Выращивание монокристаллического кремния по методу Чохральского

Из поликристаллического электронного кремния выращивают монокристаллический кремний. Основной объём монокристаллического кремния (80…90%) потребляемого электронной промышленностью, выращивается, но методу Чохральского. Фактически весь кремний, используемый для производства ИС, производится этим методом.

Монокристаллический кремний

Монокристаллический кремний обладает алмазопообной кубической кристаллической решёткой (Рис. 1.3), которая может быть представлена в виде взаимопроникающих грансцснтрированных решёток.

Рис. 1.3. Схематическое представление кристаллической решетки кремния.

Каждый атом кремния имеет четыре ближайших соседних атома, с которыми он связан ковалентно.

Параметр решётки кремния составляет 0,54 нм, а расстояние между двумя соседними атомами равно 0,23 нм.

Легирующие атомы (в основном атомы 3-й и 5-ой группы) замещают атомы кремния, занимая их место в кристаллической решётке.

Являясь донором замещения, фосфор Р четырьмя из пяти своих валентных электронов ковалентно связан с четырьмя соседними ближайшими атомами кремния, оставляя пятый свободный для поддержания электрической проводимости. Аналогично бор В представляет собой акцептор замещения. Три его валентных электрона также ковалентно связаны с соседними ближайшими атомами кремния. Недостаток электронов для заполнения связей служит основой для дырочной проводимости. Примеси или легирующие атомы, которые занимают места, не определяемые структурой решётки, называются межузельными или примесями внедрения.

Главные оси в кристалле могут быть использованы для введения обозначения характерных направлений и плоскостей (Рис. 1.4).

Такую систему обозначений направлений плоскостей называют индексами Миллера. Эти индексы представляют собой набор целых чисел, заключённых в круглые, квадратные и фигурные скобки. Например, запись [111] обозначает конкретное.

Рис. 1.4. Схематическое представление плоскостей с различными индексами Миллера в кубической решётке

направление, в то время как запись указывает семейство всех восьми направлений, эквивалентных [111]. Обозначение (100) связано с определённой плоскостью решётки, а {100} определяет все плоскости, кристаллографически эквивалентные плоскости (100).

Особенности технологии и некоторые свойства кремниевых подложек зависят от их ориентации.

Рис. 1.5. Расположение и типы точечных дефектов в простой кубической решётке. 1 — атомы кремния, 2 — атом примеси в межузельном положении, 3 — атом кремния в межузельном положении, 4 — атом примеси в приложении замещения, 5 — вакансия или дефект Шоттки

Реальные кристаллы, которыми являются кремневые подложки, отличаются от математически идеальных кристаллов следующим:

• — они не бесконечны, и поэтому поверхностные атомы обладают свободными связями;
• — атомы в решётке смещены относительно идеального положения вследствие термических колебаний;
• -реальные кристаллы содержат дефекты: точечные, линейные, поверхностные (или двумерные) и объёмные. Дефекты оказывают влияние на оптические, электрические и механические свойства кремния.

Точечные дефекты (Рис. 1.5). Любой инородный атом, оказывающийся в решётке кремния, рассматривается как точечный дефект — атом внедрения или атом замещения.

Недостающий в решётке атом создает вакансию, называемую дефектом Шоттки.

Атом кремния в межузельном положении и оставленную им вакансию называют дефектом Френкеля.

Вакансии и межузельные атомы кремния находятся в равновесных концентрациях, которые определяются температурой кристалла. Исходя из принципов термодинамики, эти концентрации могут бить записаны как функция температуры:

где N, i — концентрация точечных дефектов; А — постоянная; Е_а — энергия активизации, равная 2,6 эВ для вакансий и 4,5 эВ для межузельных атомов; Т — абсолютная температура; к — постоянная Больцмана.

Точечные дефекты играют важную роль во многих процессах и в частности в кинетике процессов диффузии и оксидирования кремния. Диффузия большинства примесей и скорость оксидирования кремния зависят от концентрации вакансий. Вакансии и межузельные атомы участвуют в формировании дефектов при технологической обработке кремния.

Для того чтобы стать электрически активными, атомы обычно должны располагаться в узлах кристаллической решётки. При этом они создают энергетические уровни в запрещённой зоне. Мелкие уровни характерны для эффективных донорных или акцепторных примесей. Глубокие уровни, находясь в середине запрещённой зоны, действуют как центры рекомбинации и генерации носителей заряда между валентной зоной и зоной проводимости. Некоторые примеси располагаются только в узлах или в межузельных положениях, но другие могут существовать в решёте в любом положении.

Дислокации. Основные виды этих дефектов — краевая и винтовая дислокации. На Рис. 1.6 схематически показана краевая дислокация в кубической решётке. Она представляет собой атомную полуплоскость АВ, вставленную в решётку.

П Дислокации — динамические дефекты решётки, они могут двигаться при наличии упругих напряжений, расщепляться на две или более дислокации или объединяться друг с другом. Векторное обозначение дислокаций (вектор Бюргерса) определяет.

Рис. 1.6. Краевая дислокация в простой решётке, образованная лишней атомной полуплоскостью. Ось дислокации расположена перпендикулярно плоскости страницы

характеристики этого вида дефектов в кристалле и используется для описания взаимодействия дислокаций.

Кристаллы, выращенные для производства ИС, обычно не содержат краевых дислокаций, но могут включать небольшие дислокационные петли, образующиеся при конденсации избыточных точечных дефектов. Дислокации краевого типа образуются в подложке при возникновении термических напряжений в ходе технологических процессов производства ИС или при очень большой концентрации примесных атомов. Появление дислокаций в приборах — нежелательное явление, потому что они действуют, как сток для металлических примесей и изменяют диффузионный профиль. Дислокации могут быть выявлены селективным травлением.

Поверхностные, или двумерные дефекты. К ним относятся двойниковые границы и границы зёрен. Двойникование представляет собой изменение ориентации кристалла вдоль плоскости таким образом, что вдоль этой плоскости наблюдается зеркальная симметрия. В кремнии плоскостями двойникования являются плоскости {111}. Границы зёрен — это переход между кристаллами, нс связанными какими-либо ориентационными соотношениями друг с другом. Границы зёрен разделяют отдельные зёрна монокристаллов в поликристаллическом кремнии и являются нарушениями более высокого порядка по сравнению с двойниковыми границами.

Рассматриваемые дефекты возникают в процессе роста кристаллов. Кристаллы с такими дефектами нс используются в производстве ИС.

Объёмные дефекты. Преципитаты примесей или легирующих элементов составляют четвёртый класс дефектов кристаллической структуры. Каждая примесь, введённая в решётку, имеет предельную растворимость в ней, т. е. концентрацию, до.

Рис. 1.7. Предельная растворимость примесных элементов в кремнии.

которой решётка может принять в свой твёрдый раствор эту примесь. На Рис. 1.7 показана зависимость растворимости различных элементов в кремнии от температуры.

При понижении температуры растворимость уменьшается. Поэтому, если примесь вводилась при 77, то при охлаждении до Т, (Т<�Т₂) в решетке возникает состояние пересыщения. Кристалл возвращается в равновесное состояние путём выделения примесных атомов, превышающих уровень растворимости, во вторую фазу (преципитат).

В общем случае преципитаты нежелательны, поскольку являются источниками дислокаций. Возникновение дислокаций обусловлено несоответствием объема преципитата и вытесняемого им объема решетки. Это приводит к деформации решетки, которая снимается за счет образования дислокаций.