Выращивание кристаллов из расплава. Конвекция и неоднородности
Мюллер Г
Мир, 1991 г.
Благодаря непрерывному расширению области применения полупроводниковой электроники постоянно существует чрезвычайно высокая потребность в полупроводниковых монокристаллах высокого качества. Объем производства наиболее широко используемого материала-кремния составляет около 3000 г в год. Его рыночная стоимость превышает 1 млрд. западногерманских марок. Эти кристаллы выращивают из расплава специальными методами при температурах немного выше 1420°С, управляя фазовым переходом из жидкого состояния в твердое. Наиболее важными являются методы вытягивания кристалла из тигля (метод Чохральского [2, 3]) и бестигельной зонной плавки (метод плавающей зоны [4-6]).
Более чем метровая длина подобного кристалла (рис. 1) наглядно показывает, что в методе Чохральского приходится манипулировать и управлять расплавленной массой более 50 кг. Потребность в кристаллах еще больших размеров связана со стремлением повысить рентабельность производства кристаллов и твердотельных электронных приборов.
Одной из главных причин этой тенденции является применение кристаллов кремния в производстве интегральных схем (HQ. Интегральная схема состоит из огромного числа элементов как для логических операций, так и для хранения информации, размещаемых на одной пластинке, или «чипе», кремния. Это может быть микропроцессор или память компьютера.
Связанные с таким применением требования к кристаллам кремния иллюстрируют научные и технологические проблемы выращивания кристаллов. Необходимо сокращение числа дефектов и повышение однородности кристаллов при одновременном увеличении их размеров. Эти требования вытекают из тенденции к увеличению числа элементов, размещаемых на одном чипе, что побуждает уменьшать характерные размеры электронного прибора до субмикронных величин и увеличивать размеры чипа до сантиметров. Успех этих попыток (например, создание памяти в 1 Мбит на одном чипе) зависит от выхода годных приборов на одну подложку и на всю партию (около 100 подложек). Расчеты показывают, что при существующем качестве кристаллов (т. е. плотности дефектов [8]) увеличение степени интеграции в конечном счете приведет к экономически невыгодному выходу годных приборов. Так что требования к сырью и технологическому процессу должны быть ужесточены. Для исходного сырья, т.е. полупроводникового кристалла, это означает уменьшение допустимых отклонений электронных свойств, например, электрического сопротивления в микро(микроны) и макро(дециметры) масштабах как в поперечном сечении отдельной подложки, так и в продольном направлении кристалла от подложки к подложке.
Та же задача улучшения микроскопической и макроскопической однородностей стоит перед наукой и технологией выращивания кристаллов практически для всех приложений полупроводниковых кристаллов. Это относится не только к кремнию, но и к другим полупроводникам, таким, как арсенид галлия GaAsи фосфид индия InP, которые все шире применяются в технике. Предполагается, что в будущем GaAsбудет играть важную роль в средствах связи и компьютерной технике благодаря более высокой подвижности электронов и меньшему потреблению энергии по сравнению с кремнием (например, в сверхбыстродействующих интегральных схемах (СБИС) [9]). Реализация этой концепции зависит от прогресса в выращивании однородных кристаллов GaAsс низкой плотностью дефектов [9].
В прошлом не привлекавший большого внимания фосфид индия InPнедавно стал весьма важным материалом, так как это единственный существующий объемный полупроводниковый кристалл, который можно использовать в качестве подложки в эпитаксиальной технологии производства электрооптических приборов (лазеры, фотодиоды) для волоконно-оптических систем связи в диапазоне длин волн 1,3-1,55 мк [10].
Технология выращивания кристаллов арсенида галлия и фосфида индия менее разработана по сравнению с технологией выращивания кремния. Это значительно более трудная задача по причинам физического и химического характера. Подробности можно найти в работе [11]. До сих пор основными методами выращивания кристаллов GaAsи InPбыли метод Чохральского и горизонтальный вариант метода Бриджмена, но в работе [12] показано, что вертикальный вариант метода Бриджмена также следует рассматривать как интересный альтернативный метод.
Для полупроводниковых кристаллов группы А3В5 (GaAs, InP, GaSb, InSb) существуют те же проблемы микроскопической и макроскопической однородности, что и для кремния, хотя и имеются некоторые физикохимические отличия из-за большего разнообразия точечных дефектов. В связи с этим основную тему данной книги можно рассматривать независимо от свойств конкретного материала.
Электронные и оптоэлектронные свойства полупроводниковых кристаллов обычно определяются соответственно концентрацией примесей (легирующих и остаточных) и дефектами структуры кристалла. Так что требование улучшения однородности (опто) электронных свойств эквивалентно общему требованию более однородного распределения примесей и дефектов. На рис. 2-5 показаны типичные результаты исследований локального распределения концентрации легирующей примеси или удельного электрического сопротивления в кристаллах кремния. Далее на рис. 6 можно видеть распределение отдельных кристаллотриодов (темные вкрапления) на подложке кремния, которые бракуются из-за слишком большого разброса их электронных свойств. Полное подобие этого распределения бракованных кристаллотриодов и распределения поперечной неоднородности подтверждает их тесную взаимосвязь. Как следует из рис. 2-5, в кристаллах имеются микроскопические и макроскопические неоднородности как в поперечном, так и в продольном направлениях. Этот недостаток, как оказалось, не устраняется при последующем наращивании тонкого кристаллического слоя (эпитаксии), которое применяется для некоторых приборов ввиду более благоприятных условий роста при эпитаксиальной технологии по сравнению с технологией выращивания из расплава. Результат исследования Друминского [16] (рис. 7), показывает, что неоднородности подложки могут воспроизводиться и в слое, выращенном по эпитаксиальной технологии. Вместе с тем, как показывают экспериментальные исследования [17] или простые оценки, естественное выравнивание таких перепадов концентрации путем диффузии в кристалле невозможно. При типичных масштабах микроскопических неоднородностей около 100 мкм и легирующих примесях, таких, как Ga, Asили Р с коэффициентами диффузии в кремнии 10~10-10-11 см2/с при температуре 1400°С, для выравнивания неоднородностей потребовалось бы от 300 до 3000 ч при данной температуре. Вот почему улучшение существующих методов или разработка новых для выращивания более однородных кристаллов по-прежнему остается важной задачей в деле производства полупроводниковых кристаллов.
Данная книга должна послужить этой цели путем исследования причин образования неоднородностей и разработки модели процесса выращивания кристаллов. На основе подобной модели, которая описывает корреляции между распределениями примесей и дефектов в кристалле и условиями роста (определяемыми внешними параметрами), будут рассмотрены методы и способы уменьшения или даже полного исключения неоднородностей. Таким же путем будет показано, что рост полупроводниковых кристаллов из расплава, за рядом исключений, определяется процессами переноса в жидкости, из которой растет кристалл. Согласно этой концепции, гравитационная конвекция, вызванная градиентами температуры и концентрации в расплаве, играет очень важную роль в процессе выращивания кристалла из-за ее сильного влияния на тепло- и массоперенос. Воздействие на гравитационную конвекцию в установках для выращивания кристаллов и ее роль в связи с образованием неоднородностей составляют главную тему этой книги. По этим соображениям излагаемый в первой части (гл. 2) книги математический аппарат гидродинамики очень удобен для описания модели процесса выращивания кристаллов. В последующих главах систематически рассматриваются две центральные темы: воздействие на макроскопические неоднородности (гл. 3 и 4), для которых определяющую роль играют стабильный макроскопический состав и перенос тепла, и микроскопические неоднородности (гл. 5-7), для которых решающими являются нестационарные механизмы переноса. Вторая тема занимает больший объем, поскольку, во-первых, микроскопические неоднородности в настоящее время являются более насущной проблемой для промышленности и, во-вторых, несколько важных результатов в этой области было получено автором и его сотрудниками.