Технология изготовления кристаллов полупроводниковых интегральных микросхем (стр. 2 из 5)

4.Оптимально высокая температура плавления, следующая из высокого значения модуля упругости и энергии связи.

5.Малая плотность (2,3 г/см3) и низкий ТКЛР 3·10-6 К-1.

6.Высокая теплопроводность (до 140 Вт/К·м, что близко к коэффициенту теплопроводности железа).

7.Тензочувствительность—существенное изменение удельного сопротивления при упругой деформации.

8.Высокая растворимость примесей, причем примеси несильно искажают решетку кристалла.

1.4 Обоснование применения монокристаллического кремния

В производстве ИМС Обычно используются полупроводниковые материалы в виде монокристаллических слитков, имеющих форму, близкую к цилиндрической. Размеры слитков, зависят от метода их выращивания и типа полупроводникового материала.

В настоящее время большинство полупроводниковых ИМС изготовляют на основе монокристаллического кремния, хотя в отдельных случаях используют германий. Это объясняется тем, что кремний по сравнению с германием обладает рядом физических и технологических преимуществ, важных для создания элементов ИМС. Физические преимущества кремния по сравнению с германием проявляются в следующем:

— кремний имеет большую ширину запрещенной зоны и меньшие обратные токи переходов, что уменьшает паразитные связи между элементами ИМС, позволяет создавать микросхемы, работоспособные при повышенных температурах (до +120°С) и микромощные схемы, работающие при малых уровнях рабочих токов (менее 1 мкА);

— кремниевые транзисторы имеют более высокое пороговое напряжение, а, следовательно, логические схемы на этих транзисторах характеризуются большой статической помехоустойчивостью;

— кремний характеризуется меньшей диэлектрической проницаемостью, что обусловливает меньшие значения барьерных емкостей переходов при той же их площади и позволяет увеличить быстродействие ИМС.

Кремний — прочный и жесткий материал, в монокристаллическом состоянии пригодный для изготовления чувствительных элементов прецизионных широкодиапазонных датчиков в виде консолей, мембран очень малой толщины—вплоть до 1...3 . Такие элементы могут массово производиться методами, разработанными в технологии ИС. Они обеспечивают резкое ускорение развития средств автоматики, печатной техники.

Сырье для получения кремния имеется всюду в неограниченных количествах: содержание его в земной коре превышает 26%.

Кремний нетоксичен в большинстве своих химических соединений, и его производство не сопровождается получением загрязняющих окружающую среду отходов, тем более что благодаря низкой материалоемкости микроэлектроники объем его производства будет всегда очень малым, несопоставимым с масштабами металлургических и химических производств.

Таблица 1 — Некоторые свойства германия и кремния

Свойства Единица измерения Германий Кремний
Температурный коэффициент линейного расширения(0-1000С) град -1 6,0·10-6 4,2·10-6
Предельная рабочая температура 0С 70 - 80 120 - 150
Температура плавления 0С 936 1414
Удельная теплопроводность Вт/см·град 0,55 0,8
Удельная теплоемкость(0-1000С) кал/г·град 0,08 0,17
Плотность при 200С г/см3 5,3 2,3
Удельное сопротивление при 200С Ом·см 68 ~1012
Ширина запрещенной зоны эВ 0,72 2

1.5 Технология получения монокристаллического кремния

Производство монокристаллического кремния происходит в два этапа:

1.5.1 Получение кремния полупроводниковой чистоты

1) Восстановительная плавка сырья

Восстановительная плавка сырья, содержащего оксид кремния в виде кварцита, в электропечах при температуре 2273К (около 2000°):

SiO2+C = Si+2CO

В результате первой же операции получают элементарный кремний, однако его чистота еще очень низка и содержание основного вещества составляет около 99%. Кремний из-за высокой температуры плавления и реакционной способности по отношению к любым контейнерным материалам очистке не поддается.

2) Перевод технического кремния в соединения, удобные для глубокой очистки SiCl4, SiHCl3 или SiH4

Для получения хлорида кремния и хлорсилана используются реакции хлорирования:

Si+2Cl2

SiCl4

Si+3HCl

SiHCl3+H2

Моносилан получают из предварительно изготовленного кремний-магниевого сплава:

Mg2Si+4NH4Cl

SiH4+2MgCl2+4NH3

3) Глубокая очистка.

Для дальнейшей глубокой очистки хлорида, хлорсилана и моносилана применяется один и тот же метод ректификации в жидком виде независимо от того, что первые два вещества в нормальных условиях — жидкости, третье — газ.

Ректификация — многократная перегонка — высокоэффективный, экономичный процесс, выполняющийся без применения каких-либо реагентов в герметичной аппаратуре из нержавеющей стали.

4) Восстановление с помощью водорода и пиролиз

Получение особо чистого кремния осуществляется по следующим реакциям:

восстановление(1373 K):

SiCl4 +2Н2

Si+ 4НCl

SiHCl32

Si + 3НCl

Пиролиз(1273 K):

SiH4

Si + 2Н2

Восстановление осуществляется на нагретые кремниевые стержни-заготовки, непосредственно через которые пропускается электрический ток. Благодаря этому реакция локализуется на поверхности кремния и происходит постепенное наращивание их диаметра от исходных 8... 10 до 50... 100 мм. Для восстановления и разбавления газовых смесей, как в хлоридном, так и моносилановом процессах используются большие количества водорода.

1.5.2 Выращивание монокристаллов

1) Метод Чохральского

Около 75% всего производства ведется по методу Чохральского, который обеспечивает наивысшую однородность и структурное совершенство монокристаллов. Метод Чохральского - основан на свободной направленной кристаллизации на затравку из большого объема расплава, необходимого для выращивания всего слитка.

Последовательность операций при выращивании монокристаллов:

1. Подготовка исходных материалов — компоновка. Сырьем для плавки являются не только поликристаллический кремний, но и легирующая примесь, а также остатки кремния от предыдущей операции и отходы монокристаллов, не попавшие в готовую продукцию. Компоновка включает операции по очистке сырья, дозировке легирующих примесей, необходимые расчеты.

2. Загрузка материалов в тигель, вакуумирование рабочей камеры и плавление. После этого мощность нагревателя уменьшается так, чтобы температура расплава оставаласьпостоянной и близкой к температуре плавления, причем обеспечивается тепловое равновесие, и количество тепла, подводимое нагревателями, точно соответствует его потерям открытой поверхностью.

3. Затравление — соприкосновение монокристаллической затравки с расплавом — меняет тепловые условия в системе. Появляется дополнительный теплоотвод через затравку, а это создает возможность кристаллизации при постоянной температуре расплава, так как дополнительное тепло (скрытая теплота кристаллизации) может быть теперь отведено.

4. Выращивание шейки. Затравление сопровождается резким повышением температуры кристалла - затравки, поскольку на стадии плавления она находилась в зоне низкой температуры. При «тепловом ударе» в ней возникают напряжения и происходит образование дефектов. Эти дефекты неизбежно передались бы выращиваемому кристаллу, и чтобы избавиться от них, сначала поднимают затравку с высокой скоростью и «тянут» из расплава кристалл малого диаметра — шейку.

5. Разращивание и «выход на диаметр» — увеличение диаметра до заданного номинала - осуществляется за счет снижения скорости подъема затравки. Требуемый диаметр устанавливается оператором, который наблюдает за процессом через окно в корпусе установки. Точность управления диаметром слитка обычно невысока, поэтому дается допуск на 3...5 мм в большую сторону.

6. Выращивание цилиндрической части ведется в автоматическом режиме со скоростью 1,5...3 мм/мин. Поскольку уровень расплава в тигле при этом непрерывно понижается, меняются тепловые условия в зоне роста. Этот принципиальный недостаток трудно устраним в методе Чохральского, и обеспечение требуемой однородности — по длине слитка — проблема, во многом определяющая технико-экономические показатели. Для этого используются все возможные аппаратурные средства: регулирование температуры, скорости вытягивания, подъем и опускание нагревателя и тигля.

7. Оттяжка на конус и отрыв кристалла от остатков расплава завершают процесс выращивания.

Ограничения метода Чохральского состоят в следующем.

1. Растворение в кремнии материала кварцевого тигля происходит с заметной скоростью.

2. Вследствие непрямого и непостоянного по длине слитка фронта кристаллизации и изменения гидродинамических условий наблюдается сложная неоднородность в распределении примеси и удельного сопротивления по площади кристалла.

3. Неравномерное распределение дефектов, а также примесей по длине слитка.