Silikon Kristal Tunggal: Pertumbuhan Dan Properti

Sumber:https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-48933-9_13

CZ MCZ Single crystal

Silikon, yang telah dan akan terus menjadi bahan dominan dalam industri semikonduktor untuk beberapa waktu mendatang[13.1], akan membawa kita ke era ultra-large-scale integration (ULSI) dan era system-ona-chip (SOC).

Karena perangkat elektronik menjadi lebih maju, kinerja perangkat menjadi lebih sensitif terhadap kualitas dan sifat bahan yang digunakan untuk membuatnya.

Germanium (Ge) pada awalnya digunakan sebagai bahan asekonduktor untuk perangkat elektronik solid state. Namun, celah pita sempit (0,66 eV) dari Ge membatasi pengoperasian perangkat berbasis germanium hingga suhu sekitar 90∘C karena arus bocor yang cukup besar diamati pada suhu yang lebih tinggi. Celah pita silikon yang lebih lebar (1,12 eV), di sisi lain, menghasilkan perangkat elektronik yang mampu beroperasi hingga $\approx 200^{\circ} C$ . Namun, ada masalah yang lebih serius daripada celah pita yang sempit: germanium tidak siap memberikan lapisan pasivasi yang stabil di permukaan. Misalnya, germanium dioksida (GeO2) larut dalam air dan terdisosiasi pada sekitar 800∘C. Silikon, berbeda dengan germanium, siap mengakomodasi pasif permukaan dengan membentuk silikon dioksida (SiO2), yang memberikan perlindungan tingkat tinggi ke perangkat yang mendasarinya. SiO yang stabil ini2lapisan menghasilkan keuntungan yang menentukan untuk silikon dibandingkan germanium sebagai bahan semikonduktor dasar yang digunakan untuk fabrikasi perangkat elektronik. Keuntungan ini telah menghasilkan sejumlah teknologi baru, termasuk proses doping difusi dan pendefinisian pola yang rumit. Keuntungan lain dari silikon adalah tidak beracun sama sekali, dan silika (SiO2), bahan baku dari mana silikon diperoleh, terdiri dari sekitar 60%dari kandungan mineral kerak bumi. Ini menyiratkan bahwa bahan baku dari mana silikon diperoleh tersedia dalam pasokan berlimpah ke sirkuit terpadu (IC) industri. Selain itu, silikon tingkat elektronik dapat diperoleh dengan harga kurang dari sepersepuluh biaya germanium. Semua keunggulan ini telah menyebabkan silikon hampir sepenuhnya menggantikan germanium dalam industri semikonduktor.

Meskipun silikon bukanlah pilihan optimal untuk setiap perangkat elektronik, kelebihannya berarti silikon hampir pasti akan mendominasi industri semikonduktor untuk beberapa waktu.

13.1Gambaran

Interaksi yang sangat bermanfaat telah terjadi antara pengguna dan produsen bahan semikonduktor sejak penemuan transistor titik-kontak pada tahun 1947, ketika kebutuhan untuksempurna dan murnikristal diakui. Persaingan seringkali sedemikian rupa sehingga kualitas kristal yang diminta oleh perangkat baru hanya dapat dipenuhi dengan mengendalikan pertumbuhan kristal menggunakan peralatan elektronik yang dibangun dengan perangkat baru ini. Sejak kristal silikon bebas dislokasi ditanam pada awal 1960-an menggunakanTeknik lari[13.2], penelitian bahan semikonduktor dan upaya pengembangan telah berkonsentrasi pada kemurnian bahan, hasil produksi, dan masalah yang berkaitan dengan pembuatan perangkat.

Perangkat dan sirkuit semikonduktor dibuat menggunakan berbagai proses mekanis, kimia, fisik, dan termal. Diagram alir untuk proses preparasi silikon semikonduktor khas ditunjukkan pada Gambar.13.1. Persiapan substrat kristal tunggal silikon dengan permukaan yang dipoles secara mekanis dan kimiawi adalah langkah pertama dalam proses fabrikasi perangkat yang panjang dan kompleks.

Fig. 13.1 — Gambar 13.1
Diagram alir untuk proses preparasi silikon semikonduktor tipikal. (Setelah[13.1])

Seperti disebutkan di atas, silikon adalah unsur paling melimpah kedua di Bumi; lebih dari 90%kerak bumi terdiri dari silika dan silikat. Mengingat pasokan bahan mentah yang tak terbatas ini, masalahnya adalah kemudian mengubah silikon menjadi keadaan yang dapat digunakan yang dibutuhkan oleh teknologi semikonduktor. Persyaratan pertama dan utama adalah bahwa silikon yang digunakan untuk perangkat elektronik harus sangat murni, karena sejumlah kecil pengotor memiliki pengaruh kuat pada karakteristik elektronik silikon, dan oleh karena itu kinerja perangkat elektronik. Persyaratan kedua adalah untuk kristal berdiameter besar, karena hasil chip per wafer meningkat secara substansial dengan diameter yang lebih besar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar.13.2untuk kasus DRAM[13.3], salah satu perangkat elektronik paling umum. Selain kemurnian dan diameter, biaya produksi dan spesifikasi material, termasuk densitas cacat tumbuh dan homogenitas resistif, harus memenuhi tuntutan industri saat ini.

Fig. 13.2 — Gambar 13.2
Chip per wafer sebagai fungsi dari generasi DRAM. (Setelah[13.3])

Dalam bab ini, pendekatan saat ini untuk persiapan silikon- mengubah bahan baku menjadi silikon kristal tunggal (lihat Gambar.13.1)- didiskusikan.

13.2Bahan Awal

13.2.1Silikon Kelas Metalurgi

Bahan awal untuk kristal tunggal silikon dengan kemurnian tinggi adalah silika (SiO2). Langkah pertama dalam pembuatan silikon adalah peleburan dan reduksi silika. Hal ini dicapai dengan mencampur silika dan karbon dalam bentuk batu bara, kokas atau serpihan kayu dan memanaskan campuran tersebut pada suhu tinggi dalam tungku busur elektroda terendam. Reduksi karbotermik silika ini menghasilkan silikon yang menyatu

S i O_{2} + 2C \to Si + 2CO .

(13.1) Serangkaian reaksi yang kompleks sebenarnya terjadi di tungku pada suhu mulai dari 1500 hingga 2000∘C. Gumpalan silikon yang diperoleh dari proses ini disebut silikon tingkat metalurgi (MG-Si), dan kemurniannya sekitar 98–99%.

13.2.2silikon polikristalin

Senyawa Kimia Menengah

Langkah selanjutnya adalah memurnikan MG-Si ke tingkat silikon kelas semikonduktor (SG-Si), yang digunakan sebagai bahan awal untuk silikon kristal tunggal. Konsep dasarnya adalah bahwa bubuk MG-Si direaksikan dengan HCl anhidrat untuk membentuk berbagai senyawa chlorosilane dalam reaktor afluidized-bed. Kemudian silan dimurnikan dengan distilasi dan deposisi uap kimia (CVD) untuk membentuk SG-polisikon.

Sejumlah senyawa kimia antara telah dipertimbangkan, seperti monosilane (SiH4), silikon tetraklorida (SiCl4), triklorosilan (SiHCl3) dan diklorosilan (SiH2Cl2). Di antaranya, triklorosilan paling sering digunakan untuk deposisi polisilikon berikutnya karena alasan berikut:

1.
Ini dapat dengan mudah dibentuk oleh reaksi hidrogen klorida anhidrat dengan MG-Si pada suhu yang cukup rendah (200-400∘C).
2.
Ini cair pada suhu kamar, sehingga pemurnian dapat dilakukan dengan menggunakan teknik distilasi standar.
3.
Mudah ditangani dan dapat disimpan dalam tangki baja karbon saat kering.
4.
Trichlorosilane cair mudah diuapkan dan, ketika dicampur dengan hidrogen, dapat diangkut dalam jalur baja.
5.
Hal ini dapat dikurangi pada tekanan atmosfer dengan adanya hidrogen.
6.
Deposisinya dapat terjadi pada silikon yang dipanaskan, menghilangkan kebutuhan untuk kontak dengan permukaan asing apa pun yang dapat mencemari silikon yang dihasilkan.
7.
Bereaksi pada suhu yang lebih rendah (1000-1200∘C) dan pada tingkat yang lebih cepat daripada silikon tetraklorida.

Hidroklorinasi Silikon

Trichlorosilane disintesis dengan memanaskan bubuk MG-Si pada suhu sekitar 300∘C dalam reaktor unggun terfluidisasi. Artinya, MG-Si diubah menjadi SiHCl3sesuai dengan reaksi berikut

Si + 3HCl \to S i H C l_{3} + H_{2} .

(13.2)Reaksi ini sangat eksotermis sehingga panas harus dihilangkan untuk memaksimalkan hasil triklorosilan. Saat mengubah MG-Si menjadi SiHCl3, berbagai pengotor seperti Fe, Al, dan B dihilangkan dengan mengubahnya menjadi halidanya (FeCl3, AlCl3, dan BCl3, masing-masing), dan produk sampingan seperti SiCl4dan H2juga diproduksi.

Distilasi dan Dekomposisi Trichlorosilane

Distilasi telah banyak digunakan untuk memurnikan triklorosilan. Trichlorosilane, yang memiliki titik didih rendah (31,8∘C), disuling secara fraksional dari halida tidak murni, menghasilkan kemurnian yang sangat meningkat, dengan konsentrasi pengotor aktif secara elektrik kurang dari 1 ppba. Trichlorosilane dengan kemurnian tinggi kemudian diuapkan, diencerkan dengan hidrogen dengan kemurnian tinggi, dan dimasukkan ke dalam reaktor deposisi. Di dalam reaktor, batang silikon tipis yang disebut batang ramping yang didukung oleh elektroda grafit tersedia untuk deposisi permukaan silikon sesuai dengan reaksi.

S i H C l_{3} + H_{2} \to Si + 3HCl .

(13.3) Selain reaksi ini, reaksi berikut juga terjadi selama deposisi polisilikon, menghasilkan pembentukan silikon tetraklorida (produk sampingan utama dari proses tersebut)

HCl + S i H C l_{3} \to S i C l_{4} + H_{2} .

(13.4) Silikon tetraklorida ini digunakan untuk menghasilkan kuarsa dengan kemurnian tinggi, misalnya.

Tak perlu dikatakan, kemurnian batang tipis harus sebanding dengan silikon yang disimpan. Batang ramping dipanaskan hingga sekitar 400∘C pada awal proses CVD silikon. Pemanasan awal ini diperlukan untuk meningkatkan konduktivitas batang tipis dengan kemurnian tinggi (resistensi tinggi) secukupnya untuk memungkinkan pemanasan resistif. Menyetor selama 200–300 jam sekitar 1100∘C menghasilkan batang polisilikon dengan kemurnian tinggi dengan diameter 150–200 mm. Batang polisilikon dibentuk menjadi berbagai bentuk untuk proses pertumbuhan kristal berikutnya, seperti potongan untuk pertumbuhan lelehan Czochralski dan batang silinder panjang untuk pertumbuhan zona apung. Proses untuk mereduksi triklorosilan pada batang silikon yang dipanaskan menggunakan hidrogen dijelaskan pada akhir 1950-an dan awal 1960-an dalam sejumlah paten proses yang ditetapkan untuk Siemens; oleh karena itu, proses ini sering disebutMetode Siemens[13.4].

Kerugian utama dari metode Siemens adalah efisiensi konversi silikon dan klorin yang buruk, ukuran batch yang relatif kecil, dan konsumsi daya yang tinggi. Efisiensi konversi silikon dan klorin yang buruk dikaitkan dengan volume besar silikon tetraklorida yang dihasilkan sebagai produk sampingan dalam proses CVD. Hanya sekitar 30%dari silikon yang disediakan dalam reaksi CVD diubah menjadi polisilikon dengan kemurnian tinggi. Juga, biaya produksi polisilikon dengan kemurnian tinggi mungkin bergantung pada kegunaan produk sampingan, SiCl4.

Proses Monosilane

Teknologi produksi apolysilicon berdasarkan produksi dan pirolisis monosilane didirikan pada akhir 1960-an. Monosilane berpotensi menghemat energi karena menyimpan polisilikon pada suhu yang lebih rendah dan menghasilkan polisilikon yang lebih murni daripada proses triklorosilan; namun, hampir tidak digunakan karena kurangnya rute ekonomis ke monosilane dan karena masalah pemrosesan pada langkah pengendapan[13.5]. Namun, dengan perkembangan terbaru dari rute ekonomis ke silan dengan kemurnian tinggi dan keberhasilan operasi pabrik skala besar, teknologi ini telah menarik perhatian industri semikonduktor, yang membutuhkan silikon dengan kemurnian lebih tinggi.

Dalam proses monosilane industri saat ini, bubuk magnesium dan MG-Si dipanaskan hingga 500∘C di bawah atmosfer ahidrogen untuk mensintesis magenesium silisida (Mg2Si), yang kemudian dibuat untuk bereaksi dengan amonium klorida (NH4Cl) dalam amonia cair (NH3) di bawah 0∘C membentuk monosilane (SiH4). Polisilikon dengan kemurnian tinggi kemudian diproduksi melalui pirolisis monosilane pada filamen polisilikon yang dipanaskan secara resistif pada 700–800∘C. Dalam proses pembangkitan monosilane, sebagian besar pengotor boron dihilangkan dari silan melalui reaksi kimia dengan NH3. Kandungan aboron 0,01–0,02 ppba dalam polisilikon telah dicapai dengan menggunakan proses amonosilane. Konsentrasi ini sangat rendah dibandingkan dengan yang diamati pada polisilikon yang dibuat dari triklorosilan. Selain itu, polisilikon yang dihasilkan kurang terkontaminasi dengan logam yang diambil melalui proses transportasi kimia karena dekomposisi monosilane tidak menyebabkan masalah korosi.

Deposisi Polisilikon Granular

Proses yang sangat berbeda, yang menggunakan dekomposisi monosilane dalam reaktor deposisi unggun terfluidisasi untuk menghasilkan polisilikon granular yang mengalir bebas, telah dikembangkan[13.5]. Partikel biji silikon kecil difluidisasi dalam campuran amonosilane∕hidrogen, dan polisilikon diendapkan untuk membentuk partikel sferis yang mengalir bebas dengan diameter rata-rata 700 m dengan distribusi ukuran 100-1500 m. Benih fluidized-bed awalnya dibuat dengan menggiling SG-Si di aball atau hammer mill dan melindi produk dengan asam, hidrogen peroksida dan air. Proses ini memakan waktu dan mahal, dan cenderung memasukkan kotoran yang tidak diinginkan ke dalam sistem melalui penggiling logam. Namun, dalam metode baru, partikel SG-Si besar ditembakkan satu sama lain oleh aliran gas berkecepatan tinggi yang menyebabkan partikel tersebut pecah menjadi partikel dengan ukuran yang sesuai untuk unggun terfluidisasi. Proses ini tidak memasukkan bahan asing dan tidak memerlukan pencucian.

Karena luas permukaan polisilikon granular yang lebih besar, reaktor unggun terfluidisasi jauh lebih efisien daripada reaktor batang tipe Siemens tradisional. Kualitas polisilikon unggun terfluidisasi telah terbukti setara dengan polisilikon yang diproduksi dengan metode Siemens yang lebih konvensional. Selain itu, polisilikon granular dengan bentuk yang mengalir bebas dan densitas curah yang tinggi memungkinkan penanam kristal memperoleh hasil maksimal dari setiap proses produksi. Artinya, dalam proses pertumbuhan kristal Czochralski (lihat bagian berikut), cawan lebur dapat dengan cepat dan mudah diisi ke muatan seragam yang biasanya melebihi bongkahan polisilikon yang ditumpuk secara acak yang dihasilkan oleh metode Siemens. Jika kita juga mempertimbangkan potensi teknik untuk beralih dari operasi batch ke penarikan terus menerus (dibahas nanti), kita dapat melihat bahwa butiran polisilikon yang mengalir bebas dapat memberikan rute yang menguntungkan dari umpan seragam ke dalam lelehan asteady-state. Produk ini tampaknya merupakan bahan awal revolusioner yang menjanjikan pertumbuhan kristal silikon.

13.3Pertumbuhan Kristal Tunggal

Meskipun berbagai teknik telah digunakan untuk mengubah polisilikon menjadi kristal silikon tunggal, dua teknik telah mendominasi produksinya untuk elektronik karena memenuhi persyaratan industri perangkat mikroelektronika. Salah satunya adalah metode peleburan azon yang biasa disebutzona terapung (FZ) metode, dan yang lainnya adalah metode menarik yang secara tradisional disebutCzochralski (CZ) metode, meskipun itu sebenarnya harus disebutMetode Teal–Little. Prinsip-prinsip di balik dua metode pertumbuhan kristal ini digambarkan pada Gambar.13.3. Dalam metode FZ, zona amolten dilewatkan melalui batang apolisilikon untuk mengubahnya menjadi ingot kristal tunggal; Dalam metode CZ, kristal tunggal ditumbuhkan dengan menarik dari lelehan yang terdapat dalam wadah aquartz. Dalam kedua kasus,kristal benihmemainkan peran yang sangat penting dalam mendapatkan kristal tunggal dengan orientasi kristalografi yang diinginkan.

Fig. 13.3a,b — Gambar 13.3a,b
Prinsip pertumbuhan kristal tunggal dengan (a)metode zona terapung dan (b) metode Czochralski. (Setelah[13.1])

Diperkirakan sekitar 95%dari semua silikon kristal tunggal diproduksi dengan metode CZ dan sisanya terutama dengan metode FZ. Industri semikonduktor silikon membutuhkan kemurnian tinggi dan konsentrasi cacat minimum dalam kristal silikonnya untuk mengoptimalkan hasil produksi perangkat dan kinerja operasional. Persyaratan ini menjadi semakin ketat seiring dengan perubahan teknologi dari LSI ke VLSI∕ULSI dan kemudian SOC. Selain kualitas atau kesempurnaan kristal silikon, diameter kristal juga terus meningkat untuk memenuhi permintaan produsen perangkat. Karena chip mikroelektronika diproduksi melalui asistem batch, diameter wafer silikon yang digunakan untuk fabrikasi perangkat secara signifikan mempengaruhi produktivitas (seperti yang ditunjukkan pada Gambar.13.2), dan pada gilirannya biaya produksi.

Pada bagian berikut, pertama-tama kita membahas metode FZ dan kemudian beralih ke metode CZ. Yang terakhir akan dibahas secara lebih rinci karena sangat penting untuk industri mikroelektronika.

13.3.1Metode Zona Terapung

Keterangan Umum

Metode FZ berasal dari peleburan zona, yang digunakan untuk menghaluskan paduan biner[13.6] dan ditemukan olehTheueer[13.7]. Reaktivitas silikon cair dengan bahan yang digunakan untuk wadah menyebabkan pengembangan metode FZ[13.8], yang memungkinkan kristalisasi silikon tanpa memerlukan kontak apa pun dengan bahan wadah, yang diperlukan untuk dapat menumbuhkan kristal dengan kemurnian semikonduktor yang diperlukan.

Garis Besar Proses

Dalam proses FZ, batang apolysilicon diubah menjadi ingot kristal tunggal dengan melewatkan zona amolten yang dipanaskan oleh kumparan mata-aneedle dari satu ujung batang ke ujung lainnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar.13.3Sebuah. Pertama, ujung batang polisilikon dikontakkan dan dilebur dengan kristal biji dengan orientasi kristal yang diinginkan. Proses ini disebutpenyemaian. Zona cair yang diunggulkan dilewatkan melalui batang polisilikon dengan memindahkan benih kristal tunggal ke bawah batang secara bersamaan. Ketika zona cair silikon mengeras, polisilikon diubah menjadi silikon kristal tunggal dengan bantuan kristal benih. Saat zona bergerak di sepanjang batang polisilikon, silikon kristal tunggal membeku di ujungnya dan tumbuh sebagai perpanjangan dari kristal benih.

Setelah penyemaian, terbentuk leher tipis dengan diameter sekitar 2 atau 3 mm dan panjang 10-20 mm. Proses ini disebutleher. Tumbuh leher menghilangkan dislokasi yang dapat dimasukkan ke dalam silikon kristal tunggal yang baru tumbuh selama operasi penyemaian karena kejutan termal. Proses necking ini, yang disebutTeknik lari[13.2], Oleh karena itu, sangat penting untuk menumbuhkan kristal bebas dislokasi dan digunakan secara universal baik dalam metode FZ maupun CZ. Sebuah topografi x-ray dari benih, leher dan bagian kerucut kristal tunggal asilikon yang ditumbuhkan dengan metode FZ ditunjukkan pada Gambar.13.4. Jelas bahwa dislokasi yang dihasilkan pada kontak lelehan sepenuhnya dihilangkan dengan necking. Setelah bagian kerucut terbentuk, tubuh utama dengan diameter target penuh tumbuh. Selama seluruh proses pertumbuhan FZ, bentuk zona cair dan diameter ingot ditentukan dengan menyesuaikan daya ke koil dan laju perjalanan, yang keduanya berada di bawah kendali komputer. Teknik yang paling umum digunakan untuk mengontrol diameter secara otomatis baik dalam metode FZ dan CZ menggunakan sensor inframerah yang difokuskan pada meniskus. Bentuk meniskus pada kristal yang tumbuh tergantung pada sudut kontaknya pada batas tiga fase, diameter kristal, dan besarnya tegangan permukaan. Perubahan sudut meniskus (dan karena itu diameter kristal) dirasakan, dan informasi tersebut diumpankan kembali untuk secara otomatis menyesuaikan kondisi pertumbuhan.

Fig. 13.4 — Gambar 13.4
Topografi sinar-X dari benih, leher dan bagian kerucut dari silikon zona terapung. (Courtesy dari Dr. T. Abe)

Berbeda dengan pertumbuhan kristal CZ, di mana kristal benih dicelupkan ke dalam lelehan silikon dan kristal yang tumbuh ditarik ke atas, dalam metode FZ kristal benih yang tipis menopang kristal yang sedang tumbuh, seperti halnya batang polisilikon dari bawah (Gbr. 1).13.3). Akibatnya, batang diseimbangkan dengan genting pada biji dan leher yang tipis selama seluruh proses pertumbuhan. Benih dan leher dapat menopang kristal hingga 20 kg selama pusat gravitasi kristal yang tumbuh tetap berada di pusat sistem pertumbuhan. Jika pusat gravitasi menjauh dari garis tengah, benih akan mudah patah. Oleh karena itu, perlu ditemukan teknik penstabil dan pendukung kristal sebelum kristal silikon FZ yang panjang dan berat dapat ditumbuhkan. Untuk kristal besar, perlu untuk mendukung kristal yang tumbuh dengan cara yang ditunjukkan pada Gambar.13.5[13.9], terutama dalam kasus kristal FZ baru-baru ini dengan diameter besar (150-200 mm), karena bobotnya dengan mudah melebihi 20 kg.

Fig. 13.5 — Gambar 13.5
Sistem pendukung untuk kristal silikon zona terapung. (Setelah[13.9])

doping

Untuk mendapatkan kristal tunggal silikon tipe-n atau p dengan resistivitas yang diperlukan, baik polisilikon atau kristal yang tumbuh harus didoping dengan pengotor donor atau akseptor yang sesuai. Untuk pertumbuhan silikon FZ, meskipun beberapa teknik doping telah dicoba, kristal biasanya didoping dengan meniup gas adopant seperti fosfin (PH3) untuk silikon tipe-n atau diborana (B2H6) untuk silikon tipe-p ke zona cair. Gas dopan biasanya diencerkan dengan gas pembawa, seperti argon. Keuntungan besar dari metode ini adalah bahwa produsen kristal silikon tidak perlu menyimpan sumber polisilikon dengan resistivitas yang berbeda.

Karena pemisahan (dibahas dalam subbagian berikutnya) dari dopan unsur untuk silikon tipe-n jauh lebih sedikit daripada kesatuan, kristal FZ yang didoping dengan metode tradisional memiliki gradien dopan radial. Selain itu, karena laju kristalisasi bervariasi dalam arah radial pada skala mikroskopis, konsentrasi dopan didistribusikan secara siklis dan menimbulkan apa yang disebutlurik dopan, menghasilkan ketidakhomogenan resistivitas radial. Untuk mendapatkan silikon tipe-n yang didoping lebih homogen, doping transmutasi neutron (NTD) telah diterapkan pada kristal silikon FZ[13.10]. Prosedur ini melibatkan transmutasi nuklir silikon menjadi fosfor dengan membombardir kristal dengan neutron termal sesuai dengan reaksi

^{30} S i (n, γ) \to^{31} S i \overset{2.6 h}{\to}^{31} P + β .

(13.5) Isotop radioaktif31Si terbentuk ketika30Si menangkap aneutron dan kemudian meluruh menjadi isotop stabil31P (atom donor), yang distribusinya tidak bergantung pada parameter pertumbuhan kristal. Segera setelah iradiasi kristal menunjukkan resistivitas tinggi, yang dikaitkan dengan sejumlah besar cacat kisi yang timbul dari kerusakan radiasi. Oleh karena itu, kristal yang diiradiasi harus dianil dalam lingkungan inert pada suhu sekitar 700∘C untuk menghilangkan cacat dan mengembalikan resistivitas yang berasal dari doping fosfor. Di bawah skema NTD, kristal ditanam tanpa doping dan kemudian diiradiasi dalam reaktor nuklir dengan rasio besar neutron termal dan cepat untuk meningkatkan penangkapan neutron dan meminimalkan kerusakan pada kisi kristal.

Penerapan NTD hampir secara eksklusif terbatas pada kristal FZ karena kemurniannya yang lebih tinggi dibandingkan dengan kristal CZ. Ketika teknik NTD diterapkan pada kristal silikon CZ, ditemukan bahwa pembentukan donor oksigen selama proses anil setelah iradiasi mengubah resistivitas dari yang diharapkan, meskipun homogenitas donor fosfor tercapai.13.11]. NTD memiliki kelemahan tambahan bahwa tidak ada proses yang tersedia untuk dopan tipe-p dan bahwa periode penyinaran yang terlalu lama diperlukan untuk resistivitas rendah (dalam kisaran 1–10 cm).

Sifat Kristal FZ-Silikon

Selama pertumbuhan kristal FZ, silikon cair tidak bersentuhan dengan zat apa pun selain gas sekitar di ruang pertumbuhan. Oleh karena itu, kristal silikon FZ secara inheren dibedakan oleh kemurniannya yang lebih tinggi dibandingkan dengan kristal aCZ yang tumbuh dari lelehan yang melibatkan kontak dengan wadah aquartz. Kontak ini menimbulkan konsentrasi pengotor oksigen yang tinggi sekitar 1018atom cm3dalam kristal CZ, sedangkan silikon FZ mengandung kurang dari 1016atom cm3. Kemurnian yang lebih tinggi ini memungkinkan silikon FZ untuk mencapai resistivitas tinggi yang tidak dapat diperoleh dengan menggunakan silikon CZ. Sebagian besar silikon FZ yang dikonsumsi memiliki resistivitas antara 10 dan 200 cm, sedangkan silikon CZ biasanya dibuat dengan resistivitas 50 cm atau kurang karena kontaminasi dari wadah kuarsa. Oleh karena itu silikon FZ terutama digunakan untuk membuat perangkat listrik semikonduktor yang mendukung tegangan balik lebih dari 750-1000 V. Pertumbuhan kristal kemurnian tinggi dan karakteristik doping presisi NTD FZ-Si juga menyebabkan penggunaannya dalam detektor inframerah[13.12], sebagai contoh.

Namun, jika kita mempertimbangkan kekuatan mekanik, telah diakui selama bertahun-tahun bahwa silikon FZ, yang mengandung lebih sedikit pengotor oksigen daripada silikon CZ, secara mekanis lebih lemah dan lebih rentan terhadap tekanan termal selama fabrikasi perangkat.13.13,13.14]. Pemrosesan wafer silikon suhu tinggi selama pembuatan perangkat elektronik sering kali menghasilkan tegangan termal yang cukup untuk menghasilkan dislokasi slip dan lengkungan. Efek ini membawa kehilangan hasil karena sambungan bocor, cacat dielektrik, dan masa pakai berkurang, serta hasil fotolitografi berkurang karena degradasi kerataan wafer. Hilangnya geometris planarity karena warpage bisa sangat parah sehingga wafer tidak diproses lebih lanjut. Karena itu, wafer silikon CZ telah digunakan jauh lebih luas dalam fabrikasi perangkat IC daripada wafer FZ. Perbedaan stabilitas mekanik terhadap tekanan termal adalah alasan dominan mengapa kristal silikon CZ secara eksklusif digunakan untuk fabrikasi IC yang memerlukan sejumlah besar langkah proses termal.

Untuk mengatasi kekurangan silikon FZ ini, pertumbuhan kristal silikon FZ dengan pengotor doping seperti oksigen[13.15] dan nitrogen[13.16] telah dicoba. Ditemukan bahwa doping kristal silikon FZ dengan oksigen atau nitrogen pada konsentrasi $1 - 1.5 \times 10^{17} a t o m s / c m^{3}$ atau $1.5 \times 10^{15} a t o m s / c m^{3}$ , masing-masing, menghasilkan peningkatan kekuatan mekanik yang luar biasa.

13.3.2Metode Czochralski

Keterangan Umum

Metode ini dinamai J. Czochralski, yang mendirikan teknik untuk menentukan kecepatan kristalisasi logam[13.17]. Namun, metode penarikan aktual yang telah diterapkan secara luas pada pertumbuhan kristal tunggal dikembangkan olehTealdanSedikit[13.18], yang memodifikasi prinsip dasar Czochralski. Mereka adalah orang pertama yang berhasil menumbuhkan kristal tunggal germanium, dengan panjang 8 inci dan diameter 0,75 inci, pada tahun 1950. Mereka kemudian merancang peralatan lain untuk pertumbuhan silikon pada suhu yang lebih tinggi. Meskipun proses produksi dasar untuk silikon kristal tunggal telah sedikit berubah sejak dipelopori oleh Teal dan rekan kerja, kristal tunggal silikon berdiameter besar (hingga 400 mm) dengan tingkat kesempurnaan yang memenuhi perangkat canggih tuntutan telah berkembang dengan menggabungkan teknik Dash dan inovasi teknologi berturut-turut ke dalam peralatan.

Upaya penelitian dan pengembangan saat ini mengenai kristal silikon diarahkan untuk mencapai keseragaman mikroskopis sifat kristal seperti resistivitas dan konsentrasi pengotor dan cacat mikro, serta kontrol mikroskopisnya, yang akan dibahas di bagian lain dalam Buku Pegangan ini.

Garis Besar Proses

Tiga langkah terpenting dalam pertumbuhan kristal CZ ditunjukkan secara skematis pada Gambar.13.3b. Pada prinsipnya proses pertumbuhan CZ mirip dengan proses pertumbuhan FZ: (1) polysilicon yang meleleh, (2) seeding dan (3) growth. Prosedur penarikan CZ, bagaimanapun, lebih rumit daripada pertumbuhan FZ dan dibedakan darinya dengan penggunaan wadah aquartz untuk menampung silikon cair. Angka13.6menunjukkan pandangan askematis dari peralatan pertumbuhan kristal CZ modern yang khas. Langkah-langkah penting dalam urutan pertumbuhan kristal silikon CZ aktual atau standar adalah sebagai berikut:

1.
Potongan atau butiran polisilikon ditempatkan dalam wadah aquartz dan dilebur pada suhu yang lebih tinggi dari titik leleh silikon (1420∘C) dalam gas ambien inert.
2.
Lelehan disimpan pada suhu tinggi untuk sementara waktu untuk memastikan pencairan sempurna dan pengeluaran gelembung kecil, yang dapat menyebabkan rongga atau cacat kristal negatif, dari lelehan.
3.
Kristal biji dengan orientasi kristal yang diinginkan dicelupkan ke dalam lelehan sampai mulai meleleh sendiri. Benih kemudian ditarik dari lelehan sehingga leher terbentuk dengan mengurangi diameter secara bertahap; ini adalah langkah yang paling halus. Selama seluruh proses pertumbuhan kristal, gas inert (biasanya argon) mengalir ke bawah melalui ruang penarik untuk membawa produk reaksi seperti SiO dan CO.
4.
Dengan secara bertahap meningkatkan diameter kristal, bagian kerucut dan bahu tumbuh. Diameter ditingkatkan hingga diameter target dengan menurunkan laju tarikan dan∕atau suhu leleh.
5.
Akhirnya, bagian tubuh yang silindris dengan diameter konstan ditumbuhkan dengan mengontrol laju tarikan dan suhu leleh sambil mengkompensasi penurunan tingkat lelehan saat kristal tumbuh. Laju penarikan umumnya berkurang menuju ujung ekor kristal yang sedang tumbuh, terutama karena meningkatnya radiasi panas dari dinding wadah saat tingkat lelehan turun dan memaparkan lebih banyak dinding wadah ke kristal yang sedang tumbuh. Menjelang akhir proses pertumbuhan, tetapi sebelum wadah benar-benar dikeringkan dari silikon cair, diameter kristal harus dikurangi secara bertahap untuk membentuk kerucut akhir untuk meminimalkan kejutan termal, yang dapat menyebabkan dislokasi slip di ujung ekor. Ketika diameter menjadi cukup kecil, kristal dapat dipisahkan dari lelehan tanpa menimbulkan dislokasi.

Angka13.7menunjukkan bagian ujung benih dari kristal silikon CZ yang tumbuh. Meskipun biji jagung, yang merupakan daerah transisi dari biji ke bagian silindris, biasanya dibentuk agak datar karena alasan ekonomi, bentuk yang lebih meruncing mungkin diinginkan dari sudut pandang kualitas kristal. Bagian bahu dan sekitarnya tidak boleh digunakan untuk fabrikasi perangkat karena bagian ini dianggap sebagai daerah transisi dalam banyak hal dan menunjukkan karakteristik kristal yang tidak homogen karena perubahan mendadak dalam kondisi pertumbuhan.

Fig. 13.6 — Gambar 13.6
Tampilan skema sistem pertumbuhan kristal silikon Czochralski yang khas. (Setelah[13.1])

Fig. 13.7 — Gambar 13.7
Bagian ujung biji dari kristal silikon Czochralski yang sudah tumbuh

Angka13.8menunjukkan ingot kristal silikon CZ ekstra besar dengan diameter 400 mm dan panjang 1800 mm yang ditanam oleh Super Silicon Crystal Research Institute Corporation di Jepang[13.3].

Fig. 13.8 — Gambar 13.8
Ingot silikon Czochralski yang tumbuh ekstra besar dengan diameter 400 mm dan panjang 1800 mm. (Courtesy of Super Silicon Crystal Research Institute Corporation, Jepang)

Pengaruh Lokasi Spasial dalam GrownCrystal

Seperti Gambar.13.9menggambarkan dengan jelas, setiap bagian kristal aCZ ditumbuhkan pada waktu yang berbeda dengan kondisi pertumbuhan yang berbeda.13.19]. Dengan demikian, penting untuk dipahami bahwa setiap bagian memiliki rangkaian karakteristik kristal yang berbeda dan riwayat termal yang berbeda karena posisinya yang berbeda di sepanjang panjang kristal. Misalnya, bagian ujung biji memiliki riwayat termal yang lebih panjang, mulai dari titik leleh 1420 hingga sekitar 400∘C dalam apuller, sedangkan bagian ujung ekor memiliki sejarah yang lebih pendek dan didinginkan agak cepat dari titik lelehnya. Pada akhirnya, setiap wafer silikon yang dibuat dari bagian yang berbeda dari kristal yang tumbuh dapat menunjukkan karakteristik fisiko-kimia yang berbeda tergantung pada lokasinya di dalam ingot. Faktanya, telah dilaporkan bahwa perilaku presipitasi oksigen menunjukkan ketergantungan lokasi terbesar, yang, pada gilirannya, mempengaruhi generasi cacat massal [13.20].

Fig. 13.9 — Gambar 13.9
Lingkungan termal selama pertumbuhan kristal Czochralski pada tahap awal dan akhir.panahmenunjukkan perkiraan arah aliran panas. (Setelah[13.19])

Juga, distribusi tidak seragam dari kedua cacat kristal dan pengotor terjadi di seluruh bagian melintang dari wafer aflat yang dibuat dari lelehan silikon kristal aCZ yang dikristalisasi atau dipadatkan secara berurutan pada antarmuka lelehan kristal, yang umumnya melengkung dalam proses pertumbuhan kristal CZ. Ketidakhomogenan seperti itu dapat diamati sebagailurik, yang dibahas kemudian.

13.3.3Kotoran di Czochralski Silicon

Sifat-sifat semikonduktor silikon yang digunakan dalam perangkat elektronik sangat sensitif terhadap pengotor. Karena kepekaan ini, sifat elektrik-elektronik silikon dapat dikontrol secara tepat dengan menambahkan sejumlah kecil dopan. Selain sensitivitas dopan ini, kontaminasi oleh pengotor (terutama logam transisi) berdampak negatif pada sifat silikon dan mengakibatkan penurunan kinerja perangkat yang serius. Selain itu, oksigen digabungkan pada tingkat puluhan atom per juta ke dalam kristal silikon CZ karena reaksi antara lelehan silikon dan wadah kuarsa. Terlepas dari berapa banyak oksigen dalam kristal, karakteristik kristal silikon sangat dipengaruhi oleh konsentrasi dan perilaku oksigen.13.21]. Selain itu, karbon juga dimasukkan ke dalam kristal silikon CZ baik dari bahan baku polisilikon atau selama proses pertumbuhan, karena bagian grafit yang digunakan dalam peralatan penarik CZ. Meskipun konsentrasi karbon dalam kristal silikon CZ komersial biasanya kurang dari 0,1 ppma, karbon adalah pengotor yang sangat mempengaruhi perilaku oksigen.13.22,13.23]. Juga, kristal silikon CZ yang didoping nitrogen[13.24,13.25] baru-baru ini menarik banyak perhatian karena kualitas kristal mikroskopisnya yang tinggi, yang mungkin memenuhi persyaratan untuk perangkat elektronik canggih[13.26,13.27].

Ketidakhomogenan Ketidakhomogenan

Selama kristalisasi dari amelt, berbagai pengotor (termasuk dopan) yang terkandung dalam lelehan dimasukkan ke dalam kristal yang sedang tumbuh. Konsentrasi pengotor fase padat umumnya berbeda dari fase cair karena fenomena yang dikenal sebagai:pemisahan.

Pemisahan

Perilaku segregasi ekuilibrium yang terkait dengan pemadatan sistem multikomponen dapat ditentukan dari diagram fase yang sesuai dari sistem biner dengan azat terlarut(kotoran) dan apelarut(bahan tuan rumah) sebagai komponen.

Rasio kelarutan pengotor Ain silikon padat [CA]suntuk itu dalam silikon cair [CA]L

k_{0} = \frac{[C_{A}]_{s}}{[C_{A}]_{L}}

(13.6) disebut sebagaikoefisien segregasi keseimbangan. Kelarutan pengotor dalam silikon cair selalu lebih tinggi dari pada silikon padat; itu adalah,k0& lt; 1. Koefisien segregasi kesetimbangank0hanya berlaku untuk pemadatan pada tingkat pertumbuhan yang sangat lambat. Untuk laju pemadatan yang terbatas atau lebih tinggi, atom pengotor dengank0& lt; 1 ditolak oleh padatan yang maju pada tingkat yang lebih besar daripada yang dapat berdifusi ke dalam lelehan. Dalam proses pertumbuhan kristal CZ, segregasi terjadi pada awal pemadatan pada antarmuka pelelehan biji yang diberikan, dan atom pengotor yang ditolak mulai menumpuk di lapisan lelehan dekat antarmuka pertumbuhan dan berdifusi ke arah sebagian besar lelehan. Dalam situasi ini,koefisien segregasi efektifkeffdapat ditentukan setiap saat selama pertumbuhan kristal CZ, dan konsentrasi pengotor [C]sdalam kristal aCZ dapat diturunkan dengan

[C]_{s} = k_{e f f} [C_{0}] (1 - g)^{k_{e f f} - 1},

(13.7)di mana [C0] adalah konsentrasi pengotor awal dalam lelehan dangadalah fraksi yang dipadatkan.

Akibatnya, jelas bahwa variasi longitudinal amakroskopik di tingkat pengotor, yang menyebabkan variasi resistivitas karena variasi konsentrasi dopan, melekat pada proses pertumbuhan batch CZ; Hal ini disebabkan oleh fenomena segregasi. Selain itu, distribusi longitudinal dari pengotor dipengaruhi oleh perubahan besar dan sifat konveksi lelehan yang terjadi karena rasio aspek lelehan menurun selama pertumbuhan kristal.

Lurik

Dalam sebagian besar proses pertumbuhan kristal, ada parameter transien seperti laju pertumbuhan mikroskopis sesaat dan ketebalan lapisan batas difusi yang menghasilkan variasi dalam koefisien segregasi efektif.keff. Variasi ini menimbulkan ketidakhomogenan komposisi mikroskopis dalam bentukluriksejajar dengan antarmuka kristal-meleleh. Lurik dapat dengan mudah digambarkan dengan beberapa teknik, seperti etsa kimia preferensial dan topografi sinar-x. Angka13.10menunjukkan guratan-guratan yang diungkapkan oleh etsa kimia di bagian bahu penampang melintang kristal silikon aCZ. Perubahan bertahap dalam bentuk antarmuka pertumbuhan juga diamati dengan jelas.

Fig. 13.10 — Gambar 13.10
Lurik pertumbuhan, diungkapkan oleh etsa kimia, di bahu silikon Czochralski

Lurik secara fisik disebabkan oleh pemisahan kotoran dan juga cacat titik; namun, garis-garis tersebut secara praktis disebabkan oleh fluktuasi suhu di dekat antarmuka lelehan kristal, yang disebabkan oleh konveksi termal yang tidak stabil dalam lelehan dan rotasi kristal dalam lingkungan termal asimetris. Selain itu, getaran mekanis akibat mekanisme kontrol tarikan yang buruk pada peralatan pertumbuhan juga dapat menyebabkan fluktuasi suhu.

Angka13.11secara skematis menggambarkan penampang kristal yang ditumbuhkan dengan aCZ yang mengandung antarmuka lelehan kristal yang melengkung, yang menghasilkan ketidakhomogenan pada permukaan aslice. Karena setiap wafer planar diiris, itu berisi bagian yang berbeda dari beberapa garis melengkung. Berbedacincin fonograf, disebut sebagaikeramaian, kemudian dapat terjadi di setiap wafer, yang dapat diamati di seluruh wafer menggunakan teknik yang disebutkan di atas.

Fig. 13.11 — Gambar 13.11
Ilustrasi skema penampang kristal Czochralski yang mengandung antarmuka lelehan kristal melengkung dan wafer planar yang diiris menjadi bagian yang berbeda. (Setelah[13.1])

doping

Untuk mendapatkan resistivitas yang diinginkan, sejumlah dopan tertentu (baik atom donor atau akseptor) ditambahkan ke lelehan silikon sesuai dengan hubungan resistivitas-konsentrasi. Ini adalah praktik umum untuk menambahkan dopan dalam bentuk partikel silikon yang sangat didoping atau potongan dengan resistivitas sekitar 0,01 cm, yang disebut perlengkapan dopan, karena jumlah dopan murni yang dibutuhkan sangat kecil, kecuali untuk bahan silikon yang didoping berat (n+atau p+silikon).

Adapun kriteria pemilihan bahan adopant untuk bahan asekonduktor adalah memiliki sifat-sifat sebagai berikut:

1.
Tingkat energi yang sesuai
2.
Kelarutan tinggi
3.
Cocok atau difusivitas rendah
4.
Tekanan uap rendah.

Difusivitas yang tinggi atau tekanan uap yang tinggi menyebabkan difusi atau penguapan dopan yang tidak diinginkan, yang mengakibatkan pengoperasian perangkat yang tidak stabil dan kesulitan dalam mencapai kontrol resistivitas yang tepat. Kelarutan yang terlalu kecil membatasi resistivitas yang dapat diperoleh. Selain kriteria tersebut, sifat kimia (misalnya toksisitas) harus dipertimbangkan. Pertimbangan lebih lanjut dari sudut pandang pertumbuhan kristal adalah bahwa dopan memiliki koefisien agregasi yang mendekati satu untuk membuat resistivitas seseragam mungkin dari ujung benih hingga ujung ujung ingot kristal CZ. Akibatnya, fosfor (P) dan boron (B) adalah dopan donor dan akseptor silikon yang paling umum digunakan. untuk n+silikon, di mana atom donor banyak didoping, antimon (Sb) biasanya digunakan sebagai pengganti fosfor karena difusivitasnya yang lebih kecil, meskipun koefisien segregasinya kecil dan tekanan uapnya tinggi, yang menyebabkan variasi besar dalam konsentrasi baik aksial dan arah radial.

Oksigen dan Karbon

Seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar.13.3pita13.6, aquartz (SiO2) wadah dan elemen pemanas grafit digunakan dalam metode pertumbuhan kristal CZ-Si. Permukaan wadah yang bersentuhan dengan lelehan silikon secara bertahap larut karena reaksi

S i O_{2} + Si \to 2 S i O .

(13.8)Reaksi ini memperkaya lelehan silikon dengan oksigen. Sebagian besar atom oksigen menguap dari permukaan lelehan sebagai silikon mono-oksida (SiO) yang mudah menguap, tetapi beberapa di antaranya tergabung ke dalam kristal asilikon melalui antarmuka lelehan kristal. Namun, karbon dalam kristal silikon CZ terutama berasal dari awal polikristalin. bahan. Tingkat karbon mulai dari 0,1 hingga 1 ppma, tergantung pada pabrikannya, ditemukan dalam polisilikon. Sumber karbon dalam polisilikon diasumsikan terutama berupa pengotor yang mengandung karbon yang ditemukan dalam triklorosilan yang digunakan dalam produksi polisilikon. Bagian grafit dalam peralatan penarik CZ juga dapat berkontribusi terhadap kontaminasi karbon dengan bereaksi dengan oksigen, yang selalu ada selama pertumbuhan ambien. Produk yang dihasilkan dari CO dan CO2dilarutkan ke dalam lelehan silikon dan memperhitungkan pengotor karbon dalam kristal silikon. Dengan demikian, oksigen dan karbon adalah dua pengotor nondoping utama yang digabungkan ke dalam kristal silikon CZ dengan cara yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar.13.12. Perilaku pengotor dalam silikon ini, yang mempengaruhi sejumlah sifat kristal silikon CZ, telah menjadi subjek studi intensif sejak akhir 1950-an[13.21].

Fig. 13.12 — Gambar 13.12
Penggabungan oksigen dan karbon ke dalam kristal silikon Czochralski. (Setelah[13.1])

13.4Metode Pertumbuhan Kristal Baru

Kristal silikon yang digunakan untuk fabrikasi perangkat mikroelektronika harus memenuhi berbagai persyaratan yang ditetapkan oleh produsen perangkat. Selain persyaratan untuk silikonwafer, tuntutan kristalografi berikut menjadi lebih umum karena pembuatan perangkat mikroelektronika hasil tinggi dan kinerja tinggi:

1.
Diameter besar
2.
Kepadatan cacat rendah atau terkontrol
3.
Gradien resistivitas radial yang seragam dan rendah
4.
Konsentrasi oksigen awal yang optimal dan presipitasinya.

Jelas bahwa produsen kristal silikon tidak hanya harus memenuhi persyaratan di atas tetapi juga memproduksi kristal tersebut secara ekonomis dan dengan hasil produksi yang tinggi. Perhatian utama penumbuh kristal silikon adalah kesempurnaan kristalografi dan distribusi aksial dopan dalam silikon CZ. Untuk mengatasi beberapa masalah dengan metode pertumbuhan kristal CZ konvensional, beberapa metode pertumbuhan kristal baru telah dikembangkan.

13.4.1Pertumbuhan Czochralski dengan Medan Magnet Terapan (MCZ)

Aliran konveksi lelehan dalam wadah sangat mempengaruhi kualitas kristal silikon CZ. Secara khusus, lurik pertumbuhan yang tidak menguntungkan diinduksi oleh konveksi leleh yang tidak stabil yang mengakibatkan fluktuasi suhu pada antarmuka pertumbuhan. Kemampuan medan amagnetik untuk menghambat konveksi termal dalam cairan penghantar listrik pertama kali diterapkan pada pertumbuhan kristal antimonida indium melalui teknik perahu horizontal.13.28] dan teknik peleburan zona horizontal[13.29]. Melalui penyelidikan ini, dipastikan bahwa medan magnet dengan kekuatan yang cukup dapat menekan fluktuasi suhu yang menyertai konveksi lelehan, dan secara dramatis dapat mengurangi pergoresan pertumbuhan.

Pengaruh medan magnet pada lurik pertumbuhan dijelaskan oleh kemampuannya untuk mengurangi konveksi termal turbulen dari lelehan dan pada gilirannya menurunkan fluktuasi suhu pada antarmuka kristal-lebur. Peredam aliran fluida yang disebabkan oleh medan magnet disebabkan oleh gaya gerak magnet yang diinduksi ketika alirannya ortogonal terhadap garis fluks magnet, yang menghasilkan peningkatan viskositas kinematik efektif dari lelehan konduktor.

Pertumbuhan kristal silikon dengan metode CZ (MCZ) yang diterapkan medan magnet dilaporkan untuk pertama kalinya pada tahun 1980[13.30]. Awalnya MCZ dimaksudkan untuk pertumbuhan kristal silikon CZ yang mengandung konsentrasi oksigen rendah dan karena itu memiliki resistivitas tinggi dengan variasi radial rendah. Dengan kata lain, silikon MCZ diharapkan dapat menggantikan silikon FZ yang hampir secara eksklusif digunakan untuk fabrikasi perangkat listrik. Sejak itu, berbagai konfigurasi medan magnet, dalam hal arah medan magnet (horizontal atau vertikal) dan jenis magnet yang digunakan (konduktif normal atau superkonduktif), telah dikembangkan.13.31]. Silikon MCZ yang diproduksi dengan berbagai konsentrasi oksigen yang diinginkan (dari rendah ke tinggi) sangat menarik untuk aplikasi perangkat yang berbeda. Nilai silikon MCZ terletak pada kualitasnya yang tinggi dan kemampuannya untuk mengontrol konsentrasi oksigen pada rentang yang luas, yang tidak dapat dicapai dengan menggunakan metode CZ konvensional[13.32], serta tingkat pertumbuhannya yang ditingkatkan[13.33].

Sejauh menyangkut kualitas kristal, tidak ada keraguan bahwa metode MCZ menyediakan kristal silikon yang paling disukai untuk industri perangkat semikonduktor. Biaya produksi silikon MCZ mungkin lebih tinggi daripada silikon CZ konvensional karena metode MCZ mengkonsumsi lebih banyak daya listrik dan memerlukan peralatan tambahan dan ruang operasi untuk elektromagnet; namun, dengan mempertimbangkan tingkat pertumbuhan MCZ yang lebih tinggi, dan ketika magnet superkonduktif yang membutuhkan ruang lebih kecil dan mengkonsumsi lebih sedikit daya listrik dibandingkan dengan magnet konduktif digunakan, biaya produksi kristal silikon MCZ dapat menjadi sebanding dengan kristal silikon CZ konvensional. Selain itu, peningkatan kualitas kristal silikon MCZ dapat meningkatkan hasil produksi dan menurunkan biaya produksi.

13.4.2Metode Czochralski Berkelanjutan (CCZ)

Biaya produksi kristal sangat bergantung pada biaya bahan, khususnya biaya yang digunakan untuk cawan lebur kuarsa. Dalam proses CZ konvensional, yang disebut aproses batch, kristal ditarik dari satu wadah muatan, dan wadah kuarsa hanya digunakan sekali dan kemudian dibuang. Hal ini karena sejumlah kecil silikon yang tersisa memecahkan cawan lebur saat mendingin dari suhu tinggi selama setiap proses pertumbuhan.

Salah satu strategi untuk mengisi kembali wadah aquartz dengan lelehan secara ekonomis adalah dengan terus menambahkan umpan saat kristal tumbuh dan dengan demikian mempertahankan lelehan pada volume yang konstan. Selain menghemat biaya wadah, metode pengisian terus menerus Czochralski (CCZ) menyediakan lingkungan yang ideal untuk pertumbuhan kristal silikon. Seperti telah disebutkan, banyak ketidakhomogenan dalam kristal yang ditumbuhkan dengan proses batch CZ konvensional adalah akibat langsung dari kinetika tidak tetap yang timbul dari perubahan volume lelehan selama pertumbuhan kristal. Metode CCZ bertujuan tidak hanya untuk mengurangi biaya produksi tetapi juga untuk menumbuhkan kristal dalam kondisi stabil. Dengan mempertahankan volume lelehan pada tingkat yang konstan, kondisi aliran termal dan lelehan yang stabil dapat dicapai (lihat Gambar.13.9, yang menunjukkan perubahan lingkungan termal selama pertumbuhan CZ konvensional).

Pengisian terus menerus biasanya dilakukan dengan memberi makan polisilikon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar.13.13[13.34]. Sistem ini terdiri dari ahopper untuk menyimpan bahan baku polysilicon dan avibratory feeder yang memindahkan polysilicon ke crucible. Dalam wadah yang berisi lelehan silikon, diperlukan baffle aquartz untuk mencegah turbulensi leleh yang disebabkan oleh pengumpanan bahan padat di sekitar antarmuka pertumbuhan. Butiran polisilikon yang mengalir bebas seperti yang disebutkan sebelumnya jelas menguntungkan untuk metode CCZ.

Fig. 13.13 — Gambar 13.13
Ilustrasi skema dari metode Czochralski pengisian terus menerus. (Setelah[13.34])

Metode CCZ tentu saja memecahkan sebagian besar masalah yang berkaitan dengan ketidakhomogenan dalam kristal yang ditumbuhkan dengan metode CZ konvensional. Selain itu, kombinasi MCZ dan CCZ (CZ kontinu yang diterapkan medan magnet (PKS) diharapkan memberikan metode pertumbuhan kristal terbaik, memberikan kristal silikon yang ideal untuk berbagai aplikasi mikroelektronika[13.1]. Memang, telah digunakan untuk menumbuhkan kristal silikon berkualitas tinggi yang ditujukan untuk perangkat mikroelektronika[13.35].

Namun, harus ditekankan bahwa sejarah termal yang berbeda dari bagian kristal yang berbeda (dari biji hingga ujung ekor, seperti yang ditunjukkan pada Gambar.13.9) harus dipertimbangkan bahkan ketika kristal ditumbuhkan dengan metode pertumbuhan yang ideal. Untuk menghomogenkan kristal yang tumbuh atau untuk mendapatkan keseragaman aksial dalam sejarah termal, beberapa bentuk pasca perawatan, seperti anil suhu tinggi.13.36], diperlukan untuk kristal.

13.4.3Metode Pertumbuhan Tanpa Leher

Seperti disebutkan sebelumnya, proses necking Dash (yang tumbuh di leher dengan diameter 3-5 mm, Gambar.13.7) adalah langkah kritis selama pertumbuhan kristal CZ karena menghilangkan dislokasi yang tumbuh. Teknik ini telah menjadi standar industri selama lebih dari 40 tahun. Namun, permintaan baru-baru ini untuk diameter kristal besar (> 300 mm, dengan berat lebih dari 300 kg) telah mengakibatkan kebutuhan untuk leher berdiameter lebih besar yang tidak menyebabkan dislokasi ke dalam kristal yang sedang tumbuh, karena leher tipis berdiameter 3-5 mm tidak dapat mendukung kristal sebesar itu.

Benih berdiameter besar yang biasanya panjangnya 170 mm, dengan diameter minimum> 10 mm dan rata-rata 12 mm tumbuh dari lelehan silikon yang didoping dengan boron (

& gt; 10^{19} a t o m s / c m^{3}

) telah digunakan untuk menumbuhkan kristal silikon CZ berdiameter 200 mm yang bebas dislokasi.13.37,13.38]. Diperkirakan bahwa leher berdiameter besar dengan diameter 12 mm dapat menopang kristal CZ seberat 2000 kg[13.39]. Angka13.14a,bamenunjukkan kristal silikon CZ bebas dislokasi berdiameter 200 mm yang ditumbuhkan tanpa proses necking Dash, dan Gambar.13.14a,bb menunjukkan bijinya yang membesar (bandingkan dengan Gambar.13.7). Mekanisme di mana dislokasi tidak dimasukkan ke dalam kristal yang sedang tumbuh terutama dikaitkan dengan efek pengerasan dari doping berat boron dalam silikon.

Fig. 13.14a,b — Gambar 13.14a,b
Kristal silikon Czochralski bebas dislokasi berdiameter 200 mm yang ditanam tanpa proses necking Dash. (a)Seluruh tubuh, (b) biji dan kerucut. (Courtesy dari Prof. K. Hoshikawa)

Referensi

13.1F. Shimura:Teknologi Kristal Silikon Semikonduktor(Akademik, New York 1988)beasiswa Google
13.2WC Dash: J. Appl. fisik.29, 736 (1958)CrossRefbeasiswa Google
13.3K.Takada, H.Yamagishi, H.Minami, M.Imai: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1998) hal.376beasiswa Google
13.4JRMcCormic: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1986) hal.43beasiswa Google
13.5PA Taylor: Teknologi Solid State.Juli, 53 (1987)beasiswa Google
13.6WG Pfann: Trans. Saya. Inst. min. logam. Ind.194, 747 (1952)beasiswa Google
13.7CHPembuat: Paten AS 3060123 (1962)beasiswa Google
13.8PH Keck, MJE Golay: Phys. Putaran.89, 1297 (1953)CrossRefbeasiswa Google
13.9W. Keller, A. Mühlbauer:Silikon Zona Terapung(Marcel Dekker, New York 1981)beasiswa Google
13.10JM Meese:Doping Transmutasi Neutron dalam Semikonduktor(Pleno, New York 1979)CrossRefbeasiswa Google
13.11HMLiaw, CJVarker: Dalam:Silikon semikonduktor(The Electrochemical Society, Pennington 1977) hal.116.1beasiswa Google
13.12ELKern, LSYaggy, JABarker: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1977) hal.52beasiswa Google
13.13SM Hu: Appl. fisik. Lett.31, 53 (1977)CrossRefbeasiswa Google
13.14K. Sumino, H. Harada, I. Yonenaga: Jpn. J. Aplikasi. fisik.19, L49 (1980)CrossRefbeasiswa Google
13.15K. Sumino, I. Yonenaga, A. Yusa: Jpn. J. Aplikasi. fisik.19, L763 (1980)CrossRefbeasiswa Google
13.16T.Abe, K.Kikuchi, S.Shirai: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1981) hal.54beasiswa Google
13.17J. Czochralski: Z. Phys. Kimia92, 219 (1918)beasiswa Google
13.18GK Teal, JB Kecil: Phys. Putaran.78, 647 (1950)beasiswa Google
13.19W. Zulehner, D. Huber: Dalam:Kristal 8: Silikon, Etsa Kimia(Springer, Berlin, Heidelberg 1982) hal. 1beasiswa Google
13.20H. Tsuya, F. Shimura, K. Ogawa, T. Kawamura: J. Elektrokimia. Soc.129, 374 (1982)CrossRefbeasiswa Google
13.21F. Shimura (Ed.):Oksigen dalam Silikon(Akademik, New York 1994)beasiswa Google
13.22S. Kishino, Y. Matsushita, M. Kanamori: Appl. fisik. Lett.35, 213 (1979)CrossRefbeasiswa Google
13.23F. Shimura: J.Appl. fisik.59, 3251 (1986)CrossRefbeasiswa Google
13.24HD Chiou, J. Moody, R. Sandfort, F. Shimura: teknologi sains VLSI, Proc. 2nd Int. Sim. Integrasi Skala Sangat Besar. (Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1984) hal. 208beasiswa Google
13.25F. Shimura, RS Hocket: Appl. fisik. Lett.48, 224 (1986)CrossRefbeasiswa Google
13.26A.Huber, M.Kapser, J.Grabmeier, U.Lambert, WvAmmon, R.Pech: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 2002) hal.280beasiswa Google
13.27GARozgonyi: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 2002) hal.149beasiswa Google
13.28HP Utech, MC Flemings: J. Appl. fisik.37, 2021 (1966)CrossRefbeasiswa Google
13.29HA Chedzey, DT Hurtle: Alam210, 933 (1966)CrossRefbeasiswa Google
13.30K.Hoshi, T.Suzuki, Y.Okubo, N.Isawa: Ext. Abstrak Elektrokimia. Soc. Pertemuan ke-157. (Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1980) hal.811beasiswa Google
13.31M.Ohwa, T.Higuchi, E.Toji, M.Watanabe, K.Homma, S.Takasu: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1986) hal.117beasiswa Google
13.32M.Futagami, K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki, Y.Okubo, Y.Kato, Y.Okamoto: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1986) hal.939beasiswa Google
13.33T.Suzuki, N.Isawa, K.Hoshi, Y.Kato, Y.Okubo: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1986) hal.142beasiswa Google
13.34W.Zulehner: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1990) hal.30beasiswa Google
13.35Y.Arai, M.Kida, N.Ono, K.Abe, N.Machida, H.Futuya, K.Sahira: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1994) hal.180beasiswa Google
13.36F. Shimura: Dalam:Sains dan Teknologi VLSI(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1982) hal. 17beasiswa Google
13.37S.Chandrasekhar, KMKim: Dalam:Silikon semikonduktor(Masyarakat Elektrokimia, Pennington 1998) hal.411beasiswa Google
13.38K. Hoshikawa, X. Huang, T. Taishi, T. Kajigaya, T. Iino: Jpn. J. Aplikasi. fisik.38, L1369 (1999)CrossRefbeasiswa Google
13.39KM Kim, P. Smetana: J. Cryst. Pertumbuhan100, 527 (1989)CrossRefbeasiswa Google

13.1Gambaran

13.2Bahan Awal

13.2.1Silikon Kelas Metalurgi

13.2.2silikon polikristalin

Senyawa Kimia Menengah

Hidroklorinasi Silikon

Distilasi dan Dekomposisi Trichlorosilane

Proses Monosilane

Deposisi Polisilikon Granular

13.3Pertumbuhan Kristal Tunggal

13.3.1Metode Zona Terapung

Keterangan Umum

Garis Besar Proses

doping

Sifat Kristal FZ-Silikon

13.3.2Metode Czochralski

Keterangan Umum

Garis Besar Proses

Pengaruh Lokasi Spasial dalam GrownCrystal

13.3.3Kotoran di Czochralski Silicon

Ketidakhomogenan Ketidakhomogenan

Pemisahan

Lurik

doping

Oksigen dan Karbon

13.4Metode Pertumbuhan Kristal Baru

13.4.1Pertumbuhan Czochralski dengan Medan Magnet Terapan (MCZ)

13.4.2Metode Czochralski Berkelanjutan (CCZ)

13.4.3Metode Pertumbuhan Tanpa Leher

Referensi

Industri terkait

Kirim permintaan