סיליקון יחיד קריסטל: צמיחה ותכונות

מָקוֹר:https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-48933-9_13

CZ MCZ Single crystal

הסיליקון, שהיה והיה החומר הדומיננטי בתעשיית המוליכים למחצה עוד זמן מה [13.1], יישא אותנו לעידן האינטגרציה בקנה מידה גדול במיוחד (ULSI) ולעידן ה- system-ona-chip (SOC).

ככל שהתקנים אלקטרוניים התקדמו יותר, ביצועי המכשיר הפכו לרגישים יותר לאיכות ולמאפייני החומרים המשמשים לבנייתם.

הגרמניום (Ge) שימש במקור כחומר מוליך אסימקי למכשירים אלקטרוניים במצב מוצק. עם זאת, הפער הצר (0.66 eV) של Ge מגביל את פעולתם של מכשירים מבוססי גרמניום לטמפרטורות של כ 90∘C בגלל זרמי הדליפה הניכרים שנצפו בטמפרטורות גבוהות יותר. פער הפס הרחב יותר של סיליקון (1.12 eV), לעומת זאת, מביא למכשירים אלקטרוניים המסוגלים לפעול עד $\approx 200^{\circ} C$ . עם זאת, יש בעיה חמורה יותר מאשר הפער הצר: גרמניום אינו מספק שכבת פסיבציה מדהימה על פני השטח. לדוגמא גרמניום דו חמצני (GeO2) מסיס במים ומתנתק בכ- 800∘ג. סיליקון, בניגוד לגרמניום, מכיל בקלות פסיבציה על פני השטח על ידי יצירת דו תחמוצת הסיליקון (SiO2) המספק הגנה גבוהה למכשיר הבסיסי. זה SiO יציב2שכבה גורמת ליתרון מכריע של סיליקון על גרמניום כחומר מוליך למחצה בסיסי המשמש לייצור מכשירים אלקטרוניים. יתרון זה הביא למספר טכנולוגיות חדשות, כולל תהליכי סימום דיפוזיה והגדרת דפוסים מורכבים. יתרונות נוספים של סיליקון הם שהוא רעיל לחלוטין, וכי סיליקה (SiO2), חומר הגלם ממנו מתקבל הסיליקון, כולל כ- 60%מתכולת המינרלים בקרום כדור הארץ. מכאן משתמע שחומר הגלם ממנו מתקבל הסיליקון זמין בשפע למעגל המשולב (IC) תעשייה. יתר על כן, ניתן להשיג סיליקון ברמה אלקטרונית בפחות מעשירית מעלות הגרמניום. כל היתרונות הללו גרמו לסיליקון להחליף כמעט לחלוטין את הגרמניום בתעשיית המוליכים למחצה.

למרות שסיליקון אינו הבחירה האופטימלית עבור כל מכשיר אלקטרוני, יתרונותיו פירושו שהוא כמעט בוודאות ישלוט בענף המוליכים למחצה זה זמן מה.

13.1סקירה כללית

אינטראקציות פוריות מאוד התרחשו בין המשתמשים ליצרני חומר מוליך למחצה מאז המצאת הטרנזיסטור למגע נקודתי בשנת 1947, כאשר הצורךמושלם וטהורגבישים הוכר. התחרות הייתה לעתים קרובות כזו שאיכות הקריסטל שדורשים מכשירים חדשים הייתה יכולה להתמודד רק על ידי שליטה בצמיחת הגבישים באמצעות ציוד אלקטרוני שנבנה עם המכשירים החדשים הללו. מאז שגדלו גבישים מסיליקון ללא נקע כבר בשנות השישים באמצעותטכניקת דאש[13.2], חומרי מוליכים למחצה ומאמצי התפתחות התרכזו בטוהר החומר, בתשואות הייצור ובבעיות הקשורות לייצור מכשירים.

מכשירים ומעגלים מוליכים למחצה מיוצרים תוך שימוש במגוון רחב של תהליכים מכניים, כימיים, פיזיקליים ותרמיים. תרשים Aflow לתהליכי הכנת סיליקון מוליכים למחצה מוצג באיור.13.1. הכנת מצעי סיליקון חד-קריסטליים עם משטחים מלוטשים מכנית וכימית היא הצעד הראשון בתהליך הארוך והמורכב של ייצור המכשירים.

Fig. 13.1 — איור 13.1
תרשים זרימה לתהליכי הכנת סיליקון למוליכים למחצה טיפוסיים. (לאחר[13.1])

כפי שצוין לעיל, סיליקון הוא היסוד השני בשפע ביותר על פני כדור הארץ; יותר מ 90%מקרום כדור הארץ מורכב מסיליקה וסיליקטים. בהתחשב באספקה חסרת גבולות זו של חומר גלם, הבעיה היא אז להפוך סיליקון למצב שמיש הנדרש על ידי טכנולוגיית המוליכים למחצה. הדרישה הראשונה והעיקרית היא שהסיליקון המשמש למכשירים אלקטרוניים חייב להיות טהור ביותר, מכיוון שלכמויות קטנות מאוד של זיהומים מסוימים יש השפעה חזקה על המאפיינים האלקטרוניים של הסיליקון, ועל כן על ביצועי המכשיר האלקטרוני. הדרישה השנייה היא עבור גבישים בקוטר גדול, מכיוון שתפוקת השבב לכל רקיק גדלה באופן משמעותי בקטרים גדולים יותר, כפי שמוצג באיור.13.2למקרה של DRAM [13.3], אחד המכשירים האלקטרוניים הנפוצים ביותר. מלבד הטוהר והקוטר, עלות הייצור ומפרט החומר, כולל צפיפות הפגמים שהוגדלה וההומוגניות הנגדית, חייבים לעמוד בדרישות התעשייה הנוכחיות.

Fig. 13.2 — איור 13.2
שבבים לכל רקיק כפונקציה של דור ה- DRAM. (לאחר[13.3])

בפרק זה, הגישות הנוכחיות להכנת סיליקון - המרת חומר הגלם לסיליקון גבישי יחיד (ראה איור 1 א).13.1)- אשר דנו בהם.

13.2חומרים התחלתיים

13.2.1סיליקון בדרגה מטלורגית

חומר המוצא לגבישים יחידים של סיליקון בטוהר גבוה הוא סיליקה (SiO2). השלב הראשון בייצור סיליקון הוא המסה והפחתה של סיליקה. זה מושג על ידי ערבוב סיליקה ופחמן בצורה של פחם, קוקה או שבבי עץ וחימום התערובת לטמפרטורות גבוהות בתנור קשת אלקטרודות שקוע. צמצום פחמימות זה של סיליקה מייצר סיליקון התמזג

S i O_{2} + 2C \to סִי + 2CO .

(13.1) סדרת תגובות מורכבת מתרחשת בפועל בתנור בטמפרטורות שנע בין 1500 ל -2000∘ג. גושי הסיליקון המתקבלים מתהליך זה נקראים סיליקון בדרגת מטלורגיה (MG-Si), וטוהרו כ 98-99.%.

13.2.2סיליקון רב-גבישי

תרכובות כימיות ביניים

השלב הבא הוא טיהור MG-Si לרמה של סיליקון בדרגת מוליכים למחצה (SG-Si), המשמש כחומר המוצא לסיליקון גבישי יחיד. הרעיון הבסיסי הוא כי אבקת MG-Si מגיבה עם HCl נטול מים ליצירת תרכובות כלורוסילן שונות בכור מיטה מחוספס. ואז הסילנים מטוהרים על ידי זיקוק ותצהיר אדים כימי (CVD) ליצירת SG-polysilicon.

מספר תרכובות כימיות ביניים נשקל, כגון מונוסילן (SiH4), טיטרכלוריד סיליקון (SiCl4), טריכלורוסילאן (SiHCl3) ודיכלורוסילאן (SiH2קל2). בין אלה, trichlorosilane משמש לרוב לתצהיר פוליסיליקון שלאחר מכן מהסיבות הבאות:

1.
זה יכול להיווצר בקלות על ידי תגובה של מימן כלורי ללא מים עם MG-Si בטמפרטורות נמוכות למדי (200-400∘C).
2.
הוא נוזלי בטמפרטורת החדר, כך שניתן לבצע טיהור באמצעות טכניקות זיקוק סטנדרטיות.
3.
קל לטפל וניתן לאחסן אותו במיכלי פלדת פחמן כאשר הוא יבש.
4.
טריכלורוסילאן נוזלי מתאדה בקלות, כאשר הוא מעורבב עם מימן, ניתן להעבירו בקווי פלדה.
5.
ניתן להפחית אותו בלחץ אטמוספרי בנוכחות מימן.
6.
התצהיר שלו יכול להתרחש על סיליקון מחומם, מבטל את הצורך במגע עם כל משטחים זרים העלולים לזהם את הסיליקון שנוצר.
7.
זה מגיב בטמפרטורות נמוכות יותר (1000-1200∘C) ובקצב מהיר יותר מאשר סיליקון טטרכלוריד.

הידרוכלורציה של סיליקון

Trichlorosilane מסונתז על ידי חימום אבקת MG-Si בסביבות 300∘C בכור מיטה מאופקת. כלומר, MG-Si מומרת ל- SiHCl3על פי התגובה הבאה

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

(13.2) התגובה היא אקסותרמית ביותר ולכן יש להסיר חום כדי למקסם את התשואה של טריכלורוסילן. תוך כדי המרת MG-Si ל- SiHCl3, זיהומים שונים כגון Fe, Al ו- B מוסרים על ידי המרתם להלידים שלהם (FeCl3, AlCl3ו- BCl3, בהתאמה), ותוצרי לוואי כגון SiCl4ו- H2מיוצרים גם כן.

זיקוק ופירוק של טרילורוסילאן

זיקוק נעשה שימוש נרחב לטיהור טריכלורוסילן. הטריכלורוסילן, בעל נקודת רתיחה נמוכה (31.8∘C), מזוקק באופן חלקי מהלידים הטמאים, וכתוצאה מכך טוהר מוגבר מאוד, עם ריכוז טומאה פעיל חשמלי של פחות מ- 1 ppba. לאחר מכן אידוי הטריכלורוסילאן בעל הטוהר הגבוה, מדולל במימן בעל טוהר גבוה ומוחדר לכור התצהיר. בכור, ניתן להשיג מוטות סיליקון דקים הנקראים מוטות דקיקים הנתמכים על ידי אלקטרודות גרפיט לתצהיר משטח של סיליקון בהתאם לתגובה.

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

(13.3) בנוסף לתגובה זו, התגובה הבאה מתרחשת גם בתצהיר פוליסיליקון, וכתוצאה מכך נוצר טיטרכלוריד סיליקון (תוצר הלוואי העיקרי של התהליך)

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

(13.4) טטרכלוריד סיליקון זה משמש לייצור קוורץ בעל טוהר גבוה, למשל.

למותר לציין שטוהר המוטות הדקים חייב להיות דומה לזה של הסיליקון שהופקד. המוטות הדקים מחוממים מראש לכ -400∘C בתחילת תהליך CVD הסיליקון. חימום מראש זה נדרש על מנת להגביר את המוליכות של מוטות דקים בעלי טוהר גבוה (עמידות גבוהה) במידה מספקת בכדי לאפשר חימום התנגדות. הפקדה למשך 200–300 שעות בסביבות 1100∘C מביא למוטות פוליסיליקון עם טוהר גבוה בקוטר 150-200 מ"מ. מוטות הפוליסיליקון מעוצבים לצורות שונות לתהליכי צמיחת גבישים הבאים, כמו נתחים לצמיחת התכה של Czochralski ומוטים גליליים ארוכים לצמיחה באזור צף. תהליך הפחתת הטריכלורוסילאן על מוט סיליקון מחומם באמצעות מימן תואר בסוף שנות החמישים ובתחילת שנות השישים במספר פטנטים התהליך שהוקצו לסימנס; לכן, תהליך זה נקרא לעתים קרובות ה-שיטת סימנס[13.4].

החסרונות העיקריים של שיטת סימנס הם יעילותה המרה של סיליקון וכלור, גודל אצווה קטן יחסית וצריכת חשמל גבוהה. יעילות ההמרה הירודה של סיליקון וכלור קשורה לנפח הגדול של סיליקון טטרכלוריד המיוצר כתוצר לוואי בתהליך CVD. רק כ- 30%של הסיליקון המסופק בתגובת CVD הופך לפוליסיליקון בעל טוהר גבוה. כמו כן, עלות ייצור הפוליסיליקון בטוהר גבוה עשויה להיות תלויה בתועלת של תוצר הלוואי, SiCl4.

תהליך מונוסילן

טכנולוגיית ייצור Apolysilicon המבוססת על ייצור ופירוליזה של מונוסילן הוקמה בסוף שנות השישים. מונוסילן פוטנציאלי חוסך אנרגיה מכיוון שהוא מפקיד פוליסיליקון בטמפרטורה נמוכה יותר ומייצר פוליסיליקון טהור יותר מתהליך הטריכלורוסילן; עם זאת, כמעט ולא נעשה בו שימוש בגלל היעדר מסלול חסכוני למונוסילן ובשל בעיות עיבוד בשלב התצהיר [13.5]. עם זאת, עם ההתפתחות האחרונה של מסלולים חסכוניים לסילאן עם טוהר גבוה והפעלתו המוצלחת של מפעל בקנה מידה גדול, טכנולוגיה זו משכה את תשומת לב תעשיית המוליכים למחצה, הדורשת סיליקון עם טוהר גבוה יותר.

בתהליכים מונוסילאנים תעשייתיים עכשוויים, מחממים מגנזיום ואבקת MG-Si ל -500∘C באטמוספירה של מימן על מנת לסנתז מגנזיום סיליקיד (מג2Si), שגורם לאחר מכן להגיב עם אמוניום כלורי (NH4Cl) באמוניה נוזלית (NH3) מתחת ל -0∘C ליצירת מונוסילן (SiH4). פוליסיליקון בעל טוהר גבוה מיוצר לאחר מכן באמצעות פירוליזה של המונוסילן על חוטי פוליסיליקון מחוממים בהתנגדות בטווח של 700-800.∘ג. בתהליך ייצור המונוסילני, רוב זיהומי הבורון מוסרים מסילאן באמצעות תגובה כימית עם NH3. תוכן אבוריון של 0.01-0.02 ppba בפוליסיליקון הושג באמצעות תהליך amonosilane. ריכוז זה נמוך מאוד בהשוואה לזה שנצפה בפוליסיליקון המוכן מטריכלורוסילאן. יתר על כן, הפוליסיליקון שנוצר פחות מזוהם במתכות שנקטפו בתהליכי הובלה כימיים מכיוון שפירוק מונוסילני אינו גורם לבעיות קורוזיה.

תצהיר פוליסיליקון גרגרי

פותח תהליך שונה במידה ניכרת, המשתמש בפירוק של מונוסילן בכור בתצהיר במיטה מאופקת לייצור פוליסיליקון גרגירי חופשי.13.5]. חלקיקי זרעי סיליקון זעירים מוזרמים בתערובת מימן של אמונוסילן, ופוליסיליקון מופקד ליצירת חלקיקים כדוריים זורמים חופשיים שקוטרם ממוצע של 700 מיקרומטר עם חלוקת גודל של 100-1500 מיקרומטר. זרעי המיטה הנוזל נוצרו במקור על ידי טחינת SG-Si בטחנת aball או פטיש והדיפת המוצר בחומצה, מי חמצן ומים. תהליך זה היה זמן רב ויקר, ונוטה להכניס למערכת זיהומים לא רצויים דרך מטחנות המתכת. עם זאת, בשיטה חדשה, חלקיקי SG-Si גדולים מופעלים זה על ידי זרם גז במהירות גבוהה שגורם להם להתפרק לחלקיקים בגודל לא מתאים למיטה הנוזל. תהליך זה אינו מציג חומרים זרים ואינו דורש שטיפה.

בגלל שטח הפנים הגדול יותר של פוליסיליקון גרגירי, כורי מיטת נוזלים יעילים הרבה יותר מכורי מוט מסורתי מסוג סימנס. איכות הפוליסיליקון עם המיטה הנוזלת הוכחה כמקבילה לפוליסיליקון המיוצר בשיטת סימנס המקובלת יותר. יתר על כן, פולי-סיליקון גרגירי בעל צורה זרימה חופשית וצפיפות בתפזורת גבוהה מאפשר למגדלי קריסטל להפיק את המרב מכל הפעלת ייצור. כלומר, בתהליך צמיחת הגביש של Czochralski (ראו הסעיף הבא), ניתן למלא כור היתוכים במהירות ובקלות לעומסים אחידים העולים בדרך כלל על אלה של גושי פוליסיליקון מוערמים באופן אקראי המיוצרים בשיטת סימנס. אם ניקח בחשבון גם את הפוטנציאל של הטכניקה לעבור מפעולת אצווה למשיכה רציפה (נדון בהמשך), אנו יכולים לראות שגרגירי פוליסיליקון זורמים חופשי יכולים לספק את המסלול המועיל של הזנה אחידה לממיסה של מצב יציב. נראה כי מוצר זה הוא חומר התחלתי אבולוציוני שמבטיח מאוד לצמיחת גבישים מסיליקון.

13.3צמיחה חד-גבישית

למרות שטכניקות שונות שימשו להמרת פוליסיליקון לגבישים בודדים של סיליקון, שתי טכניקות שלטו בייצורן לאלקטרוניקה מכיוון שהן עונות על הדרישות של תעשיית מכשירי המיקרו-אלקטרוניקה. האחת היא שיטת המסת אזורית המכונה בדרך כללאזור צף (FZ) שיטהוהשני הוא שיטת apulling המכונה באופן מסורתיCzochralski (CZ) שיטה, למרות שזה אמור להיקראTeal – שיטה קטנה. העקרונות העומדים מאחורי שתי שיטות גידול גביש אלה מתוארים באיור א.13.3. בשיטת FZ, אזור אמולטן מועבר דרך מוט אפוליסיליקון כדי להמיר אותו למטיל גביש יחיד. בשיטת CZ, קריסטל יחיד גדל על ידי משיכה מן התכה הכלולה בתוך כור היתוך באקוורץ. בשני המקרים,גביש זרעיםממלא תפקיד חשוב ביותר בהשגת גביש יחיד עם אוריינטציה גבישית רצויה.

Fig. 13.3a,b — איור 13.3 א, ב
עקרונות הצמיחה של גביש יחיד על ידי (a) שיטת אזור צף ו- (b) שיטת Czochralski. (לאחר[13.1])

ההערכה היא שכ- 95%מכל הסיליקון החד-גבישי מיוצר בשיטת CZ והשאר בעיקר בשיטת FZ. תעשיית המוליכים למחצה סיליקון דורשת טוהר גבוה וריכוזי פגם מינימליים בגבישי הסיליקון שלהם כדי לייעל את התשואה בייצור המכשירים ואת הביצועים התפעוליים. דרישות אלה מחמירות יותר ויותר ככל שהטכנולוגיה משתנה מ- LSI ל- VLSI ∕ ULSI ואז ל- SOC. מלבד האיכות או השלמות של גבישי סיליקון, קוטר הגבישים גדל בהתמדה על מנת לענות על הדרישות של יצרני המכשירים. מאחר ושבבים מיקרו-אלקטרוניים מיוצרים באמצעות אמערכת אצווה, הקוטר של רקיקי הסיליקון המשמשים לייצור מכשירים משפיע באופן משמעותי על הפרודוקטיביות (כפי שמוצג באיור.13.2), ובתורו עלות הייצור.

בחלקים הבאים נדון תחילה בשיטת FZ ואז נעבור לשיטת CZ. האחרון יידון ביתר פירוט בשל חשיבותו המופלגת לתעשיית המיקרו-אלקטרוניקה.

13.3.1שיטת אזור צף

הערות כלליות

מקורה של שיטת FZ מהמיסת אזור, ששימשה לעידון סגסוגות בינאריות [13.6] והומצא על ידיהשופט[13.7]. התגובתיות של סיליקון נוזלי עם החומר המשמש לכור ההיתוך הובילה לפיתוח שיטת FZ [13.8], המאפשר התגבשות של סיליקון ללא צורך במגע כלשהו עם חומר ההיתוך, הדרוש בכדי להצליח לגדל גבישי טוהר המוליכים למחצה הנדרשים.

מתווה התהליך

בתהליך FZ, מוט אפוליסיליקון מומר למוט גביש יחיד באמצעות העברת אזור אמולטן המחומם על ידי סליל עין קודקוד מקצה אחד של המוט לקצה השני, כפי שמוצג באיור.13.3א. ראשית, קצה המוט הפוליסיליקון נצרך ומתמזג עם גביש חרוט עם כיוון הגביש הרצוי. תהליך זה נקראזריעה. האזור המותך שנזרע מועבר דרך מוט הפוליסיליקון על ידי הזזת זרעי הגביש היחיד במורד המוט. כאשר האזור המותך של סיליקון מתמצק, פוליסיליקון הופך לסיליקון גבישי יחיד בעזרת גביש הזרע. ככל שהאזור עובר לאורך מוט הפוליסיליקון, סיליקון חד-גביש קופא בקצהו וגדל כהרחבה של גביש הזרע.

לאחר הזריעה נוצר צוואר אתני בקוטר של כ -2 או 3 מ"מ ואורכו 10-20 מ"מ. תהליך זה נקראמִזמוּז. גידול אנק מבטל נקעים שניתן להכניס לסיליקון חד-קריסטלי שגדל לאחרונה במהלך פעולת הזריעה עקב הלם תרמי. תהליך הצוואר הזה, שנקראטכניקת דאש[13.2], ולכן הוא מהותי לגידול גבישים נטולי נקע, והוא משמש באופן אוניברסלי הן בשיטות FZ והן בשיטות CZ. טופוגרף רנטגן של הזרע, הצוואר והחלק החרוטי של גביש יחיד asilicon שגדל בשיטת FZ מוצג באיור א.13.4. ניכר כי נקעים הנוצרים במגע ההיתוך מסולקים לחלוטין על ידי צוואר. לאחר היווצרות החלק הקוני גדל הגוף הראשי בקוטר המטרה המלא. במהלך כל תהליך הצמיחה של ה- FZ, צורת האזור המותך וקוטר המטיל נקבעים על ידי התאמת הכוח לסליל וקצב הנסיעה, שניהם בשליטת המחשב. הטכניקה הנפוצה ביותר לשליטה אוטומטית בקוטר בשתי FZ ו- CZ משתמשת בחיישן אינפרא אדום הממוקד במיניסקוס. צורת המניסקוס על גבי גביש גידול תלויה בזווית המגע שלו בגבול התלת-פאזי, בקוטר הגביש ובגודל מתח הפנים. שינוי בזווית המניסקוס (ולכן קוטר הגביש) מורגש, והמידע מוזר על מנת להתאים אוטומטית את תנאי הצמיחה.

Fig. 13.4 — איור 13.4
טופוגרפיית רנטגן של זרע, צוואר וחלק חרוטי מסיליקון באזור צף. (באדיבות ד"ר ט. אייב)

בניגוד לצמיחת גביש ה- CZ, שבה גביש הזרע נטבול במסת הסיליקון והגביש המגדל נמשך כלפי מעלה, בשיטת FZ גביש הזרעים הדק מקיים את הקריסטל הגדל, וכך גם מוט הפוליסיליקון מלמטה (איור 3 א).13.3). כתוצאה מכך, המוט מאוזן בצורה מסוכנת על הזרע והצוואר הדקים במהלך כל תהליך הצמיחה. הזרע והצוואר יכולים לתמוך בקריסטל של עד 20 ק"ג כל עוד מרכז הכובד של הקריסטל הצומח נשאר במרכז מערכת הגדילה. אם מרכז הכובד מתרחק מקו המרכז, הזרע ישבר בקלות. לפיכך, היה צורך להמציא טכניקת ייצוב אקרילסט לפני שניתן לגדל גבישי סיליקון FZ ארוכים וכבדים. עבור גבישים גדולים, יש צורך לתמוך בקריסטל הצומח באופן שמוצג באיור.13.5[13.9], במיוחד במקרה של גבישי FZ אחרונים בקטרים גדולים (150–200 מ"מ), מכיוון שמשקלם עולה על 20 ק"ג בקלות.

Fig. 13.5 — איור 13.5
מערכת תומכת לקריסטל סיליקון באזור צף. (לאחר[13.9])

סימום

על מנת להשיג גבישים בודדים של סיליקון מסוג n או p עם ההתנגדות הנדרשת, יש לסבול את הפוליסיליקון או את הגביש הגובר עם זיהומי התורם או הקולט המתאימים, בהתאמה. לצמיחת סיליקון FZ, למרות שכמה טכניקות סימום נוסו, הקריסטלים בדרך כלל מסוממים על ידי נשיפה של גז מאמץ כגון פוספין (PH3) לסיליקון או דיבורן מסוג n (B2H6) עבור סיליקון מסוג p לאזור המותך. גז הדופנט מדולל בדרך כלל בגז אקריל, כמו ארגון. היתרון הגדול בשיטה זו הוא כי יצרן גביש הסיליקון אינו צריך לאחסן מקורות פוליסיליקון בעלי התנגדות שונה.

מכיוון שההפרדה (שנדונה בסעיף המשנה הבא) של חומרי הדופינג האלמנטיים לסיליקון מסוג n היא הרבה פחות מאחדות, גבישי FZ המסוממים בשיטה המסורתית הם בעלי שיפועי סמים רדיאליים. יתרה מכך, מכיוון שקצב ההתגבשות משתנה בכיוון הרדיאלי בסולם המיקרוסקופי, הריכוזים של הדופנטים מתפזרים באופן מחזורי ומולידים מה שנקרא.פסי סמים, וכתוצאה מכך אי-הומוגניות של התנגדות רדיאלית. על מנת להשיג סיליקון מסוג n יותר מסומם הומוגנית, סימום טרנספורמציה של נויטרונים (NTD) הוחל על גבישי סיליקון FZ [13.10]. הליך זה כולל העברה גרעינית של סיליקון לזרחן באמצעות הפצצת הגביש בנויטרונים תרמיים על פי התגובה.

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

(13.5) האיזוטופ הרדיואקטיבי31Si נוצר כאשר30Si לוכד אנטאוטרון ואז מתפורר לאיזוטופ היציב31P (אטומי תורמים), שהתפלגותם אינה תלויה בפרמטרים של צמיחת גבישים. מיד לאחר ההקרנה הגבישים מגלים עמידות גבוהה, המיוחסת למספר הרב של פגמי הסריג הנובעים מנזקי קרינה. הגביש המוקרן, אם כן, חייב להיות מחוסל בסביבה אינרטית בטמפרטורות של סביב 700∘C על מנת להשמיד את הפגמים ולהשיב את ההתנגדות לזו הנגזרת מסם הזרחן. על פי תוכנית NTD, גבישים מגדלים ללא סימום ואז הם מוקרנים בכור גרעיני עם יחס גדול של נויטרונים תרמיים ומהירים על מנת לשפר את תפיסת הנויטרונים ולמזער נזק לסריג הגביש.

היישום של NTD הוגבל כמעט אך ורק לגבישים FZ בגלל טוהרם הגבוה יותר בהשוואה לגבישי CZ. כאשר הטכניקה של NTD הוחלה על גבישי סיליקון CZ, נמצא כי היווצרות תורם חמצן במהלך תהליך החישול לאחר הקרנה שינתה את ההתנגדות מהצפוי, למרות שהושגה הומוגניות של תורם זרחן [13.11]. ל- NTD יש את החיסרון הנוסף כי אין תהליך זמין עבור חומרים מסוממים מסוג p וכי נדרשת תקופת הקרנה ארוכה מדי עבור התנגדות נמוכה (בטווח של 1-10 Ω ס"מ).

תכונות של קריסטל FZ- סיליקון

במהלך צמיחת גביש FZ, הסיליקון המותך אינו בא במגע עם שום חומר פרט לגז הסביבתי בתא הגידול. לכן, גביש סיליקון FZ מובחן מטבעו בטוהרו הגבוה יותר בהשוואה לקריסטל aCZ אשר גדל מהמיסה - הכרוך במגע עם כור היתוך באקוורץ. מגע זה מוליד ריכוזי טומאת חמצן גבוהים בסביבות 1018אטומים ∕ ס"מ3בגבישי CZ, ואילו סיליקון FZ מכיל פחות מ -1016אטומים ∕ ס"מ3. טוהר גבוה יותר זה מאפשר לסיליקון FZ להשיג עמידות גבוהה שלא ניתן להשיג באמצעות סיליקון CZ. לרוב הסיליקון הנצרך של ה- FZ יש התנגדות של בין 10 ל -200 Ω ס"מ, ואילו הסיליקון של CZ מוכן בדרך כלל להתנגדויות של 50 Ω ס"מ או פחות בגלל הזיהום מכור הקורץ. לכן סיליקון FZ משמש בעיקר לייצור התקני כוח מוליכים למחצה התומכים במתח הפוך העולה על 750-1000 V. צמיחת הגבישים הטוהרת גבוהה ומאפייני הסמים המדויקים של NTD FZ-Si הובילו גם לשימוש בגלאי אינפרא אדום [13.12], לדוגמה.

עם זאת, אם ניקח בחשבון חוזק מכני, כבר שנים רבות מוכר כי סיליקון FZ, המכיל פחות זיהומי חמצן מסיליקון CZ, חלש יותר מכנית ופגיע יותר למתח תרמי במהלך ייצור המכשיר [13.13,13.14]. עיבוד בטמפרטורות גבוהות של ופלים מסיליקון במהלך ייצור מכשירים אלקטרוניים מייצר לעיתים קרובות מספיק מתח תרמי בכדי ליצור תזוזות החלקה ועיוותים. השפעות אלה מביאות לאובדן תשואה כתוצאה מצמתים דולפים, פגמים דיאלקטריים ואורך חיים מופחת, כמו גם תפוקה פוטוליתוגרפית מופחתת בגלל השפלה של השטוח של רקיק. אובדן מישור גיאומטרי בגלל עיוותים עלול להיות כה חמור, עד שהפרוסות לא עוברות עיבוד נוסף. מסיבה זו, נעשה שימוש בהדבקות סיליקון CZ בהרבה יותר ייצור מכשירי IC מאשר בפלים של FZ. הבדל זה ביציבות מכנית כנגד מתחים תרמיים הוא הסיבה הדומיננטית לכך שגבישי סיליקון CZ משמשים באופן בלעדי לייצור ICs הדורשים מספר גדול של שלבי תהליך תרמי.

על מנת להתגבר על החסרונות הללו של סיליקון FZ, צמיחתם של גבישי סיליקון FZ עם זיהומי סימום כגון חמצן [13.15] וחנקן [13.16] נעשה ניסיון. נמצא כי סימום גבישי סיליקון FZ עם חמצן או חנקן בריכוזים של $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ אוֹ $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ , בהתאמה, גורם לעלייה ניכרת של חוזק מכני.

13.3.2שיטת Czochralski

הערות כלליות

שיטה זו נקראה על שם J. Czochralski, שהקים אטכניקה לקביעת מהירויות התגבשות של מתכות [13.17]. עם זאת, שיטת המשיכה בפועל שהוחלה באופן נרחב על צמיחת גביש יחיד, פותחה על ידיירוק כחלחלוקטן[13.18], אשר שינה את העיקרון הבסיסי של צ'וכררסקי. הם היו הראשונים שגדלו בהצלחה גבישים בודדים של גרמניום, באורך 8 אינץ 'וקוטר 0.75 אינץ', בשנת 1950. לאחר מכן הם תכננו מכשיר נוסף לצמיחת סיליקון בטמפרטורות גבוהות יותר. למרות שתהליך הייצור הבסיסי של סיליקון חד-קריסטלי לא השתנה מעט מאז שהיו חלוצים על ידי טיל ועמיתים לעבודה, גבישים בודדים של סיליקון בקוטר גדול (עד 400 מ"מ) עם מידת שלמות גבוהה העומדים במכשיר חדיש. הדרישות גדלו על ידי שילוב טכניקת Dash וחידושים טכנולוגיים עוקבים במנגנון.

מאמצי המחקר והפיתוח של ימינו הנוגעים לגבישים מסיליקון מכוונים להשגת אחידות מיקרוסקופית של תכונות קריסטל כגון התנגדות וריכוזי זיהומים ומיקרו פגמים, כמו גם שליטה מיקרוסקופית עליהם, אשר יידונו במקום אחר במדריך זה.

מתווה התהליך

שלושת השלבים החשובים ביותר בצמיחת גביש CZ מוצגים באופן סכמטי באיור.13.3ב. באופן עקרוני, תהליך גידול ה- CZ דומה לזה של גידול ה- FZ: (1) המסת פוליסיליקון, (2) זריעה ו (3) גידול. הליך משיכת CZ, לעומת זאת, מורכב יותר מזה של צמיחת FZ ומובחן ממנו על ידי שימוש בכור היתוך לאקוורץ כדי להכיל את הסיליקון המותך. דמות13.6מראה תצוגה אסכמטית של ציוד צמיחת גבישים מודרני מסוג CZ. השלבים החשובים ברצף הצמיחה של גביש הסיליקון CZ בפועל או רגיל הם כדלקמן:

1.
נתחי פוליסיליקון או גרגרים מונחים בכור היתוך באקוורץ ונמסים בטמפרטורות הגבוהות מנקודת ההיתוך של סיליקון (1420∘ג) בגז סביבה אינרטי.
2.
ההיתוך נשמר בטמפרטורה גבוהה לזמן מה על מנת להבטיח התכה מוחלטת ופליטה של בועות זעירות, העלולות לגרום לריקים או ליקויים בקריסטל שלילי, מהמיסה.
3.
גביש זרעי עם כיוון הגביש הרצוי טובל לתוך ההיתוך עד שהוא מתחיל להמיס את עצמו. לאחר מכן מזריקים את הזרע מהמיסה כך שהצוואר נוצר על ידי הקטנת הקוטר בהדרגה; זהו הצעד העדין ביותר. במהלך כל תהליך צמיחת הגביש, זורם גז אינרטי (בדרך כלל ארגון) כלפי מטה דרך תא המשיכה על מנת להעביר מוצרי תגובה כגון SiO ו- CO.
4.
על ידי הגדלה הדרגתית של קוטר הגביש, החלק החרוטי והכתף גדלים. הקוטר מוגדל עד לקוטר היעד על ידי הפחתת קצב המשיכה ו- ∕ או טמפרטורת ההיתוך.
5.
לבסוף, החלק הגלילי של הגוף בקוטר אקונסטנטי גדל על ידי שליטה על קצב המשיכה וטמפרטורת ההיתוך תוך פיצוי על הירידה ברמת ההיתוך עם צמיחת הגביש. קצב המשיכה מופחת בדרך כלל לכיוון קצה הזנב של גביש הגידול, בעיקר בגלל קרינת חום הולכת וגוברת מדופן כור ההיתוך כאשר רמת ההיתוך צונחת וחושפת דופן כור היתוך יותר לגביש הגובר. בסמוך לתום תהליך הצמיחה, אך לפני שהמתכת מנוקז לחלוטין מסיליקון מותך, יש להפחית בהדרגה את קוטר הגביש כדי ליצור חרוט קצה על מנת למזער את ההלם התרמי, מה שעלול לגרום לעקיפות החלקה בקצה הזנב. כאשר הקוטר הופך להיות קטן מספיק, ניתן להפריד את הקריסטל מהמיס ללא יצירת נקעים.

דמות13.7מראה את החלק הקצה זרעית של גביש סיליקון CZ שגדל. למרות שתירס זרעים, שהוא אזור המעבר מהזרע לחלק הגלילי, נוצר בדרך כלל שטוח למדי מסיבות כלכליות, צורה מחודדת יותר עשויה להיות רצויה מנקודת מבט איכותית. אין להשתמש בחלק הכתף ובסביבתו לייצור מכשיר מכיוון שחלק זה נחשב לאזור מעבר במובנים רבים והוא מציג מאפייני גבישים לא הומוגניים עקב שינוי פתאומי בתנאי הצמיחה.

Fig. 13.6 — איור 13.6
מבט סכמטי של מערכת גידול גבישים סיליקון מסוג Czochralski. (לאחר[13.1])

Fig. 13.7 — איור 13.7
חלק מקצה הזרע של קריסטל סיליקון Czochralski שגדל

דמות13.8מראה מטיל גבישים סיליקון גדול מגודל CZ כגודל, בקוטר 400 מ"מ ובאורך 1800 מ"מ שגדל תאגיד מכון המחקר Super Silicon Crystal Institute ביפן [13.3].

Fig. 13.8 — איור 13.8
מטיל סיליקון Czochralski בגודל גדול במיוחד בגודל 400 מ"מ וקוטר 1800 מ"מ. (באדיבות מכון המחקר לחקר גביש סופר סיליקון, יפן)

השפעת המיקום המרחבי inaGrownCrystal

כאיור.13.9מתאר בבירור, כל חלק מגביש aCZ גדל בזמן שונה עם תנאי צמיחה שונים [13.19]. לפיכך, חשוב להבין שלכל חלק יש סט שונה של מאפייני קריסטל והיסטוריה תרמית שונה בגלל מיקומו השונה לאורך הגביש. לדוגמא, לחלק מקצה הזרע יש היסטוריה תרמית נרחבת יותר, החל מנקודת ההיתוך של 1420 וסביבות 400∘C ב apuller, בעוד החלק של קצה הזנב יש היסטוריה מבקר והוא מקורר די מהר מנקודת ההיתוך. בסופו של דבר, כל רקיק סיליקון שהוכן מחלק שונה של גביש מגדל יכול להראות מאפיינים פיזיקאליים כימיים שונים בהתאם למיקומו במטיל. למעשה, דווח כי התנהגות משקעי החמצן מגלה את התלות הגדולה ביותר במיקום, אשר, בתורו, משפיעה על יצירת פגמים בתפזורת [13.20].

Fig. 13.9 — איור 13.9
סביבה תרמית במהלך צמיחת גביש Czochralski בשלבים הראשונים והאחרונים.חיציםציין כיוונים זרימים של חום. (לאחר[13.19])

כמו כן, התפלגות אנו-אחידה של שני פגמי גביש וגם של זיהומים מתרחשת על פני החלק הרוחבי של רקיק שטוח המוכן מ- AZZ גביש ממיס סיליקון שהתגבש או התמצק ברציפות בממשק המסה-גביש, המעוקל בדרך כלל בתהליך צמיחת גביש CZ. ניתן לראות אי-הומוגניות כפסים, עליהם נדון בהמשך.

13.3.3זיהומים בסיליקון Czochralski

המאפיינים של מוליכים למחצה סיליקון המשמשים במכשירים אלקטרוניים רגישים מאוד לזיהומים. בגלל רגישות זו, ניתן לשלוט במדויק על המאפיינים האלקטרוניים electrical החשמליים של סיליקון על ידי הוספת כמות קטנה של חומר הסמים. בנוסף לרגישות זו לסמים, זיהום על ידי זיהומים (במיוחד מתכות מעבר) משפיע לרעה על תכונות הסיליקון ומביא להתדרדרות רצינית של ביצועי המכשיר. יתר על כן, חמצן משולב ברמות של עשרות אטומים למיליון בתוך גבישי סיליקון CZ עקב התגובה בין המסת הסיליקון לכור ההיתוך. לא משנה כמה חמצן נמצא בקריסטל, המאפיינים של גבישי סיליקון מושפעים מאוד מהריכוז ומההתנהגות של חמצן [13.21]. בנוסף, פחמן משולב גם בגבישי סיליקון CZ מחומרי גלם פוליסיליקון או במהלך תהליך הצמיחה, בגלל חלקי הגרפיט המשמשים בציוד המשיכה של CZ. למרות שריכוז הפחמן בגבישי סיליקון CZ מסחריים הוא בדרך כלל פחות מ 0.1 עמודים לדקה, פחמן הוא טומאה שמשפיעה מאוד על התנהגות החמצן [13.22,13.23]. כמו כן, גבישי סיליקון CZ מסומנים בחנקן [13.24,13.25] משכו לאחרונה תשומת לב רבה בשל איכות הגביש המיקרוסקופית הגבוהה שלהם, שעשויה לעמוד בדרישות למכשירים אלקטרוניים משוכללים [13.26,13.27].

אי-הומוגניות של טומאה

במהלך ההתגבשות מההתמזגות, משולבים בתוך הגביש הצומח זיהומים שונים (כולל חומרים מסוממים). ריכוז הטומאה של השלב המוצק שונה בדרך כלל מזה של השלב הנוזלי עקב תופעה המכונההַפרָדָה.

הַפרָדָה

ניתן לקבוע את התנהגות ההפרדה של שיווי המשקל הקשורה להתמצקות מערכות רב-רכיביות מתרשים הפאזה המקביל של מערכת השתן עםמומס(הטומאה) ואמֵמֵס(החומר המארח) כרכיבים.

יחס המסיסות של טומאה Ain סיליקון מוצק [CA]sלזה בסיליקון נוזלי [CA]L

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

(13.6) מכונהמקדם הפרדת שיווי משקל. מסיסות הטומאה בסיליקון נוזלי תמיד גבוהה מזו שבסיליקון מוצק; זה,k0& lt; 1. מקדם ההפרדה בשיווי המשקלk0חל רק על התמצקות בשיעורי צמיחה איטיים באופן זניח. לשיעורי התמצקות סופיים או גבוהים יותר, אטומי טומאה עםk0& lt; 1 נדחים על ידי המוצק המתקדם בקצב גדול יותר מכפי שהם יכולים להתפזר לתוך ההיתוך. בתהליך צמיחת גביש ה- CZ, ההפרדה מתרחשת בתחילת ההתמצקות בממשק הזרע-ההיתוך המחולל, ואטומי הטומאה הדחויים מתחילים להצטבר בשכבת ההיתוך בסמוך לממשק הצמיחה ומתפזרים לכיוון חלק הארי של המיסה. במצב זה, anמקדם הפרדה יעילkeffניתן להגדיר בכל רגע במהלך צמיחת גביש CZ, ואת ריכוז הטומאה [C]sבקריסטל aCZ ניתן להפיק על ידי

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

(13.7) שם [C0] הוא ריכוז הטומאה הראשוני בממיסה וgהוא השבר שהתמצק.

כתוצאה מכך, ברור כי וריאציה אורכית אקרוסקופית ברמת הטומאה, הגורמת לתנודתיות בהתנגדות עקב השונות בריכוז הדופנט, טמונה בתהליך הצמיחה של אצווה CZ; זה נובע מתופעת ההפרדה. יתר על כן, ההתפלגות האורכית של זיהומים מושפעת משינויים בגודל ובאופי הסעת ההיתוך המתרחשים כאשר יחס גובה-ההמסה מצטמצם במהלך צמיחת הגביש.

סטיות

ברוב תהליכי צמיחת הגביש, ישנם ארעיים בפרמטרים כגון קצב צמיחה מיקרוסקופי מיידי ועובי שכבת גבול הדיפוזיה אשר גורמים לשינויים במקדם ההפרדה האפקטיבי.keff. וריאציות אלה מולידות אי-הומוגניות קומפוזיציות מיקרוסקופיות בצורה שלפסיםבמקביל לממשק קריסטל – נמס. ניתן לשרטט בקלות סטריציות באמצעות מספר טכניקות, כגון תחריט כימי מועדף וטופוגרפיה של רנטגן. דמות13.10מראה את הפסים שנחשפו על ידי תחריט כימי בחלק הכתף של חתך רוחב של קריסטל סיליקון aCZ. השינוי ההדרגתי בצורת ממשק הצמיחה נצפה היטב.

Fig. 13.10 — איור 13.10
פסי צמיחה, שנחשפו על ידי תחריט כימי, בתוך צורה של סיליקון Czochralski

שבטים נגרמים פיזית על ידי הפרדת זיהומים וגם פגמים נקודתיים; עם זאת, הפסים נגרמים כמעט כתוצאה מתנודות הטמפרטורה ליד ממשק ההיתוך של הגביש, הנגרמות על ידי הסעה תרמית לא יציבה בהמסה וסיבוב הגבישים בסביבה תרמית אסימטרית. בנוסף, תנודות מכניות עקב מנגנוני בקרת משיכה לקויים בציוד הגדילה עלולות לגרום גם לתנודות טמפרטורה.

דמות13.11ממחיש באופן סכמטי חתך גביש מגודל CZ המכיל ממשק גביש-נמס חצוי, מה שגורם לאי-הומוגניות על פני החתך. כאשר כל רקיק מישורי פורס, הוא מכיל חלקים שונים של כמה פסים מעוקלים. שונהטבעות פונוגרפיות, מכונהמְעַרבּוֹלֶת, אז יכול להתרחש בכל רקיק, אשר ניתן לצפות על פני רקיק באמצעות הטכניקות שהוזכרו לעיל.

Fig. 13.11 — איור 13.11
איור סכמטי של חתך גביש Czochralski המכיל ממשק קריסטל – נמס מגולף ופלים מישוריים פרוסים לחלקים שונים. (לאחר[13.1])

סימום

על מנת להשיג את ההתנגדות הרצויה, מתווספת כמות מסוימת של חומר מסמים (אטומי תורם או קבלה) להמסת אסיליקון בהתאם ליחס ההתנגדות-ריכוז. מקובל להוסיף חומרים מסוממים בצורה של חלקיקי סיליקון מסוממים מאוד או נתחים בעלי התנגדות של כ- 0.01 Ω ס"מ, המכונים מתקן הסמים, מכיוון שכמות חומר הסמים הטהור הדרושה היא קטנה באופן בלתי ניתן לניהול, למעט חומרי סיליקון מסוממים בכבדות (n+או עמ '+סִילִיקוֹן).

הקריטריונים לבחירת מאמץ לחומר מוליך אסימקי הם שיש לו את המאפיינים הבאים:

1.
רמות אנרגיה מתאימות
2.
מסיסות גבוהה
3.
פיזור מתאים או נמוך
4.
לחץ אדים נמוך.

דיפוזיביות גבוהה או לחץ אדים גבוה מובילים לפיזור או אידוי לא רצוי של חומרי הסמים, מה שמביא להפעלת מכשיר לא יציב ולקשיים בהשגת בקרת התנגדות מדויקת. נמיכות קטנה מדי מגבילה את ההתנגדות שניתן להשיג. בנוסף לאותם קריטריונים, יש להתחשב בתכונות הכימיות (הרעילות למשל). שיקול נוסף מנקודת מבט של צמיחת גבישים הוא כי לחומר המסומם יש מקדם אסגרציה שקרוב לאחדות על מנת להפוך את ההתנגדות לאחידה ככל האפשר מקצה הזרע ועד קצה הזנב של מטיל הקריסטל CZ. כתוצאה מכך, זרחן (P) ובורון (B) הם חומרי הסמים התורמים והסופגים הנפוצים ביותר עבור סיליקון, בהתאמה. עבור נ+סיליקון, שבו אטומי התורמים מסוממים בכבדות, בדרך כלל משתמשים באנטימון (Sb) במקום בזרחן בגלל הפיזור הקטן שלו, למרות מקדם ההפרדה הקטן שלו ולחץ האדים הגבוה, מה שמוביל לשינויים גדולים בריכוז הן בצירית והן את הכיוונים הרדיאליים.

חמצן ופחמן

כפי שמוצג באופן סכמטי באיורים.13.3ב ו13.6, אקוורץ (SiO2) משתמשים בגופי חימום של כור היתוך וגרפיט בשיטת גידול הגבישים CZ-Si. משטח כור ההיתוך המגע עם המסת הסיליקון מומס בהדרגה עקב התגובה

S i O_{2} + סִי \to 2 S i O .

(13.8) תגובה זו מעשירה את נמס הסיליקון בחמצן. רוב אטומי החמצן מתאדים משטח ההיתוך כחד-תחמוצת סיליקון נדיפה (SiO), אך חלקם משולבים בגביש האסיליקון דרך ממשק ההיתוך הגבישי. עם זאת, הפחמן בגבישי הסיליקון CZ מקורו בעיקר בהתחלה הפול-גבישית. חוֹמֶר. רמות פחמן שנע בין 0.1 ל -1 עמודים לדקה, תלוי ביצרן, נמצאות בפוליסיליקון. מקורות של פחמן בפוליסיליקון הם ככל הנראה זיהומים המכילים פחמן שנמצאו בטריכלורוסילאן המשמש לייצור פוליסיליקון. חלקי גרפיט בציוד משיכת CZ יכולים גם לתרום לזיהום פחמן על ידי תגובה עם חמצן, שנמצא תמיד במהלך הצמיחה הסביבתית. התוצרים שנוצרו של CO ו- CO2מומסים להמיסת הסיליקון ומסבירים את זיהומי הפחמן בגבישי הסיליקון. לפיכך, חמצן ופחמן הם שני הזיהומים העיקריים שאינם מטופלים המשולבים בגבישי סיליקון CZ באופן שמוצג באופן סכמטי באיור א.13.12. התנהגותם של זיהומים אלה בסיליקון, המשפיעים על מספר תכונותיהם של גבישי הסיליקון CZ, נחקרה באופן אינטנסיבי מאז סוף שנות החמישים [13.21].

Fig. 13.12 — איור 13.12
שילוב חמצן ופחמן בגביש הסיליקון של צ'וכרסלסקי. (לאחר[13.1])

13.4שיטות צמיחת גבישים חדשות

גבישי סיליקון המשמשים לייצור מכשירים מיקרו-אלקטרוניים חייבים לעמוד במגוון הדרישות שקבעו יצרני המכשירים. בנוסף לדרישות לסיליקוןופלים, הדרישות הקריסטלוגרפיות הבאות הפכו נפוצות יותר בגלל ייצור מכשירים מיקרו-אלקטרוניים בעלי תפוקה גבוהה וביצועים גבוהים:

1.
קוטר גדול
2.
צפיפות פגמים נמוכה או מבוקרת
3.
שיפוע התנגדות רדיאלי אחיד ונמוך
4.
ריכוז חמצן התחלתי מיטבי ומשקעים שלו.

ברור כי יצרני גבישים מסיליקון חייבים לא רק לעמוד בדרישות הנ"ל אלא גם לייצר גבישים אלו מבחינה כלכלית ועם תשואות ייצור גבוהות. החששות העיקריים של מגדלי קריסטל סיליקון הם השלמות הגבישית והפצה הצירית של חומרי הסמים בסיליקון CZ. על מנת להתגבר על כמה בעיות בשיטת הצמיחה המקובלת של גביש CZ, פותחו כמה שיטות גדילת גביש.

13.4.1גידול Czochralski withanAppliedMagneticField (MCZ)

זרימת הסעת ההיתוך בכור ההיתוך משפיעה מאוד על איכות הגביש של סיליקון CZ. בפרט, פסי צמיחה שליליים נגרמים על ידי הסעת נמס לא יציבה וכתוצאה מכך תנודות טמפרטורה בממשק הצמיחה. היכולת של שדה אמגנטי לעכב הסעה תרמית בנוזל המוליך חשמלית הוחלה לראשונה על צמיחת הגביש של האנטי-אינדיום אינדיום באמצעות טכניקת הסירה האופקית [13.28] וטכניקת התכה אזורית אופקית [13.29]. באמצעות חקירות אלה אושר כי שדה אמגנטי בעל חוזק מספק יכול לדכא את תנודות הטמפרטורה הנלוות להסעת התכה, ויכול להפחית באופן דרמטי את פסי הצמיחה.

ההשפעה של השדה המגנטי על פסי צמיחה מוסברת על ידי יכולתו להפחית את הסעה התרמית הסוערת של התכה ולהפחית את תנודות הטמפרטורה בממשק ההיתוך-גביש. דעיכת זרימת הנוזלים הנגרמת על ידי השדה המגנטי נובעת מכוח המגנט-מוטורי המושרה כאשר הזרימה אורתוגונאלית לקווי השטף המגנטיים, מה שמביא לעלייה בצמיגות הקינמטית היעילה של הממס המוליך.

דווח על צמיחת גבישים מסיליקון בשיטת המגנט CZ (MCZ) בשדה המגנטי לראשונה בשנת 1980 [13.30]. במקור MCZ נועד לצמיחה של גבישי סיליקון CZ המכילים ריכוזי חמצן נמוכים ולכן הם בעלי התנגדות גבוהה עם שינויים רדיאליים נמוכים. במילים אחרות, הסיליקון של MCZ היה צפוי להחליף את הסיליקון FZ המשמש כמעט אך ורק לייצור מכשירי חשמל. מאז פותחו תצורות שונות של שדות מגנטיים, מבחינת כיוון השדה המגנטי (אופקי או אנכי) וסוג המגנטים המשמשים (מוליך רגיל או מוליך-על) [13.31]. MCZ סיליקון המיוצר עם מגוון רחב של ריכוזי חמצן מבוקשים (בין נמוך לגבוה) עניין רב ביישומי מכשיר שונים. ערכו של הסיליקון MCZ נעוץ באיכותו הגבוהה וביכולתו לשלוט על ריכוז החמצן בטווח רחב, שלא ניתן להשיג בשיטת CZ המקובלת [13.32], כמו גם קצב הצמיחה המשופר שלו [13.33].

מבחינת איכות הקריסטל, אין ספק ששיטת MCZ מספקת את גבישי הסיליקון הנוחים ביותר לתעשיית מכשירי המוליכים למחצה. עלות הייצור של סיליקון MCZ עשויה להיות גבוהה מזו של סיליקון CZ קונבנציונאלי מכיוון ששיטת MCZ צורכת יותר חשמל ודורשת ציוד נוסף ומרחב הפעלה לאלקטרומגנטים; עם זאת, בהתחשב בקצב הצמיחה הגבוה יותר של MCZ, וכאשר משתמשים במגנטים מוליכים העל הזקוקים לשטח קטן יותר וצורכים פחות חשמל בהשוואה למגנטים מוליכים, עלות הייצור של גבישי הסיליקון MCZ עשויה להיות דומה לזו של גבישי סיליקון CZ קונבנציונליים. בנוסף, איכות הגביש המשופרת של הסיליקון MCZ עשויה להגדיל את תשואות הייצור ולהוזיל את עלות הייצור.

13.4.2שיטת Czochralski רציפה (CCZ)

עלויות ייצור הקריסטל תלויות במידה רבה בעלות החומרים, ובמיוחד בעלות אלה המשמשים כור היתוכים. בתהליך CZ המקובל, הנקרא aתהליך אצווה, האקרילי נשלף ממטען כור ההיתוך הגדול, וכור הקורץ משמש רק פעם אחת ואז מושלך. הסיבה לכך היא שכמות קטנה של סיליקון שנותרה סודקת את כור ההיתוך בזמן שהוא מתקרר מטמפרטורה גבוהה במהלך כל ריצת גדילה.

אסטרטגיה למילוי כור ההיתוך של אריזת מים עם נמס מבחינה כלכלית היא להוסיף ברציפות הזנה עם גדילת הגביש ובכך לשמור על ההיתוך בנפח אקונסטנטי. בנוסף לחיסכון בעלויות כור היתוך, שיטת Czochralski (CCZ) בטעינה רציפה מספקת סביבה אידיאלית לצמיחת גבישים מסיליקון. כפי שכבר צוין, רבים מהאינומוגניות בגבישים שגדלו בתהליך אצווה CZ קונבנציונאלי הם תוצאה ישירה של קינטיקה לא יציבה הנובעת מהשינוי בנפח ההיתוך במהלך צמיחת הגביש. שיטת CCZ נועדה לא רק להפחית את עלויות הייצור אלא גם לגדל גבישים בתנאים יציבים. על ידי שמירה על נפח ההיתוך ברמה אקונסטנטית, ניתן להשיג תנאי זרימה תרמיים ונמסים יציבים (ראה איור 3 א).13.9, שמראה את השינוי בסביבות תרמיות במהלך גידול CZ קונבנציונאלי).

טעינה רציפה מבוצעת בדרך כלל על ידי הזנת פוליסיליקון, כפי שמוצג באיור.13.13[13.34]. מערכת זו מורכבת ממאכל לאחסון חומר הגלם הפוליסיליקון ומזין התנודה המעביר את הפוליסיליקון אל כור ההיתוך. בכור ההיתוך המכיל את המסת הסיליקון, נדרש מבלבל אקוורץ בכדי למנוע את מערבולת ההיתוך הנגרמת על ידי הזנה בחומר המוצק סביב ממשק הצמיחה. גרגרי פוליסיליקון זורמים חופשיים כאלו שהוזכרו לעיל הם ללא ספק יתרון לשיטת CCZ.

Fig. 13.13 — איור 13.13
המחשה סכמטית של שיטת Czochralski בטעינה רציפה. (לאחר[13.34])

שיטת CCZ בהחלט פותרת את מרבית הבעיות הקשורות לאינומוגניות בגביש שגדלו בשיטת CZ המקובלת. יתר על כן, השילוב של MCZ ו- CCZ (CZ המתמשך המופעל על ידי שדה מגנטי (MCCZשיטת) צפויה לספק את שיטת הגידול האולטימטיבית של הקריסטל, תוך מתן גבישי סיליקון אידיאליים למגוון רחב של יישומים מיקרו-אלקטרוניים [13.1]. ואכן, הוא שימש לגידול גבישי סיליקון איכותיים המיועדים למכשירים מיקרו-אלקטרוניים [13.35].

עם זאת, יש להדגיש כי ההיסטוריות התרמיות השונות של חלקי הגביש השונים (מהזרע ועד קצוות הזנב, כפי שמוצג באיור א.13.9) יש לקחת בחשבון גם כאשר מגדלים את הגביש בשיטת הצמיחה האידיאלית. על מנת לבצע הומוגניזציה של הקריסטל הגדל או לקבל אחידות צירית בהיסטוריה התרמית, צורה כלשהי של טיפול לאחר, כגון חישול בטמפרטורה גבוהה [13.36], נדרש לקריסטל.

13.4.3שיטת צמיחה ללא צוואר

כאמור, תהליך הצוואר של דאש (שמגדיל את הצוואר של 3 עד 5 מ"מ בקוטר, איור 3 א).13.7) הוא צעד אקריטי במהלך צמיחת גביש ה- CZ מכיוון שהוא מבטל נקעים מבוגרים. טכניקה זו הייתה הסטנדרט בתעשייה כבר יותר מ -40 שנה. עם זאת, הדרישות האחרונות לקוטר גבישים גדול (&; 300 מ"מ, במשקל של יותר מ -300 ק"ג) הביאו לצורך בצוואר בקוטר גדול יותר שאינו מכניס נקעים לתוך הקריסטל הצומח, מכיוון שקוטר הצוואר היה בקוטר 3–5 מ"מ. לא יכול לתמוך בגבישים כה גדולים.

זרעים בקוטר גדול שאורכם בדרך כלל 170 מ"מ, בקוטר מינימלי של> 10 מ"מ וממוצע 12 מ"מ שגדל מסיליקון נמס בכבדות עם בורון (

& gt; 10^{19} a t o m s / c m^{3}

) שימשו לגידול גבישי סיליקון CZ בקוטר 200 מ"מ ללא נקע [13.37,13.38]. ההערכה היא כי צווארים בקוטר גדול בקוטר 12 מ"מ יכולים לתמוך ב- CZ בגבישים כבדים עד 2000 ק"ג [13.39]. דמות13.14a,bמאפרת גביש סיליקון CZ ללא פריקה בקוטר 200 מ"מ שגדל ללא תהליך הצוואר של דאש, ואיור.13.14a,bb מראה את הזרע המוגדל שלו (השווה עם איור.13.7). המנגנון שבאמצעותו הנטיות אינן משולבות בגביש הגובר, יוחס בעיקר להשפעה הקשוחה של סימום כבד של בורון בסיליקון.

Fig. 13.14a,b — איור 13.14 א, ב
קריסטל סיליקון Czochralski נטול עקירה בקוטר 200 מ"מ שגדל ללא תהליך הצוואר של דאש. (a)כל הגוף, (b) זרע וחרוט. (באדיבות פרופ 'ק. הושיקאווה)

הפניות

13.1F. שימורה:טכנולוגיית קריסטל סיליקון למוליכים למחצה(אקדמי, ניו יורק 1988)מלומד בגוגל
13.2 WC Dash: J. Appl. פיז.29, 736 (1958)CrossRefמלומד בגוגל
13.3K טאקאדה, H. Yamagishi, H.Minami, M. Imai: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1998) עמ '376מלומד בגוגל
13.4JRMcCormic: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1986) עמ '43מלומד בגוגל
13.5PA טיילור: טכנולוגיית מצב מוצק.יולי, 53 (1987)מלומד בגוגל
13.6WG פפן: טרנס. אמ. מיידי דקה מתכת. אנג.194, 747 (1952)מלומד בגוגל
13.7CH תייר: פטנט אמריקאי 3060123 (1962)מלומד בגוגל
13.8PH Keck, MJE Golay: Phys. לְהַאִיץ.89, 1297 (1953)CrossRefמלומד בגוגל
13.9W. קלר, א. מולבאואר:סיליקון אזור צף(מרסל דקר, ניו יורק 1981)מלומד בגוגל
13.10 ג'יימס מייס:סימום התמרות נויטרונים במוליכים למחצה(מליאה, ניו יורק 1979)CrossRefמלומד בגוגל
13.11HMLiaw, CJVarker: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1977) עמ '166מלומד בגוגל
13.12 ELKern, LSYaggy, JAB סמן: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1977) עמ '52מלומד בגוגל
13.13SM Hu: אפליקציה פיז. לט.31, 53 (1977)CrossRefמלומד בגוגל
13.14K. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. ג'יי אפל. פיז.19, L49 (1980)CrossRefמלומד בגוגל
13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. ג'יי אפל. פיז.19, L763 (1980)CrossRefמלומד בגוגל
13.16 T. Abe, K. Kikuchi, S.Shirai: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1981) עמ '54מלומד בגוגל
13.17J. Czochralski: Z. Phys. כימיה.92, 219 (1918)מלומד בגוגל
13.18GK Teal, JB Little: Phys. לְהַאִיץ.78, 647 (1950)מלומד בגוגל
13.19W. זולהנר, ד 'הובר: ב:גבישים 8: סיליקון, תחריט כימי(ספרינגר, ברלין, היידלברג 1982) עמ '. 1מלומד בגוגל
13.20H. צוייה, פ. שימורה, ק. אוגאווה, ט. קוואמורה: ג'יי אלקטרוכם. Soc.129, 374 (1982)CrossRefמלומד בגוגל
13.21F. שימורה (עורכת):חמצן בסיליקון(אקדמי, ניו יורק 1994)מלומד בגוגל
13.22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Appl. פיז. לט.35, 213 (1979)CrossRefמלומד בגוגל
13.23F. שימורה: ג'יי אפל. פיז.59, 3251 (1986)CrossRefמלומד בגוגל
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: VLSI technology science, Proc. הכניסה השנייה סימפ. קנה מידה גדול מאוד. (החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1984) עמ '. 208מלומד בגוגל
13.25F. Shimura, RS Hocket: Appl. פיז. לט.48, 224 (1986)CrossRefמלומד בגוגל
13.26 א. הובר, מ 'קפסר, ג'יי גרבמאייר, א.מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 2002) עמ '280מלומד בגוגל
13.27 GARozgonyi: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 2002) עמ '149מלומד בגוגל
13.28HP Utech, MC Flemings: J. Appl. פיז.37, 2021 (1966)CrossRefמלומד בגוגל
13.29HA צ'דזי, הרט DT: טבע210, 933 (1966)CrossRefמלומד בגוגל
13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y. Okubo, N. Isawa: Ext. Abstr. אלקטרוכימיה. Soc. מפגש 157. (החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1980) עמ '811מלומד בגוגל
13.31 מ 'אוהווה, טי היגוצ'י, א' טוג'י, מ 'ווטנאבה, ק. הומה, ס' טאקאסו: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1986) עמ '117מלומד בגוגל
13.32M Futagami, K.Hoshi, N. Isawa, T.Suzuki, Y. Okubo, Y. Kato, Y. Okamoto: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1986) עמ '939מלומד בגוגל
13.33 ט. סוזוקי, נ. איסאווה, ק. חושי, י. קאטו, י. אוקובו: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1986) עמ '144מלומד בגוגל
13.34 W. Zulehner: בתוך:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1990) עמ '30מלומד בגוגל
13.35Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1994) עמ '180מלומד בגוגל
13.36F. שימורה: ב:VLSI מדע וטכנולוגיה(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1982) עמ '. 17מלומד בגוגל
13.37 S. Chandrasekhar, KMKim: ב:מוליכים למחצה סיליקון(החברה האלקטרוכימית, פנינגטון 1998) עמ '411מלומד בגוגל
13.38K. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. ג'יי אפל. פיז.38, L1369 (1999)CrossRefמלומד בגוגל
13.39 ק"מ קים, פ. סמטנה: ג'יי קריסט. צְמִיחָה100, 527 (1989)CrossRefמלומד בגוגל

13.1סקירה כללית

13.2חומרים התחלתיים

13.2.1סיליקון בדרגה מטלורגית

13.2.2סיליקון רב-גבישי

תרכובות כימיות ביניים

הידרוכלורציה של סיליקון

זיקוק ופירוק של טרילורוסילאן

תהליך מונוסילן

תצהיר פוליסיליקון גרגרי

13.3צמיחה חד-גבישית

13.3.1שיטת אזור צף

הערות כלליות

מתווה התהליך

סימום

תכונות של קריסטל FZ- סיליקון

13.3.2שיטת Czochralski

הערות כלליות

מתווה התהליך

השפעת המיקום המרחבי inaGrownCrystal

13.3.3זיהומים בסיליקון Czochralski

אי-הומוגניות של טומאה

הַפרָדָה

סטיות

סימום

חמצן ופחמן

13.4שיטות צמיחת גבישים חדשות

13.4.1גידול Czochralski withanAppliedMagneticField (MCZ)

13.4.2שיטת Czochralski רציפה (CCZ)

13.4.3שיטת צמיחה ללא צוואר

הפניות

תעשיות נלוות

שלח החקירה