Основы технологии материалов микроэлектроники

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.В. КАМЕНСКАЯ

ОСНОВЫ 

ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ 

МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Учебно-методическое пособие

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.38.002.3(075.8)

К 181

Рецензенты: доц. каф. КТРС, канд. техн. наук С.В. Дорогой,

доц. каф. ППиМЭ, канд. техн. наук В.А. Илюшин

Работа подготовлена на кафеде

полупроводниковых приборов и микроэлектроники

для студентов III и IV курсов дневной и заочной форм обучения 
и утверждена Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Каменская А.В.

К 181
Основы технологии материалов микроэлектроники: учеб.
метод. пособие / А.В. Каменская. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 
2010. – 96 с.

ISBN 978-5-7782-1420-0

В пособии кратко изложены основные представления о технологи
ческих методах и процессах, используемых в производстве основных 
материалов микроэлектроники. Рассмотрены физические явления и 
равновесные закономерности, лежащие в основе управления фазовыми 
и химическими превращениями веществ.

Адресовано студентам дневной и заочной форм обучения направ
лений: 210100 «Электроника и микроэлектроника», 210600 – «Нанотехнология» специальностей: 210104 – «Микроэлектроника и твердотельная электроника, 210108 – «Микросистемная техника».

УДК 621.38.002.3(075.8)

ISBN 978-5-7782-1420-0
© Каменская А.В., 2010
© Новосибирский государственный

технический университет, 2010

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современная микроэлектроника берет начало от планарной техно
логии на твердом теле и пленочной технологии. Свойства полупроводниковых структур в значительной степени определяются качеством 
монокристаллов, из которых они изготовлены, поэтому разработка 
технологии получения монокристаллов с заданными свойствами –
чрезвычайно важная задача. Развитие технологии материалов микроэлектроники происходит так стремительно, что технологические процессы и соответствующее оборудование быстро устаревают, поэтому 
основное внимание в настоящем пособии уделено методам, позволяющим управлять зависимостью состав – структура – свойства кристаллов полупроводниковых материалов.

Наибольшее применение в настоящее время находят монокристал
лы элементарных полупроводников, в первую очередь, кремния. Вместе с тем существует потребность и в монокристаллах полупроводниковых соединений и твердых растворах на их основе.

В настоящей работе кратко изложены технологии полупроводни
ковых материалов в виде объемных монокристаллов, подложек и эпитаксиальных структур, не содержащих р–n-переходов, металлических 
или диэлектрических слоев, а также основные существующие методы 
их очистки от примесных компонентов.

При работе над данным пособием были использованы материалы 

монографий [1–8].

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 

ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ 
ПОЛУПРОВОДНИКОВ ИЗ РАСПЛАВОВ

Некоторые свойства веществ нередко ограничивают выбор метода 

получения; особое значение при этом имеет их химическая активность. 
Выращивание монокристаллов полупроводников осуществляют с целью получения материала с контролируемыми и воспроизводимыми 
свойствами, которые зависят от природы и концентрации примесей, 
присутствующих в решетке кристалла. Поэтому выбранный метод 
должен в первую очередь обеспечивать сохранение чистоты исходных 
веществ и возможность введения в решетку кристалла соответствующей примеси.

В основу общей классификации методов выращивания положены 

природа и состав питающей фазы:

1) рост из расплавов чистых веществ и расплавов, легированных 

примесями;

2) рост из растворов кристаллизуемого вещества в чистом раство
рителе или в растворителе, содержащем примесь;

3) рост из паровой фазы, когда она состоит из атомов или молекул 

элементов, образующих кристалл или из различных химических соединений атомов, образующих кристалл.

Под кристаллизацией из расплавов понимается кристаллизация, ко
гда состав расплава не отличается или незначительно отличается от 
состава кристаллизующейся фазы.

Все технологические методы выращивания монокристаллов из 

расплавов можно разделить на две группы:

а) тигельные методы;
б) беcтигельные методы.

Выбор того или иного метода зависит в первую очередь от физиче
ских и физико-химических свойств материалов. Общим для этих методов является то, что во всех случаях направленная кристаллизация 
обеспечивается созданием и поддержанием температурного градиента 
и механическим перемещением границы раздела кристалл – расплав 
через зону температурного градиента.

1.1. Тигельные методы

Направленная кристаллизация в тигле или лодочке
При наиболее старом, но еще широко используемом методе Брид
жмена расплав и растущий кристалл находится или в тигле (рис. 1), 
или в лодочке (рис. 2). Тигель или лодочка, изготовленные из более тугоплавкого материала, чем вещество кристалла, заполняются поликристаллическим материалом, помещаются в печь и нагреваются до температуры, превышающей температуру плавления полупроводника. Затем тигель с расплавом охлаждают так, чтобы кристаллизация 
начиналась с заостренного конца. Поскольку объем расплава, находящийся в конусообразной части тигля, невелик, то вероятность образования одного центра кристаллизации увеличивается. Дальнейшее охлаждение проводят так, чтобы изотермическая поверхность, близкая к 
точке плавления вещества, перемещалась от конца тигля вверх через 
весь расплав. При этом происходит рост зародыша или зародышей, 
возникших в заостренном конце тигля; в результате получается слиток, 

Рис. 1. Тигельные методы выращивания монокристаллов из 
расплавов: метод Бриджмена 
«вертикальный»

Рис. 2.
Тигельные 

методы выращивания монокристаллов 
из расплавов: метод 
направленной кри

сталли
зации

повторяющий форму и размер тигля. Слиток будет монокристаллическим, если в заостренной части тигля спонтанно образовался единственный зародыш.

Методы направленной кристаллизации в лодочке широко исполь
зуются при выращивании монокристаллов полупроводниковых веществ, разлагающихся при плавлении.

При выращивании кристаллов в тигле, расположенном в верти
кальной печи сопротивления, невозможность наблюдения за фронтом 
кристаллизации не позволяет использовать монокристаллические затравки. Большим недостатком этого метода является также и то, что 
растущий кристалл находится в контакте со стенками тигля. Поскольку большинство полупроводниковых материалов характеризуется неплотно упакованными структурами, то объем кристалла больше объема расплава, а поэтому в образующемся кристалле возникают большие 
механические напряжения.

Зонная плавка в лодочке
Рассмотрим технологию процесса кристаллизации. Расположим в 

одном конце лодочки монокристаллическую затравку, а остальную ее 
часть заполним поликристаллическим материалом. Поместим лодочку 
в кварцевую трубу, где создадим атмосферу инертного газа; для нагрева используют или узкую печь сопротивления (два – три витка закрученной в спираль проволоки), или двух-, трехвитковый индуктор, питаемый высокочастотным генератором. Эти источники нагрева 
позволяют создать в монокристаллической затравке узкую зону рас
плава (рис. 3). Перемещая источник 
нагрева вдоль кварцевой трубы, 
обеспечим передвижение зоны расплава вдоль обрабатываемого слитка. При движении зоны с одного 
края будет происходить кристаллизация, а с другого – расплавление 
материала. При использовании монокристаллической затравки создаются 
условия, позволяющие превратить 
весь слиток в монокристалл.

Рис. 3. Тигельные методы выращивания монокристаллов из расплавов: зонная плавка в лодочке

С точки зрения процесса кристаллизации метод зонной плавки ма
ло чем отличается от метода Бриджмена. Используя одну печь для создания температурного «фона» вдоль всего слитка (температура ниже 
температуры плавления вещества) и вторую печь, передвигающуюся 
вдоль всего слитка, для создания расплавленной зоны, имеем возможность контролировать температурный градиент у фронта кристаллизации и создавать условия для повышения структурного совершенства 
монокристалла. Преимуществом этого метода является то, что время, в 
течение которого расплав находится в контакте с материалом лодочки, 
намного меньше, чем при методе Бриджмена, а потому загрязнение 
материала значительно меньше. Кроме того, используя данный метод, 
можно регулировать ширину расплавленной зоны и скорость ее перемещения, а также создавать вдоль слитка несколько отдельных расплавленных зон. Управление формой фронта кристаллизации, особенно по вертикали, является, однако, весьма сложной задачей, так как 
здесь большую роль играют относительные теплопроводности материала тигля и обрабатываемого вещества. Выбор материала для тигля в 
большинстве случаев ограничен и определяется физико-химическими 
свойствами обрабатываемого материала. Возможности этого метода 
имеют наибольшее значение для глубокой очистки материалов от примесей.

Метод вытягивания (метод Чохральского)
Выращивание монокристаллов германия, кремния и ряда других 

веществ методом вытягивания из расплавов является в настоящее время наиболее распространенным при промышленном производстве 
больших монокристаллов с контролируемыми и воспроизводимыми 
свойствами.

На рис. 4 представлены основные элементы устройства для вытя
гивания монокристаллов методом Чохральского. Процесс проводится 
в герметичной камере в атмосфере инертного газа или в вакууме. Камера снабжена смотровым окном для визуального наблюдения за процессом. Все исполнительные механизмы расположены вне камеры.

Материал М помещается в тигель, насаженный на водоохлаждае
мый шток Б-1. Шток Б-1 выводится из камеры через уплотнения Вильсона и при помощи электропривода, расположенного вне камеры, приводится во вращение со строго постоянной скоростью. Шток Б-1
можно также перемещать вверх или вниз для подбора оптимального 
положения тигля с расплавом по отношению к нагревательному эле

менту В. В качестве нагревательного элемента обычно используют 
печь сопротивления (например, графитовые нагреватели) или источник 

индукционного 
высокочастотного 

нагрева. Через уплотнения Вильсона, 
расположенные на верхнем фланце 
камеры соосно с нижним штоком, в 
камеру вводится водоохлаждаемый 
шток Б-2. На нижнем конце штока 
Б-2 при помощи цангового крепления 
фиксируется 
монокристаллическая 

затравка кристаллизуемого материала. При помощи соответствующих 
электроприводов шток Б-2 может перемещаться вверх и вниз с любой заданной скоростью и вращаться с постоянной скоростью (5…100 об/мин).

Процесс проводится следующим 

образом. Тщательно протравленный, 
промытый и высушенный полупроводниковый материал загружается в 
тигель; камера герметизируется и откачивается до получения вакуума или 
продувается чистым инертным газом. 

Тигель устанавливается на нужной высоте и приводится во вращение с 
постоянной скоростью (около 10 об/мин). При постепенном повышении мощности, подаваемой на нагреватель, материал доводится до 
плавления и выдерживается некоторое время в перегретом состоянии. 
Небольшой перегрев материала необходим для очистки расплава от нерастворимых примесей, главным образом окислов, которые неизбежно 
покрывают поверхность загруженного материала. В случае германия и 
кремния окислы GeO2 и SiO2, взаимодействуя с расплавом, удаляются 
за короткое время в виде летучих субокислов, которые осаждаются на 
всех холодных частях камеры. Чтобы избежать осаждения летучих 
соединений и примесей на монокристаллическую затравку, целесообразно во время предварительного нагрева расплава подвести затравку в горячую зону к зеркалу расплава. Когда зеркало расплава 
очистится, включается система автоматического регулирования температуры, которая доводит температуру расплава до значения, немного 
превышающего температуру плавления материала. Затравка медленно 

Рис. 4. Схема установки для выращивания монокристаллов мето
дом Чохральского

подводится к зеркалу расплава до установления с ним контакта, и шток 
Б-2 мгновенно останавливается (момент контакта можно наблюдать 
визуально или фиксировать при помощи автоматического устройства). 
Распределение температуры таково, что наиболее холодная точка находится в центре зеркала расплава. Температура этой точки должна 
несколько превышать температуру плавления материала. Температура 
стенок тигля в течение всего процесса должна быть выше температуры 
плавления (во избежание паразитной кристаллизации на стенках тигля). При установлении контакта между перегретым расплавом и затравкой последняя оплавляется, и граница раздела расплав – затравка 
оказывается расположенной над поверхностью зеркала расплава 
(рис. 5). Высота расположения границы раздела h зависит от степени 
перегрева расплава и условий теплоотвода через затравку к водоохлаждаемому штоку. Наибольшая высота цилиндрического столба жидкости достигается тогда, когда его вес равен величине сил поверхностного натяжения, действующих на границе раздела:

2

ж
2
h
r g
   
, 
(1)

где – поверхностное натяжение; r – радиус столба жидкости; h – высота столба жидкости; 
ж
 – плотность расплава; g – ускорение свобод
ного падения.

Если расплав оказывается сильно перегретым, то через короткий 

промежуток  времени  происходит разрыв столба; если же температура 

а
б
в

Рис. 5. Влияние различных факторов на высоту столбика расплава 
под кристаллом h0 , форму мениска расплава, угол его с осью моно
кристалла α и диаметр монокристалла d

расплава слишком низка, то в расплаве вокруг затравки создается область переохлаждения и при неподвижном штоке начинается заметное 
наращивание кристалла на затравку. Вытягивание кристалла необходимо начинать при промежуточной между двумя этими случаями температуре расплава, т. е. когда затравка сцеплена с расплавом и не происходит еще роста кристалла.

При вытягивании кристаллизация происходит у границы раздела. 

Диаметр вытягиваемого слитка d зависит от воздействия скорости вытягивания и величины температурного градиента на границе раздела. 
Количество тепла, выделяющегося у границы раздела, пропорционально количеству материала, кристаллизующегося в единицу времени. 
С увеличением скорости вытягивания увеличивается количество выделяемой в единицу времени скрытой теплоты кристаллизации и снижается величина температурного градиента на границе раздела. При этом
диаметр слитка самопроизвольно уменьшается, уменьшается и выделение теплоты кристаллизации , что приводит к установлению нового 
значения градиента температуры и к новым условиям роста. При постоянных условиях теплоотвода и скорости вытягивания повышение
мощности нагрева вызывает уменьшение диаметра слитка, а понижение – его увеличение.

Обязательным условием для выращивания монокристаллов высо
кого качества является высокая стабильность скорости вытягивания, 
скоростей вращения нижнего и верхнего штоков и постоянство мощности, подводимой к источнику нагрева тигля.

Основными преимуществами метода Чохральского по сравнению с 

другими методами выращивания монокристаллов являются следующие:

 кристалл формируется в свободном пространстве, не испытывая 

никаких механических воздействий со стороны тигля;

 размеры растущего кристалла можно произвольно изменять в 

пределах конструкции установки;

 распределение температур в расплаве и на границе раздела мож
но изменять по желанию оператора;

 скорость вытягивания и скорость вращения кристалла и тигля 

определяются оператором, который имеет возможность визуально наблюдать за процессом роста.