سیلیکون تک کریستالی: رشد و خصوصیات - دانش

منبع:https://link.springer.com/chapton/10.1007/978-3-319-48933-9_13

CZ MCZ Single crystal

سیلیکون ، که برای مدتی آینده ماده غالب در صنعت نیمه هادی بوده و خواهد بود [13.1] ، ما را به دوران یکپارچه سازی مقیاس فوق العاده بزرگ (ULSI) و سیستم تراشه یکپارچه (SOC) منتقل خواهد کرد.

با پیشرفته تر شدن دستگاه های الکترونیکی ، عملکرد دستگاه نسبت به کیفیت و خصوصیات مواد مورد استفاده در ساخت آنها حساس تر شده است.

ژرمانیوم (جنرال الکتریک) در اصل به عنوان ماده رسانای غیرهمسان برای دستگاه های الکترونیکی حالت جامد مورد استفاده قرار گرفت. با این حال ، باند محدود باند (0.66 eV) Ge عملکرد دستگاه های مبتنی بر ژرمانیم را به دمای تقریبا 90 محدود می کند∘C به دلیل جریان نشت قابل توجهی که در دماهای بالاتر مشاهده می شود. از طرف دیگر ، بند باند وسیعتر سیلیکون (1.12 eV) منجر به تولید دستگاههای الکترونیکی می شود که قادر به کار کردن تا $\approx 200^{\circ} C$ . با این حال ، یک مشکل جدی جدی نسبت به بند باریک وجود دارد: ژرمانیم به راحتی لایه انفعال ناپایدار را در سطح ایجاد نمی کند. به عنوان مثال ، دی اکسید ژرمانیم (GeO)2) محلول در آب است و تقریباً در 800 جدا می شود∘C. سیلیکون ، بر خلاف ژرمانیوم ، با تشکیل دی اکسید سیلیسیم (SiO2) ، که درجه بالایی از حفاظت از دستگاه زیرین را فراهم می کند. این SiO پایدار است2این لایه منجر به مزیت قاطع سیلیسیم نسبت به ژرمانیوم به عنوان ماده نیمه رسانای اساسی مورد استفاده برای ساخت دستگاه الکترونیکی می شود. این مزیت منجر به تعداد زیادی از فناوری های جدید ، از جمله فرآیندهای انتشار دوپینگ و تعریف الگوهای پیچیده شده است. از دیگر مزایای سیلیکون غیر سمی بودن آن و سیلیس (SiO) است2) ، ماده اولیه ای که سیلیکون از آن بدست می آید ، تقریباً 60 را تشکیل می دهد%از محتوای مواد معدنی پوسته زمین است. این بدان معناست که ماده اولیه ای که سیلیسیم از آن به دست می آید به طور کامل در مدار مجتمع موجود است (مدار مجتمع) صنعت. علاوه بر این ، سیلیکون با درجه الکترونی را می توان با کمتر از یک دهم هزینه ژرمانیوم بدست آورد. همه این مزایا باعث شده که سیلیسیم تقریباً به طور کامل جایگزین ژرمانیم در صنعت نیمه هادی شود.

اگرچه سیلیکون انتخاب بهینه برای هر دستگاه الکترونیکی نیست ، اما مزایای آن بدان معنی است که تقریباً برای مدتی هنوز مسلماً بر صنعت نیمه هادی مسلط خواهد بود.

13.1بررسی اجمالی

از زمان اختراع ترانزیستور نقطه تماس در سال 1947 ، زمانی که ضرورت وجود دارد ، فعل و انفعالات بسیار مثبتی بین کاربران و تولید کنندگان مواد نیمه هادی رخ داده است.کامل و خالصبلورها شناخته شد. این رقابت اغلب به گونه ای بود که کیفیت کریستال مورد نیاز دستگاه های جدید تنها با کنترل رشد بلورها با استفاده از تجهیزات الکترونیکی ساخته شده با این دستگاه های جدید تأمین می شود. از آنجا که بلورهای سیلیکون بدون دررفتگی در اوایل دهه 1960 با استفاده ازتکنیک داش[13.2] ، تحقیقات تحقیق و توسعه مواد نیمه هادی بر روی خلوص مواد ، بازده تولید و مشکلات مربوط به ساخت دستگاه متمرکز شده است.

دستگاه ها و مدارهای نیمه هادی با استفاده از تنوع گسترده ای از فرایندهای مکانیکی ، شیمیایی ، فیزیکی و حرارتی ساخته می شوند. نمودار Aflow برای فرایندهای آماده سازی سیلیکون نیمه هادی معمولی در شکل نشان داده شده است.13.1. تهیه بسترهای تک بلوری سیلیکونی با سطوح پرداخت شده مکانیکی و شیمیایی اولین مرحله در فرایند طولانی و پیچیده ساخت دستگاه است.

Fig. 13.1 — شکل 13.1
نمودار جریان برای فرآیندهای آماده سازی سیلیکون نیمه هادی معمولی. (بعد از[13.1])

همانطور که در بالا ذکر شد ، سیلیکون دومین عنصر فراوان روی زمین است. بیش از 90%پوسته زمین از سیلیس و سیلیکات تشکیل شده است. با توجه به این عرضه بی حد و حصر مواد اولیه ، مسئله این است که سیلیسیم را به حالت قابل استفاده مورد نیاز فناوری نیمه هادی تبدیل کنیم. اولین و اصلی ترین نیاز این است که سیلیکون مورد استفاده برای دستگاه های الکترونیکی باید کاملاً خالص باشد ، زیرا مقادیر بسیار ناچیزی از برخی ناخالصی ها تأثیر شدیدی بر خصوصیات الکترونیکی سیلیکون و در نتیجه عملکرد دستگاه الکترونیکی دارند. نیاز دوم مربوط به بلورهای با قطر بزرگ است ، زیرا عملکرد قطعه در هر ویفر با قطرهای بزرگتر به طور قابل توجهی افزایش می یابد ، همانطور که در شکل نشان داده شده است.13.2برای مورد DRAM [13.3] ، یکی از رایج ترین دستگاه های الکترونیکی است. علاوه بر خلوص و قطر ، هزینه تولید و مشخصات مواد ، از جمله تراکم نقص رشد یافته و همگن مقاومتی ، باید نیازهای صنعتی فعلی را برآورده کند.

Fig. 13.2 — شکل 13.2
تراشه در هر ویفر به عنوان عملکرد تولید DRAM. (بعد از[13.3])

در این فصل ، رویکردهای فعلی برای تهیه سیلیکون - تبدیل ماده اولیه به سیلیکون تک بلوری (نگاه کنید به شکل.13.1) - بحث شده است.

13.2مواد اولیه

13.2.1سیلیکون درجه متالورژی

ماده اولیه تک کریستالهای سیلیکون با خلوص بالا سیلیس (SiO) است2) اولین مرحله در تولید سیلیسیم ذوب و کاهش سیلیس است. این امر با مخلوط کردن سیلیس و کربن به شکل ذغال سنگ ، کک یا تراشه های چوب و گرم کردن مخلوط تا دمای بالا در کوره قوس الکترود غوطه ور انجام می شود. این کاهش کاربوترمی سیلیس سیلیکون ذوب شده تولید می کند

S i O_{2} + 2C \to سی + 2CO .

(13.1) سری واکنشهای کمپلکس در واقع در کوره در دمای مختلف از 1500 تا 2000 اتفاق می افتد∘C. توده های سیلیکون بدست آمده از این فرآیند سیلیسیم درجه متالورژی (MG-Si) نامیده می شوند و خلوص آن در حدود 98-99 است%.

13.2.2سیلیکون پلی کریستالی

ترکیبات شیمیایی متوسط

مرحله بعدی تصفیه MG-Si تا سطح سیلیسیم درجه نیمه هادی (SG-Si) است که به عنوان ماده اولیه سیلیکون تک بلوری استفاده می شود. مفهوم اصلی این است که MG-Si پودر شده با HCl بی آب واکنش داده و ترکیبات مختلف کلروسیلان را در راکتور بستر سیال تشکیل می دهد. سپس سیلان ها با تقطیر و رسوب بخار شیمیایی خالص می شوند (CVD) برای تشکیل SG-polysilicon.

تعداد ترکیبات شیمیایی میانی مانند مونوسیلان (SiH) در نظر گرفته شده است4) ، تتراکلرید سیلیکون (SiCl4) ، تری کلروسیلان (SiHCl3) و دی کلروسیلان (SiH2Cl2) در این موارد ، به دلایل زیر از تری کلروسیلان معمولاً برای رسوب بعدی پلی سیلیکون استفاده می شود:

1.
می تواند به راحتی در اثر واکنش کلرید هیدروژن بی آب با MG-Si در دمای نسبتاً پایین (200-400∘C).
2.
در دمای اتاق مایع است ، بنابراین می توان با استفاده از روش های استاندارد تقطیر ، تصفیه را انجام داد.
3.
کار با آن آسان است و می توان آن را در مخازن استیل کربن در صورت خشک نگهداری کرد.
4.
تری کلروسیلان مایع به راحتی بخار می شود و در صورت مخلوط شدن با هیدروژن ، می توان آن را در خطوط فولادی منتقل کرد.
5.
می تواند در فشار اتمسفر در حضور هیدروژن کاهش یابد.
6.
رسوب آن می تواند روی سیلیکون گرم شود و از این طریق دیگر نیازی به تماس با هر سطح خارجی که ممکن است سیلیکون حاصل را آلوده کند ، از بین می رود.
7.
در دمای پایین (1000–1200) واکنش نشان می دهد∘ج) و با سرعتی بالاتر از تتراکلرید سیلیکون.

هیدروکلره سیلیکون

تری کلروسیلان با حرارت دادن پودر MG-Si در حدود 300 سنتز می شود∘C در راکتور بستر روان. یعنی MG-Si به SiHCl تبدیل می شود3با توجه به واکنش زیر

سی + 3HCl \to S i H C l_{3} + H_{2} .

(13.2) این واکنش بسیار گرمازا است و بنابراین برای به حداکثر رساندن عملکرد تری کلروسیلان باید گرما حذف شود. در حالی که MG-Si را به SiHCl تبدیل می کنید3، ناخالصی های مختلفی مانند Fe ، Al و B با تبدیل آنها به هالیدهای آنها (FeCl) از بین می روند3، AlCl3، و BCl3به ترتیب) ، و محصولات جانبی مانند SiCl4و ح2نیز تولید می شوند.

تقطیر و تجزیه تری کلرولاسیلان

از تقطیر به طور گسترده ای برای تصفیه تری کلروسیلان استفاده شده است. تری کلروسیلان که دارای نقطه جوش کم است (31.8∘ج) ، از هالیدهای ناخالص بصورت کسری تقطیر می شود و در نتیجه خلوص بسیار زیادی افزایش می یابد ، غلظت ناخالصی فعال الکتریکی کمتر از 1 ppba است. سپس تری کلروسیلان با خلوص بالا بخار شده ، با هیدروژن با خلوص بالا رقیق شده و به راکتور رسوب وارد می شود. در راکتور ، میله های نازک سیلیکونی به نام میله های باریک که توسط الکترودهای گرافیت پشتیبانی می شوند ، برای رسوب سطحی سیلیکون با توجه به واکنش موجود است

S i H C l_{3} + H_{2} \to سی + 3HCl .

(13.3) علاوه بر این واکنش ، واکنش زیر نیز در هنگام رسوب پلی سیلیکون رخ می دهد ، و در نتیجه باعث تشکیل تتراکلرید سیلیکون (محصول جانبی اصلی فرآیند) می شود

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

(13.4) به عنوان مثال از این تتراکلرید سیلیکون برای تولید کوارتز با خلوص بالا استفاده می شود.

نیازی به گفتن نیست که خلوص میله های باریک باید با سیلیکون رسوب یافته قابل مقایسه باشد. میله های باریک تقریباً 400 گرم می شوند∘C در آغاز فرآیند CVD سیلیکون. این پیش گرمایش به منظور افزایش رسانایی میله های باریک با خلوص بالا (مقاومت بالا) به اندازه ای لازم است که امکان گرم شدن مقاومتی را داشته باشد. سپرده گذاری برای 200-300 ساعت در حدود 1100∘نتایج C در میله های پلی سیلیکون با خلوص بالا به قطر 150-200 میلی متر است. میله های پلی سیلیکون برای فرآیندهای بعدی رشد بلور به اشکال مختلفی شکل می گیرند ، مانند تکه هایی برای رشد ذوب Czochralski و میله های استوانه ای بلند برای رشد منطقه شناور. فرآیند کاهش تری کلروسیلان روی میله سیلیکون گرم شده با استفاده از هیدروژن در اواخر دهه 1950 و اوایل دهه 1960 در تعداد حق ثبت اختراع اختصاص داده شده به زیمنس شرح داده شد. بنابراین ، این روند اغلب نامیده می شودروش زیمنس[13.4].

از معایب عمده روش زیمنس می توان به ضریب ضعیف بازده تبدیل سیلیسیم و کلر ، اندازه دسته ای نسبتاً کوچک و مصرف زیاد برق اشاره کرد. بازده ضعیف تبدیل سیلیسیم و کلر با حجم زیادی از تتراکلرید سیلیکون تولید شده به عنوان محصول جانبی در فرآیند CVD در ارتباط است. فقط حدود 30%سیلیسیم موجود در واکنش CVD به پلی سیلیکون با خلوص بالا تبدیل می شود. همچنین ، هزینه تولید پلی سیلیکون با خلوص بالا ممکن است به مفید بودن محصول جانبی ، SiCl بستگی داشته باشد4.

فرآیند مونوسیلان

فناوری تولید Apolysilicon بر اساس تولید و تجزیه در اثر تجزیه در اثر مونوسیلان در اواخر دهه 1960 تأسیس شد. مونوسیلان به طور بالقوه باعث صرفه جویی در انرژی می شود زیرا پلی سیلیسیم را در دمای پایین تر رسوب می دهد و پلی سیلیکون خالص تری نسبت به فرآیند تری کلروسیلان تولید می کند. با این حال ، به سختی به دلیل فقدان مسیر اقتصادی به مونوسیلان و به دلیل مشکلات پردازش در مرحله رسوب استفاده شده است.13.5] با این حال ، با توسعه اخیر مسیرهای اقتصادی به سمت سیلیان با خلوص بالا و عملکرد موفقیت آمیز کارخانه در مقیاس بزرگ ، این فناوری توجه صنعت نیمه هادی را به خود جلب کرده است که این امر به سیلیکون با خلوص بالاتر نیاز دارد.

در فرآیندهای صنعتی فعلی مونوسیلان ، منیزیم و پودر MG-Si تا 500 گرم می شود∘C در اتمسفر هیدروژن به منظور سنتز سیلیسید منیزیم (منیزیم)2Si) ، که سپس برای واکنش با کلرید آمونیوم (NH) ساخته می شود4Cl) در آمونیاک مایع (NH)3) زیر 0∘C برای تشکیل مونوسیلان (SiH)4) پلی سیلیکون با خلوص بالا سپس از طریق تجزیه در اثر تجزیه در اثر مونوسیلان بر روی رشته های پلی سیلیکون با مقاومت در برابر حرارت 700-800 تولید می شود∘ج. در فرآیند تولید مونوسیلان ، بیشتر ناخالصی های بور از طریق واکنش شیمیایی با NH از سیلان خارج می شود3. میزان آبورون ppba 0.01-0.02 در پلی سیلیکون با استفاده از فرآیند آمونوسیلان بدست آمده است. این غلظت در مقایسه با میزان مشاهده شده در پلی سیلیکون تهیه شده از تری کلروسیلان بسیار کم است. علاوه بر این ، پلی سیلیکون حاصل کمتر به فلزاتی که از طریق فرآیندهای حمل و نقل شیمیایی جمع می شوند آلوده است زیرا تجزیه مونوسیلان هیچ مشکلی در خوردگی ایجاد نمی کند.

رسوب پلی سیلیکون گرانول

فرایند کاملاً متفاوتی ، که از تجزیه مونوسیلان در راکتور رسوب بستر روان برای تولید پلی سیلیکون دانه ای با جریان آزاد استفاده می کند ، توسعه یافته است [13.5] ذرات ریز دانه سیلیکون در مخلوط هیدروژن آمونوسیلان سیال می شوند و پلی سیلیکون برای تشکیل ذرات کروی با جریان آزاد رسوب می کند که به طور متوسط قطر 700 میکرومتر با توزیع سایز 100-1500 میکرومتر دارند. بذرهای بستر سیال در اصل با آسیاب کردن SG-Si در آسیاب چوبی یا چکش و شستشوی محصول با اسید ، پراکسید هیدروژن و آب ساخته شده اند. این فرآیند وقت گیر و پرهزینه بود و تمایل داشت ناخالصی های نامطلوب را از طریق آسیاب های فلزی وارد سیستم کند. با این حال ، در یک روش جدید ، ذرات بزرگ SG-Si با جریان سریع گاز به یکدیگر شلیک می شوند و باعث می شوند ذرات با اندازه مناسب برای بستر سیال بشکنند. این فرآیند هیچ ماده خارجی را وارد نمی کند و نیازی به شستشو ندارد.

به دلیل مساحت بیشتر پلی سیلیسیم گرانول ، راکتورهای بستر سیال بسیار کارآمدتر از راکتورهای میله ای نوع سنتی زیمنس هستند. کیفیت پلی سیلیکون بستر سیال نشان داده شده است که معادل پلی سیلیکون تولید شده با روش مرسوم تر زیمنس است. علاوه بر این ، پلی سیلیکون دانه ای از نوع جریان آزاد و تراکم فله بالا ، تولیدکنندگان بلور را قادر می سازد تا از هر دوره تولید بیشترین بهره را ببرند. یعنی ، در فرآیند رشد کریستال Czochralski (به بخش زیر مراجعه کنید) ، بوته ها را می توان به سرعت و به راحتی پر کرد و بارهای یکنواختی را که معمولاً از آنهایی که به صورت تصادفی روی تکه های پلی سیلیکون انباشته شده تولید می شوند ، پر کرد. اگر پتانسیل این روش را برای حرکت از عملیات دسته ای به کشش مداوم نیز در نظر بگیریم (بعداً بحث خواهد شد) ، می توانیم دریابیم که گرانول های پلی سیلیکون با جریان آزاد می توانند مسیر سودمند تغذیه یکنواخت را در مذاب حالت آهسته فراهم کنند. به نظر می رسد این محصول ماده اولیه تکاملی و نویدبخش رشد کریستال سیلیکون است.

13.3رشد تک کریستالی

اگرچه از تکنیک های مختلفی برای تبدیل پلی سیلیکون به تک بلورهای سیلیکون استفاده شده است ، اما دو تکنیک بر تولید آنها برای الکترونیک مسلط است زیرا آنها نیازهای صنعت دستگاه های میکروالکترونیک را برآورده می کنند. یکی از آنها روش ذوب آزون است که معمولاً به آن گفته می شودمنطقه شناور (FZ) روش، و دیگری روش کشیدن است که به طور سنتی نامیده می شودCzochralski (CZ) روش، گرچه در واقع باید آنرا نامیدTeal – روش کمی. اصول پشت این دو روش رشد کریستال در شکل نشان داده شده است.13.3. در روش FZ ، منطقه آمین از طریق میله آپولیسیلیکون عبور داده می شود تا آن را به شمش کریستال یکپارچه تبدیل کند. در روش CZ ، کریستال سنگفرش با کشیدن از آمل موجود در بوته آکوارتز رشد می کند. در هر دو مورد ،کریستال دانهنقش بسیار مهمی در بدست آوردن کریستال مجزا با جهت گیری کریستالوگرافی دلخواه دارد.

Fig. 13.3a,b — شکل 13.3a ، b
اصول رشد تک بلوری توسط (a) روش منطقه شناور و (b) روش Czochralski. (بعد از[13.1])

تخمین زده می شود که حدود 95%از همه سیلیکون تک کریستال با روش CZ و بقیه عمدتا با روش FZ تولید می شود. صنعت نیمه هادی سیلیکون برای بهینه سازی عملکرد تولید دستگاه و عملکرد عملیاتی ، به خلوص بالا و حداقل غلظت نقص در بلورهای سیلیکون خود نیاز دارد. با تغییر فناوری از LSI به VLSI ∕ ULSI و سپس SOC ، این الزامات سختگیرانه تر می شوند. علاوه بر کیفیت یا کمال بلورهای سیلیکون ، قطر کریستال نیز به طور مرتب افزایش می یابد تا پاسخگوی خواسته های تولیدکنندگان دستگاه باشد. از آنجا که تراشه های میکروالکترونیک از طریق a تولید می شوندسیستم دسته ای، قطر ویفرهای سیلیکون مورد استفاده برای ساخت دستگاه به طور قابل توجهی بر بهره وری تأثیر می گذارد (همانطور که در شکل نشان داده شده است.13.2) ، و به نوبه خود هزینه تولید.

در بخشهای بعدی ، ما ابتدا در مورد روش FZ بحث می کنیم و سپس به روش CZ می رویم. مورد اخیر به دلیل اهمیت فوق العاده آن برای صنعت میکروالکترونیک با جزئیات بیشتری مورد بحث قرار خواهد گرفت.

13.3.1روش منطقه شناور

نکات کلی

روش FZ از ذوب ناحیه ای بوجود آمده است ، که برای تصفیه آلیاژهای باینری استفاده می شود [13.6] و توسطتئورر[13.7] واکنش سیلیکون مایع با مواد استفاده شده برای بوته منجر به توسعه روش FZ [13.8] ، که امکان تبلور سیلیکون را بدون نیاز به هیچ گونه تماسی با مواد بتونی فراهم می کند ، که برای رشد بلورهای خلوص نیمه هادی مورد نیاز مورد نیاز است.

طرح کلی فرآیند

در فرآیند FZ ، میله آپولیسیلیکون با عبور از منطقه آمینتی که توسط سیم پیچ چشم مورچه از یک انتهای میله به انتهای دیگر گرم می شود ، به شمش کریستال تبدیل می شود ، همانطور که در شکل نشان داده شده است.13.3آ. ابتدا نوک میله پلی سیلیکون تماس گرفته و با جهت گیری بلوری مورد نظر با کریستال آسید ذوب می شود. این فرآیند نامیده می شودبذرپاشی. منطقه ذوب شده بذر با حرکت همزمان دانه تک بلور به پایین میله از میله پلی سیلیکون عبور داده می شود. وقتی منطقه مذاب سیلیسیم جامد می شود ، پلی سیلیکون با کمک کریستال بذر به سیلیکون تک بلوری تبدیل می شود. همانطور که این منطقه در امتداد میله پلی سیلیکون حرکت می کند ، سیلیکون تک بلوری در انتهای آن یخ می زند و به عنوان پسوند بلور دانه رشد می کند.

پس از بذر ، گردن آتین با قطر حدود 2 یا 3 میلی متر و طول 10-20 میلی متر تشکیل می شود. این فرآیند نامیده می شودگردن زدن. در حال رشد قلمه ، دررفتگی هایی را که می توان در اثر کاشت گرمایی در سیلیکون تک کریستالی تازه رشد کرده وارد کرد ، از بین می برد. این روند گردن زدن ، نامیده می شودتکنیک داش[13.2] ، بنابراین برای رشد بلورهای بدون دررفتگی اساسی است و به طور جهانی در هر دو روش FZ و CZ استفاده می شود. یک توپوگرافی اشعه ایکس از دانه ، گردن و قسمت مخروطی آسلیکون تک بلور رشد یافته با روش FZ در شکل نشان داده شده است.13.4. بدیهی است که دررفتگی حاصل از تماس مذاب با گردن زدن کاملاً برطرف می شود. پس از تشکیل قسمت مخروطی ، بدنه اصلی با قطر هدف کامل رشد می کند. در طول کل روند رشد FZ ، شکل منطقه مذاب و قطر شمش با تنظیم قدرت سیم پیچ و سرعت حرکت تعیین می شود ، که هر دو تحت کنترل رایانه هستند. این تکنیک که معمولاً برای کنترل خودکار قطر در هر دو روش FZ و CZ استفاده می شود ، از یک سنسور مادون قرمز متمرکز بر منیسک استفاده می کند. شکل مینیسک در کریستال رشد به زاویه تماس آن در مرز سه فاز ، قطر کریستال و اندازه کشش سطح بستگی دارد. تغییر در زاویه مینیسک (و بنابراین قطر کریستال) حس می شود ، و اطلاعات به منظور تنظیم خودکار شرایط رشد بازگردانده می شود.

Fig. 13.4 — شکل 13.4
توپوگرافی اشعه ایکس از بذر ، گردن و قسمت مخروطی سیلیکون منطقه شناور. (با مجوز از دکتر تی آبه)

در مقابل با رشد کریستال CZ ، که در آن کریستال بذر به ذوب سیلیکون فرو رفته و بلور در حال رشد به سمت بالا کشیده می شود ، در روش FZ بلور بذر نازک کریستال در حال رشد را حفظ می کند ، همانطور که میله پلی سیلیکون از پایین (شکل).13.3) به عنوان نتیجه ، میله به طور نامطلوبی روی بذر و گردن نازک در تمام مراحل رشد متعادل می شود. تا زمانی که مرکز ثقل بلور در حال رشد در مرکز سیستم رشد باقی بماند ، دانه و گردن می توانند از اکریستال تا 20 کیلوگرم پشتیبانی کنند. اگر مرکز ثقل از خط وسط دور شود ، بذر به راحتی شکسته می شود. از این رو ، لازم بود که قبل از رشد بلورهای سیلیکون طولانی و سنگین FZ ، تکنیک تثبیت کننده و پشتیبانی اکریستال اختراع شود. برای کریستالهای بزرگ ، حمایت از کریستال در حال رشد به روشی که در شکل نشان داده شده است ، ضروری است.13.5[13.9] ، به ویژه در مورد بلورهای FZ اخیر با قطر زیاد (150-200 میلی متر) ، زیرا وزن آنها به راحتی از 20 کیلوگرم بیشتر می شود.

Fig. 13.5 — شکل 13.5
سیستم پشتیبانی برای بلور سیلیکونی منطقه شناور. (بعد از[13.9])

دوپینگ

برای بدست آوردن تک بلورهای سیلیکونی n یا p از مقاومت مورد نیاز ، به ترتیب باید پلی سیلیکون یا کریستال در حال رشد را با ناخالصی های دهنده دهنده یا گیرنده مناسب دوپ کرد. برای رشد سیلیسیم FZ ، اگرچه چندین روش دوپینگ امتحان شده است ، بلورها به طور معمول با دمیدن گاز پذیرنده مانند فسفین دوپ می شوند (PH3) برای سیلیکون یا دیبران نوع n (B2H6) برای سیلیسیم نوع p بر روی منطقه مذاب. گاز دوپانت معمولاً با گاز حامل مانند آرگون رقیق می شود. مزیت بزرگ این روش این است که تولید کننده بلور سیلیکون نیازی به ذخیره منابع پلی سیلیکون با مقاومتهای مختلف ندارد.

از آنجا که تفکیک (در بخش زیر بحث می شود) مواد اولیه نگهدارنده بنیادی برای سیلیکون نوع n بسیار کمتر از وحدت است ، بلورهای FZ که به روش سنتی دوپ شده اند دارای شیب های تاخیر شعاعی هستند. علاوه بر این ، از آنجا که سرعت تبلور در جهت شعاعی در مقیاس میکروسکوپی متفاوت است ، غلظت دوپانت به صورت چرخشی توزیع می شود و به اصطلاح پدید می آید.جریمه های دوپان، و در نتیجه ناهمگنی با مقاومت شعاعی ایجاد می شود. به منظور بدست آوردن سیلیکون نوع n بیشتر همگن ، دوپینگ تغییر شکل نوترون (NTD) به بلورهای سیلیکون FZ اعمال شده است [13.10] این روش شامل تبدیل هسته ای سیلیسیم به فسفر با بمباران کریستال با نوترون های حرارتی با توجه به واکنش است

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

(13.5) ایزوتوپ رادیواکتیو31Si وقتی تشکیل می شود30Si آنترون را گرفته و سپس در ایزوتوپ پایدار تجزیه می شود31P (اتم های دهنده) ، که توزیع آنها به پارامترهای رشد کریستال وابسته نیست. بلافاصله پس از تابش ، بلورها مقاومت بالایی از خود نشان می دهند ، که به تعداد زیادی نقص شبکه ناشی از آسیب تابش نسبت داده می شود. بنابراین ، کریستال تابش شده باید در محیط بی اثر و در دمای حدود 700 پخت شود∘C به منظور از بین بردن نقص ها و بازگرداندن مقاومت به حاصل از دوپینگ فسفر. تحت طرح NTD ، کریستالها بدون دوپینگ رشد می کنند و سپس در راکتور هسته ای با نسبت زیاد نوترون های حرارتی به سریع تحت تابش قرار می گیرند تا بتوانند ضریب نوترون را افزایش دهند و آسیب به شبکه بلوری را به حداقل برسانند.

کاربرد NTD به دلیل خلوص بالاتر در مقایسه با بلورهای CZ تقریباً منحصراً محدود به بلورهای FZ شده است. هنگامی که روش NTD به بلورهای سیلیکون CZ اعمال شد ، مشخص شد که تشکیل دهنده اکسیژن در طی فرایند بازپخت پس از تابش ، مقاومت آن را از حد انتظار تغییر می دهد ، حتی اگر همگونی اهدا کننده فسفر حاصل شود [13.11] NTD این نقص اضافی را دارد که هیچ فرآیندی برای دوپانت های نوع p در دسترس نیست و برای مقاومت مجدد کم (در محدوده 1 تا 10 Ω سانتی متر) مدت طولانی از تابش لازم است.

خواص کریستال FZ-Silicon

در طول رشد کریستال FZ ، سیلیکون مذاب با ماده ای غیر از گاز محیط موجود در محفظه رشد تماس نمی گیرد. بنابراین ، یک کریستال سیلیکون FZ ذاتاً با خلوص بالاتر در مقایسه با کریستال aCZ که از مذاب رشد می کند - شامل تماس با بوته آکوارتز ، متمایز می شود. این تماس باعث غلظت بالای ناخالصی اکسیژن در حدود 10 می شود18اتم ∕ سانتی متر3در بلورهای CZ ، در حالی که سیلیکون FZ کمتر از 10 است16اتم ∕ سانتی متر3. این خلوص بالاتر به سیلیکون FZ اجازه می دهد مقاومت بالایی داشته باشد که با استفاده از سیلیکون CZ قابل دستیابی نیست. مقاومت بیشتر سیلیکون FZ در بین مقاومت 10 تا 200 Ω سانتی متر است ، در حالی که سیلیکون CZ معمولاً به دلیل آلودگی از بوته کوارتز در برابر مقاومت های 50 Ω سانتی متر یا کمتر آماده می شود. بنابراین سیلیکون FZ عمدتا برای ساخت دستگاههای قدرت نیمه هادی مورد استفاده قرار می گیرد که ولتاژهای معکوس بیش از 750-1000 ولت را پشتیبانی می کنند. رشد بلور با خلوص بالا و مشخصات دوپینگ دقیق NTD FZ-Si همچنین منجر به استفاده از آن در آشکارسازهای مادون قرمز شده است [13.12]، مثلا.

با این حال ، اگر مقاومت مکانیکی را در نظر بگیریم ، برای سالهای متمادی تشخیص داده شده است که سیلیسیم FZ ، که دارای ناخالصی اکسیژن کمتری نسبت به سیلیسیم CZ است ، از نظر مکانیکی ضعیف تر و در برابر فشار گرمایی در هنگام ساخت دستگاه آسیب پذیرتر است [13.13,13.14] پردازش در ویفرهای سیلیکونی در دمای بالا در هنگام ساخت دستگاه های الکترونیکی ، اغلب تنش گرمایی کافی برای تولید دررفتگی لغزش و ایجاد پیچ و تاب ایجاد می کند. این اثرات منجر به افت عملکرد به دلیل اتصالات نشتی ، نقص دی الکتریک و کاهش طول عمر و همچنین کاهش بازده فوتولیتوگرافی به دلیل تخریب صافی ویفر می شود. از بین رفتن سطح هندسی به دلیل وارپینگ می تواند آنقدر شدید باشد که دیگر ویفرها پردازش نشوند. به همین دلیل ، ویفرهای سیلیکونی CZ بسیار بیشتر از ویفرهای FZ در ساخت دستگاه های IC استفاده شده اند. این تفاوت در پایداری مکانیکی در برابر تنش های گرمایی دلیل اصلی استفاده از کریستال های سیلیکون CZ به طور انحصاری برای ساخت IC است که به تعداد زیاد مراحل فرآیند حرارتی نیاز دارند.

به منظور غلبه بر این کاستی های سیلیکون FZ ، رشد بلورهای سیلیکون FZ با ناخالصی های دوپینگ مانند اکسیژن [13.15] و نیتروژن [13.16] اقدام شده است. مشخص شد که دوپینگ بلورهای سیلیسیم FZ با اکسیژن یا نیتروژن در غلظت های $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ یا $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ ، به ترتیب ، منجر به افزایش چشمگیر مقاومت مکانیکی می شود.

13.3.2روش Czochralski

نکات کلی

این روش به نام J. Czochralski ، كه برای تعیین سرعت تبلور فلزات تاسیس شد ، نامگذاری شد.13.17] با این حال ، روش کشش واقعی که به طور گسترده ای برای رشد تک بلوری اعمال شده است ، توسطچالهومقدار کمی[13.18] ، که اصل اساسی Czochralski را اصلاح کرد. آنها اولین کسی بودند که در سال 1950 تک بلورهای ژرمانیوم ، 8 اینچ طول و 0.75 اینچ قطر را با موفقیت رشد دادند. آنها متعاقباً دستگاه دیگری را برای رشد سیلیکون در دماهای بالاتر طراحی کردند. اگرچه فرآیند تولید اصلی سیلیکون تک کریستالی از زمان ایجاد شرکت Teal و همکاران تغییر کمی کرده است ، تک بلورهای سیلیکونی با قطر بزرگ (تا 400 میلی متر) با درجه عالی کمال که مطابق با دستگاه پیشرفته هستند با استفاده از روش Dash و نوآوری های پی در پی فن آوری در دستگاه ، خواسته ها افزایش یافته است.

تلاش های تحقیق و توسعه امروز در مورد بلورهای سیلیکون به منظور دستیابی به یکنواختی میکروسکوپی خصوصیات کریستال مانند مقاومت و غلظت ناخالصی ها و ریز نقص ها و همچنین کنترل میکروسکوپی آنها است که در جای دیگری در این کتاب راهنما بحث خواهد شد.

طرح کلی فرآیند

سه مرحله مهم در رشد بلور CZ به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده است.13.3ب در اصل ، روند رشد CZ مشابه رشد FZ است: (1) ذوب پلی سیلیکون ، (2) بذر و (3) رشد. روش کشش CZ ، پیچیده تر از رشد FZ است و با استفاده از بوته آکوارتز برای حاوی سیلیکون مذاب از آن متمایز می شود. شکل13.6نمای کیهانی از تجهیزات مدرن رشد کریستال CZ مدرن را نشان می دهد. مراحل مهم در توالی رشد کریستال سیلیکون واقعی یا استاندارد CZ به شرح زیر است:

1.
قطعات یا دانه های پلی سیلیکون را در بوته آکوارتز قرار داده و در دمای بالاتر از نقطه ذوب سیلیکون ذوب می کنند (1420∘ج) در یک گاز محیط بی اثر.
2.
مذاب برای مدتی در دمای بالا نگهداری می شود تا از ذوب کامل و بیرون انداختن حباب های ریز ، که ممکن است باعث ایجاد حفره یا نقص کریستال منفی شود ، از مذاب اطمینان حاصل شود.
3.
کریستال Ased با جهت گیری کریستال دلخواه در مذاب فرو می رود تا زمانی که شروع به ذوب شدن کند. سپس دانه از مذاب خارج می شود تا گردن با کاهش تدریجی قطر تشکیل شود. این ظریف ترین مرحله است. در طول کل روند رشد کریستال ، گاز بی اثر (معمولاً آرگون) از طریق محفظه کشش به سمت پایین جریان می یابد تا محصولات واکنشی مانند SiO و CO را منتقل کند.
4.
با افزایش تدریجی قطر بلور ، قسمت مخروطی و شانه رشد می کنند. قطر با کاهش سرعت کشش و ... یا دمای ذوب تا قطر هدف افزایش می یابد.
5.
سرانجام ، قسمت استوانه ای بدن با قطر ثابت با کنترل میزان کشش و دمای ذوب رشد می یابد در حالی که افت سطح مذاب را با رشد کریستال جبران می کند. سرعت کشش به طور کلی به سمت انتهای دم بلور رشد می کند ، عمدتا به دلیل افزایش تابش گرما از دیواره بوته با کاهش سطح ذوب و قرار گرفتن دیواره بوته بیشتر در معرض بلور در حال رشد است. نزدیک به پایان روند رشد ، اما قبل از اینکه بوته کاملاً از سیلیکون مذاب تخلیه شود ، باید قطر کریستال به تدریج کاهش یابد تا یک مخروط انتهایی ایجاد کند تا شوک حرارتی به حداقل برسد ، که می تواند باعث دررفتگی لغزش در انتهای دم شود. وقتی قطر به اندازه کافی کوچک شد ، می توان کریستال را از مذاب جدا کرد بدون ایجاد دررفتگی.

شکل13.7قسمت انتهایی بذر یک بلور سیلیکون CZ را که به عنوان رشد داده شده نشان می دهد. گرچه آسید ذرت ، که منطقه انتقال از دانه به قسمت استوانه ای است ، به دلایل اقتصادی معمولاً به صورت مسطح تشکیل می شود ، اما از نظر کیفیت آکریستال شکل منجمد مخروطی ممکن است مطلوب باشد. از قسمت شانه و مجاورت آن نباید برای ساخت دستگاه استفاده شود زیرا این قسمت از بسیاری جهات منطقه انتقال محسوب می شود و به دلیل تغییر ناگهانی شرایط رشد ، خصوصیات بلوری ناهمگن از خود نشان می دهد.

Fig. 13.6 — شکل 13.6
نمای شماتیک سیستم رشد کریستال سیلیکون Czochralski (بعد از[13.1])

Fig. 13.7 — شکل 13.7
قسمت انتهایی بذر بلور سیلیکون Czochralski که رشد کرده است

شکل13.8شمش بلور سیلیکون CZ به بزرگی بزرگ به قطر 400 میلی متر و طول 1800 میلی متر رشد یافته توسط شرکت موسسه تحقیقات کریستال سوپر سیلیکون در ژاپن را نشان می دهد [13.3].

Fig. 13.8 — شکل 13.8
شمش سیلیکون Czochralski بزرگتر به قطر 400 میلی متر و طول 1800 میلی متر. (با مجوز از موسسه تحقیقات کریستال سوپر سیلیکون ، ژاپن)

تأثیر موقعیت مکانی inaGrownCrystal

همانطور که شکل13.9به وضوح نشان می دهد ، هر بخش از کریستال aCZ در زمان های مختلف با شرایط رشد مختلف رشد می کند [13.19] بنابراین ، مهم است که درک کنیم هر بخش به دلیل موقعیت متفاوت در امتداد طول بلور ، دارای مجموعه ای متفاوت از ویژگی های بلوری و تاریخچه حرارتی متفاوت است. به عنوان مثال ، قسمت انتهایی بذر دارای تاریخچه حرارتی دیگری است ، از نقطه ذوب 1420 تا حدود 400∘C در آپولر ، در حالی که قسمت انتهایی دم دارای سابقه شکننده تری است و نسبتاً سریع از نقطه ذوب سرد می شود. درنهایت ، هر ویفر سیلیکونی تهیه شده از قسمتهای مختلف کریستال مخلوط بسته به محل قرارگیری آن در شمش می تواند ویژگیهای مختلف فیزیکی-شیمیایی را به نمایش بگذارد. در حقیقت ، گزارش شده است که رفتار بارندگی اکسیژن بیشترین وابستگی به مکان را نشان می دهد ، که به نوبه خود ، بر تولید نقص های عمده تأثیر می گذارد [13.20].

Fig. 13.9 — شکل 13.9
محیط گرمایی در طی رشد بلور Czochralski در مراحل اولیه و نهایی.پیکان هاجهت تقریبی جریان گرما را نشان دهید. (بعد از[13.19])

همچنین ، توزیع آنونی یکنواخت نقص کریستال و ناخالصی در قسمت عرضی ویفر تختی تهیه شده از ذوب سیلیکون کریستال aCZ متبلور شده یا به طور پی در پی در رابط ذوب کریستال جامد می شود ، که به طور کلی در روند رشد کریستال CZ منحنی است. چنین ناهمگنی هایی را می توان به صورت مشاهده کرداستریشن، که بعداً مورد بحث قرار می گیرد.

13.3.3ناخالصی ها در Czochralski Silicon

خواص نیمه هادی های سیلیکونی مورد استفاده در دستگاه های الکترونیکی به ناخالصی ها بسیار حساس هستند. به دلیل این حساسیت ، می توان با افزودن مقدار کمی ماده خنثی ، خصوصیات الکتریکی و الکترونیکی سیلیکون را کنترل کرد. علاوه بر این حساسیت ناخوشایند ، آلودگی توسط ناخالصی ها (به ویژه فلزات در حال گذار) بر خصوصیات سیلیسیم تأثیر منفی می گذارد و منجر به تخریب جدی عملکرد دستگاه می شود. علاوه بر این ، اکسیژن به دلیل واکنش بین ذوب سیلیکون و بوته کوارتز ، در سطح ده ها اتم در میلیون در بلورهای سیلیکون CZ ترکیب می شود. صرف نظر از میزان اکسیژن موجود در کریستال ، خصوصیات بلورهای سیلیکون به میزان زیادی تحت تأثیر غلظت و رفتار اکسیژن قرار می گیرند [13.21] علاوه بر این ، کربن نیز به دلیل قطعات گرافیتی مورد استفاده در تجهیزات کشش CZ ، در بلورهای سیلیکون CZ یا از مواد اولیه پلی سیلیکون یا در طی فرآیند رشد گنجانده می شود. گرچه غلظت کربن در بلورهای سیلیکونی CZ تجاری معمولاً کمتر از ppm 0.1 است ، اما کربن ناخالصی است که رفتار اکسیژن را بسیار تحت تأثیر قرار می دهد [13.22,13.23] همچنین ، بلورهای سیلیکون CZ دوپ شده با نیتروژن [13.24,13.25] اخیراً به دلیل کیفیت بلوری میکروسکوپی بالا ، که ممکن است الزامات دستگاه های الکترونیکی پیشرفته را برآورده کند ، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند [13.26,13.27].

ناهمگنی ناخالصی

در طی تبلور از آمل ، ناخالصی های مختلف (از جمله مواد ناخوشایند) موجود در مذاب در کریستال در حال رشد گنجانده می شود. غلظت ناخالصی فاز جامد به طور کلی با فاز مایع به دلیل وجود پدیده معروف به متفاوت استتفکیک.

تفکیک

رفتار تفکیک تعادلی مرتبط با انجماد سیستم های چند جز can را می توان از نمودار فازی مربوط به سیستم دامی با یک تعیین کردحل شونده(نجاست) و الفحلال(ماده میزبان) به عنوان اجزا.

نسبت حلالیت ناخالصی سیلیکون جامد Ain [CA]sبه آن در سیلیکون مایع [CA]L

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

(13.6) به عنوانضریب تفکیک تعادل. حلالیت ناخالصی در سیلیکون مایع همیشه بالاتر از سیلیکون جامد است. به این معنا که،k0& lt ؛ 1. ضریب تفکیک تعادلk0فقط در جامد سازی با سرعت رشد ناچیز آهسته قابل استفاده است. برای نرخ جامد محدود یا بالاتر ، اتم های ناخالصی باk0& lt ؛ 1 با توجه به اینکه ماده جامد در حال پیشروی است با توجه به اینکه در مذاب پخش می شود ، رد می شود. در فرآیند رشد کریستال CZ ، جداسازی در آغاز انجماد در رابط بذر و ذوب agiven صورت می گیرد و اتم های ناخالصی رد شده شروع به جمع شدن در لایه مذاب در نزدیکی رابط رشد می کنند و در جهت قسمت عمده مذاب پخش می شوند. در این شرایط ،ضریب تفکیک موثرkافمی توان در هر لحظه در طول رشد بلور CZ و غلظت ناخالصی تعریف کردC]sدر کریستال aCZ می تواند توسط مشتق شود

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

(13.7) که در آن [C0] غلظت اولیه ناخالصی در مذاب است وgکسر جامد است.

در نتیجه ، واضح است که تغییر طولی amacroscopic در سطح ناخالصی ، که باعث کاهش مقاومت در برابر مقاومت به دلیل تغییر در غلظت دوپانت می شود ، ذاتی فرآیند رشد دسته CZ است. این به دلیل پدیده تفکیک است. علاوه بر این ، توزیع طولی ناخالصی ها تحت تأثیر تغییر در مقدار و ماهیت همرفت مذاب است که با کاهش نسبت ابعاد مذاب در طول رشد کریستال تحت تأثیر قرار می گیرد.

استریشن

در بیشتر فرآیندهای رشد کریستال ، در پارامترهایی مانند سرعت رشد میکروسکوپی فوری و ضخامت لایه مرزی انتشار ، گذرا وجود دارد که منجر به تغییر در ضریب تفکیک موثر می شود.kاف. این تغییرات منجر به ناهمگنی ترکیبی میکروسکوپی به شکلاستریشنبه موازات رابط کریستال ذوب. خطوط استریت را می توان با چندین تکنیک مانند اچ شیمیایی ترجیحی و توپوگرافی اشعه ایکس به راحتی ترسیم کرد. شکل13.10رشته های نشان داده شده توسط اچ شیمیایی در قسمت شانه مقطع طولی بلور سیلیکون aCZ را نشان می دهد. تغییر تدریجی شکل رابط رشد نیز به وضوح مشاهده می شود.

Fig. 13.10 — شکل 13.10
خطوط رشد ، که توسط اچ شیمیایی نشان داده می شود ، در زیر سیلیکون Czochralski است

رشته ها از نظر فیزیکی ناشی از تفکیک ناخالصی ها و همچنین نقص های نقطه ای هستند. با این حال ، خطوط عملاً ناشی از نوسانات دما در نزدیکی رابط کریستال-مذاب است که ناشی از همرفت حرارتی ناپایدار در مذاب و چرخش کریستال در یک محیط حرارتی نامتقارن است. علاوه بر این ، ارتعاشات مکانیکی ناشی از ضعف مکانیسم های کنترل کشش در تجهیزات رشد نیز می تواند باعث نوسانات دما شود.

شکل13.11بصورت شماتیک مقطع کریستال رشد یافته ACZ حاوی رابط کریستال ذوب acurved را نشان می دهد ، که منجر به ناهمگنی در سطح aslice می شود. هر ویفر مسطح برش خورده ، حاوی بخشهای مختلفی از چندین رشته منحنی است. ناهمسانحلقه های گرامافون، به عنوانچرخش، سپس می تواند در هر ویفر رخ دهد ، که می تواند در سراسر ویفر با استفاده از تکنیک های ذکر شده در بالا مشاهده شود.

Fig. 13.11 — شکل 13.11
تصویر شماتیک مقطع کریستال Czochralski حاوی رابط ذوب بلور و ویفرهای مسطح که به بخشهای مختلف برش خورده است. (بعد از[13.1])

دوپینگ

به منظور دستیابی به مقاومت مطلوب ، مقدار مشخصی از ماده دوپانت (اعم از اهداكننده یا پذیرنده) با توجه به رابطه مقاومت و غلظت به مذاب آسیلیكون اضافه می شود. معمول است که مواد افزودنی را به شکل ذرات سیلیکون بسیار دوپ شده یا تکه هایی با مقاومت حدود 0.01 Ω سانتی متر اضافه می کنیم ، که به آنها ثابت می گویند ، زیرا مقدار دوپانت خالص مورد نیاز غیرقابل کنترل است ، به جز مواد سیلیکونی با دوپ زیاد (n+یا ص+سیلیکون)

معیارهای انتخاب فرزند خواننده برای مواد رسانا asemiconductor این است که دارای خصوصیات زیر است:

1.
سطح انرژی مناسب
2.
حلالیت بالا
3.
پراکندگی مناسب یا کم
4.
فشار بخار کم

نفوذ پذیری بالا یا فشار بخار بالا منجر به انتشار نامطلوب یا بخار شدن مواد خنثی کننده می شود ، که منجر به عملکرد دستگاه ناپایدار و دستیابی به کنترل دقیق مقاومت می شود. انحلال پذیری که بسیار کوچک است مقاومت قابل دستیابی را محدود می کند. علاوه بر این معیارها ، خصوصیات شیمیایی (به عنوان مثال سمیت) باید در نظر گرفته شود. بررسی بیشتر از نظر رشد کریستال این است که ماده dopant دارای ضریب تجزیه ای است که نزدیک به واحد است تا مقاومت را از انتهای بذر تا انتهای شمش کریستال CZ یکنواخت کند. در نتیجه ، فسفر (P) و بور (B) به ترتیب بیشترین دوپنت های دهنده و پذیرنده سیلیسیم هستند. برای n+سیلیسیم ، که در آن اتمهای دهنده به شدت دوپ می شوند ، به دلیل نفوذ پذیری کوچکتر ، به جای فسفر ، از آنتیموان (Sb) استفاده می شود ، علی رغم ضریب تفکیک کوچک و فشار بخار بالا ، که منجر به تغییرات زیادی در غلظت محوری و محوری می شود. جهت شعاعی

اکسیژن و کربن

همانطور که به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده است.13.3باند13.6، آکوارتز (SiO)2) عناصر گرمایش بوته ای و گرافیتی در روش رشد کریستال CZ-Si استفاده می شود. سطح بوته ای که با مذاب سیلیکون تماس می گیرد به دلیل واکنش به تدریج حل می شود

S i O_{2} + سی \to 2 S i O .

(13.8) این واکنش ذوب سیلیکون را با اکسیژن غنی می کند. اکثر اتمهای اکسیژن به عنوان مونو اکسید سیلیکون فرار (SiO) از سطح مذاب تبخیر می شوند ، اما برخی از آنها از طریق رابط کریستال و ذوب در کریستال آسیلیکون گنجانیده می شوند. با این حال ، کربن موجود در بلورهای سیلیکون CZ عمدتا از ابتدا پلی کریستال سرچشمه می گیرد ماده سطح کربن از 0.1 تا 1 ppma بسته به نوع سازنده ، در پلی سیلیکون یافت می شود. منابع کربن در پلی سیلیکون به طور عمده ناخالصی های حاوی کربن موجود در تری کلروسیلان مورد استفاده در تولید پلی سیلیکون فرض می شود. قطعات گرافیت در تجهیزات کشش CZ همچنین می توانند با واکنش با اکسیژن ، که همیشه در طول رشد محیط وجود دارد ، به آلودگی کربن کمک کنند. محصولات حاصل از CO و CO2در ذوب سیلیسیم حل شده و ناخالصی های کربن موجود در بلورهای سیلیکون را تشکیل می دهد. بنابراین ، اکسیژن و کربن دو ناخالصی اصلی اصلی هستند که در بلورهای سیلیکون CZ گنجانده می شوند به روشی که در شکل به صورت شماتیک نشان داده شده است.13.12. رفتار این ناخالصی ها در سیلیکون ، که بر تعداد خواص بلورهای سیلیکون CZ تأثیر می گذارد ، از اواخر دهه 1950 موضوع مطالعه فشرده شده است13.21].

Fig. 13.12 — شکل 13.12
ترکیب اکسیژن و کربن در کریستال سیلیکون Czochralski. (بعد از[13.1])

13.4روشهای جدید رشد کریستال

بلورهای سیلیکون مورد استفاده برای ساخت دستگاه های میکروالکترونیکی باید انبوه نیازهای تعیین شده توسط سازندگان دستگاه را داشته باشند. علاوه بر نیاز به سیلیکونویفر، تقاضاهای کریستالوگرافی زیر به دلیل ساخت دستگاه های میکرو الکترونیکی با عملکرد بالا و عملکرد بالا رایج تر شده است:

1.
قطر بزرگ
2.
تراکم نقص کم یا کنترل شده
3.
شیب مقاومت شعاعی یکنواخت و کم
4.
غلظت اکسیژن اولیه بهینه و میزان رسوب آن.

واضح است که تولیدکنندگان بلورهای سیلیکون نه تنها باید شرایط فوق را داشته باشند بلکه بلورها را از نظر اقتصادی و با بازده تولید بالا تولید کنند. نگرانی های اصلی تولید کنندگان بلور سیلیکون کمال کریستالوگرافی و توزیع محوری مواد نگهدارنده در سیلیکون CZ است. به منظور غلبه بر برخی از مشکلات با روش رشد کریستال CZ ، چندین روش جدید رشد بلور ایجاد شده است.

13.4.1رشد Czochralski با ApplyMagneticField (MCZ)

جریان همرفت مذاب در بوته به شدت بر کیفیت بلوری سیلیکون CZ تأثیر می گذارد. به طور خاص ، خطوط رشد نامطلوب توسط همرفت مذاب ناپایدار و در نتیجه نوسانات دما در رابط رشد ایجاد می شوند. توانایی میدان مغناطیسی برای مهار همرفت حرارتی در مایع رسانای الکتریکی برای اولین بار از طریق روش قایق افقی به رشد بلوری آنتی مونید ایندیم اعمال شد13.28] و روش ذوب منطقه افقی [13.29] از طریق این بررسی ها ، تأیید شد که میدان مغناطیسی با قدرت کافی می تواند نوسانات دما را همراه با همرفت ذوب سرکوب کند ، و می تواند به طور چشمگیری ناهموارهای رشد را کاهش دهد.

اثر میدان مغناطیسی بر روی خطوط رشد با توانایی آن در کاهش همرفت حرارتی متلاطم آمل و در عوض کاهش نوسانات دما در رابط کریستال ذوب توضیح داده شده است. میرایی جریان سیال ناشی از میدان مغناطیسی به دلیل نیروی مغناطیسی القایی است که جریان به صورت متعامد با خطوط شار مغناطیسی است ، که منجر به افزایش ویسکوزیته حرکتی موثر ذوب هدایت می شود.

رشد کریستال سیلیکون توسط میدان مغناطیسی اعمال شده روش CZ (MCZ) برای اولین بار در سال 1980 گزارش شد [13.30] در ابتدا MCZ برای رشد بلورهای سیلیکون CZ در نظر گرفته شده است که حاوی غلظت اکسیژن کم هستند و بنابراین مقاومت بسیار زیادی با تغییرات شعاعی کم دارند. به عبارت دیگر ، انتظار می رفت سیلیسیم MCZ جایگزین سیلیکون FZ شود که تقریباً منحصراً برای ساخت دستگاههای قدرت استفاده می شود. از آن زمان ، تنظیمات مختلف میدان مغناطیسی ، از نظر جهت میدان مغناطیسی (افقی یا عمودی) و نوع آهن ربا استفاده شده (رسانای نرمال یا ابررسانا) ، [13.31] سیلیسیم MCZ تولید شده با دامنه وسیعی از غلظت اکسیژن مورد نظر (از کم به زیاد) برای کاربردهای مختلف دستگاه بسیار مورد توجه بوده است. ارزش سیلیکون MCZ در کیفیت بالا و توانایی آن در کنترل غلظت اکسیژن در محدوده وسیع نهفته است ، که با استفاده از روش مرسوم CZ نمی توان به دست آورد [13.32] ، و همچنین نرخ رشد افزایش یافته آن [13.33].

تا آنجا که به کیفیت کریستال مربوط می شود ، شکی نیست که روش MCZ بلورهای سیلیکونی را که مطلوب ترین صنعت تجهیزات نیمه هادی است فراهم می کند. هزینه تولید سیلیکون MCZ ممکن است بیشتر از سیلیکون CZ معمولی باشد زیرا روش MCZ انرژی الکتریکی بیشتری مصرف می کند و نیاز به تجهیزات اضافی و فضای عملیاتی برای آهنرباهای الکتریکی دارد. با این حال ، با در نظر گرفتن نرخ رشد بالاتر MCZ ، و هنگامی که از آهن ربا ابررسانایی که به فضای کمتری نیاز دارد و در مقایسه با آهن ربای رسانا انرژی کمتری مصرف می کند ، ممکن است هزینه تولید بلورهای سیلیکون MCZ با بلورهای سیلیکون CZ معمولی قابل مقایسه باشد. علاوه بر این ، بهبود کیفیت کریستال سیلیکون MCZ ممکن است باعث افزایش بازده تولید و کاهش هزینه تولید شود.

13.4.2روش مداوم Czochralski (CCZ)

هزینه های تولید کریستال تا حدود زیادی به هزینه مواد ، به ویژه هزینه آنهایی که برای بوته های کوارتز استفاده می شود ، بستگی دارد. در فرآیند متداول CZ ، aفرآیند دسته ای، آکریستال از بار سنگین بوته خارج می شود و بوته کوارتز فقط یک بار استفاده می شود و سپس دور ریخته می شود. دلیل این امر این است که مقدار کمی سیلیسیم باقیمانده در هنگام خنک شدن از درجه حرارت بالا ، بوته را می شکافد.

تجزیه و تحلیل مجدد برای پر کردن بوته آکوارتز با مذاب از نظر اقتصادی این است که به طور مداوم با رشد بلور ، خوراک اضافه کنید و در نتیجه ذوب را در حجم ثابت نگه دارید. روش Czochralski (CCZ) با شارژ مداوم علاوه بر صرفه جویی در هزینه های قابل قبول ، یک محیط ایده آل برای رشد بلورهای سیلیکون فراهم می کند. همانطور که قبلاً ذکر شد ، بسیاری از ناهمگنیهای موجود در کریستالهای رشد یافته توسط فرآیند دسته ای متداول CZ ، نتیجه غیر مستقیم سینتیک ناپایدار ناشی از تغییر حجم مذاب در طی رشد کریستال است. هدف از روش CCZ نه تنها کاهش هزینه های تولید بلکه پرورش بلورها در شرایط ثابت است. با حفظ حجم ذوب در سطح ثابت ، می توان شرایط دمایی و حرارتی پایدار را بدست آورد (شکل را ببینید.13.9، که تغییر در محیط گرمایی را در طی رشد معمول CZ نشان می دهد).

همانطور که در شکل نشان داده شده است ، شارژ مداوم معمولاً با تغذیه پلی سیلیکون انجام می شود.13.13[13.34] این سیستم متشکل از ahopper برای ذخیره مواد اولیه پلی سیلیکون و فیدر پرنده ای است که پلی سیلیکون را به بوته منتقل می کند. در بوته حاوی ذوب سیلیکون ، برای جلوگیری از آشفتگی ذوب ناشی از تغذیه در ماده جامد اطراف رابط رشد ، به آکوارتز نیاز است. گرانولهای پلی سیلیکون جریان آزاد مانند آنچه قبلاً ذکر شد بدیهی است که برای روش CCZ سودمند است.

Fig. 13.13 — شکل 13.13
تصویر شماتیک روش Czochralski با شارژ مداوم. (بعد از[13.34])

روش CCZ مطمئناً بسیاری از مشکلات مربوط به ناهمگنی در بلورهای رشد یافته با روش مرسوم CZ را حل می کند. علاوه بر این ، ترکیبی از MCZ و CCZ (میدان مغناطیسی اعمال شده CZ مداوم (MCCZبا استفاده از روش) انتظار می رود که آخرین روش رشد کریستال را ارائه دهد ، و به بلورهای سیلیکونی ایده آل برای طیف گسترده ای از کاربردهای میکروالکترونیک [13.1] در واقع ، از آن برای رشد بلورهای سیلیکونی با کیفیت بالا که برای دستگاه های میکرو الکترونیک در نظر گرفته شده است ، استفاده شده است [13.35].

با این حال ، باید تأکید کرد که تاریخچه های مختلف حرارتی قسمت های مختلف بلور (از دانه تا دم به پایان می رسد ، همانطور که در شکل نشان داده شده است)13.9) باید در نظر گرفته شود حتی زمانی که کریستال با استفاده از روش رشد ایده آل رشد می کند. به منظور همگن سازی کریستال رشد یافته یا بدست آوردن یکنواختی محوری در تاریخچه حرارتی ، نوعی پس از تصفیه ، مانند بازپخت در دمای بالا [13.36] ، برای کریستال لازم است.

13.4.3روش رشد بدون گردن

همانطور که قبلاً اشاره شد ، روند گردن داش (که گردن آتین را به قطر 3-5 میلی متر رشد می دهد ، شکل).13.7) مرحله حیاتی در طی رشد بلور CZ است زیرا دررفتگی های رشد یافته را از بین می برد. این روش بیش از 40 سال استاندارد صنعت بوده است. با این حال ، تقاضای اخیر برای قطرهای بزرگ کریستال (& gt ؛ 300 میلی متر ، وزن بیش از 300 کیلوگرم) منجر به نیاز به گردن های قطر بزرگتر شده است که جابجایی را در کریستال در حال رشد ایجاد نمی کند ، از گردن آتین به قطر 3-5 میلی متر نمی تواند از چنین بلورهای بزرگی پشتیبانی کند.

بذرهایی با قطر بزرگ که بطور معمول 170 میلی متر طول دارند ، با حداکثر قطر>. 10 میلی متر و به طور متوسط 12 میلی متر از ذوب سیلیکون رشد می کند که به شدت با بور دوپ می شود (

& gt؛ 10^{19} a t o m s / c m^{3}

) برای رشد بلورهای سیلیسیم CZ بدون دررفتگی با قطر 200 میلی متر استفاده شده است [13.37,13.38] تخمین زده شده است که گردنهای قطر بزرگ به قطر 12 میلی متر می توانند از بلورهای سنگین 2000 کیلوگرم پشتیبانی کنند [13.39] شکل13.14a,bکریستال سیلیسیم CZ بدون دررفتگی به قطر 200 میلی متر بدون فرآیند گردن زدن Dash رشد می کند ، و شکل13.14a,bb دانه بزرگ شده آن را نشان می دهد (مقایسه با شکل.13.7) مکانیزمی که در آن دررفتگی در کریستال در حال رشد گنجانده نمی شود ، در درجه اول به اثر سخت شدن دوپینگ سنگین بور در سیلیکون نسبت داده شده است.

Fig. 13.14a,b — شکل 13.14a ، b
کریستال سیلیکون Czochralski بدون دررفتگی به قطر 200 میلی متر بدون روند گردن زدن Dash رشد کرده است. (a)تمام بدن، (b) دانه و مخروط. (با احترام از پروفسور K. هوشیکاوا)

منابع

13.1F شیمورا:فناوری نیمه هادی سیلیکون کریستال(آکادمیک ، نیویورک 1988)Google Scholar
13.2 WC Dash: J. Appl. فیزیک29, 736 (1958)کراس ریفGoogle Scholar
13.3K.Takada ، H.Yamagishi ، H.Minami ، M.Imai: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1998) ص 376Google Scholar
13.4 JRMcCormic: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1986) ص 43Google Scholar
13.5PA Taylor: Solid State Technol.جولای, 53 (1987)Google Scholar
13.6WG Pfann: ترانس. صبح. نصب حداقل فلز مهندسی194, 747 (1952)Google Scholar
13.7CH Theuerer: ثبت اختراع ایالات متحده 3060123 (1962)Google Scholar
13.8PH Keck ، MJE Golay: فیزیک کشیش89, 1297 (1953)کراس ریفGoogle Scholar
13.9 وات کلر ، A. Mhlbauer:سیلیکون منطقه شناور(مارسل دکر ، نیویورک 1981)Google Scholar
13.10 JM Meese:دوپینگ تغییر شکل نوترون در نیمه هادی ها(پلنوم ، نیویورک 1979)کراس ریفGoogle Scholar
13.11HMLiaw، CJVarker: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1977) ص 116Google Scholar
13.12ELKern، LSYaggy، JABarker: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1977) ص 52Google Scholar
13.13SM هو: کاربرد فیزیک لت31, 53 (1977)کراس ریفGoogle Scholar
13.14K Sumino ، H. Harada ، I. Yonenaga: Jpn. J. Appl فیزیک19, L49 (1980)کراس ریفGoogle Scholar
13.15 کیلوگرم سومینو ، I. یونناگا ، A. یوسا: Jpn. J. Appl فیزیک19, L763 (1980)کراس ریفGoogle Scholar
13.16T.Abe ، K.Kikuchi ، S.Shirai: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1981) ص 54Google Scholar
13.17J Czochralski: Z. فیزیک شیمی92, 219 (1918)Google Scholar
13.18GK Teal ، JB Little: فیزیک. کشیش78, 647 (1950)Google Scholar
13.19 وات Zulehner ، D. Huber: در:بلورها 8: سیلیکون ، اچ شیمیایی(اسپرینگر ، برلین ، هایدلبرگ 1982) ص. 1Google Scholar
13.20 ساعت Tsuya، F. Shimura، K. Ogawa، T. Kawamura: J. Electrochem. جامعه129, 374 (1982)کراس ریفGoogle Scholar
13.21F شیمورا (ویراستار):اکسیژن موجود در سیلیکون(دانشگاهی ، نیویورک 1994)Google Scholar
13.22S Kishino، Y. Matsushita، M. Kanamori: کاربرد فیزیک لت35, 213 (1979)کراس ریفGoogle Scholar
13.23F Shimura: J. Appl. فیزیک59, 3251 (1986)کراس ریفGoogle Scholar
13.24HD Chiou ، J. Moody ، R. Sandfort ، F. Shimura: فناوری علمی VLSI ، Proc. ورودی دوم نماد یکپارچه سازی مقیاس بسیار بزرگ. (انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1984) ص. 208Google Scholar
13.25F Shimura، RS Hocket: کاربرد. فیزیک لت48, 224 (1986)کراس ریفGoogle Scholar
13.26A.Huber ، M.Kapser ، J.Grabmeier ، U.Lambert ، WvAmmon ، R.Pech: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 2002) ص 280Google Scholar
13.27GARozgonyi: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 2002) ص 149Google Scholar
13.28HP Utech ، MC Flemings: J. Appl. فیزیک37, 2021 (1966)کراس ریفGoogle Scholar
13.29HA Chedzey، DT Hurtle: طبیعت210, 933 (1966)کراس ریفGoogle Scholar
13.30K.Hoshi ، T.Suzuki ، Y.Okubo ، N.Isawa: Ext. Abstr الکتروشیم جامعه 157 ملاقات (انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1980) ص 811Google Scholar
13.31M.Ohwa ، T.Higuchi ، E.Toji ، M.Watanabe ، K.Homma ، S.Takasu: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1986) ص 117Google Scholar
13.32M.Futagami ، K.Hoshi ، N.Isawa ، T.Suzuki ، Y.Okubo ، Y.Kato ، Y.Okamoto: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1986) ص 939Google Scholar
13.33T. سوزوکی ، N.Isawa ، K.Hoshi ، Y.Kato ، Y.Okubo: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1986) ص 142Google Scholar
13.34W.Zulehner: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1990) ص 30Google Scholar
13.35Y.Arai ، M.Kida ، N.Ono ، K.Abe ، N.Machida ، H.Futuya ، K.Sahira: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1994) ص 180Google Scholar
13.36F شیمورا: در:VLSI علم و فناوری(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1982) ص. 17Google Scholar
13.37S. Chandrasekhar، KM: در:سیلیکون نیمه هادی(انجمن الکتروشیمیایی ، پنینگتون 1998) ص 411Google Scholar
13.38K هوشیکاوا ، X. هوانگ ، T. Taishi ، T. Kajigaya ، T. Iino: Jpn. J. Appl فیزیک38, L1369 (1999)کراس ریفGoogle Scholar
13.39 کیلومتر کیلومتر Kim، P. Smetana: J. Cryst. رشد100, 527 (1989)کراس ریفGoogle Scholar