Технология получения монокристаллического Si
Московский Государственный Технический Университет им. Баумана
Физико-химические основы технологии электронных средств
Реферат на тему:
Технология получения монокристаллического Si
Преподаватель: Григорьев Виктор Петрович
Студент: Малов М.С.
Группа: РТ2-41
Москва 2004
План:
|
Полупроводниковая технология |
3 |
|
Кремний |
|
|
4 |
|
4 |
|
Этапы производства кремния |
9 |
|
Получение технического кремния |
10 |
|
Получения трихлорсилана (ТХС) |
11 |
|
Очистка ТХС |
13 |
|
Другие методы получения газовых соединений Si |
15 |
|
Восстановление очищенного трихлорсилана |
16 |
|
Получение поликристаллических кремния из моносилана SiH4 |
18 |
|
Производство монокристаллов кремния |
20 |
|
20 |
|
26 |
|
Литература |
30 |
Полупроводниковая технология начала свое становление с 1946 года, когда Бардин и Шокли изобрели биполярный транзистор. На первом этапе развития микроэлектронного производства в качестве исходного материала использовался германий. В настоящее время 98 % от общего числа интегральных схем изготавливаются на основе кремния.
Кремниевые полупроводниковые приборы по сравнению с германиевыми имеют ряд преимуществ:
- Si p-n переходы обладают низкими токами утечки, что определяет более высокие пробивные напряжения кремниевых выпрямителей;
- у кремния более высокая, чем у Ge область рабочих температур (до 150 и 70 градусов Цельсия соответственно);
- кремний является технологически удобным материалом: его легко обрабатывать, на нем легко получать диэлектрические пленки SiO2, которые затем успешно используются в технологических циклах;
- кремниевая технология является менее затратной. Получение химически чистого Si в 10 раз дешевле, чем Ge.
Вышеперечисленные преимущества кремниевой технологии имеют место в связи со следующими его особенностями:
- большое содержание кремния в виде минералов в земной коре (25 % от ее массы);
- простота его добычи (содержится в обычном речном песке) и переработки;
- существование "родного" не растворимого в воде окисного слоя SiO2 хорошего качества;
- большая, чем у германия ширина запрещенной зоны (Eg = 1.12 эВ и Eg = 0.66 эВ соответственно).
Кремний
Кремний обладает алмазоподобной кристаллической решеткой, которая может быть представлена в виде двух взаимопроникающих гранецентрированных решеток. Параметр решетки - 0.54 нм, кратчайшее расстояние между атомами - 0.23 нм. Легирующие атомы замещают атомы кремния, занимая их место в кристаллической решетке. Основными легирующими атомами являются фосфор (5ти валентный донор замещения) и бор (3-х валентный акцептор замещения). Их концентрация обычно не превышает 10-8 атомных процента.
Реальные кристаллы отличаются от идеальных следующим:
- они не бесконечны и поверхностные атомы обладают свободными связями
- атомы в решетке смещены относительно идеального положения в следствие термических колебаний
- реальные кристаллы содержат дефекты
С точки зрения размерности выделяют следующие типы дефектов реальных кристаллов:
· Точечные дефекты
К точечным дефектам относятся:
· дефекты по Шоттки,
· дефекты по Френкелю,
· атомы примеси в положении замещения,
· атомы примеси в междоузлии.
Дефект по Шоттки представляет собой вакансию в кристаллической решетке. Вакансия образуется, как правило, на поверхности кристалла. При этом атом или покидает решетку или остается с ней связанным. В дальнейшем вакансия мигрирует в объем кристалла за счет его тепловой энергии. В условиях термодинамического равновесия концентрация этих дефектов NШ задается уравнением
NШ= C*exp(-W/kT),
где C - константа,
W - энергия образования данного вида дефекта.
Для кремния значение W= 2,6 эВ.
Дефект по Френкелю представляет собой вакансию и междоузельный атом. Концентрация этих дефектов вычисляется также по формуле, но с большим значением энергии образования междоузельного атома W= 4,5 эВ. Вакансия и междоузельный атомы перемещаются внутри решетки за счет тепловой энергии.
Возможно внедрение примесных атомов в кристаллическую решетку. При этом атомы примеси, находящиеся в положении замещения, создают энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника.
Атомы примеси, находящиеся в междоузлиях, не создают этих уровней, но влияют на механические свойства полупроводника.
· Линейные дефекты
К линейным дефектам относятся:
· краевая дислокация
· винтовая дислокация
Краевые
дислокации возникают за счет параллельного смещения атомов одной плоскости
относительно другой на одинаковое расстояние b в направлении параллельном
возможному перемещению дислокации. Винтовые дислокации также возникают за счет
смещения атомных плоскостей, но атомы смещаются на разные расстояния в
направлении перпендикулярном перемещению дислокации.
Оба типа дефектов образуются за счет механических напряжений, существующих в кристалле,
и обусловлены градиентом температуры или большой концентрации примесных атомов.
Краевые дислокации в кристаллах, используемых для производства ИС, как правило,
отсутствуют.
· Поверхностные дефекты
К поверхностным дефектам относятся:
· границы зерен монокристаллов,
· двойниковые границы.
Двойникование - изменение
ориентации кристалла вдоль некоторой плоскости, называемой плоскостью
двойникования BC (см. рис. 1).
Эти дефекты возникают в процессе роста в определенных частях кристаллического
слитка. Для производства ИС такие кристаллы не используют, их отбраковывают.
· Объемные дефекты в кремнии
Одним из проявлений трехмерных нарушений в кристаллической решетке являются микродефекты и преципитаты (фаза, в которой выделяются примесные атомы, в случае превышения уровня растворимости в веществе при данной температуре).
При росте
кристаллов кремния с очень низкой плотностью дислокаций возникает тип дефектов,
которые, вероятно, характерны исключительно для полупроводниковых кристаллов и
в настоящее время интенсивно исследуются. Из-за малого размера их называют
микродефектами.
Картина распределения микродефектов в поперечном сечении кристалла обычно имеет
вид спирали, поэтому ее называют swirl-картиной. Swirl по-английски означает
"воронка, спираль". Swirl-картина обнаруживается и в кристаллах
выращенных по методу Чохральского и в кристаллах зонной плавки независимо от их
кристаллографической ориентации.
Впервые такие дефекты наблюдались при избирательном травлении пластин
бездислокационного кремния. В них обнаружены дефекты, отличающиеся от
дислокаций, дефектов упаковки, двойников, преципитатов и межзеренных границ.
Они давали фигуры травления, названные "некристалографическими" или
"пустыми" ямками травления. Некристаллографические ямки не имеют
определенной ориентации относительно кристалла или друг друга. Они имеют
плоское дно и, следовательно, обусловлены вытравливанием локализованных,
приблизительно сферических дефектов, отличных от дислокаций, которые являются
линейными дефектами и дают при травлении "глубокие" ямки в местах
своего выхода на поверхность.
