Получение полупроводниковых материалов для подложек ИС. Оценка качества

Все полупроводниковые материалы по составу можно разделить на простые (B, C, Ge, Si, Se) и сложные (GaAs, Bi2Te3, ZnSiP2).

Интегральные схемы на кремнии имеют малые обработанные токи и работают при повышенной tтемпературе и могут работать в области пробоя p-n перехода. Кремний имеет кубическую гранецентрированную решетку типа алмаза. Технический кремний содержит менее одного процента примесей, поэтому не может быть использован для производства ИС.

Рис. 1. Структура кремния

 

Существуют поли- и монокристаллы кремния. Поликристалл состоит из множества монокристаллических зерен с разной ориентацией, тесно примыкающих друг к другу. В поликристалле отсутствует регулярность структуры (анизотропия свойств). Монокристалл кремния представляет собой сплошную упорядоченную структуру с анизотропными свойствами (анизотропные свойства - это зависимость электрических и механических свойств от направления кристаллической решетки).

Чистый поликристаллический кремний получают двумя основными способами: водородное восстановление из галогенных соединений типа SiCl₄ и термическим разложением SiCl₄. Поликристаллический кремний выпускается в виде стержней, диаметр которых зависит от применения. Стержни с диаметром до 100 мм используется для загрузки тиля установок при выращивании монокремния, стержни с диаметром до 40 мм применяются для бестигельной плавки в вакууме.

Монокремний получают из поликремния методом Чохральского (для низкоомных слитков кремния с Rуд £ 250 Ом/см и диаметром до 152 мм) и методом бестигельной зонной плавки (для высокоомных слитков монокремния с Rуд £ 2000 Ом/см и диаметром до 30 мм).

Рис. 2. Метод Чохральского

 

Метод Чохральского: сначала кремний сложной кристаллографической ориентации опускают до соприкосновения с расплавом поликремния и начинают медленно вращая поднимать затравку. Начинается кристаллизация кремния из расплава, причем кристаллографическая ориентация слитка монокремния определяется кристаллографической ориентацией затравки. Типовой диаметр слитка составляет 80, 102, 127 и 152 мм, при длине 1 или 1,5 метра.

Метод бестигельной зонной плавки (БЗП). Применяется в основном для получения монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода. Из-за отсутствия тигля при выращивании кристалла одновременно происходит и его очистка, так как примеси оттесняются в конец кристалла, благодаря чему кристаллы становятся значительно чище выращиваемых методом Чохральского. Для повышения степени очистки используют неоднократное перемещение зоны.

Для ускорения процесса очистки вдоль контейнера ставят несколько индукторов для образования ряда зон плавления. Теоретически многократная зонная плавка позволяет очень глубоко очистить исходный материал. Однако на практике такого результата достичь невозможно, так как одновременно с очисткой и увеличением числа проходов расплав загрязняется примесями контейнера и окружающей среды.

Скорость выращивания кристалла методом БЗП вдвое больше, чем по методу Чохральского, и в отличие от него затравка подводится снизу. Растущий кристалл "висит" на исходном поликристалле, откуда он вытягивается вниз от зоны расплава. Для обеспечения начального роста бездислокационного участка монокристалла сначала проводится вытягивание "тонкой шейки" диаметром 2-3 мм и длиной 10-20 мм, после чего кристалл доращивают до требуемого диаметра.

Рис. 3. Метод бестигельной зонной плавки