Основные способы определения качества кремния

• Визуальный осмотр. Отбраковывают части слитка, имеющие неправильную форму, меньший диаметр, плоскости двойникования.

• Селективное травление проводят в хвостовой части кристаллического слитка для выявления дислокаций. Используют травитель Сиртла, состоящий из 49% HF и 5 М хромовой кислоты, смешанной в пропорции 1:1.

• Ультразвуковой метод применяется для выявления микротрещин.

• Четырехзондовый метод применяется для определения удельного сопротивления кремния (концентрации примесей). При этом контролируются постоянство прижима электродов-зондов и температура монокристалла.

Окончательная обработка кремния

Из установки извлекают кремниевый слиток диаметром 20 - 50 см и длиной до 3 метров. Для получения из него кремниевых пластин заданной ориентации и толщиной в несколько десятых миллиметра производят следующие технологические операции:

1. Механическая обработка слитка:

   • отделение затравочной и хвостовой части слитка;

   • обдирка боковой поверхности до нужной толщины;

   • шлифовка одного или нескольких базовых срезов (для облегчения дальнейшей ориентации в технологических установках и для определения кристаллографической ориентации);

   • резка алмазными пилами слитка на пластины: (100) - точно по плоскости (111) - с разориентацией на несколько градусов.

2. Травление. На абразивном материале SiC или Al2O3 удаляются повреждения высотой более 10 мкм. Затем в смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот, приготовленной в пропорции 1:4:3, или раствора щелочей натрия производится травление поверхности Si.

3. Полирование - получение зеркально гладкой поверхности. Используют смесь полирующей суспензии (коллоидный раствор частиц SiO2 размером 10 нм) с водой.

В окончательном виде кремний представляет собой пластину диаметром 15 - 40 см, толщиной 0.5 - 0.65 мм с одной зеркальной поверхностью.

2. Термическое окисление полупроводниковых пластин

Получаемая при окислении пленка SiO2 выполняет следующие функции:

• защита поверхностей вертикальных участков p-n переходов, выходящих на поверхность;

• маски, через окна которой вводится необходимые примеси при легировании;

• тонкого диэлектрика под затвором МОП транзистора;

• для межслойной изоляции разводки;

Рис. 4. Схема МОП-транзистора

Методы получения слоев SiO₂:

Получаемые слои SiO₂ совершенны по равномерности толщины и структуре, а также обладают высокими диэлектрическими свойствами.

Существует две основные разновидности метода термического окисления кремния:

1. высокотемпературное окисление в атмосфере сухого кислорода или водяного пара при атмосферном давлении;

2. окисление в парах воды при высоком давлении и температуре 500800С;

Процесс окисления кремния происходит в три этапа:

1. адсорбция окислителя поверхностью пластины, покрытой оксидом;

2. перенос окислителя через оксидный слой SiO₂;

3. реакция окислителя с кремнием на границе Si - SiO₂;

Толщина оксидной пленки определяется по формуле:

, где

k – коэффициент, зависящий от температуры и влажности кислорода;

t – время;

Особенности:

• окисление при сухом кислороде в десятки раз медленнее влажного;

• с уменьшением температуры на каждые 100 время окисления повышается в 23 раза;

Различают толстые (0,70,8 мкм) и тонкие (0,10,2 мкм) слои.

Рис. 5. Однозонная высокотемпературная печь

В промышленности выполняется комбинированное окисление: сначала выращивается тонкий слой SiO₂ в сухом кислороде, толстый слой SiO₂ во влажном, а затем снова в сухом.

Недостатки метода термического окисления – трудноуправляемые физические явления:

• возникновение зарядов в слое оксида;

• невысокая стойкость к проникновению водяных паров и ионов щелочных металлов;

• малый коэффициент теплопроводности;

Дальнейшим совершенствованием метода является освоение новых материалов. Одним из перспективных материалов является Si₃N₄.

Преимущества:

• материал обладает лучшими маскирующими и защитными свойствами в меньших толщинах из-за более высокой плотности и термостойкости;

• высокая скорость нанесения (до 10нм/мин);

• электрическая прочность выше чем у SiO₂ (10⁷ В/см);

Для получения слоев используются методы:

1. осаждение продуктов при протекании реакции взаимодействия силана кремния (Si₃N₄) c аммиаком или гидразином (N₂H₄);

2. нанесение реактивным катодным распылением; высокочастотным реактивным распылением в плазме азота; плазмохимическим осаждением Si в присутствии азота.