- •5. Проводящие материалы
- •7.Проводящая разводка ис на основе меди.
- •16.Формирование примеси в монокристаллическом кремнии.
- •17.Микродефекты монокристаллического кремния.
- •27. Применение мкр Si
- •28. Получение мкр Si
- •29. Свойства мкр Si
- •30.Применение гетероструктур на основе эпитаксиальных слоев Si-Ge.
- •31.Формирование эритксиальных слоев SiGe.
- •32.Проблемы кремниевой оптоэлектроники.
- •33.Светоизлучающие структуры на основе Si легированного эрбием.
- •34.Методы получения кремния легированного эрбием.
- •35. Люминисценция в системе Si-эрбий
- •41. Свойства SiC
- •42. Получение SiC
- •43. Применение Проводников a3b5.
- •44. Свойства п/п типа a3b5.
- •45. Свойства и получение монокристаллов GaAs.
- •46. Свойства GaN
- •47. Получение GaN
- •48. Применение полупроводников типа a2b6
- •50. Применение термоэлектрических Материалов
- •51 Термоэлектрические материалы
- •52. Cовременные Тенденции в области термоэлектричества.
- •53 Классификация диэлектрических материалов
- •54 Стекла.
- •55. Строение стекол.
- •57 Функции пассивных диэлектриков в микроэлектронике.
- •59. Свойства Керамических материалов.
- •60.Технология керамических материалов.
- •63. Ксерогель и аэроргель
- •69.Применение проводящих полимерных пленок в микроэлектронике.
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
Так 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 σV - электропроводность основной массы зерна.
∆Еbf и ∆Евс - высоты потенциального барьера по отношению к уровню Ферми ЕF и дну зоны проводимости Еc соответственно; Еv - потолок валентной зоны; ∆ЕG 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 ND/g(Еf), где ND - 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 ND 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 Uпор, 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.