Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Полупроводниковые материалы и их применение. Учебное пособие
.pdf
да кремния SiH4 или тетраиодида SiI4. В последнем случае разложение соединения происходит на разогретой до 1000°С танталовой ленте. Дополнительная
очистка зонной плавкой следует после каждой из этих реакций.
ПОЛУЧЕНИЕ КРЕМНИЯ
Этапы промышленного получения монокристаллического кремния
Микроэлектроника использует сегодня десятки полупроводниковых ма-
териалов, самым распространенным из которых является кремний.
Исходным материалом является кремнезем SiO2. Чистота природного
SiO2 составляет 99,8…99,9%. Элементарный Si из SiO2 (кремнезема) может
быть получен в электрической печи с помощью дугового разряда (температура
порядка нескольких тысяч градусов) в результате реакции
SiO2 ═ Si + O2
Получаемый при этом технический кремний содержит 1…2% примесей
и используется лишь как исходный материал для получения кремния высокой
чистоты (10-6% примеси). Дальнейший процесс получения Si высокой чистоты
производится в несколько этапов:
1 этап. Технический кремний хлорируют при 300-400ºС и превращают
его в легколетучие соединения:
Si + 3HCl ═ SiHCl3 + H2,
Si + 4HCl ═ SiCl4 + 2H2,
где SiHCl3 – трихлорсилан кремния, SiCl4 – тетрахлорид кремния.
2 этап. Полученные хлориды очищают.
3 этап. Очищенные хлориды обрабатывают водородом при tºС > 1000ºС
(реакции идут в обратную сторону по сравнению с 1 этапом:
SiHCl3 + H
═ Si + 3HCl,
2
В результате получается кремний-сырец. На этом химическая очистка
кремния заканчивается.
4 этап. Зонная плавка кремния-сырца.
SiCl4 + 2H
═ Si + 4HCl.
2
21
Зонная плавка (зонная перекристаллизация) — метод очистки твёрдых
веществ, основанный на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах. Метод является разновидностью направленной кристаллизации, от
которой отличается тем, что в каждый момент времени расплавленной является
некоторая небольшая часть образца. Такая расплавленная зона передвигается
по образцу, что приводит к перераспределению примесей. Если примесь лучше
растворяется в жидкой фазе, то она постепенно накапливается в расплавленной
зоне, двигаясь вместе с ней. В результате примесь скапливается в одной части
исходного образца.
Слиток, изготовленный сплавлением порошкового кремния-сырца, закрепляется в зажимах, которые могут перемещаться вверх-вниз и вращаться.
Чтобы кремний не окислился, рабочую камеру продувают азотом или водородом в течение всего процесса (рис. 9). Затем кремний расплавляют с помощью
кольцевого индуктора, перемещаемого сверху-вниз со скоростью 1мм/мин.
Плавлению подвергается узкая область слитка. Жидкая зона не растекается и
удерживается между твердыми областями за счет сил поверхностного натяжения. Примеси, стремясь остаться в жидкой фазе, уходят из той части слитка, которая, охлаждаясь, начинает затвердевать. Многократно повторяя процесс,
примеси оттесняют от одного конца слитка к другому, после чего загрязненную
часть его отрезают. Для лучшего перемешивания расплава верхнюю и нижнюю
части слитка вращают в разные стороны.
В результате получается поликристаллический кремний.
5 этап. Получение монокристалла кремния.
Метод Чохральского (рис. 10) — это метод выращивания кристаллов
путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава (рис. 10, а) с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава
(рис. 10, б).
22
N2, H
2
N2, H
2
слиток
индуктор
расплавленная зона
зажим
а
б в г д
Рис. 9. Зонная плавка кремния
Жёсткая или гибкая подвеска (зависит от производителя оборудования) с
закреплённым на ней затравочным кристаллом необходимой структуры и ориентации опускается вниз, затравочный кристалл приводится в контакт с поверхностью расплава и выдерживается там для прогрева и оплавления зоны
контакта (рис. 10, в).
Рис. 10. Схема получения монокристалла
Начинается вытягивание затравочного кристалла вверх в холодную зону.
В ходе вытягивания сначала формируется цилиндр диаметром в несколько
миллиметров (рис. 10, г) — продолжение затравочного кристалла, особенно
23
важное при выращивании бездислокационных кристаллов. Длина цилиндра для
а
б
в
кристаллов из различных материалов при различных требованиях по структуре
и ориентации сможет колебаться от нескольких миллиметров до нескольких
сотен миллиметров.
Затем за счёт снижения температуры и скорости вытягивания диаметр
призатравочного цилиндра увеличивают до необходимой величины (у монокристаллов кремния диаметр цилиндра может достигать 300 мм), после чего
вытягивают цилиндр максимально возможной длины.
Перед завершением процесса за счёт увеличения температуры расплава и
за счёт некоторого увеличения скорости вытягивания диаметр кристалла постепенно уменьшают (длина формируемого конуса для слитков кремния диаметром 300 мм и более может достигать 2-х диаметров).
После завершения процесса формирования конуса и исчерпания остатков
расплава производится отрыв слитка от расплава и постепенное охлаждение
слитка до заданной температуры (рис. 10, д).
Все режимные параметры каждого из этапов процесса являются, как пра-
вило, секретом конкретного производителя. Полученные цилиндры (рис. 11, а)
разрезаются специальными алмазными резаками на пластины (рис. 11, б), являющиеся исходным материалом для производства интегральных микросхем
(рис. 11, в).
Рис. 11. Обработка монокристаллического кремния
24
В процессе изготовления монокристалла возможно возникновение следу-
Вакансия Атом в междоузлии Замещенный атом
Линейная дислокация Винтовая дислокация
ющих видов дефектов кристаллической решетки:
точечные дефекты (рис. 12), приводящие к нарушению баланса сил
взаимодействия атомов кристалла:
вакансия – отсутствие атома в узле кристаллической решетки;
атом в междоузлии – внедрение атома вредной примеси между
атомами основного вещества в узлах кристаллической решетки;
замещенный атом – размещение атома вредной примеси вместо
атома основного вещества.
К более сложным дефектам относятся: линейные и винтовые дислокации
(рис. 13).
Рис. 12. Точечные дефекты кристаллической решетки
Рис. 13. Линейные и объемные дефекты кристаллической решетки
Линейная дислокация получается в результате того, что ряд атомов кристаллической решетки оказывается недостроенным. Винтовая дислокация –
это смещение одной части кристалла относительно другой.
25
Контактные явления в полупроводниках
Контактные явления происходят на границах областей с различными
свойствами. Различают:
1) pn-переходы – электронно-дырочные переходы – между областя-
ми с различным типом электропроводности (т.е. между областями донорного и акцепторного полупроводника).
2) Переходы между областями с одним и тем же типом электропро-
водности, но с различной концентрацией примеси:
a. p+p-переходы – дырочно-дырочные переходы;
b. n+n-переходы – электронно-электронные переходы.
Здесь p+ и n+ – области с большим значением концентрации примеси (их
называют высоколегированными областями).
3) Переходы между областями веществ различного класса – между
полупроводником и металлом.
Электрические переходы нельзя создать путем механического контакта
двух областей с разными физическими свойствами, поскольку поверхности
кристаллов обычно загрязнены оксидами и вредными примесями. Кроме того,
устранить воздушный зазор между областями при механическом контакте
практически невозможно.
Образование симметричного pn-перехода
Симметричным называется pn-переход, возникающий между областями
акцепторного и донорного полупроводника с одинаковыми концентрациями
примесей: Nа=Nд.
Рассмотрим численный пример. Допустим, в исходный полупроводник с
собственной концентрацией носителей заряда pi=ni=1013 см-3 вносятся примеси
Nа=Nд =1018 см-3.
Для рабочего диапазона температур характерно то, что концентрация основных носителей заряда примерно равна концентрации соответствующей
примеси.
26
pp ≈Nа; nn ≈Nд.
8
18
1313
10
10
1010
д
ii
n
ii
n
N
np
n
np
p
8
18
1313
10
10
1010
a
ii
p
ii
p
N
np
p
np
n
Для донорного полупроводника из постоянства произведений концентраций носителей
pnnn= pini
получаем концентрацию неосновных носителей -
Для акцепторного полупроводника из постоянства произведений концентраций носителей
ppnp= pini
получаем концентрацию неосновных носителей
.
.
Проанализируем полученные числовые значения для каждого носителя
заряда. Так, для электронов в донорном полупроводнике концентрация составляет nn=1018, в акцепторном – np=108. Иными словами, в донорном полупроводнике в единице объема свободных электронов в 10 000 000 000 (10 миллиардов!) раз больше, чем в акцепторном. Поэтому на границе раздела областей донорного и акцепторного полупроводника возникает направленное движение
электронов из донорной области в акцепторную, т.е. из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Такое движение называется
диффузионным (рис. 14).
Для дырок в акцепторном полупроводнике концентрация составляет
pp=1018, в донорном – pn=108. Иными словами, в акцепторном полупроводнике в
единице объема вакансий в 10 000 000 000 (10 миллиардов) раз больше, чем в
донорном. Поэтому на границе раздела областей донорного и акцепторного полупроводника также возникает диффузионное движение дырок из акцепторной
области в донорную.
Таким образом, в результате диффузии основные носители оказыва-
ются выброшенными в соседнюю область, где они становятся неосновны-
27
ми носителями. Поэтому на границе между донором и акцептором нарушается
изначальный баланс между ионами примеси и основными носителями – основные носители выброшены, а ионы, естественно, остались на своих местах (в узлах кристаллической решетки). Со стороны донорной области это будет
слой нескомпенсированных положительных, а со стороны акцепторной области – слой нескомпенсированных отрицательных ионов. Они образуют
так называемый запирающий слой pn-перехода.
Термин «запирающий» отражает тот факт, что ионы «сопротивляются»
диффузионному движению основных носителей в соседнюю область.
Кроме того, слой pn-перехода часто называют обедненным слоем. Термин «обедненный» отражает тот факт, что он практически не содержит основных носителей, вытесненных за счет диффузии в соседний слой: из донорной
области ушли электроны, из акцепторной – дырки.
Нескомпенсированные ионы примеси в силу своего заряда притягивают
недостающие им носители заряда из соседней области (свои «проскакивают
мимо» из-за диффузии). Начинается встречное с диффузией дрейфовое дви-
жение неосновных носителей, обусловленное статическим полем объемного заряда: из акцепторной области в донорную возвращаются электроны,
из донорной области в акцепторную дрейфуют дырки (рис. 15).
Конкретному значению температуры соответствует определенная интенсивность этих двух уравновешивающих друг друга потоков носителей заряда –
диффузионного и дрейфового. В целом кристалл полупроводника остается
электрически нейтральным. Этому состоянию соответствует на вольтамперной характеристике полупроводникового диода точка, совпадающая с
началом координат.
28
+
e-
+
e-
+
e-
+
e-
+
e-
+
e-
+
e-
+
e-
+
-
e+
-
e+
-
e+
-
e+
-
e+
-
e+
-
e+
-
-
Скомпенсированные ионы
акцепторной примеси
Скомпенсированные
ионы донорной примеси
НЕскомпенсированные
ионы акцепторной примеси
НЕскомпенсированные
ионы донорной примеси
e-
Диффузия электронов
Диффузия дырок
e+
e+
p-область
n-область
pn-переход
lp
ln
Рис. 14. Диффузия основных носителей при образовании
+
e-
+
e-
+
e-
+
e-
+
e-
+
e-
+
e-
+
e-
+
-
e+
-
e+
-
e+
-
e+
-
e+
-
e+
-
e+
-
-
Скомпенсированные ионы
акцепторной примеси
Скомпенсированные
ионы донорной примеси
НЕскомпенсированные
ионы акцепторной примеси
НЕскомпенсированные
ионы донорной примеси
e-
Дрейф электронов
Дрейф дырок
e+
e+
p- область
n- область
-
pn-переход
lp
ln
симметричного pn-перехода
Рис. 15. Дрейф неосновных носителей при образовании
симметричного pn-перехода
29
Слои нескомпенсированных ионов примеси (положительных со стороны
донорного полупроводника и отрицательных со стороны акцепторного) можно
сравнить с обкладками конденсатора. Естественно, численная величина объемного заряда с обеих сторон одинакова, заряды противоположны, как в любом
конденсаторе.
Поэтому количество положительных нескомпенсированных ионов в
полупроводнике n-типа и отрицательных нескомпенсированных ионов в
полупроводнике p-типа будет одинаковым.
В рассматриваемом случае концентрация акцепторной и донорной примесей одинакова. Иными словами, количество ионов примесей обоих знаков в
единице объема с обеих сторон от границы раздела областей с различным типом электропроводности одинаково. Следовательно, толщина pn-перехода распределена равномерно между донорным и акцепторным полупроводником
(рис. 14 и 15):
lp=ln.
Симметричный pn-переход не представляет практической ценности, поскольку не обеспечивает вентильных свойств.
Образование несимметричного pn-перехода
Несимметричным называется pn-переход, возникающий между областями акцепторного и донорного полупроводника с неодинаковыми концентрациями примесей. Наиболее востребованным оказался случай, когда концентрация акцепторной примеси значительно выше концентрации донорной примеси:
Nа»Nд.
Рассмотрим численный пример. Допустим, в исходный полупроводник с
собственной концентрацией носителей заряда pi=ni=1013 см-3 вносятся примеси
Nа=1018 см-3 и Nд=1015 см-3.
Независимо от соотношения концентраций примесей, для рабочего диапазона температур характерно то, что концентрация основных носителей заряда примерно равна концентрации соответствующей примеси
pp ≈Nа; nn ≈Nд.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]