16.Формирование примеси в монокристаллическом кремнии.

При производстве п/п(а) необходимо обеспечивать очень низкого уровня загрязнения нежелательными примесями. Суммарное содержание быстро диффундир-их Ме(х) примесей должно быть не выше 10¹¹ см^-3, углерода не выше 10¹⁵ см^-3.

Содержание кислорода должно быть минимальным и равномерно распределено по объему слитка. Кислород в Si образует тв. растворы внедрения и явл. примесью отличающейся очень сложным поведением. В выращенном монокристалле 95% атомов кислорода находится в межузельном положении.

Изолированные атомы кислорода в решетки Si эл-ки нейтральны .При Т<1000⁰ C тв. раствор становится пересыщенным, что приводит к его распаду и образованию различного рода комплексов и дефектов структуры. В рез-те термической обработки как в процессе выращивания монокристалла так и при изготовлении приборов атомы кислорода могут взаимодействовать между собой, а так же другими примесями и дефектами и образовывать эл. Активные комплексы. Так называемыми термодонорами.

Высокая концентрация термодоноров затрудняет получение заданного значения удельного эл. сопротив. А так же получение монокрристалов с удельным эл. сопр. более 20 Ом на см.

С в Si является элетро нейтральной примесью замещения. Эта примесь способна оказывать сильное влияние на состояние комплексов точечных дефектов. И процессы дефектно примесного взаимодействия в Si. В зависимости от содержания С при терм. обработке Si могут существенно изменяться процессы формирования термодоноров. Метод Чохральского является основным методом получения монокристаллов Si (80-90%). В этом случае осн. Источником О₂ для Si явл. раств. в процессе выращивания монокристалла кварцевый тигель. При этом методе концентрация О₂ в Si может достигать 10¹⁸ см^-3 т.е. может быть выше чем концентрация легирующей примеси может оказывать серьезное влияние на Эл-кое и структурное св-во выращенного Si.

Основным источником С в Si явл. исходная загрузка и графитовая оснастка камеры. Обычная величина концентрации С в монокристалл-ом Si выращенном по методу Чохральского составляет (от 2 до 7) * 10¹⁶ см^-3.

В связи с необходимостью обеспечить в выращенном монокристалле минимальное содержание кислорода и углерода в последнее время возрос интерес к получению монокристалл. Si методом безтигельной зонной плавки. Метод позволяет значительно снизить содерж. этих примесей. О₂ например на 2 порядка.

Метод позволяет получать монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному удельным эл. сопротивлением до 10⁵ Ом на см.

17.Микродефекты монокристаллического кремния.

100% монокристаллов Si в настоящее время выращивается с бесдислокационной структурой , важнейшей операцией при этом явл. выращивание в начале процесса монокристалла малого диаметра порядка ~3 мм. В этом случае монокристалл становится бездислокационным через несколько сантиметров после начала процесса выращивания, до нее скорость вытяг. монокр. уменьшают и происходит разростание монокрист. до треб. диаметра. Исчезновение дислокаций при выращ. такой узкой шейки монокрист. связанно со следующим.

Для получения бездислокацион. кристаллов Si предпочтитель. направления выращивания это напрвления <111> и <100>.

Одной из наиболее серьезных проблем получения бездислокацион. Si большого диаметра явл. проблема снижения содержания и уменьшения размеров присутствующих в нем микродефектов. Как показывает исследование последних лет именно растовые микродефекты, содержащиеся в пластинах оказывают наибольшее влияние на хар-ки создаваемых интегральных схем в связи с этим, по мере уменьшения топологиских размеров рабочих элементов интеграль. схем требования по допуст. кол-ву дефектов субмикронных размеров на поверхности пласт. сущ. ужесточаются. Основную роль в образовании растовых микродеф. выращ. по методу Чахральского монокристалла играют существен. мододефекты; вакансии между аотмами, а также О₂ .

В реальн. условиях уже на достаточно малых расст. от фронта кристализ. в монокристалл. возникает значтельное пересыщение по собств. точечным дефектам. Резкой температурной завис. их равновесной концентра. образующей избыточные неровности собствен. точечные дефекты аннигилировать стенки в качестве которых выступают боковые поверхности слитка и присутст. В обьеме. крупномасштабные дефекты прежде всего дислокации.

Другим источнтком микродефектов явл. О₂ конц. которого в выращ. монокристаллах как правило достаточна для образов. В процессе охлаждения пересыщ. твердого раствора.

Однако несмотря на то что концентрация О₂ в кристалл. намного выше концентра. собствен. точечных дефектов. Именно последнее играет ключевую роль в процессах дефектообразования, а связанно это с тем что движущей силой агрегации является не обсол. значение конц. точечных дефектов, а пересыщ. твердого раствора., которое существенно выше для собствен. точечных дефектов из-за резкого уменьшения их равновесных концентраций с уменьшением температуры.

Производимые в настоящее время монокристалл. большого диаметра явл. монокристаллы вакансионного типа. Поэтому в настоящее время основной задачей явл. разраб. технологии выращ. кристалла не содержащего вокансионные поры.

№18. Современные тенденцииразвития производства полупрорводникового кремния. Основной объем монокристаллического кремния, потребляемого микроэлектроникой, выращивается ли методу Чохральского

Очищенный поликристаллический кремний помещают во вкладыш из кварцевого стекла, производится вакуумирование рабочей камеры до давления ~10^-4 Па и плавление Si. Монокристаллическая затравка приво­дится в соприкосновение с расплавом и из расплава с высокой скоростью вытягивается кристалл малого диаметра. Эта операция в начале процесса выращивания монокристаллического крем­ния необходима для уменьшения образования дефектов. Затем скорость подъема затравки снижается, происходит разрастание выращиваемого кристалла до необходимого диаметра. Заканчивается процесс выращивания оттяжкой на конус и отрывом кристалла от остатков расплава. Выращенные таким образом монокристаллы диаметром до 200 мм. Основным недостатком этого метода является загрязнение монокристаллов кислородом (до 10¹⁸ см^-3), источником которого является кварцевый вкладыш. Кроме того, наблюдается неоднородность в распре­делении дефектов и примесей по диаметру и длине слитка.

Для выращивания высокочистых монокристаллов кремния с малым содержанием кислорода и большим временем жизни носителей заряда применяют метод вертикальной бестигельной зонной плавки

Бестигельная зонная плавка обычно проводится в вакууме, при ле­гировании - в атмосфере водорода, который является газом-носителем. В результате зонной плавки содержание примесей в кремнии уменьшается за счет частичного испарения. Особенно существенна разница в концент­рации кислорода (на два порядка).

Этим методом могут быть получены монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному, удельным электросопротивлением (до 10⁵ Ω*см). Скорость выращивания кристаллов таким методом вдвое больше, чем методом Чохральского, однако из-за технических трудностей диаметр кристаллов меньше, чем в методе Чохральского.

19. Применение поликристалличвского кремния. Основное преиму­щество использования поликремния в технологии ИС - возможность формирования второго и даже третьего слоев, в которых создаются ак­тивные и пассивные элементы, и их изоляция от монокристаллической подложки и друг от друга. Применение поликристаллического кремния в технологии изготовления ИС, таким образом, открывает путь к созданию многослойных (трехмерных структур).

Возможность получения поликристаллического кремния с раз­личным электросопротивлением, отличающимся на несколько порядков, а также простота технологии сделали его очень перспективным материа­лом для использования во многих интегральных схемах - с одной сторо­ны, в качестве высоомного материала затворов, нагрузочных резисторов, а с другой - в качестве низкоомного материала межсоединений.

Сопротивление резисторов может изменяться в очень широких пределах. При высоких напряжениях поликремниевые резисторы приобре­тают нелинейные характеристики. Для обеспечения хорошей линейности необходима мелкозернистая структура пленок.

На поликремниевых пленках изготавливают также и диоды Шоттки, характеристики которых близки к характеристикам диодов с р-n перехо­дом. Сформировать поликремниевые биполярные транзисторы пока не удалось, однако в биполярной технологии эмиттер может изготавливать­ ся из поликремния. Поликремниевым эмиттерам присущ высокий коэф­фициент инжекции. Поликремний используется и при создании туннель­ных эмиттеров для вертикальных биполярных транзисторов. Однако харктеристики активных приборов, изготовленных на поликремнии (диодов, тонкопленочных транзисторов), сопоставимы с характеристика­ми приборов, изготовленных на монокристаллическом материале, только в том случае, когда поликремний подвергают рекристаллизации. На фор­му ВАХ активных элементов существенно влияют состояния на межзеренной границе. Специфическое свойство высокоомного (>103 Ω*см) поликремния заключается в возможном необратимом понижении его удельного сопротивления на несколько порядков при пропускании импульса; тока высокой плотности (~10⁴ А/см²). Этот эффект можно использовать в схемах ППЗУ, Поликремний применяется В качестве диффузионных источников при создании мелких р-n переходов, для обеспечения невыпрямляющиж контактов к монокристаллическому кремнию.

В структурах КСДИ (кремний с диэлектрической изоляцией) по­ликристаллический кремний играет роль несущей подложки для монокри­сталлических карманов.

Иногда для изоляции элементов ИС используют V-обраэные канавки. Для получения более гладкой поверхности канавку после окисления заполняют поликремнием.

Замена монокристал­лического кремния на поликристаллический в качестве активного элемен­та в солнечных батареях позволяет существенно снизить их стоимость, при этом поликристаллический кремний обеспечивает высокий КПД (10-12%).

№20. Свойства поликристаллического кремния

Атомная структура полупроводниковых материалов, в частности кремния, может различаться очень сильно: от строго упорядоченного расположения атомов в монокристаллах до разупорядоченного аморфно­го состояния. Поликристаллический кремний в этом ряду занимает про­межуточное положение. Его химические и физические свойства в значительной степени зависят от структуры, типа и размера зерен, кото­рые в свою очередь сильно зависят от технологии получения материала. Высокая чувствительность свойств поликристаллического кремния к из­менению технологических параметров, с одной стороны, позволяет в ши­роких пределах варьировать свойства материала, а с другой - затрудняет получение материала с воспроизводимыми свойствами. Получение необ­ходимых и главное стабильно воспроизводимых свойств поликристал­лического кремния резко осложняется наличием межзеренных границ (МЗГ).

МЗГ представляет собой регулярное множество дислокаций и свя­зана с локальными искажениями решетки вблизи поверхности раздела внутри поликристалла. Такие локальные искажения приводят к образова­нию оборванных связей. Состояния на МЗГ могут действовать в качестве ловушечных центров, а также центров рекомбинации и рассеяния. Имен­но из-за сильной рекомбинации до настоящего времени не реализованы биполярные транзисторы на поликремнии. Повышенное рассеяние сни­жает подвижность носителей заряда, что ограничивает быстродействие тонкопленочных транзисторов.

Наличие потенциального барьера на МЗГ является причиной нели­нейности характеристик резисторов, изготавливаемых на основе по­ликристаллического кремния. Возникновение потенциального барьера связано с захватом подвижных носителей заряда на состояния МЗГ. При этом уменьшение концентрации носителей заряда в пограничном слое приводит к образованию области пространственного заряда нескомпен­сированных ионизированных доноров или акцепторов (в случае материа­ла п- или р-типа соответственно) и вследствие этого к искривлению зон. Вид зонной диаграммы для случая, когда граница раздела в поликремнии образована кристаллитами п-типа, показан на рис

Т ак как вклад в проводимость вносят только те электроны, которые в состоянии преодо­леть потенциальный барьер ∆Евс, то среднюю электропроводность о по­ликремния можно записать в виде

где σ_V - электропроводность основной массы зерна.

∆Еbf и ∆Евс - вы­соты потенциального барьера по отношению к уровню Ферми Е_F и дну зоны проводимости Еc соответственно; Еv - потолок валентной зоны; ∆Е_G ширина запрещенной зоны; <а> - размер зерна

№21. Получение тонких пленок поликристаллического кремния. Стандартным методом получения полукристаллических пленок кремния при изготовлении ИС является химическое газофазное осаждение при низком давлении. Обычно используются два вида процессов осаждения при пони­женном давлении: в одном используется 100%-ный силен при давлении в реакторе 25-130 Па, в другом - 20 - 30%-ная смесь силана с азотом при том же давлении. При повышении температуры осаждения более важную роль изминают играть химические процессы не на поверхности подложки, а в газовой фазе, что приводит к образованию рыхлого, беспорядочно осаж­дающегося слоя. Пленки поликристаллического кремния, осаждаемого этим спосо­бом, имеют характерную шероховатость поверхности, что создает про­блемы при проведении последующих технологических операций изготов­ления ИС. Шероховатость исходной поверхности кремниевых слоев мо­жет привести к понижению пробивных напряжений и повышению тун­нельных токов в граничащих с поликристаллическим кремнием диэлек­триках, В результате морфология и рельеф поверхности этих слоев ока­зывают существенное влияние на характеристики приборов, изготовлен­ных на основе тонкопленочных слоистых структур, а также с малыми раз­мерами элементов.

В этой связи практический интерес представляют пленки поликри­сталлического кремния, получаемые кристаллизацией аморфных слоев. Такие пленки являются структурно более совершенными, а их поверх­ность менее шероховатой.

Структура поликремниевых пленок сильно зависит от температуры осаждения и последующих термообработок пленок, а также от вида ле­гирующей примеси. Поликремний может быть легирован путем диффузии, ионной им­плантации или введения легирующих добавок в газовую смесь в ходе осаждения пленок. Все эти методы используются при формировании по­лупроводниковых приборов.

Легирование в процессе осаждения осуществляют за счет добавле­ния в реакционную смесь фосфина, арсина или диборана. При этом диборан вызывает сильное увеличение скорости осаждения, а добавление арсина или фосфина резко снижают ее. Кроме того, при введении леги­рующих добавок уменьшается равномерность толщины осаждаемых пле­нок по поверхности пластины.

Сильно легированный фосфором поликремний травится и окис­ляется быстрее, чем нелегированный. От структуры пленки поликремния

и уровня легирования зависят химические и физические свойства поли­кремния, в частности, оптические свойства, такие как коэффициенты пре­ломления и поглощения.

№22. Применение а-Si:Н. Эффективное легирование а-Si:Н открыло ин­тересные возможности для использования этого материала в различных устройствах. Особенно привлекает возможность создания дешевых фо­тоэлектрических устройств большой площади. Основными фо­точувствительными структурами на основе а-Si:Н являются: фоторе­зисторы; элементы с барьером Шоттки; элементы с МДП-структурой; р-i-п структуры; элементы на гетеропереходах; элементы на основе сверхре­шеток.

Солнечные элементы на основе а-Si:Н. Впервые солнечные элементы на основе а-Si:Н были созданы в 1975 г., после чего началось быстрое развитие этой области применения неупорядоченных полупроводников. Важнейшую роль в исполь­зовании а-Si:Н для создания солнечных элементов сыграл тот факт, что оптическое поглощение в а-Si:Н в 20 раз превышает оптическое поглоще­ние в кристаллическом кремнии. Поэтому для существенного поглощения видимого солнечного света достаточно получить пленки а-Si:Н толщиной 0.5 - 1,0 мкм. Кроме того, перспективным является и технологическая возможность получать слои аморфного кремния в виде тонких пленок большой площади. При данной технологии отсутствуют и технические по­тери, связанные с резкой, шлифовкой и полировкой, что имеет место в случае изготовления элементов солнечных батарей на основе монокри­сталлического кремния. Преимущества солнечных элементов на основе а-Si:Н перед аналогичными поликристаллическими кремниевыми эле­ментами связано с более низкими температурами их изготовления (300 °С), что позволяет использовать дешевые стеклянные подложки. К настоящему времени максимальный КПД (12 %) эксперименталь­ных элементов, приготовленных в лабораторных условиях, несколько ни­же КПД кристаллических кремниевых солнечных элементов (≈15 %).

Поглощение излучения в полупроводниках вызывает переход элек­тронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. при этом генериру­ются электронно-дырочные лары. Свободные носители заряда и обус­ловливают фототек в солнечных элементах.

Наибольшей эффективности солнечных элементов удалось до­стичь при использовании р-i-n структур.

№23. Модели структуры энергетических зон. Аморфная структура а-Si:Н налагает ряд ограничений на электронные свойства материала. Полупроводниковые свойства идеальных кристаллических тел хорошо описываются зонной теорией.

В неупорядоченных полупроводниках дальний порядок отсутствует, и потому основные положения зонной теории кристаллов в этом случае оказываются неприменимыми.

Еще в середине 50-гг А.Ф.Иоффе сформулировал эмпи­рическое правило, согласно которому за полупроводниковые свойства в материалах отвечает ближний порядок. В соответствии с этим правилом, если ближний порядок при переходе материала в неупорядоченное со­стояние не изменяется, то в нем сохраняются основные черты плотности состояний соответствующего кристаллического аналога.

Аморфные материалы также имеют нелокализованные состояния, посредством которых электроны и дырки могут свободно двигаться. Од­нако отсутствие дальнего порядка приводит к тому, что для них длина свободного пробега значительно ниже, чем в кристаллическом материа­ле. Длина свободного пробега электрона зависит от энергии. Когда длина свободного пробега становится сравнимой с межатомным расстоянием, носители заряда локализуются. Следовательно, для аморфных полупро­водников имеется некая граница между нелокализованными и локализо­ванными состояниями. В результате в аморфном кремнии существует так называемая щель по подвижности. В настоящее время можно выделить несколько моделей, позво­ляющих удовлетворительно объяснять электрофизические свойства не­упорядоченных материалов.

Наибольшее распространение получили представления, основан­ные на зонной модели распределения энергетических состояний с четко выраженным краем подвижности, разделяющим локализованные состоя­ния на хвостах зон от делокализованных. Эта модель была предложена Моттом.

На основе этих представлений Мотта было разработано несколько моде­лей структуры энергетических зон в неупорядоченных полупроводниках.

В модели Коэна-Фрицше-Овшинского (рис) принимается, что хвосты плотности состояний перекрывают всю запрещенную зону. Состояния в запре­щенной зоне локализованы, причем существуют критические энергии, от­деляющие эти состояния от распространенных состояний в зонах. Эти критические энергии называются порогами подвижности, а область энер­гии между ними - щелью по подвижности.

Согласно Мотгу и Дэвису (рис), хвосты локализованных состоя­ний довольно узкие и распространяются в запрещенную зону на несколь­ко десятых электронвольта. Уровень Ферми закрепляется в узкой зоне компенсированных уровней вблизи середины запрещенной зоны, обязан­ных своим происхождением дефектам случайной сетки атомов, т.е. обо­рванным связям, вакансиям и т.д. В этой модели концепция порогов по­движности сохраняется. Предлагались и другие аналогичные модели, в которых одна зона дефектных уровней заменялась двумя или нескольки­ми зонами, расположенными на приблизительно равных расстояниях по обе стороны от уровня Ферми.

М(Е)

Все перечисленные модели различным образом отражают струк­турные особенности неупорядоченных полупроводников, приводящие к появлению локализованных состояний в запрещенной зоне.

На это месте должен быть рисунок

№24. Влияние легирования на проводимость а-Si:Н

Наиболее существенным эффектом, связанным с легированием а-Si:Н, является изме­нение его проводимости на шесть - десять порядков при контролируемом ведении примесей бора или фосфора.

В настоящее время существует несколько вариантов интерпрета­ции механизма легирования. Наиболее распространенное объяснение заключается в том, что изменение электрических свойств вызывается в основном изменением степени заполнения состояний в щели подвиж­ности. При этом условии электрическая активность вводимых примесей и смещение уровня Ферми под действием добавок пропорциональны ве­личине N_D/g(Еf), где N_D - концентрация примеси; g(Еf) - плотность состоя­ний на уровне Ферми легируемого образца. Другими словами, механизм легирования связан с тем, что избыточные электроны и дырки примеси заполняют состояния в середине щели подвижности, действуя как компенсирующая примесь для глубоких уровней. После того, как все состоя­ния заполнены, дополнительное легирование приводит к сдвигу уровня Ферми в направлении к зонам. Очевидно, что при фиксированной ве­личине N_D величина ∆Ef тем меньше, чем выше исходная плотность со­стояний на уровне Ферми. В негидрогенезированном а-Si:Н g(Еf) достигает 10¹⁹ -10²⁰ см^-3 и в этой связи этот материал не легируется традиционны­ми примесями.

№25. Метастабильностъ и релаксационные процессы в a-Si:Н. Многие физические свойства неупорядоченных полупроводников определяются термодинамической особенностью этого класса материалов, а именно, их удаленностью от состояния равновесия, характерного для кристаллов.

В 1977 г. Стэблер и Вронски обнаружили, что после длительного освещения пленок a-Si:Н белым светом величина проводимости умень­шается почти на четыре порядка. Все эти изменения являются, однако, обратимыми и после отжига при Т = 150 °С в течение одного часа свойства образца могут быть полностью восстановлены.

Совокупность проведенных на материале исследований свидетель­ствует о возникновении под действием освещения нового метастабильного состояния, обусловленного дефектами.

При изучении транзисторных структур, изготовленных на основе a-Si:Н было обнаружена влияние электрических полей, приложенных в прямом и обратном направлении, на свойства материала. В частности, смещение порогового напряжения U_пор, тонкопленочных полевых транзи­сторов, изготовленных на основе a-Si:Н под действием поля связывается с образованием дополнительного числа дефектов, метастабильных по своей природе.

Стимулирование работ в этой области непосредственно связано с проблемами практического характера, а именно, с временной и темпера* турной деградациями характеристик приборных структур, изготовленных на основе a-Si:Н.

№26. Методы формирования пленок неупорядоченных полупровод­ников.

В отличие от монокристаллических полупроводников, у которых различные технологии их синтеза обеспечивают получение сопоставимых свойств, у аморфных полупроводников, в частности у а-Si:Н, наблюдается прямая зависимость между структурными, электрофизическими и термо­динамическими свойствами и способом получения. В этой связи для раз­личных практических приложений материала находят распространение различные технологии синтеза а-Si:Н. В настоящее время основными ме­тодами получения пленок являются: метод тлеющего разряда силаносодержащих смесей; химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ); рас­пыление; методы, реализующие селективное воздействие на плазму; комбинированные методы.

Метод тлеющего разряда используется в большинстве промышлен­ных установок. Сущность метода состоит в разложении силаносодержащих смесей в плазме тлеющего разряда до образования активных компо­нентов с последующим их осаждением на поверхности роста.

Установки, реализующие метод тлеющего разряда, разделяются на две группы в зависимости от способа подачи высокочастотной мощности в плазму: с индуктивной связью и емкостной связью. В подавляющем большинстве случаев используются установки с емкостной связью. Они имеют очевидное преимущество перед индуктивной системой, которое заключается в возможности увеличения размеров электродов И по­лучения образцов большой площади.

Рабочие газы представляют собой смеси силана SiН4 с различными разбавителями: Н2, Аr, Nе, Кr, Хе. Однако наиболее часто используются смеси силана с молекулярным водородом. Это связано с тем, что в дан­ном случае получают материал с лучшими электрофизическими характе­ристиками. Для легирования бором и фосфором используют диборан В₂Н₆ и фосфин РН₃ соответственно.

Оптимальные условия роста являются индивидуальными и харак­терными только для конкретной установки.

Основной особенностью промышленных и полупромышленных установок по производству пленок а-Si:Н является наличие последова­тельно соединенных камер, в каждой из которых получается определен­ный тип материала.

Метод ХОГФ аналогичен методу получения поликристаллического кремния за тем исключением, что температура подложки не превышает 600 °С. Считается, что основным компонентом, формирующим слой а-Si:Н, является группа SiН2

Наиболее важными технологическими параметрами процесса ХОГФ являются температура газа и подложки, парциальное давление газа. Пленки а-Si:Н полученные этим методом, термически стабильны, однако, как правило, содержат низкую концентрацию водорода, недоста­точную для пассивации высокой концентрации оборванных связей. По­этому метод ХОГФ часто комбинируют с последующей постгидрогениза­цией в водородной плазме для уменьшения плотности дефектов в мате­риале.