Файл: 1. Типы химической связи, Особенности материалов электрон техники.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 58
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Понятие о чистоте материала относительно. В каждом веществе обязательно присутствуют малые количества многих примесей. Определение этих примесей зависит от уровня методов химического анализа.
Оценка чистоты вещества осуществляется двумя способами: по химическому составу и по физическим свойствам. Первый способ является прямым, а второй - косвенным. При физическом способе о суммарном содержании примесей судят по величине электросопротивления, подвижности носителей тока, диффузионной длине. Примеси в чистом кремнии не должны превышать уровня 10-7 ат.%. Большинство лабораторных методов не позволяет определить содержание примеси на уровне ниже 10-7 ат.%, поэтому значение уровня легирования получают, исходя из измерений удельного сопротивления тестовых слитков.
Существует большое количество методов глубокой очистки вещества. Как правило, для достижения необходимого предела очистки используются несколько стадий очистки разными методами.
Очистив полупроводниковый материал, далее его начинают снова "загрязнять", так как основным способом придания полупроводниковым материалам необходимых свойств является введение в них тех или иных примесей. Преднамеренное введение таких примесей называют легированием, соответствующие примеси - легирующими, а полупроводник - примесным.
34. Классификация легирующих примесей. Назначение лег-их примесей.
Легирующие примеси делят на электрически активные и неактивные. Характер электрической активности примеси в свою очередь зависит от соотношения валентностей примеси и полупроводника. Исходя из этого, легирующие примеси делятся на:
1) неизовалентные, т.е. примеси, валентность которых отличается от валентности замещаемых ими атомов основного вещества. Они вносят разрешенные уровни в запрещенную зону основного полупроводника;
2) изовалентные, т.е. такие, валентность которых совпадает с валентностью замещаемых ими атомов полупроводника. В состоянии замещения они не создают разрешенных уровней.
В тех полупроводниковых материалах, в которых; основным типом химической связи является ковалентная связь, неизовалентные примеси растворяются в небольших количествах. Предельная растворимость в атом случае составляет 1017-1020 ат/см3 и редко 1021 ат/см3 В примесных полупроводниках электроны в зону проводимости и дырки в валентную зону поставляются активными примесями. После введения в полупроводник электрически активных донорных или акцепторных примесей в его запрещенной зоне возникают уровни у дна зоны проводимости (вносят доноры) или у потолка валентной зоны (вносят акцепторы).
Такие мелкие уровни в кремнии создают элементы III и V групп периодической системы, число валентных электронов которых отличается
от валентности кремния на +1 (для доноров) и -1 (для акцепторов). Ионизация таких примесей происходит при очень низких температурах, поэтому они определяют в основном электропроводимость полупроводников.
Примеси I, II, VI, VII групп периодической системы имеют большую энергию ионизации и их энергетические уровни расположены глубоко в запрещенной зоне.
Легирование полупроводников осуществляют для достижения следующих целей: изменения положения уровня Ферми; создания разрешенных уровней в запрещенной зоне с целью изменения концентрации и типа носителей заряда; создания центров излучательной и беэызлучательной рекомбинации; изменения подвижности, длины свободного пробега носителей зарядов; изменения ширимы запрещенной зоны; изменения предельной растворимости другой примеси; изменения межатомных расстояний с целью уменьшения макронапряжений в гетероэпитаксиальных композициях, на границах р-п переходов; изменения коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) с той же целью; создания внутренних геттеров в подложках для собственных и примесных точечных дефектов; изменения теплопроводности; изменения механических свойств (упрочнения); улучшения адгезии между слоями разнородных веществ.
35. Поведение легирующих примесей даже в элементарных полупроводниках не всегда бывает однозначным, так как определяется большим числом факторов: природой атомов примеси; позицией, занимаемой атомами примеси; степенью ионизации примеси; отклонением состава от стехиометрического; взаимодействием этой примеси с дефектами и другими примесями и т.д. Знание этих факторов необходимо для правильного выбора легирующей примеси, ее концентрации, способа введения.
Кроме легирующих имеются случайные или фоновые примеси, непреднамеренно вводимые в полупроводниковые материалы в процессе их производства и обработки. Фоновые примеси, как правило, ухудшают свойства материала и затрудняют управление ими. Поэтому необходимы установление природы неконтролируемых примесей, источников их попадания в основной материал, разработка технологии, предотвращающей это попадание.
В абсолютном большинстве случаев легирующая примесь обеспечивает создание необходимых свойств в полупроводниковом материале, только будучи растворенной в нем в атомарном (ионизированном) состоянии или в виде комплексов. Легирование в количествах, превышающих предел растворимости и вызывающих образование дополнительных фаз, как правило, отрицательно влияет на основные свойства полупроводников.
36. Применение кремния. Кремний является базовым материалом при изготовлении интегральных схем. Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска полупроводниковых изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из него изготавливают выпрямительные, импульсные, СВЧ-диоды, низкочастотные и высокочастотные, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые транзисторы, приборы с зарядовой связью. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров.
Кремний широко применяется для производства фоточувствительных приборов: фотодиодов и фототранзисторов. Спектр фоточувствительности кремниевых фотодетекторов хорошо согласуется со спектром излучения многих полупроводниковых источников света.
Кроме того, Si используется для изготовления солнечных батарей, детекторов радиоактивного излучения, датчиков Холла и тенэодатчиков.
37. Свойства кремния
По распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. В свободном состоянии в природе он не встречается. Наиболее распространенным соединением этого элемента является диоксид кремния в основном в виде кварца. В элементарном виде кремний был получен еще в 1811 г., однако как материал полупроводниковой электроники он стал широко применяться только во второй половине XX века после разработки эффективных методов его очистки.
Элементы IV группы Периодической системы, в которой находится Si, образуют чисто ковалентные связи с низким координационным числом, равным 4
(в ллотнейшей упаковке оно равно 12). Особенностями строения кремния (сильная ковалентная связь и рыхлая структура) объясняются многие его физико-химические свойства: низкая концентрация свободных носителей заряда и высокая предельная рабочая температура, что обусловлено оптимальным значением ширины запрещенной зоны;
малая плотность и низкий КТЛР; большой диапазон реально достижимых удельных электросопротивлений; высокая удельная теплопроводность; высокая растворимость примесей без существенного искажения кристаллической решетки
В настоящее время монокристаллический кремний – этот самый совершенный кристаллический материал созданный человеком
Ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ = 1,12 эВ
Собственная концентрация носителей заряда при 300 К = 1,45*1010 см-3
Диэлектрическая проницаемость=12
Тип кристаллической решетки - алмаз
В видимой области спектра Si сильно поглощает свет, в ИК области практически прозрачен.
В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является довольно инертным веществом. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами. Хорошо растворим лишь в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах. Устойчив на воздухе до температуры 900 °С. Выше этой температуры начинает интенсивно окисляться с образованием SiO2. Несмотря на это, на поверхности кремния всегда имеется тонкий слой (
50 А) так называемого естественного оксида. . Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии имеет высокую химическую активность, поэтому возникают большие трудности с подбором тигельного материала при выращивании монокристаллов.
38. Получение монокристаллического кремния методом Чохральского.
Выращивание монокрист кремния в пром условиях оуществл методом Чохральского- без тигельной зонной плавки. Тут рис .
1.- тигель 2. –кварц. Вкладыш. 3.- расплав кремния 4.- выращен.крист 5.- шток для крепления тигеля.6.- шток для крепления , вращ. Затравки и монокрист. 7.- нагреватель 8.-теплоизолирован экран, 9.-рабочая камера 10.-смотр окно. Очищенный поликристаллический кремний –(остатки от монокриталла ) помещают в тигель , производится вакуумирование камеры и плавление кремня . Выращивание осуществляется в потоке инертного газа(Ar или He). Увеличение диаметра монокристалла достигается за чет снижения температурного расплава или уменьшения скорости вытягивания . Практически 100% монокрист.выращивают с бездислокац структурой.
Для этого после ведения в контакт затворного кристалла с раствором . После этого происходит выращивание тонкой (3мм) шейки монокристалла. Затем скорость подьема снижается и происходит разрастание кристалла до необходимого диаметра. Исчезновение дислокаций при выращивании тонкой шейки связано с : основные дислокации в кремнии – линейные и смешные перемещаются в плоск(111) поскольку эта плоскость имеет наибольшую ретикулярную плотность в кремнии. Если направление вытягивания онокристалла не лежит в плоскости (111) , то дислокация зародившаяся на границе раздела ТВ тела с жидкостью обязательно выйдет на поверхность выращивания кристалла . Чем тоньше диаметр тем ранше это произойдет. По этой причине предпочтительно напрвление выращивания монокристалла [111] и [100]После того как все дислокации удалены дальнейшее их распространение под дйствием тепловых условий ростя не происходит. Дислокации могут образовываться в момнт орыва от кристалла и при попадании инородных частиц. По методу Чохральского в настоящее время выращиваютяс кристаллы диаметром до 200 мм длиной до 3 м , отклонение по диаметру до 3 мм В ближайшее время будет освоен выпуск пластин до 300 мм . Основная часть разрезается или отправляется на переделку.
39 . Получение монокристаллического кренмния бестигельной зонной плавкой.
Для выращивания высокочистых монокрист кремния с малым содержанием О . применяют метод вертикальной бестигельной зонной плавки. Схема установки для выращивания крист.
1.Держатель для крепления .2- затравка 3.- Монокристалл. 4.- Расплавл зона. 5.- высокочасотный индуктор. 6.- Исходный поликрист кремний. 7- Держатель для поликристалла 8.- Рабочая камера.
Узкая расплавленная зона сздается высокочастотным индуктором и удерживается между твердыми частями за счет поверхн натяжения(до 1.5 см высоты) Вначале производится плавление конца заготовки , к ней подводится затравка и далее вытягивается тнкаяя шейка , а затем оснвная часть монокристалла . Основной задачей бестигельной зонной плавки является получение очень чистых кристаллов кремния ю Дополнительный ряд примеси удаляется за счет испарения с поверхности расплава. В результате удается резко уменьшить концентрацию примеси в кристалле . Методом БЗП могут быть получены кристаллы с предельновысоким удельным p до 10(5) Ом*см. Скорость выращивания таким методом вдвое выше чем методу Чохральского. Диаметр выращивания слитков достигает 0.15м недостаток-серьезные технические прблемы , затрудн. Получение монокрист большого диаметра.
40.Фоновые примеси в монокристаллическом кремнии.
При производстве п/п(а) необходимо обеспечивать очень низкого уровня загрязнения нежелательными примесями. Суммарное содержание быстро диффундир-их Ме(х) примесей должно быть не выше 1011 см-3, углерода не выше 1015 см-3.
Содержание кислорода должно быть минимальным и равномерно распределено по объему слитка. Кислород в Si образует тв. растворы внедрения и явл. примесью отличающейся очень сложным поведением. В выращенном монокристалле 95% атомов кислорода находится в межузельном положении.
Изолированные атомы кислорода в решетки Si эл-ки нейтральны .При Т<10000 C тв. раствор становится пересыщенным, что приводит к его распаду и образованию различного рода комплексов и дефектов структуры. В рез-те термической обработки как в процессе выращивания монокристалла так и при изготовлении приборов атомы кислорода могут взаимодействовать между собой, а так же другими примесями и дефектами и образовывать эл. Активные комплексы. Так называемыми термодонорами.
Высокая концентрация термодоноров затрудняет получение заданного значения удельного эл. сопротив. А так же получение монокрристалов с удельным эл. сопр. более 20 Ом на см.
С в Si является элетро нейтральной примесью замещения. Эта примесь способна оказывать сильное влияние на состояние комплексов точечных дефектов. И процессы дефектно примесного взаимодействия в Si. В зависимости от содержания С при терм. обработке Si могут существенно изменяться процессы формирования термодоноров. Метод Чохральского является основным методом получения монокристаллов Si (80-90%). В этом случае осн. Источником О2 для Si явл. раств. в процессе выращивания монокристалла кварцевый тигель. При этом методе концентрация О2 в Si может достигать 1018 см-3 т.е. может быть выше чем концентрация легирующей примеси может оказывать серьезное влияние на Эл-кое и структурное св-во выращенного Si.
Основным источником С в Si явл. исходная загрузка и графитовая оснастка камеры. Обычная величина концентрации С в монокристалл-ом Si выращенном по методу Чохральского составляет (от 2 до 7) * 1016 см-3.
В связи с необходимостью обеспечить в выращенном монокристалле минимальное содержание кислорода и углерода в последнее время возрос интерес к получению монокристалл. Si методом безтигельной зонной плавки. Метод позволяет значительно снизить содерж. этих примесей. О2 например на 2 порядка.
Метод позволяет получать монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному удельным эл. сопротивлением до 105 Ом на см.
41.Микродефекты монокристаллического кремния.
100% монокристаллов Si в настоящее время выращивается с бесдислокационной структурой , важнейшей операцией при этом явл. выращивание в начале процесса монокристалла малого диаметра порядка
3 мм. В этом случае монокристалл становится бездислокационным через несколько сантиметров после начала процесса выращивания, до нее скорость вытяг. монокр. уменьшают и происходит разростание монокрист. до треб. диаметра. Исчезновение дислокаций при выращ. такой узкой шейки монокрист. связанно со следующим.
Для получения бездислокацион. кристаллов Si предпочтитель. направления выращивания это напрвления <111> и <100>.
Одной из наиболее серьезных проблем получения бездислокацион. Si большого диаметра явл. проблема снижения содержания и уменьшения размеров присутствующих в нем микродефектов. Как показывает исследование последних лет именно растовые микродефекты, содержащиеся в пластинах оказывают наибольшее влияние на хар-ки создаваемых интегральных схем в связи с этим, по мере уменьшения топологиских размеров рабочих элементов интеграль. схем требования по допуст. кол-ву дефектов субмикронных размеров на поверхности пласт. сущ. ужесточаются. Основную роль в образовании растовых микродеф. выращ. по методу Чахральского монокристалла играют существен. мододефекты; вакансии между аотмами, а также О2 .
В реальн. условиях уже на достаточно малых расст. от фронта кристализ. в монокристалл. возникает значтельное пересыщение по собств. точечным дефектам. Резкой температурной завис. их равновесной концентра. образующей избыточные неровности собствен. точечные дефекты аннигилировать стенки в качестве которых выступают боковые поверхности слитка и присутст. В обьеме. крупномасштабные дефекты прежде всего дислокации.
Другим источнтком микродефектов явл. О2 конц. которого в выращ. монокристаллах как правило достаточна для образов. В процессе охлаждения пересыщ. твердого раствора.
Однако несмотря на то что концентрация О2 в кристалл. намного выше концентра. собствен. точечных дефектов. Именно последнее играет ключевую роль в процессах дефектообразования, а связанно это с тем что движущей силой агрегации является не обсол. значение конц. точечных дефектов, а пересыщ. твердого раствора., которое существенно выше для собствен. точечных дефектов из-за резкого уменьшения их равновесных концентраций с уменьшением температуры.
Производимые в настоящее время монокристалл. большого диаметра явл. монокристаллы вакансионного типа. Поэтому в настоящее время основной задачей явл. разраб. технологии выращ. кристалла не содержащего вокансионные поры.
42. Современные тенденции развития производства полупрорводникового кремния. Основной объем монокристаллического кремния, потребляемого микроэлектроникой, выращивается ли методу Чохральского
Очищенный поликристаллический кремний помещают во вкладыш из кварцевого стекла, производится вакуумирование рабочей камеры до давления
10-4 Па и плавление Si. Монокристаллическая затравка приводится в соприкосновение с расплавом и из расплава с высокой скоростью вытягивается кристалл малого диаметра. Эта операция в начале процесса выращивания монокристаллического кремния необходима для уменьшения образования дефектов. Затем скорость подъема затравки снижается, происходит разрастание выращиваемого кристалла до необходимого диаметра. Заканчивается процесс выращивания оттяжкой на конус и отрывом кристалла от остатков расплава. Выращенные таким образом монокристаллы диаметром до 200 мм. Основным недостатком этого метода является загрязнение монокристаллов кислородом (до 1018 см-3), источником которого является кварцевый вкладыш. Кроме того, наблюдается неоднородность в распределении дефектов и примесей по диаметру и длине слитка.
Для выращивания высокочистых монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода и большим временем жизни носителей заряда применяют метод вертикальной бестигельной зонной плавки
Бестигельная зонная плавка обычно проводится в вакууме, при легировании - в атмосфере водорода, который является газом-носителем. В результате зонной плавки содержание примесей в кремнии уменьшается за счет частичного испарения. Особенно существенна разница в концентрации кислорода (на два порядка).
Этим методом могут быть получены монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному, удельным электросопротивлением (до 105 Ω*см). Скорость выращивания кристаллов таким методом вдвое больше, чем методом Чохральского, однако из-за технических трудностей диаметр кристаллов меньше, чем в методе Чохральского.
43. Применение поликристаллического кремния. Основное преимущество использования поликремния в технологии ИС - возможность формирования второго и даже третьего слоев, в которых создаются активные и пассивные элементы, и их изоляция от монокристаллической подложки и друг от друга. Применение поликристаллического кремния в технологии изготовления ИС, таким образом, открывает путь к созданию многослойных (трехмерных структур).
Возможность получения поликристаллического кремния с различным электросопротивлением, отличающимся на несколько порядков, а также простота технологии сделали его очень перспективным материалом для использования во многих интегральных схемах - с одной стороны, в качестве высоомного материала затворов, нагрузочных резисторов, а с другой - в качестве низкоомного материала межсоединений.
Сопротивление резисторов может изменяться в очень широких пределах. При высоких напряжениях поликремниевые резисторы приобретают нелинейные характеристики. Для обеспечения хорошей линейности необходима мелкозернистая структура пленок.
На поликремниевых пленках изготавливают также и диоды Шоттки,
характеристики которых близки к характеристикам диодов с р-n переходом. Сформировать поликремниевые биполярные транзисторы пока не
удалось, однако в биполярной технологии эмиттер может изготавливать
ся из поликремния. Поликремниевым эмиттерам присущ высокий коэффициент инжекции. Поликремний используется и при создании туннельных эмиттеров для вертикальных биполярных транзисторов. Однако
харктеристики активных приборов, изготовленных на поликремнии
(диодов, тонкопленочных транзисторов), сопоставимы с характеристиками приборов, изготовленных на монокристаллическом материале, только
в том случае, когда поликремний подвергают рекристаллизации. На форму ВАХ активных элементов существенно влияют состояния на межзеренной границе. Специфическое свойство высокоомного (>103 Ω*см) поликремния заключается в возможном необратимом понижении его удельного сопротивления на несколько порядков при пропускании импульса; тока высокой плотности (
10
34. Классификация легирующих примесей. Назначение лег-их примесей.
Легирующие примеси делят на электрически активные и неактивные. Характер электрической активности примеси в свою очередь зависит от соотношения валентностей примеси и полупроводника. Исходя из этого, легирующие примеси делятся на:
1) неизовалентные, т.е. примеси, валентность которых отличается от валентности замещаемых ими атомов основного вещества. Они вносят разрешенные уровни в запрещенную зону основного полупроводника;
2) изовалентные, т.е. такие, валентность которых совпадает с валентностью замещаемых ими атомов полупроводника. В состоянии замещения они не создают разрешенных уровней.
В тех полупроводниковых материалах, в которых; основным типом химической связи является ковалентная связь, неизовалентные примеси растворяются в небольших количествах. Предельная растворимость в атом случае составляет 1017-1020 ат/см3 и редко 1021 ат/см3 В примесных полупроводниках электроны в зону проводимости и дырки в валентную зону поставляются активными примесями. После введения в полупроводник электрически активных донорных или акцепторных примесей в его запрещенной зоне возникают уровни у дна зоны проводимости (вносят доноры) или у потолка валентной зоны (вносят акцепторы).
Такие мелкие уровни в кремнии создают элементы III и V групп периодической системы, число валентных электронов которых отличается
от валентности кремния на +1 (для доноров) и -1 (для акцепторов). Ионизация таких примесей происходит при очень низких температурах, поэтому они определяют в основном электропроводимость полупроводников.
Примеси I, II, VI, VII групп периодической системы имеют большую энергию ионизации и их энергетические уровни расположены глубоко в запрещенной зоне.
Легирование полупроводников осуществляют для достижения следующих целей: изменения положения уровня Ферми; создания разрешенных уровней в запрещенной зоне с целью изменения концентрации и типа носителей заряда; создания центров излучательной и беэызлучательной рекомбинации; изменения подвижности, длины свободного пробега носителей зарядов; изменения ширимы запрещенной зоны; изменения предельной растворимости другой примеси; изменения межатомных расстояний с целью уменьшения макронапряжений в гетероэпитаксиальных композициях, на границах р-п переходов; изменения коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) с той же целью; создания внутренних геттеров в подложках для собственных и примесных точечных дефектов; изменения теплопроводности; изменения механических свойств (упрочнения); улучшения адгезии между слоями разнородных веществ.
35. Поведение легирующих примесей даже в элементарных полупроводниках не всегда бывает однозначным, так как определяется большим числом факторов: природой атомов примеси; позицией, занимаемой атомами примеси; степенью ионизации примеси; отклонением состава от стехиометрического; взаимодействием этой примеси с дефектами и другими примесями и т.д. Знание этих факторов необходимо для правильного выбора легирующей примеси, ее концентрации, способа введения.
Кроме легирующих имеются случайные или фоновые примеси, непреднамеренно вводимые в полупроводниковые материалы в процессе их производства и обработки. Фоновые примеси, как правило, ухудшают свойства материала и затрудняют управление ими. Поэтому необходимы установление природы неконтролируемых примесей, источников их попадания в основной материал, разработка технологии, предотвращающей это попадание.
В абсолютном большинстве случаев легирующая примесь обеспечивает создание необходимых свойств в полупроводниковом материале, только будучи растворенной в нем в атомарном (ионизированном) состоянии или в виде комплексов. Легирование в количествах, превышающих предел растворимости и вызывающих образование дополнительных фаз, как правило, отрицательно влияет на основные свойства полупроводников.
36. Применение кремния. Кремний является базовым материалом при изготовлении интегральных схем. Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска полупроводниковых изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из него изготавливают выпрямительные, импульсные, СВЧ-диоды, низкочастотные и высокочастотные, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые транзисторы, приборы с зарядовой связью. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров.
Кремний широко применяется для производства фоточувствительных приборов: фотодиодов и фототранзисторов. Спектр фоточувствительности кремниевых фотодетекторов хорошо согласуется со спектром излучения многих полупроводниковых источников света.
Кроме того, Si используется для изготовления солнечных батарей, детекторов радиоактивного излучения, датчиков Холла и тенэодатчиков.
37. Свойства кремния
По распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. В свободном состоянии в природе он не встречается. Наиболее распространенным соединением этого элемента является диоксид кремния в основном в виде кварца. В элементарном виде кремний был получен еще в 1811 г., однако как материал полупроводниковой электроники он стал широко применяться только во второй половине XX века после разработки эффективных методов его очистки.
Элементы IV группы Периодической системы, в которой находится Si, образуют чисто ковалентные связи с низким координационным числом, равным 4
(в ллотнейшей упаковке оно равно 12). Особенностями строения кремния (сильная ковалентная связь и рыхлая структура) объясняются многие его физико-химические свойства: низкая концентрация свободных носителей заряда и высокая предельная рабочая температура, что обусловлено оптимальным значением ширины запрещенной зоны;
малая плотность и низкий КТЛР; большой диапазон реально достижимых удельных электросопротивлений; высокая удельная теплопроводность; высокая растворимость примесей без существенного искажения кристаллической решетки
В настоящее время монокристаллический кремний – этот самый совершенный кристаллический материал созданный человеком
Ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ = 1,12 эВ
Собственная концентрация носителей заряда при 300 К = 1,45*1010 см-3
Диэлектрическая проницаемость=12
Тип кристаллической решетки - алмаз
В видимой области спектра Si сильно поглощает свет, в ИК области практически прозрачен.
В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является довольно инертным веществом. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами. Хорошо растворим лишь в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах. Устойчив на воздухе до температуры 900 °С. Выше этой температуры начинает интенсивно окисляться с образованием SiO2. Несмотря на это, на поверхности кремния всегда имеется тонкий слой (
50 А) так называемого естественного оксида. . Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии имеет высокую химическую активность, поэтому возникают большие трудности с подбором тигельного материала при выращивании монокристаллов.
38. Получение монокристаллического кремния методом Чохральского.
Выращивание монокрист кремния в пром условиях оуществл методом Чохральского- без тигельной зонной плавки. Тут рис .
1.- тигель 2. –кварц. Вкладыш. 3.- расплав кремния 4.- выращен.крист 5.- шток для крепления тигеля.6.- шток для крепления , вращ. Затравки и монокрист. 7.- нагреватель 8.-теплоизолирован экран, 9.-рабочая камера 10.-смотр окно. Очищенный поликристаллический кремний –(остатки от монокриталла ) помещают в тигель , производится вакуумирование камеры и плавление кремня . Выращивание осуществляется в потоке инертного газа(Ar или He). Увеличение диаметра монокристалла достигается за чет снижения температурного расплава или уменьшения скорости вытягивания . Практически 100% монокрист.выращивают с бездислокац структурой.
Для этого после ведения в контакт затворного кристалла с раствором . После этого происходит выращивание тонкой (3мм) шейки монокристалла. Затем скорость подьема снижается и происходит разрастание кристалла до необходимого диаметра. Исчезновение дислокаций при выращивании тонкой шейки связано с : основные дислокации в кремнии – линейные и смешные перемещаются в плоск(111) поскольку эта плоскость имеет наибольшую ретикулярную плотность в кремнии. Если направление вытягивания онокристалла не лежит в плоскости (111) , то дислокация зародившаяся на границе раздела ТВ тела с жидкостью обязательно выйдет на поверхность выращивания кристалла . Чем тоньше диаметр тем ранше это произойдет. По этой причине предпочтительно напрвление выращивания монокристалла [111] и [100]После того как все дислокации удалены дальнейшее их распространение под дйствием тепловых условий ростя не происходит. Дислокации могут образовываться в момнт орыва от кристалла и при попадании инородных частиц. По методу Чохральского в настоящее время выращиваютяс кристаллы диаметром до 200 мм длиной до 3 м , отклонение по диаметру до 3 мм В ближайшее время будет освоен выпуск пластин до 300 мм . Основная часть разрезается или отправляется на переделку.
39 . Получение монокристаллического кренмния бестигельной зонной плавкой.
Для выращивания высокочистых монокрист кремния с малым содержанием О . применяют метод вертикальной бестигельной зонной плавки. Схема установки для выращивания крист.
1.Держатель для крепления .2- затравка 3.- Монокристалл. 4.- Расплавл зона. 5.- высокочасотный индуктор. 6.- Исходный поликрист кремний. 7- Держатель для поликристалла 8.- Рабочая камера.
Узкая расплавленная зона сздается высокочастотным индуктором и удерживается между твердыми частями за счет поверхн натяжения(до 1.5 см высоты) Вначале производится плавление конца заготовки , к ней подводится затравка и далее вытягивается тнкаяя шейка , а затем оснвная часть монокристалла . Основной задачей бестигельной зонной плавки является получение очень чистых кристаллов кремния ю Дополнительный ряд примеси удаляется за счет испарения с поверхности расплава. В результате удается резко уменьшить концентрацию примеси в кристалле . Методом БЗП могут быть получены кристаллы с предельновысоким удельным p до 10(5) Ом*см. Скорость выращивания таким методом вдвое выше чем методу Чохральского. Диаметр выращивания слитков достигает 0.15м недостаток-серьезные технические прблемы , затрудн. Получение монокрист большого диаметра.
40.Фоновые примеси в монокристаллическом кремнии.
При производстве п/п(а) необходимо обеспечивать очень низкого уровня загрязнения нежелательными примесями. Суммарное содержание быстро диффундир-их Ме(х) примесей должно быть не выше 1011 см-3, углерода не выше 1015 см-3.
Содержание кислорода должно быть минимальным и равномерно распределено по объему слитка. Кислород в Si образует тв. растворы внедрения и явл. примесью отличающейся очень сложным поведением. В выращенном монокристалле 95% атомов кислорода находится в межузельном положении.
Изолированные атомы кислорода в решетки Si эл-ки нейтральны .При Т<10000 C тв. раствор становится пересыщенным, что приводит к его распаду и образованию различного рода комплексов и дефектов структуры. В рез-те термической обработки как в процессе выращивания монокристалла так и при изготовлении приборов атомы кислорода могут взаимодействовать между собой, а так же другими примесями и дефектами и образовывать эл. Активные комплексы. Так называемыми термодонорами.
Высокая концентрация термодоноров затрудняет получение заданного значения удельного эл. сопротив. А так же получение монокрристалов с удельным эл. сопр. более 20 Ом на см.
С в Si является элетро нейтральной примесью замещения. Эта примесь способна оказывать сильное влияние на состояние комплексов точечных дефектов. И процессы дефектно примесного взаимодействия в Si. В зависимости от содержания С при терм. обработке Si могут существенно изменяться процессы формирования термодоноров. Метод Чохральского является основным методом получения монокристаллов Si (80-90%). В этом случае осн. Источником О2 для Si явл. раств. в процессе выращивания монокристалла кварцевый тигель. При этом методе концентрация О2 в Si может достигать 1018 см-3 т.е. может быть выше чем концентрация легирующей примеси может оказывать серьезное влияние на Эл-кое и структурное св-во выращенного Si.
Основным источником С в Si явл. исходная загрузка и графитовая оснастка камеры. Обычная величина концентрации С в монокристалл-ом Si выращенном по методу Чохральского составляет (от 2 до 7) * 1016 см-3.
В связи с необходимостью обеспечить в выращенном монокристалле минимальное содержание кислорода и углерода в последнее время возрос интерес к получению монокристалл. Si методом безтигельной зонной плавки. Метод позволяет значительно снизить содерж. этих примесей. О2 например на 2 порядка.
Метод позволяет получать монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному удельным эл. сопротивлением до 105 Ом на см.
41.Микродефекты монокристаллического кремния.
100% монокристаллов Si в настоящее время выращивается с бесдислокационной структурой , важнейшей операцией при этом явл. выращивание в начале процесса монокристалла малого диаметра порядка
3 мм. В этом случае монокристалл становится бездислокационным через несколько сантиметров после начала процесса выращивания, до нее скорость вытяг. монокр. уменьшают и происходит разростание монокрист. до треб. диаметра. Исчезновение дислокаций при выращ. такой узкой шейки монокрист. связанно со следующим.34. Классификация легирующих примесей. Назначение лег-их примесей.
Легирующие примеси делят на электрически активные и неактивные. Характер электрической активности примеси в свою очередь зависит от соотношения валентностей примеси и полупроводника. Исходя из этого, легирующие примеси делятся на:
1) неизовалентные, т.е. примеси, валентность которых отличается от валентности замещаемых ими атомов основного вещества. Они вносят разрешенные уровни в запрещенную зону основного полупроводника;
2) изовалентные, т.е. такие, валентность которых совпадает с валентностью замещаемых ими атомов полупроводника. В состоянии замещения они не создают разрешенных уровней.
В тех полупроводниковых материалах, в которых; основным типом химической связи является ковалентная связь, неизовалентные примеси растворяются в небольших количествах. Предельная растворимость в атом случае составляет 1017-1020 ат/см3 и редко 1021 ат/см3 В примесных полупроводниках электроны в зону проводимости и дырки в валентную зону поставляются активными примесями. После введения в полупроводник электрически активных донорных или акцепторных примесей в его запрещенной зоне возникают уровни у дна зоны проводимости (вносят доноры) или у потолка валентной зоны (вносят акцепторы).
Такие мелкие уровни в кремнии создают элементы III и V групп периодической системы, число валентных электронов которых отличается
от валентности кремния на +1 (для доноров) и -1 (для акцепторов). Ионизация таких примесей происходит при очень низких температурах, поэтому они определяют в основном электропроводимость полупроводников.
Примеси I, II, VI, VII групп периодической системы имеют большую энергию ионизации и их энергетические уровни расположены глубоко в запрещенной зоне.
Легирование полупроводников осуществляют для достижения следующих целей: изменения положения уровня Ферми; создания разрешенных уровней в запрещенной зоне с целью изменения концентрации и типа носителей заряда; создания центров излучательной и беэызлучательной рекомбинации; изменения подвижности, длины свободного пробега носителей зарядов; изменения ширимы запрещенной зоны; изменения предельной растворимости другой примеси; изменения межатомных расстояний с целью уменьшения макронапряжений в гетероэпитаксиальных композициях, на границах р-п переходов; изменения коэффициента термического линейного расширения (КТЛР) с той же целью; создания внутренних геттеров в подложках для собственных и примесных точечных дефектов; изменения теплопроводности; изменения механических свойств (упрочнения); улучшения адгезии между слоями разнородных веществ.
35. Поведение легирующих примесей даже в элементарных полупроводниках не всегда бывает однозначным, так как определяется большим числом факторов: природой атомов примеси; позицией, занимаемой атомами примеси; степенью ионизации примеси; отклонением состава от стехиометрического; взаимодействием этой примеси с дефектами и другими примесями и т.д. Знание этих факторов необходимо для правильного выбора легирующей примеси, ее концентрации, способа введения.
Кроме легирующих имеются случайные или фоновые примеси, непреднамеренно вводимые в полупроводниковые материалы в процессе их производства и обработки. Фоновые примеси, как правило, ухудшают свойства материала и затрудняют управление ими. Поэтому необходимы установление природы неконтролируемых примесей, источников их попадания в основной материал, разработка технологии, предотвращающей это попадание.
В абсолютном большинстве случаев легирующая примесь обеспечивает создание необходимых свойств в полупроводниковом материале, только будучи растворенной в нем в атомарном (ионизированном) состоянии или в виде комплексов. Легирование в количествах, превышающих предел растворимости и вызывающих образование дополнительных фаз, как правило, отрицательно влияет на основные свойства полупроводников.
36. Применение кремния. Кремний является базовым материалом при изготовлении интегральных схем. Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска полупроводниковых изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из него изготавливают выпрямительные, импульсные, СВЧ-диоды, низкочастотные и высокочастотные, мощные и маломощные биполярные транзисторы, полевые транзисторы, приборы с зарядовой связью. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров.
Кремний широко применяется для производства фоточувствительных приборов: фотодиодов и фототранзисторов. Спектр фоточувствительности кремниевых фотодетекторов хорошо согласуется со спектром излучения многих полупроводниковых источников света.
Кроме того, Si используется для изготовления солнечных батарей, детекторов радиоактивного излучения, датчиков Холла и тенэодатчиков.
37. Свойства кремния
По распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. В свободном состоянии в природе он не встречается. Наиболее распространенным соединением этого элемента является диоксид кремния в основном в виде кварца. В элементарном виде кремний был получен еще в 1811 г., однако как материал полупроводниковой электроники он стал широко применяться только во второй половине XX века после разработки эффективных методов его очистки.
Элементы IV группы Периодической системы, в которой находится Si, образуют чисто ковалентные связи с низким координационным числом, равным 4
(в ллотнейшей упаковке оно равно 12). Особенностями строения кремния (сильная ковалентная связь и рыхлая структура) объясняются многие его физико-химические свойства: низкая концентрация свободных носителей заряда и высокая предельная рабочая температура, что обусловлено оптимальным значением ширины запрещенной зоны;
малая плотность и низкий КТЛР; большой диапазон реально достижимых удельных электросопротивлений; высокая удельная теплопроводность; высокая растворимость примесей без существенного искажения кристаллической решетки
В настоящее время монокристаллический кремний – этот самый совершенный кристаллический материал созданный человеком
Ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ = 1,12 эВ
Собственная концентрация носителей заряда при 300 К = 1,45*1010 см-3
Диэлектрическая проницаемость=12
Тип кристаллической решетки - алмаз
В видимой области спектра Si сильно поглощает свет, в ИК области практически прозрачен.
В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является довольно инертным веществом. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами. Хорошо растворим лишь в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах. Устойчив на воздухе до температуры 900 °С. Выше этой температуры начинает интенсивно окисляться с образованием SiO2. Несмотря на это, на поверхности кремния всегда имеется тонкий слой (
Для получения бездислокацион. кристаллов Si предпочтитель. направления выращивания это напрвления <111> и <100>.
Одной из наиболее серьезных проблем получения бездислокацион. Si большого диаметра явл. проблема снижения содержания и уменьшения размеров присутствующих в нем микродефектов. Как показывает исследование последних лет именно растовые микродефекты, содержащиеся в пластинах оказывают наибольшее влияние на хар-ки создаваемых интегральных схем в связи с этим, по мере уменьшения топологиских размеров рабочих элементов интеграль. схем требования по допуст. кол-ву дефектов субмикронных размеров на поверхности пласт. сущ. ужесточаются. Основную роль в образовании растовых микродеф. выращ. по методу Чахральского монокристалла играют существен. мододефекты; вакансии между аотмами, а также О2 .
В реальн. условиях уже на достаточно малых расст. от фронта кристализ. в монокристалл. возникает значтельное пересыщение по собств. точечным дефектам. Резкой температурной завис. их равновесной концентра. образующей избыточные неровности собствен. точечные дефекты аннигилировать стенки в качестве которых выступают боковые поверхности слитка и присутст. В обьеме. крупномасштабные дефекты прежде всего дислокации.
Другим источнтком микродефектов явл. О2 конц. которого в выращ. монокристаллах как правило достаточна для образов. В процессе охлаждения пересыщ. твердого раствора.
Однако несмотря на то что концентрация О2 в кристалл. намного выше концентра. собствен. точечных дефектов. Именно последнее играет ключевую роль в процессах дефектообразования, а связанно это с тем что движущей силой агрегации является не обсол. значение конц. точечных дефектов, а пересыщ. твердого раствора., которое существенно выше для собствен. точечных дефектов из-за резкого уменьшения их равновесных концентраций с уменьшением температуры.
Производимые в настоящее время монокристалл. большого диаметра явл. монокристаллы вакансионного типа. Поэтому в настоящее время основной задачей явл. разраб. технологии выращ. кристалла не содержащего вокансионные поры.
42. Современные тенденции развития производства полупрорводникового кремния. Основной объем монокристаллического кремния, потребляемого микроэлектроникой, выращивается ли методу Чохральского
Очищенный поликристаллический кремний помещают во вкладыш из кварцевого стекла, производится вакуумирование рабочей камеры до давления
4 А/см2). Этот эффект можно использовать в схемах ППЗУ, Поликремний применяется В качестве диффузионных источников при создании мелких р-n переходов, для обеспечения невыпрямляющиж контактов к монокристаллическому кремнию.
В структурах КСДИ (кремний с диэлектрической изоляцией) поликристаллический кремний играет роль несущей подложки для монокристаллических карманов.
Иногда для изоляции элементов ИС используют V-обраэные канавки. Для получения более гладкой поверхности канавку после окисления
заполняют поликремнием.
Замена монокристаллического кремния на поликристаллический в качестве активного элемента в солнечных батареях позволяет существенно снизить их стоимость, при этом поликристаллический кремний обеспечивает высокий КПД (10-12%).100>111>
44. Свойства поликристаллического кремния
Атомная структура полупроводниковых материалов, в частности кремния, может различаться очень сильно: от строго упорядоченного расположения атомов в монокристаллах до разупорядоченного аморфного состояния. Поликристаллический кремний в этом ряду занимает промежуточное положение. Его химические и физические свойства в значительной степени зависят от структуры, типа и размера зерен, которые в свою очередь сильно зависят от технологии получения материала. Высокая чувствительность свойств поликристаллического кремния к изменению технологических параметров, с одной стороны, позволяет в широких пределах варьировать свойства материала, а с другой - затрудняет получение материала с воспроизводимыми свойствами. Получение необходимых и главное стабильно воспроизводимых свойств поликристаллического кремния резко осложняется наличием межзеренных границ (МЗГ).
МЗГ представляет собой регулярное множество дислокаций и связана с локальными искажениями решетки вблизи поверхности раздела внутри поликристалла. Такие локальные искажения приводят к образованию оборванных связей. Состояния на МЗГ могут действовать в качестве ловушечных центров, а также центров рекомбинации и рассеяния. Именно из-за сильной рекомбинации до настоящего времени не реализованы биполярные транзисторы на поликремнии. Повышенное рассеяние снижает подвижность носителей заряда, что ограничивает быстродействие тонкопленочных транзисторов.
Наличие потенциального барьера на МЗГ является причиной нелинейности характеристик резисторов, изготавливаемых на основе поликристаллического кремния. Возникновение потенциального барьера связано с захватом подвижных носителей заряда на состояния МЗГ. При этом уменьшение концентрации носителей заряда в пограничном слое приводит к образованию области пространственного заряда нескомпенсированных ионизированных доноров или акцепторов (в случае материала п- или р-типа соответственно) и вследствие этого к искривлению зон. Вид зонной диаграммы для случая, когда граница раздела в поликремнии образована кристаллитами п-типа, показан на рис
Т
ак как вклад в проводимость вносят только те электроны, которые в состоянии преодолеть потенциальный барьер ∆Евс, то среднюю электропроводность о поликремния можно записать в виде
где σV - электропроводность основной массы зерна.
∆Еbf и ∆Евс - высоты потенциального барьера по отношению к уровню Ферми ЕF и дну зоны проводимости Еc соответственно; Еv - потолок валентной зоны; ∆ЕG ширина запрещенной зоны; <а> - размер зерна
45. Получение тонких пленок поликристаллического кремния. Стандартным методом получения полукристаллических пленок кремния при изготовлении ИС является химическое газофазное осаждение при низком давлении. Обычно используются два вида процессов осаждения при пониженном давлении: в одном используется 100%-ный силен при давлении в реакторе 25-130 Па, в другом - 20 - 30%-ная смесь силана с азотом при том же давлении. При повышении температуры осаждения более важную роль изминают играть химические процессы не на поверхности подложки, а в газовой фазе, что приводит к образованию рыхлого, беспорядочно осаждающегося слоя. Пленки поликристаллического кремния, осаждаемого этим способом, имеют характерную шероховатость поверхности, что создает проблемы при проведении последующих технологических операций изготовления ИС. Шероховатость исходной поверхности кремниевых слоев может привести к понижению пробивных напряжений и повышению туннельных токов в граничащих с поликристаллическим кремнием диэлектриках, В результате морфология и рельеф поверхности этих слоев оказывают существенное влияние на характеристики приборов, изготовленных на основе тонкопленочных слоистых структур, а также с малыми размерами элементов.
В этой связи практический интерес представляют пленки поликристаллического кремния, получаемые кристаллизацией аморфных слоев. Такие пленки являются структурно более совершенными, а их поверхность менее шероховатой.
Структура поликремниевых пленок сильно зависит от температуры осаждения и последующих термообработок пленок, а также от вида легирующей примеси. Поликремний может быть легирован путем диффузии, ионной имплантации или введения легирующих добавок в газовую смесь в ходе осаждения пленок. Все эти методы используются при формировании полупроводниковых приборов.
Легирование в процессе осаждения осуществляют за счет добавления в реакционную смесь фосфина, арсина или диборана. При этом диборан вызывает сильное увеличение скорости осаждения, а добавление арсина или фосфина резко снижают ее. Кроме того, при введении легирующих добавок уменьшается равномерность толщины осаждаемых пленок по поверхности пластины.