As bolachas de silício servem como substrato fundamental para a grande maioria dos dispositivos eletrônicos modernos, incluindo microprocessadores, chips de memória, sensores e células fotovoltaicas. As propriedades elétricas dessas bolachas – tais como resistividade, mobilidade do transportador e vida útil do transportador minoritário – determinam diretamente o desempenho, a velocidade e a eficiência dos dispositivos finais. Embora a alta pureza, o silício de grau eletrônico (EGS) seja o ponto de partida, traços de impurezas em concentrações tão baixas quanto partes por trilhão (ppt) podem alterar profundamente essas propriedades. Entender os efeitos específicos de várias impurezas é, portanto, fundamental para engenheiros de processos, designers de dispositivos e equipes de garantia de qualidade. Este artigo fornece um exame abrangente de como as impurezas influenciam o comportamento elétrico das bolachas de silício, os mecanismos por trás desses efeitos e as estratégias empregadas para controlá-las na produção.

Compreendendo os wafers de silicone: Estrutura e pureza

As bolachas de silício são finas, cortadas em fatias circulares de um único lingote de silício cristal. A estrutura cristalina é cúbica de diamantes, com cada átomo de silício covalentemente ligado a quatro vizinhos. Num cristal puro ideal a 0 K, todos os elétrons estão ligados em ligações covalentes, tornando o silício um isolador. Contudo, à temperatura ambiente, a energia térmica promove um pequeno número de electrões na banda de condução, criando transportadores intrínsecos. Esta concentração intrínseca (ni) é de cerca de 1,0 × 1010 cm[[−3[[] a 300 K, dando uma resistência intrínseca ao silício na ordem de 2,3 × 105[

Crescimento de Cristal e Dopagem

A grande maioria das bolachas de silício comercial são cultivadas utilizando o método Czochralski (CZ). Durante este processo, o oxigénio dissolve-se do cadinho para o derretimento, resultando em concentrações de oxigénio de 10[17–1018[] átomos/cm[3]]][[Flot-zone (FZ)]–10[3[]]][Float-zone (FZ)]silício, produzido sem um crucibo utilizando uma zona aquecida por radiofrequência, pode atingir níveis muito mais baixos de oxigénio e carbono, embora a um custo mais elevado. Doping intencional é realizado adicionando pequenas quantidades de fósforo (n-tipo) ou boro (tipo p) para os dispositivos de fusão, produzindo wafers com resistências adaptadas a aplicações específicas a células de 1cm-0,1 para a diferentes.

O papel das impurezas no silicone

As impurezas no silício caem em duas categorias amplas: ]dopapel intencional, que são adicionadas para controlar o tipo e a concentração dos transportadores de carga, e dopainers não intencionais, que são introduzidos a partir de materiais de partida, equipamentos de processamento ou ambiente. Ambas as categorias alteram propriedades elétricas, mas a distinção está no controle: dopants são geridos com precisão, enquanto contaminantes devem ser evitados ou removidos.

Dopantes Intencionais: Doadores e Aceptores

Os átomos de dopante substituem o silício na rede de cristais e doam um elétron extra (doadores) ou criam uma deficiência de electrões ou um buraco (acetores). Os doadores comuns incluem fósforo (P) e arsénico (As), ambos do Grupo V da tabela periódica. Têm cinco electrões de valência; quatro ligações covalentes de forma com átomos de silício vizinhos, e o quinto está ligado de forma fraca e facilmente ionizado à temperatura ambiente. A energia de ionização para o fósforo é de aproximadamente 45 meV, colocando o nível do dador logo abaixo da banda de condução. Boron (B), um elemento do Grupo III, tem três electrões de valência, criando um orifício que se comporta como um portador de carga positivo com um nível de aceitação de 45 meV acima da banda de valência.

A concentração do suporte em silício dopado é quase igual à concentração dopante à temperatura ambiente, porque quase todos os dopantes são ionizados. Esta relação permite o controlo preciso da resistividade sobre muitas ordens de magnitude. As regiões dopadas pesadamente (n+ ou p[+[) atingem resistências abaixo de 0,001 ?cm e são usadas para contatos ohmic e regiões emissoras. As regiões dopadas levemente (n]−] ou p−) têm resistividades acima de 10 ?cm e servem como regiões de deriva de alta tensão ou material de substrato para dispositivos de baixa capacidade.

Contaminantes Involuntários: Metais, Oxigênio, Carbono

As impurezas não intencionais são geralmente prejudiciais. Os contaminantes metálicos como o ferro (Fe), o cobre (Cu), o níquel (Ni), o cromo (Cr) e o molibdénio (Mo) podem ser introduzidos a partir de ferramentas de aço inoxidável, o manuseamento de bolachas ou produtos químicos contaminados. Estes metais formam estados de armadilha de nível profundo dentro da banda (FLT:4]3] podem reduzir a vida útil do transportador minoritário em ambos os extremos de banda, que actuam como centros de recombinação eficientes. Mesmo concentrações inferiores a 1011[[3[[c[FT:9] − 0,39 eV, por exemplo, forma um dador intersticial (Fe]]i[[]]]]](FLT:]c− 0,39

Oxigénio é a impureza não intencional mais abundante no silício CZ, tipicamente a 10-30 ppma (partes por milhão de atômicos). Embora o oxigénio intersticial (Oi] é eletricamente inactivo, o processamento térmico pode precipitar o oxigénio em SiO[x[[] partículas ou formar dadores térmicos – dadores de forma que aparecem após recozimento na gama 350-500 °C. Estes dadores térmicos aumentam a condutividade do tipo n de forma não predizível. A temperaturas mais elevadas (650-900 °C), precipitados de oxigénio podem gerar deslocalizações e falhas de empilhamento, agindo como locais de recombinação de impurezas metálicas, mas também como centros de recombinação, se não forem descontrolados.

O carbono provém das partes de grafite utilizadas em pullers CZ e de CO no ambiente.O carbono ocupa um local de substituição e é geralmente isoeletrônico, tendo pouca atividade elétrica direta.No entanto, o carbono aumenta a precipitação de oxigênio e pode atuar como um local de nucleação para defeitos.Em altas concentrações (>1017[] cm[[−3], o carbono pode formar precipitações de carboneto de silício que criam caminhos de fuga.

Impacto nos parâmetros elétricos chave

As impurezas afetam quatro parâmetros elétricos fundamentais das bolachas de silício: resistividade (ou condutividade), mobilidade do portador, duração de vida do portador minoritário (ou comprimento de difusão) e ruído de recombinação de geração. Cada um desses parâmetros influencia o desempenho do dispositivo de maneiras distintas.

Resistência e concentração do portador

A resistência (ρ) é inversamente proporcional ao produto da concentração do transportador (n ou p) e à mobilidade (μ). Os dopantes intencionais definem a concentração do transportador líquido, enquanto as impurezas não intencionais podem alterá- la através da compensação. Por exemplo, se uma hóstia do tipo p (dopado de boro) estiver contaminada com uma impureza do doador, como o fósforo, a concentração do orifício líquido diminui e a resistividade aumenta. Em casos extremos, a hóstia pode tornar- se n- tipo. Este efeito de compensação é especialmente problemático em substratos de alta resistência, onde mesmo níveis baixos de contaminação podem causar grandes oscilações na resistividade. Os dadores térmicos de oxigénio complicam ainda mais isto introduzindo dadores adicionais durante o processamento, exigindo etapas de estabilização térmica (por exemplo, uma anneal de 650 °C) para desactivar.

Mobilidade e Dispersão do Portador

A mobilidade do portador é limitada por mecanismos de dispersão: espalhamento de rede (fonões) em altas temperaturas e dispersão de impurezas em baixas temperaturas ou altas dopagens. A dispersão de impurezas iônicas domina em concentrações de dopagem acima de 10[17 cm[−3. As impurezas metálicas não intencionais também contribuem para o espalhamento, particularmente se formar precipitados ou complexos. Por exemplo, os pares ferro-boro (Fe-B) em silício tipo p reduzem a mobilidade de orifícios agindo como centros de espalhamento ionizados. O efeito é mais pronunciado em regiões com o espalhamento de fundo levemente dopado. Uma redução na mobilidade reduz diretamente a frequência de corte de transistores e o fator de enchimento de células solares.

Recombinação de Desempenho de Vida e Dispositivo

A duração média de vida do portador de minoria (τ) é o tempo médio de existência de um portador minoritário antes da recombinação. É um parâmetro crítico para dispositivos bipolares (díodos, transistores bipolares), células solares e imageadores CCD. Em silício de alta qualidade, a vida útil pode exceder 1 ms. As impurezas metálicas, especialmente os metais de transição, introduzem níveis profundos que facilitam a recombinação de Shockley-Read-Hall (SRH), reduzindo drasticamente a vida útil. O ferro, numa concentração de 10[12] cm[−3], pode reduzir a vida útil abaixo de 10 μs. A relação entre a concentração de impureza e a vida útil é dada pela fórmula SRH:

τ = 1 / (σ vth[ Nt)

onde σ é a seção transversal de captura, vth[] é a velocidade térmica, e Nt[t[] é a concentração da armadilha. Porque σ para impurezas metálicas é grande, mesmo as quantidades de traços são devastadoras. Para células solares, a redução da vida útil significa menor comprimento de difusão e menor eficiência de coleta do transportador, diminuindo diretamente a eficiência de conversão. Para dispositivos de memória, o aumento da recombinação leva a maiores taxas de atualização e erros mais suaves.

Caracterização das impurezas

A detecção e quantificação precisas de impurezas são essenciais para o controle e a pesquisa de processos. Um conjunto de técnicas analíticas é usado para medir a composição química e o impacto elétrico.

Métodos de análise química

Espectrometria de massa de íons secundários (SIMS) fornece perfis de profundidade das concentrações de elementos até 1015 átomos/cm3] para a maioria dos elementos. É o padrão para medir o oxigênio, carbono e dopantes em wafers. ][FLT: limites de massa de plasma indutivamente acoplado (IFP-MS)]] é usado para a análise em massa de contaminantes metálicos após a digestão do silício em ácido fluorídrico. A contaminação de superfície é monitorada por -vapor decomposição de fase (VPD] ) (FLT] cm(F) (FLT:1) [FT]] [FT]] [F] 19] – 10 [FLT(FT:1) ) [F] 10] 6] [F] [

Técnicas de Medição Elétrica

A espectroscopia transitória de nível profundo (DLTS) identifica o nível de energia e a concentração de armadilhas profundas introduzidas por impurezas metálicas. Funciona preenchendo armadilhas com um pulso de tensão, monitorando os transientes de capacitância como portadores são emitidos. O DLTS pode detectar densidades de armadilhas tão baixas quanto 10[11[ cm[−3. Decaimento da fotocondutância (PCD)[]] e quasi-stady-stady-state fotocondutância (QSSPC)[ medem diretamente a vida do transportador minoritário. Estes métodos são amplamente utilizados na fabricação de células solares para a produção de bolachas de tela para os contaminantes que matam a vida. ]]]Mapeamento da resistência[ (e.g., 4-point))) eddy-prove

Controlando impurezas em wafers de silicone

A atenuação dos efeitos nocivos das impurezas envolve tanto a prevenção como a remediação. A prevenção começa com matérias-primas e se estende por todas as etapas de processamento, enquanto a remediação muitas vezes envolve técnicas de gettering que sequestram contaminantes longe de regiões de dispositivos ativos.

Purificação e Gestos

Refinação de zone é o método primário para produzir silício de alta pureza. Uma zona derretida é passada ao longo de uma haste de silício; impurezas segregam-se no líquido porque a sua solubilidade em silício sólido é menor. Após várias passagens, as impurezas são varridas até o fim, o que é descartado. Isto pode atingir níveis de impureza total abaixo de 10[12[ átomos/cm3. Para as bolachas, ] gettering intrínico usa precipitados de oxigênio formados por um ciclo térmico para prender impurezas metálicas dentro da massa de wafera, longe da camada do dispositivo de superfície. ][Frinsic gettering stering stif]] introduz danos ou uma camada de alta difusão no lado do laser para atrair metais.

Controles de fabricação avançados

As fabs Wafer mantêm câmaras limpas de classe 1 a 10 para minimizar a contaminação por partículas e metais no ar. As soluções químicas para limpeza (RCA SC-1 e SC-2, HF diluído) são formuladas para remover resíduos orgânicos, partículas e filmes metálicos. A lavagem de bicos e a agitação megassónica melhoram a eficiência de limpeza. Para camadas ultrasensíveis (por exemplo, óxidos de porta em nós avançados), as camadas de silício epitaxial são cultivadas em substratos fortemente dopados; a camada epi herda a elevada pureza dos precursores em fase gasosa e pode atingir concentrações de metal abaixo de 10[10[ átomos/cm[[3[]. Além disso, a monitorização em linha utilizando fotovoltagem de superfície (SPV) ou μ-PCD proporciona feedback em tempo real sobre os níveis de contaminação durante o processamento.

Conclusões e orientações futuras

As impurezas são uma espada de dois gumes na tecnologia de dispositivos de silício. Dopagem intencional é indispensável para criar condutores, isolantes e regiões de dispositivos ativos, mas contaminantes não intencionais – seja oxigênio do cadinho, metais do manuseio ou carbono do ambiente – degradam propriedades elétricas através de mecanismos que vão da resistividade para a redução catastrófica da vida útil. A indústria de semicondutores desenvolveu um extenso arsenal de ferramentas de caracterização e protocolos de controle de contaminação para gerenciar esses efeitos. Como os dispositivos escalam para nós menores e novas aplicações emergem (fótons silicos, computação quântica, padrões de alta tensão GaN sobre silício), as demandas sobre pureza de wafers se intensificarão. Sistemas avançados de gettering, materiais iniciais ultrapuros e monitoramento de contaminação in-lines continuarão críticos. Externamente, recursos como os padrões SEMI[FT:1] fornecem diretrizes para as especificações de wafer, enquanto revisões detalhadas sobre efeitos de impurezas podem ser encontradas na literatura, por exemplo, em os padrões SEMI [FT:1] fornecem uma solução de correção [F] e a tecnologia de controle de fit4.