Кремниевые пластины служат основой для подавляющего большинства современных электронных устройств, включая микропроцессоры, чипы памяти, датчики и фотоэлектрические элементы. Электрические свойства этих пластин - такие как сопротивление, подвижность несущих и срок службы миноритарных носителей - непосредственно определяют производительность, скорость и эффективность конечных устройств. В то время как высокочистый, электронный кремний (EGS) является отправной точкой, отслеживание примесей в концентрациях, столь низких, как части на триллион (ppt) может глубоко изменить эти свойства. Понимание конкретных эффектов различных примесей, поэтому имеет решающее значение для инженеров-технологов, дизайнеров устройств и групп обеспечения качества. Эта статья обеспечивает всестороннее изучение того, как примеси влияют на электрическое поведение кремниевых пластин, механизмы, лежащие в основе этих эффектов, и стратегии, используемые для управления ими в производстве.

Понимание кремниевых пластин: структура и чистота

Кремниевые пластины тонкие, круглые ломтики, вырезанные из одного кристаллического кремниевого слитка. Кристаллическая структура алмазная кубическая, каждый атом кремния ковалентно связан с четырьмя соседями. В идеальном чистом кристалле при 0 К все электроны связаны ковалентными связями, что делает кремний изолятором. Однако при комнатной температуре тепловая энергия способствует появлению небольшого количества электронов в полосе проводимости, создавая внутренние носители. Эта внутренняя концентрация носитель (n ]i 10 см −3 при 300 К, придавая внутреннему кремнию удельное сопротивление порядка 2,3 × 10 5 Ω·cm — слишком высокая для большинства практических устройств. Для достижения полезной проводимости кремний должен быть намеренно легирован специфическими примесями, но непреднамеренные загрязнители должны быть сведены к минимум

Кристаллический рост и допинг

Подавляющее большинство коммерческих кремниевых пластин выращивают с использованием метода Чохральского (CZ), где поликристаллический кремний высокой чистоты плавится в кварцевом тиске, а семенной кристалл медленно тянет, чтобы сформировать однокристаллический слиток. В ходе этого процесса кислород растворяется из тигля в расплав, что приводит к концентрациям кислорода 10 17-10183 в CZ-фаворах. кремний в плавучей зоне (FZ), производимый без тигля с использованием радиочастотной зоны нагрева, может достигать гораздо более низких уровней кислорода и углерода, хотя и при более высокой стоимости. Намеренное допингирование достигается путем добавления небольших количеств фосфора (n-тип) или бора (p-тип) к расплаву, производя пластины с резистивностью, адаптированной к конкретным приложениям — обычно 1–100 Ω·cm для логики CMOS, 0,001–0,

Роль примесей в кремнии

Примеси в кремнии делятся на две широкие категории: преднамеренные допанты, которые добавляются для контроля типа и концентрации носителей заряда, и непреднамеренные загрязнители, которые вводятся из исходных материалов, технологического оборудования или окружающей среды.Обе категории изменяют электрические свойства, но различие заключается в контроле: допанты точно управляются, при этом загрязняющие вещества должны быть предотвращены или удалены.

Намеренные допанты: доноры и акцепторы

Атомы допанта заменяют кремний в кристаллической решетке и либо жертвуют дополнительный электрон (доноры), либо создают дефицит электронов или дырку (акцепторы).Обычные доноры включают фосфор (P) и мышьяк (As), оба из группы V периодической таблицы. Они имеют пять валентных электронов; четыре образуют ковалентные связи с соседними атомами кремния, а пятый слабо связан и легко ионизируется при комнатной температуре. Энергия ионизации для фосфора составляет примерно 45 МэВ, помещая уровень донора чуть ниже полосы проводимости. Бор (B), элемент группы III, имеет три валентных электрона, создавая дырку, которая ведет себя как положительный носитель заряда с уровнем акцептора около 45 МэВ выше валентной полосы.

Концентрация носителя в легированном кремнии почти равна концентрации легированного кремния при комнатной температуре, потому что почти все допанты ионизированы. Это соотношение позволяет точно контролировать сопротивление на многие порядки величины. Сильно легированные области (n ] + или p + ) достигают резистивности ниже 0,001 Ω·см и используются для омических контактов и областей излучателя. Легко легированные области (n - или p - ) имеют резистивности выше 10 Ω·см и служат высоковольтными дрейфовыми областями или материалом подложки для устройств с низкой емкостью.

Непреднамеренные загрязнители: металлы, кислород, углерод

Непреднамеренные примеси, как правило, вредны. Металлические загрязнители [[Fe:1]], такие как железо (Fe), медь (Cu), никель (Ni), хром (Cr) и молибден (Mo) могут быть введены из инструментов из нержавеющей стали, обработки пластин или загрязненных химических веществ. Эти металлы образуют глубокоуровневые состояния ловушки в пределах полосы пропускания — уровни энергии, далекие от обоих краев полосы — которые действуют как эффективные центры рекомбинации.113, могут уменьшить срок службы миноритарных носителей на порядки величины, сильно ухудшая эффективность солнечных элементов и производительность биполярного устройства. Железо, например, образует интерстициальный донор (Fei с уровнем на Ec — 0,39 эВ, и его коэффициент рек

Кислород является наиболее распространенным непреднамеренным примеси в кремнии CZ, как правило, при 10-30 ppma (части на миллион атомов). В то время как интерстициальный кислород (O]i ) сам по себе является электрически неактивным, термическая обработка может привести к осаждению кислорода в частицы SiOx — небольшие доноры, которые появляются после отжига в диапазоне 350-500 °C. Эти термальные доноры увеличивают проводимость n-типа непредсказуемо. При более высоких температурах (650-900 °C) осаждения кислорода могут генерировать дислокации и сбои штабелирования, действуя как места получения металлических примесей, но также и как центры рекомбинации, если они неконтролируемы.

Углерод происходит от графитовых частей, используемых в CZ-тягачах и от CO в окружающей среде.Углерод занимает замещающий участок и, как правило, изоэлектронный, имеющий небольшую прямую электрическую активность.Однако углерод усиливает осадки кислорода и может действовать как место зарождения дефектов.При высоких концентрациях (>1017−3 углерод может образовывать осадки карбида кремния, которые создают пути утечки.

Влияние на ключевые электрические параметры

Примеси влияют на четыре основных электрических параметра кремниевых пластин: сопротивление (или проводимость), подвижность несущей, время жизни несущей миноритарной (или длина диффузии) и шум рекомбинации генерации. Каждый из этих параметров влияет на производительность устройства различными способами.

Устойчивость и концентрация перевозчика

Устойчивость (ρ) обратно пропорциональна продукту концентрации носителя (n или p) и подвижности (μ). Умышленные допанты устанавливают концентрацию нетто-носителя, в то время как непреднамеренные примеси могут изменять ее посредством компенсации. Например, если пластина p-типа (борон-допинг) загрязнена донорской примесью, такой как фосфор, концентрация нетто-дырки уменьшается, а резистентность увеличивается. В крайних случаях, пластина может стать n-типом. Этот эффект компенсации особенно проблематичен в субстратах с высокой резистентностью, где даже низкие уровни загрязнения могут вызвать большие колебания удельного сопротивления. Кислородные термические доноры дополнительно усложняют это, вводя дополнительных доноров во время обработки, требуя этапов термической стабилизации (например, отжига 650 °C) для их деактивации.

Перевозчик мобильности и рассеяния

Мобильность носителей ограничена механизмами рассеяния: решетчатое рассеяние (фононы) при высокой температуре и рассеяние примесей при низкой температуре или высоком допинге. Ионизированное рассеяние примесей доминирует при концентрациях допинга выше примерно 1017−3. Непреднамеренные металлические примеси также способствуют рассеянию, особенно если они образуют осадки или комплексы. Например, пары железобетона (Fe-B) в кремнии р-типа уменьшают подвижность дырок, действуя как ионизированные центры рассеяния. Эффект наиболее выражен в слабо легированных областях, где фоновое рассеяние низкое. Снижение подвижности непосредственно снижает частоту среза транзисторов и коэффициент заполнения солнечных элементов.

Рекомбинация времени жизни и производительности устройства

Срок службы несущей меньшинства (τ) - это среднее время существования несущей меньшинства до рекомбинации. Это критический параметр для биполярных устройств (диодов, биполярных транзисторов), солнечных элементов и CCD-изображений. В высококачественном кремнии срок службы может превышать 1 мс. Примеси металлов, особенно переходные металлы, вводят глубокие уровни, которые облегчают рекомбинацию Шокли-Рид-Холла (SRH), резко сокращая срок службы. Железо при концентрации 10 ]12 см -3 , может снизить срок службы ниже 10 мкс. Связь между концентрацией примесей и сроком службы дается формулой SRH:

τ = 1/[σ vth Nt]

где σ — поперечное сечение захвата, vth — тепловая скорость, а Nt — концентрация ловушки. Поскольку σ для металлических примесей велик, даже следовые количества разрушительны. Для солнечных элементов сокращение срока службы означает меньшую длину диффузии и меньшую эффективность сбора несущей, непосредственно снижая эффективность преобразования. Для устройств памяти повышенная рекомбинация приводит к более высоким частотам обновления и более мягким ошибкам.

Характеристика примесей

Для контроля и исследования процессов необходимо точное обнаружение и количественное определение примесей. Для измерения как химического состава, так и электрического воздействия используется набор аналитических методов.

Методы химического анализа

Вторая ионная масс-спектрометрия (SIMS) обеспечивает глубинные профили концентраций элементов до 10153 для большинства элементов.Индуктивно связанная плазменная масс-спектрометрия (ICP-MS) используется для объемного анализа металлических загрязнителей после переваривания кремния в гидрофторовой кислоте.]паровой фазовой декомпозиции (VPD) в сочетании с ICP-MS8—102.]Для кислорода и углерода Fourier трансформирует инфракрасную спектроскопию (FT

Методы электроизмерения

Транзиторная спектроскопия глубинного уровня (DLTS) идентифицирует уровень энергии и концентрацию глубоких ловушек, вводимых металлическими примесями.] Работает заполнением ловушек импульсом напряжения, затем мониторинг переходных емкостей в качестве носителей испускается.]11 см−3Распад фотопроводимости (FLT:7]] и Квазиустойчивое состояние фотопроводимости (QSSPC)Методы фотопроводимости в малых несущих элементах используются для скрининга пластин для жизнеуничтожающих загрязнителей.Картирование устойчивости (например, четырехточечный зонд, вихревой ток) выявляет пространстве

Контроль примесей в кремниевых пластинах

Предотвращение вредного воздействия примесей включает в себя как предотвращение, так и восстановление. Профилактика начинается с сырья и распространяется на все этапы обработки, в то время как восстановление часто включает в себя методы получения, которые улавливают загрязняющие вещества вдали от активных областей устройства.

Очищение и получение

Очистка зоны является основным методом получения кремниевого стержня сверхвысокой чистоты. Расплавленная зона проходит вдоль кремниевого стержня; примеси разделяются в жидкость, потому что их растворимость в твердом кремнии ниже.123. Для вафель внутреннего получения используют осадки кислорода, образующиеся в результате теплового цикла, чтобы улавливать металлические примеси внутри вафельной массы, вдали от поверхностного слоя устройства.Внешнее получение вносит повреждение или высокодопантный диффузионный слой на задней стороне пластины для привлечения металлов.Общие методы включают в себя диффузию фосфора с задней стороны (POCl3] и повреждение задней стороны (

Передовые производственные контроль

Фабы вафера поддерживают чистые помещения класса 1-10 для минимизации загрязнения частиц и металлов в воздухе. Химические растворы для очистки (RCA SC-1 и SC-2, разведенные HF) формулируются для удаления органических остатков, частиц и металлических пленок. Промывание сопла и мегазвуковое возбуждение повышают эффективность очистки. Для сверхчувствительных слоев (например, оксидов затвора в продвинутых узлах) эпитаксиальные кремниевые слои выращиваются на сильно легированных подложках; эпитаксиальный слой наследует высокую чистоту газовых предшественников и может достигать концентраций металлов ниже 10 10 3 3 . Кроме того, встроенный мониторинг с использованием поверхностного фотонапряжения (SPV) или μ-PCD обеспечивает обратную связь в реальном времени об уровнях загрязнения во время обработки.

Выводы и будущие направления

Примеси являются обоюдоострым мечом в технологии кремниевых устройств. Намеренное допинг незаменим для создания проводников, изоляторов и активных областей устройства, но непреднамеренные загрязнители - будь то кислород из тигля, металлы из обработки или углерод из окружающей среды - ухудшают электрические свойства через механизмы, начиная от сопротивления сдвигу и катастрофического сокращения срока службы. Полупроводниковая промышленность разработала обширный арсенал инструментов характеристики и протоколов контроля загрязнения для управления этими эффектами. По мере того, как устройства масштабируются до более мелких узлов и появляются новые приложения (кремниевая фотоника, квантовые вычисления, высоковольтная интеграция GaN на кремнии), требования к чистоте пластин будут усиливаться. Расширенные схемы получения, ультрачистые исходные материалы и встроенный мониторинг загрязнения будут оставаться критическими. Внешне, такие ресурсы, как стандарты FLT: 1 ) обеспечивают руководящие принципы для спецификаций пластин, в то время как подробные обзоры на свойства примесей можно найти в литературе, например, на [FLT: 3] и [FLT: 4] уточнение зоны [FLT: