Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы процессов микро- и нанотехнологий. Учебно-методическое пособие
.pdf
Таким образом,
QKMCkT
v
C
v
CC C C C
FCC EEEkT
⎡
⎣
v
i
CC
FF Fe
CFFFi
MC
eve
=+ −
ivi
⎛⎞
′
1exp
⎜⎟
⎝⎠
′
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
. (5.10)
5.3. Расчет концентраций вакансий
Общая концентрация вакансий в кремнии С
центраций: нейтральных вакансий C
однократно отрицательном C
однократно положительном
=++ +
, в двукратном отрицательном
v
зарядовых состояниях:
+
vx v v v
−−−+
и заряженных вакансий – в
vx
Используя закон действующих масс и экспоненциальную зависимость концентраций вакансий от энергетического уровня заряженных состояний и уровня Ферми E
, определяемого концентрацией
F
электронов, получаем соотношения для отношений концентраций
вакансий в различных зарядовых состояниях:
⎡⎤
FCC E E kT
== −
vvvx Fv
== −−
vvvx Fvv
−− −− −−
FCC EEkT
== −
vvvx vF
++ +
exp
()
⎣⎦
exp 2
⎡⎤
exp
⎣⎦
−
()
()
складывается из кон-
v
и
vC−−
. (5.11)
⎫
⎪
⎪
⎤
, (5.12)
⎬
⎦
⎪
⎪
⎭
где E
, E
, Ev+– энергетические уровни, соответствующие вакансиям
v
v--
в кремнии в различных зарядовых состояниях.
Энергетические уровни отсчитываются относительно уровней запрещенной зоны: для V
димости, а для V
+
чие в знаках перед значениями E
–
– –
и V
они располагаются ниже зоны прово-
– выше валентной зоны. Этим объясняется разли-
, E
v-
Таким образом, учитывая (5.11) и (5.12), получаем выражение для
отношение
, необходимое для расчета изменения подвижно-
ev
сти границы зерна поликремния:
C
ve
=
vi v v v
vv v
−−−+
1
++ +
()
−−−+
1
++ +
()
Индексы e и i, как обычно, относятся соответственно к легиро-
ванному и собственному кремнию.
и Ev+ в (5.12).
v--
. (5.13)
61
5.4. Эффекты высокого уровня легирования
T
β
de
m
dn
m
β
EEkT
β
nT kT
Значение энергии Ферми E
, входящей в выражение (5.12), зави-
F
сит от температуры и концентрации легирующих примесей. В собственном (нелегированном) полупроводнике уровень Ферми располагается вблизи запрещенной зоны:
⎛⎞
где
EE
=−
gg
ра;
и
ные массы; M
сти; E
(0), α, β – параметры аппроксимации, если энергия выражает-
g
kT
EE
0
()
T
=+
()
Fg
2
α
– ширина запрещенной зоны; T – температу-
+
3
2ln
4
– соответственно электронная и дырочная эффектив – число эквивалентных минимумов в зоне проводимо-
c
m
dn
⎜⎟
⎜⎟
mM
de C
⎝⎠
, (5.14)
2
3
ся в эВ, а температура – в градусах К.
В полупроводнике, содержащем примесные атомы, уровень Ферми смещается от середины запрещенной зоны, чтобы обеспечить выполнение условия электронейтральности вещества. В сильно легированном полупроводнике эффективное значение энергии Ферми
где
β
=− , E
()
FC
водимости, а 2
EEE kT=−δ +
Eδ – величина эффективного сужения ширины за-
g
Fe F g
– уровень, соответствующий дну зоны про-
c
1
2ln
2
, (5.15)
()
прещенной зоны.
Получено эмпирическое соотношение между ΔE
ей примесей N
в объеме кристаллита, а именно
g
и концентраци-
g
0,057ln 2,44
ENδ= −
gg
Соответствующая эффективная концентрация электронов в собственном полупроводнике с высоким уровнем легирования
где
nn EkT=δ
3
16
3,8 10 exp 0,605
=⋅ − – эмпирическое выражение для
i
2
exp 2
ie i g
()
концентрации носителей зарядов в собственном полупроводнике.
62
()
()
. (5.16)
1
2
, (5.17)
Использование статистики Ферми–Дирака для вырожденного по-
n=n E - E kT
⎡
⎣
βξ=β
⎡
⎣
⎡
⎢⎥⎣
rt nt rt n t
N
CCn
лупроводника приводит к следующему выражению для концентрации электронов в сильнолегированном веществе:
где
12
exp
()
β= −β+ β
,
() ( ) ()
12 12
F
()
а эмпирический параметр
ξ
()
ie F ie
expFf
π
3 2 ,13 2,1 3 9,6
f
=β++β−+
()
12
2
⎤
, (5.18)
⎦
1
−
⎤
– интеграл Ферми–Дирака,
⎦
()
()
2,4
3
5
2
⎤
12
.
⎦
Таким образом, используя выражение (5.14) совместно с (5.10),
и (5.18), рассчитываем временную зависимость радиуса зерна
(5.13)
поликремния от температуры отжига. Поскольку доля активных
примесей N
изменяется со временем за счет сегрегации части при-
g
месей на границе зерна и является функцией размера зерна, расчет
r(t) производится путем вычисления приращения
⎡⎤
=Δ − = − Δ
()
nn
⎣⎦
полное время термообработки, а N – число временных шагов. Ве-
τ –
()
1
−
1
()
на n-м временном шаге, t
Δ=
τ
, где
личина Δτ выбирается из условия малости (≈ 1%) изменения величины N
на каждом временном шаге, что обеспечивает достаточную
g
точность вычисления расчета изменения со временем основных физических величин
()
ve vi
,
, используемых при расчетах.
Рекомендуемая литература
Холленд Л. Нанесение тонких пленок в вакууме. – М.: Госэнерго-
издат, 1963.
Электронная техника. / Ю.Д. Чистяков [и др.] // сер. «Материа-
лы». – 1970. – Вып. 6. – С. 20.
Александров Л.Н. Процессы роста и структуры монокристалличе-
ских слоев полупроводников. – Ч. 1. – Новосибирск, Наука, 1988.
Иванов Р.Д. Катодный метод создания пленочных элементов мик-
росхем. – М.: Энергия, 1992.
Кинетика осаждения и свойства тонких высоколегированных поликристаллических пленок кремния, полученных методом пиролиза
моносилана / В.М. Колешко [и др.] // Изв. АН СССР, сер. «Неорганические материалы». – 1977. – Т. 13. – № 6.
63
Ковалевский А.А., Некарюкин И.В., Рыжикова Н.Е. Комплексная
микроминиатюризация и повышение качества радиоэлектронной аппаратуры. – Минск: МРТИ, 1976.
Колешко В.М., Ковалевский А.А., Некарюкин И.В. Влияние технологических факторов на величину поверхностного сопротивления
поликристаллических пленок кремния // Электронная техника, сер.
Материалы». – 1985.– Вып. 7. – С. 45.
«
Волькенштейн Ф.Ф. Физико-химия поверхности полупроводников. – М.: Наука, 1973.
Шварц Н., Берри Р. Физика тонких пленок. – Т. 2. – М.: Мир,
1976.
Нелаев В.В., Турцевич А.С. Моделирование процесса осаждения
поликремния из газовой фазы. – Минск, БГУ, 1989.
http://avl.iatp.by/edu_progs.htm
Нашельский А. Я. Технология полупроводниковых материалов. –
М.: Металлургия, 1993.
64
ГЛАВА 6
ПОДГОТОВКА ПОДЛОЖЕК (ЭВТЕКТИЧЕСКАЯ
КОМПОЗИЦИЯ InSb+MnSb) ДЛЯ ЖИДКОФАЗНОЙ
ЭПИТАКСИИ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ
ФЕРРОМАГНЕТИК – ПОЛУПРОВОДНИК (InSb)
6.1. Теоретическое введение
Для выращивания кристаллов из расплава применяется метод
нормальной направленной кристаллизации или метод Бриджмена.
Все технологические методы выращивания монокристаллов из
жидкой фазы можно разделить на две группы: выращивание из собственных расплавов и выращивание из растворов.
Расплав – это жидкая фаза, состав которой соответствует составу
кристаллизующегося нелегированного вещества или соединения.
Раствор – это жидкая фаза, состав которой отличается от состава
выращиваемого нелегированного вещества или соединения.
Процесс кристаллизации из жидкой фазы состоит из следующих
этапов: 1) подвод кристаллизующегося компонента к поверхности
роста (фронту кристаллизации); 2) поверхностная диффузия (миграция по поверхности роста и встраивание атомов в кристалл); 3) диффузия в объеме кристалла (миграция в кристалле); 4) отвод скрытой
теплоты кристаллизации от поверхности роста.
6.1.1. Выращивание кристаллов из расплава
Все
технологические методы выращивания монокристаллов из
расплавов можно разделить на две группы:
а) тигельные методы;
б) беcтигельные методы.
Выращивание кристаллов из расплава в настоящее время является
наиболее распространенным промышленным процессом, так как по
сравнению с другими методами методы выращивания из расплава
обладают наивысшей производительностью. Это обусловлено тем,
что в расплавах диффузионные процессы в жидкой фазе (диффузия к
фронту кристаллизации компонентов кристаллизующейся фазы) не
являются лимитирующей стадией процесса. С помощью этих методов можно получать достаточно чистые кристаллы Ge и Si с высокими скоростями роста (до 10 мм/ч).
65
Существуют и недостатки методов выращивания кристаллов из
расплава, так как это требует использования высоких температур
роста, что в ряде случаев может создавать проблемы при контроле
температурных градиентов, необходимых для выращивания кристаллов высокого структурного совершенства. Высокие температуры
требуют также более высоких энергетических затрат при росте и
способствуют загрязнению расплава, если он находится в тигле.
Методы направленной кристаллизации подразделяются на три
группы: методы нормальной направленной кристаллизации; методы
вытягивания из расплава; методы зонной плавки.
6.1.2. Методы нормальной направленной
кристаллизации
методах нормальной направленной кристаллизации заготовка
В
расплавляется целиком, а затем расплав кристаллизуется с одного
конца. Рост кристалла, таким образом, происходит в контакте со
стенками тигля, содержащего расплав. Переохлаждение на фронте
кристаллизации осуществляют путем перемещения тигля с расплавом относительно нагревателя или нагревателя относительно тигля.
В зависимости от расположения тигля с материалом различают горизонтальный и вертикальный методы нормальной направленной кристаллизации. Вертикальный метод получил название метода Бриджмена (рис. 6.1, а).
Рис. 6.1. Схема выращивания кристаллов методом нормальной
направленной кристаллизации расплавов: а – вертикальная
модификация (метод Бриджмена); б – горизонтальная модификация
Оборудование, необходимое для проведения процесса нормаль-
ной направленной кристаллизации, включает: 1) тигель заданной
66
формы, изготовленный из материала, химически стойкого по отношению к расплаву и газообразной среде, в котором проводится процесс кристаллизации; 2) печь, обеспечивающую создание заданного
теплового поля; 3) систему регулирования температуры печи и механического перемещения контейнера или нагревателя.
Итак, предварительно тщательно очищенный исходный материал
загружают в тигель и расплавляют; процесс проводят в вакууме или в
нейтральной атмосфере в герметичной камере. Затем начинается охлаждение расплава, причем наиболее интенсивному охлаждению подвергается оттянутый заостренный участок тигля: здесь зарождаются
центры кристаллизации (см. рис. 6.1). Заостренный конец используется с целью увеличения вероятности образования только одного центра
кристаллизации, поскольку объем расплава, находящегося в заостренной части тигля, невелик. Кроме того, в случае образования нескольких центров кристаллизации один из них, имеющий наиболее благоприятную ориентацию для роста, подавляет рост остальных зародышей. С течением времени по мере перемещения тигля с расплавом относительно нагревателя фронт кристаллизации перемещается в сторону расплава и постепенно весь расплав в тигле закристаллизовывается.
Следует заметить, что в данном случае процессы зарождения и
роста не контролируются с достаточной степенью точности, они зависят от формы фронта кристаллизации, от материала и качества изготовления тигля и всевозможных изменений условий роста. Особо
следует остановиться на сильной зависимости совершенства выращиваемого кристалла от материала тигля.
Для получения чистых кристаллов с минимальным количеством
собственных дефектов необходимо выполнение следующих жестких
требований, предъявляемых к свойствам материала тигля. Расплав и
материал тигля не должны вступать в химическую реакцию. Расплав
не должен смачивать стенки тигля, а после кристаллизации сцепляться с ним. Теплопроводность и тепловое расширение обоих материалов должны быть близки. Тигель должен обладать достаточной
термической и механической прочностью. В качестве материала для
изготовления тиглей наиболее часто применяют стекло, плавленный
кварц, высокочистый графит, оксид алюминия (алунд), платину, нитрид алюминия.
При методе Бриджмена зарождающиеся в нижней части тигля с
расплавом монокристаллы служат затравкой. Тигель опускается в
более холодную зону печи. Нижняя часть тигля – коническая. Скорость выращивания – несколько миллиметров в час.
67
Установка для роста монокристаллов по методу Бриджмена пред-
ставлена на рис. 6.2.
а б в
Рис. 6.2. Установка для роста монокристаллов:
а – общий вид; б – схема установки; в – температурный профиль;
1 – механизм вращения и перемещения; 2 – термоизолирующая
пробка; 3 – контролирующая термопара; 4 – стальной контейнер;
5 – нагревающий элемент; 6 – регулирующая термопара зоны
расплава; 7 – зона расплава; 8 – ампула; 9 – шихта; 10 – затравка;
11 – зона роста, 12 – регулирующая термопара; 13 – тепловая
коаксиальная натриевая труба
6.1.3. Система InSb-MnSb
Система
координатами эвтектики 6,5 мол % MnSb и Т
InSb – MnSb относится к системам эвтектического типа с
= 513 °С. По данным
пл
ДТА, температура плавления составляет 514–515 °С. Однако при
кристаллизации эвтектики наблюдается существенное переохлаждение расплава ~ 20 °С, поэтому при получении эвтектической компо-
зиции вводился затравочный кристалл (рис. 6.3, 6.4).
68
Рис. 6.3. Диаграмма состояния системы InSb – MnSb
Рис. 6.4. ДТА эвтектической композиции InSb – MnSb
69
6.2. Подготовка ампул и подложек для ЖФЭ
гетероструктуры ферромагнетик
(эвтектическая композиция InSb+MnSb)
Этапы подготовки и откачка ростовых ампул:
1. Промывка ампул 3HCl+HNO3(царская водка).
Двукратная промывка дистиллированной водой.
2.
3.
Сушка в муфельной печи при температуре 200 °С.
4.
Графитизация кварцевой ампулы (покрытие тонким слоем гра-
фита внутренней поверхности ампулы):
а) для графитизации ампулу помещают в реактор, расположенный
в горизонтальной печи, создают вакуум (порядка 10
ют аргоном марки ОСЧ;
б) печь нагревают до температуры ~1250 К, а затем через ацетон
марки ОСЧ 9-5 (вместо ацетона можно использовать бензин или этиловый спирт), пропускают аргон, и подают в реактор. В реакторе пары ацетона разлагаются и пиролитический углерод оседает на стенках ампулы: СH
Загрузка в ампулы навески компонентов ростовой шихты и от-
5.
качка до остаточного давления 10
COCH3 →3C↓+H20(пар.)↑+2H
3
–2
Па с помощью вакуумного поста:
2
а) загрузка компонентов ростовой шихты;
б) очистка горловины ампулы;
в) установка ампулы в откачные отверстия вакуумного поста;
г) включение насоса предварительной откачки;
д) контроль вакуума с помощью лампы ЛТ2 (лампа термопарная);
е) включение диффузионного насоса с подачей водяного охлаждения;
ж) отпайка кварцевых ампул с помощью специальной газовой горелки (рис. 6.4).
Резка и полировка подложек:
1. Резка слитка на шайбы:
а) кристалл закрепляют на держателе установки ленточной резки;
б) резка производится с помощью возвратно-поступательных
движений пильной рамки;
в) в зону резки подают абразивную суспензию.
Шлифовка подложек. Для этого шайба приклеивается на уст-
2.
ройство для шлифовки. Сначала абразивом снимается слой до 1 мм с
поверхности подложки, затем более мелким абразивом удаляется
слой в 100 мкм.
↑.
-1
Па), промыва-
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]