal üle 300 kg) järele on põhjustanud vajaduse suurema läbimõõduga kaelade järele, mis ei põhjusta kasvavasse kristalli nihestusi, kuna atiinkaela läbimõõt on 3–5 mm ei toeta nii suuri kristalle.

Suure läbimõõduga seemned, mis on tavaliselt 170 mm pikad ja mille minimaalne läbimõõt on> Ränist kasvanud 10 mm ja keskmiselt 12 mm sulavad booriga tugevalt legeeritud (

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

) on kasutatud dislokatsioonivabade 200 mm läbimõõduga CZ ränikristallide kasvatamiseks [13.37,13.38]. Hinnanguliselt suudavad suure läbimõõduga kaelad, mille läbimõõt on 12 mm, CZ toetada kuni 2000 kg raskusi kristalle [13.39]. Joonis fig13.14a,btuhastab Dashi kaelamisprotsessita kasvanud 200 mm läbimõõduga dislokatsioonivabad CZ ränikristallid ja joon.13.14a,bb näitab selle laienenud seemet (võrrelge joonisega fig.13.7). Mehhanismi, mille abil dislokatsioone ei kaasata kasvavasse kristalli, on peamiselt seostatud räni boori tugeva dopingu karastava toimega.

Fig. 13.14a,b — Joonised 13.14a, b
200 mm läbimõõduga dislokatsioonivabad Czochralski ränikristallid, mis on kasvatatud ilma Dashi kaelusprotsessita. (a)Kogu keha, (b) seeme ja käbi. (Prof K. Hoshikawa nõusolekul)

Viited

13.1F. Shimura:Pooljuhtide ränikristalltehnoloogia(Akadeemiline, New York 1988)Google Scholar
13,2 WC kriips: J. Appl. Füüsiline29, 736 (1958)CrossRefGoogle Scholar
13.3K. Takada, H.Yamagishi, H.Minami, M.Imai: In:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 1998) lk 376Google Scholar
13.4JRMcCormic: sisse:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 1986) lk 43Google Scholar
13.5PA Taylor: tahkis-tehnik.Juuli, 53 (1987)Google Scholar
13,6 WG Pfann: Trans. Olen. Inst. Min. Metall. Eng.194, 747 (1952)Google Scholar
13.7 CH Theerer: USA patent 3060123 (1962)Google Scholar
13,8 Ph Keck, MJE Golay: Füüsiline. Rev.89, 1297 (1953)CrossRefGoogle Scholar
13,9 W. Keller, A. Mühlbauer:Ujuva tsooniga räni(Marcel Dekker, New York 1981)Google Scholar
13.10JM Meese:Neutronite transmutatsioondoping pooljuhtides(Pleenum, New York 1979)CrossRefGoogle Scholar
13.11HMLiaw, CJVarker: Sisse:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington, 1977), lk 116Google Scholar
13.12 ELKern, LSYaggy, JABarker: Sisse:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 1977) lk 52Google Scholar
13.13SM Hu: Rakendus. Füüsiline Lett.31, 53 (1977)CrossRefGoogle Scholar
13.14K. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. J. Appl. Füüsiline19, L49 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Appl. Füüsiline19, L763 (1980)CrossRefGoogle Scholar
13.16.T.Abe, K. Kikuchi, S. Shirai: In:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 1981), lk 54Google Scholar
13,17J. Czochralski: Z. Phys. Chem.92, 219 (1918)Google Scholar
13.18GK Teal, JB Little: Füüsiline. Rev.78, 647 (1950)Google Scholar
13,19 W. Zulehner, D. Huber: In:Kristallid 8: räni, keemiline söövitamine(Springer, Berliin, Heidelberg 1982) lk. 1Google Scholar
13.20H. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Electrochem. Soc.129, 374 (1982)CrossRefGoogle Scholar
13.21F. Shimura (toim.):Hapnik ränis(Akadeemiline, New York 1994)Google Scholar
13.22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Appl. Füüsiline Lett.35, 213 (1979)CrossRefGoogle Scholar
13.23F. Shimura: J. Appl. Füüsiline59, 3251 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: VLSI teadustehnoloogia, Proc. 2. keskmine Symp. Väga suures ulatuses integreeritud. (The Electrochemical Society, Pennington 1984) lk. 208Google Scholar
13.25F. Shimura, RS-pesa: Appl. Füüsiline Lett.48, 224 (1986)CrossRefGoogle Scholar
13.26 A. Huber, M. Kapser, J. Grabmeier, U. Lambert, WvAmmon, R. Pech: In:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 2002), lk 280Google Scholar
13.27GARozgonyi: Sisse:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 2002) lk 149Google Scholar
13.28 HP Utech, MC Flemings: J. Appl. Füüsiline37, 2021 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.29HA Chedzey, DT Hurtle: loodus210, 933 (1966)CrossRefGoogle Scholar
13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isawa: Ext. Abstr. Elektrokeem. Soc. 157. kohtumine. (The Electrochemical Society, Pennington 1980) lk 811Google Scholar
13.31M. Ohwa, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: In:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 1986), lk 117Google Scholar
13.32M.Futagami, K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki, Y.Okubo, Y. Kato, Y. Okamoto: In:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 1986), lk 939Google Scholar
13.33T. Suzuki, N.Isawa, K.Hoshi, Y. Kato, Y. Okubo: In:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 1986) lk 142Google Scholar
13,34 W. Zulehner: In:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 1990), lk 30Google Scholar
13.35Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: In:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 1994) lk 180Google Scholar
13,36F. Shimura: sisse:VLSI teadus ja tehnoloogia(The Electrochemical Society, Pennington 1982) lk. 17Google Scholar
13.37. Chandrasekhar, KMKim: sisse:Pooljuht Räni(The Electrochemical Society, Pennington 1998) lk 411Google Scholar
13,38K. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Appl. Füüsiline38, L1369 (1999)CrossRefGoogle Scholar
13,39 km Kim, P. Smetana: J. Cryst. Kasv100, 527 (1989)CrossRefGoogle Scholar

13.1Ülevaade

13.2Algmaterjalid

13.2.1Metallurgilise klassi räni

13.2.2Polükristalne räni

Vahepealsed keemilised ühendid

Räni hüdrokloorimine

Triklorosilaani destilleerimine ja lagunemine

Monosilaani protsess

Granuleeritud ränidioksiidi sadestamine

13.3Ühekristalliline kasv

13.3.1Ujuva tsooni meetod

Üldised märkused

Protsessi ülevaade

Doping

FZ-ränikristalli omadused

13.3.2Czochralski meetod

Üldised märkused

Protsessi ülevaade

Ruumilise asukoha mõjuGrownCrystalile

13.3.3Lisandid Czochralski ränis

Lisandite mittehomogeensus

Eraldamine

Vöötused

Doping

Hapnik ja süsinik

13.4Uued kristallide kasvu meetodid

13.4.1Czochralski kasv rakendatudmagnetväljas (MCZ)

13.4.2Pidev Czochralski meetod (CCZ)

13.4.3Kaeluseta kasvu meetod

Viited

Sellega seotud ettevõtetes

Küsi pakkumist