Полупроводниковые материалы (лекци 7)

1.

Радиоматериалы и
радиокомпоненты
Лекция 7.
Полупроводниковые
материалы 1.

2.

Si

3.

Si

4.

Si

5.

Si

6.

Диэлектрическая проницаемость: 12
Подвижность электронов: 1200—1450 см²/(В·c).
Подвижность дырок: 500 см²/(В·c).
Ширина запрещённой зоны 1,21 эВ при 0 К.
Время жизни свободных электронов: 5 нс — 10 мс
Длина свободного пробега электронов: порядка 1 мм.
Длина свободного пробега дырок: порядка 0,2—0,6 мм.

7.

Типы полупроводников
• Полупроводники встречаются среди различных химических соединений с
большим разнообразием кристаллических структур. Это могут быть
элементы, как Si и селен (Se), или двойные соединения, как арсенид галлия
(GaAs).
• Некоторые полупроводники проявляют магнитные
сегнетоэлектрические свойства.
(Cd1-xMnxTe) или
• Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками
(GeTe, SrTiO3).
• Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников
имеют неметаллические полупроводящие фазы.
• Например, La2CuO4 является полупроводником, но при образовании сплава
с Sr становится сверхпроводником (La1-xSrx)2CuO4 (смысл х в следующих
трех слайдах)

8.

твердые растворы
• химические соединения или интерметаллиды
(GaAs - арсенид галлия, CdS-сульфид кадмия
и т.д.); AIIIBV, AIIBVI
• фазы переменного состава, т.н. твердые
растворы (GaxIn1-xSb, PbxSn1-xTe и т.п.)

9.

ГЦК решетка меди
смысл х

10.

ГЦК решетка меди и (х) атомов
примеси золота Cu1-xAux
смысл х
Х=1/2
Cu1-xAux
Cu0,5Au0,5

11.

ГЦК решетка меди и х атомов
примеси золота Cu1-xAux
смысл х
Х → значение
определите
сами
Cu1-xAux

12.

1.1. Типы полупроводников
Элементарные полупроводники. Наиболее известным
полупроводником является, конечно, элемент Si
Вместе с германием Ge он является прототипом большого
класса полупроводников со схожими кристаллическими
структурами
Кристаллическая структура Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова
(называемого также «серым» оловом). В этой структуре каждый
атом окружен четырьмя ближайшими атомами, образующими
тетраэдр (говорят, что каждый атом имеет четырехкратную
координацию).

13.

Структурный тип алмаза

14.

Si
Si

15.

16.

17.

GaAs

18.

Структурный тип сфалерита ZnS

19.

Структурный тип вюртцита ZnS (или цинкита ZnO)

20.

Расположение атомов в вюрците (а) и
цинковой обманке (б)
вюртцит
сфалерит
ZnS
ZnS

21.

Si
ZnS
сфалерит
внутри
По углам и по граням

22.

Si
ZnS
внутри
По углам и по граням

23.

24.

Si

25.

Si

26.

Собственный полупроводник

27.

Собственный полупроводник

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

10 000
В одном кубическом сантиметре Атомов ~1022
В одном куб-ом сантиметре электронов ~1010
10 000 атомов кремния
Всего в кубе 1012 атомов кремния и только 1 электрон

36.

Кремний
• По распространенности в земной коре Кремний — второй
(после кислорода) элемент, его среднее содержание в
литосфере 29,5% (по массе).
• В земной коре Кремний играет такую же первостепенную роль,
как углерод в животном и растительном мире.
• Для геохимии Кремния важна исключительно прочная связь
его с кислородом. Около 12% литосферы составляет
кремнезем SiO2 в форме минерала кварца и его
разновидностей.
• 75% литосферы слагают различные силикаты и
алюмосиликаты (полевые шпаты, слюды, амфиболы и т. д.).
Общее число минералов, содержащих кремнезем, превышает
400.

37.

Si

38.

Si
параметр
а = 0,54307
нм
Плотность
(при н.у.)
2,33 г/см³
из-за большей
длины связи
между атомами
Si—Si по
сравнению с
длиной связи
С—С твёрдость
кремния
значительно
меньше, чем у
алмаза.
Кремний
хрупок

39.

Песок... Кремний, после кислорода, является самым
распространённым химическим элементом в земной коре (25% по
массе). Песок, а особенно кварц, содержит большой процент
диоксида кремния (SiO2), который является базовым
ингредиентом для производства полупроводников.
SiО2

40.

кремний
Si
• Самый доступный источник кремния — песок.
• Но кремний, который получается из песка, на
самом первом этапе недостаточно чистый: в нём
есть 0,5% примесей.
• Может показаться, что чистота 99,5% — это
достаточно, но для процессоров нужна чистота
уровня 99,9999999%. Такой кремний называется
электронным, и его можно получить после
цепочки определённых химических реакций.
• Когда цепочка заканчивается и остаётся только
чистый кремний, можно начинать выращивать
кристалл.

41.

В промышленности кремний технической чистоты производят,
восстанавливая расплавление SiO2 коксом при температуре
примерно 1800 градусов Цельсия в руднотермических печках
шахтного типа.
SiCтв+ SiO2тв →
Siтв+ SiO2газ+ COгаз
• Это металлургический
кремний
• Чистота приобретенного
таковым образом
кремния может достигать
99,9 % (главные примеси
— углерод, сплавы).

42.

SiO2 + 2С = Si + 2CO
• Кремний в промышленности получают восстановлением
кремнезема коксом в дуговых электрических печах:
SiO2 + 2С = Si + 2CO
• Этот технологический этап реализуется с помощью дуговой
печи с погруженным в нее электродом.
• Печь загружается кварцитом SiO2 и углеродом в виде угля и
кокса.
• Температура реакции Т=1800°С
• В печи происходит ряд промежуточных реакций.
SiCтв+ SiO2тв →
Siтв+ SiO2газ+ COгаз
Результирующая реакция может быть представлена в виде:

43.

Производство электронного
кремния проходит в несколько этапов:
• из металлургического
кремния получают трихлорсилан.
• Температура реакции Т=300°C.
• Siтв +3HClгаз →
SiHCl3газ+ H2газ + Q
• Электронный кремний получают из
очищенного трихлорсилана путем осаждения из парогазовой
смеси.
• 2SiHCl3газ + 3H2газ
→
2Siтв + 6HClгаз

44.

• Зонная плавка является одним из наиболее
эффективных методов глубокой очистки
полупроводников.
• Идея метода связана с различной
растворимостью примесей в твердой и жидкой
фазах полупроводника.
• Монокристалл получают из расплава, однако,
перед началом кристаллизации расплавляется
не вся твердая фаза кристалла, а только узкая
зона, которая при перемещении вдоль кристалла
втягивает в себя примеси.

45.

Зонная плавка
Поликристалл
расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

46.

Зонная плавка
Поликристалл
расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

47.

Зонная плавка
Поликристалл
расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

48.

Зонная плавка
Поликристалл
расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

49.

Зонная плавка
Поликристалл
расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

50.

Зонная плавка
Поликристалл
расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

51.

Зонная плавка
Поликристалл
расплав
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

52.

Зонная плавка
Поликристалл
слив расплава
Оттеснение примесей в расплав
Оттеснение других примесей в кристалл

53.

Очистка
поликристалл
Монокристалл
2 Обмотка нагревателя
Рост

54.

Очистка
1 – Держатель
2 - Обмотка нагревателя
3 - Монокристаллический кремний
4 - Затравочный монокристалл
5 – Держатель
6 - Расплавленная зона
7 - Стержень из поликристаллического кремния
Расплавленная область нагревается с помощью высокочастотного
индукционного нагревателя и перемещается вдоль стержня от
затравочного монокристалла.
Поскольку
большинство
примесей
обладает
хорошей
растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твердой, то по мере
продвижения зона плавления все больше насыщается примесями,
которые скапливаются на конце слитка.
Процесс зонной плавки повторяют несколько раз, а по окончании
очистки загрязненный конец слитка отрезают.

55.

Si
Плотность (при н. у.)
2,33 г/см³
Температура плавления 1414,85 °C (1688 K)
Температура кипения
2349,85 °C (2623 K)
Уд. теплота плавления 50,6 кДж/моль
Уд. теплота испарения 383 кДж/моль
Молярная
20,16 Дж/(K·моль)
теплоёмкость
Молярный объём
12,1 см³/моль

56.

Si
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки
кубическая, алмазная
Параметры решётки
5,4307 Å (0,543
нанометров)
Температура Дебая
645±5 K
Прочие характеристики
Теплопроводность
(300 K) 149 Вт/(м·К)

57.

Si

58.

Si

59.

60.

61.

Si

62.

Варианты деятельности
Технология
Схемные решения
• Рост кристаллов
• Рост пленок
• Напыление
• Травление
• Окисление
• Диффузия
• Ионное легирование
• Механическая
обработка
• Расчет топологии
микросхемы
• Математическая
модель в виде
системы
уравнений,
• Написание кода
• МОДЕЛИРОВАНИЕ
в СПЕЦИАЛЬНЫХ
КОМПЬЮТЕРНЫХ
ПАКЕТАХ
• Создание макета

63.

Лекция 7 часть 2
Выращивание
полупроводниковых
кристаллов

64.

Очистка
поликристалл
Монокристалл
2 Обмотка нагревателя
Рост

65.

Схематическое изображение печи Чохральского для роста
монокристаллов Si

66.

Si

67.

68.

Si

69.

Si

70.

Si

71.

Сегодня процессоры изготавливаются, как
правило, из 300-мм подложек.
Si

72.

Si

73.

Si

74.

Si

75.

Готовые отполированные пластины кремния.
Si

76.

Готовые отполированные пластины
кремния.
Si

77.

1 000 000 000 транзисторов в каждый кристалл. Здесь будет
около 600 микросхем
Si

78.

Хлоридные и силановый методы
получения эпитаксиальных слоев
• Гибридную эпитаксию проводят чаще всего при
температуре 1000° С реакцией пиролиза силана, которая
идет почти с такой же скоростью, как и реакция
восстановления SiCl4 при температуре 1200° С:
• SiH4 => Si + 2Н2
• cкорость растущей пленки зависит от давления в реакторе.
В интервале температур 1100 - 1225° С скорость роста
пленки практически не зависит от температуры.
• Химические реакции с участием SiH2Cl2 занимают
промежуточное положение между реакциями с участием
SiCl4 и SiH4.
Si

79.

80.

Газофазная эпитаксия.
Si

81.

Растущий слой пленки может одновременно
легироваться примесью
Пленка
кристалл

82.

SiO2
SiO2

83.

84.

Окисление

85.

Пленка из SiO2 защищает слой кремния
Новый слой
кремния
SiO2

86.

Пленка из SiO2 защищает слой кремния от
проникновения в кремний нанесенного нового
слоя

87.

После удаления лишнего

88.

Газотранспортные химические реакции
• физическое осаждение из паровой фазы (Physical Vapor
Deposition - PVD), когда процесс осаждения протекает без
каких-либо химических реакций
осаждение окиси вольфрама на лампочке в
момент разгерметизации колбы

89.

90.

Si

91.

После вырезания подложки полируются, пока их
поверхность не достигнет зеркально гладкого состояния
Диаметр 30 см
Si

92.

Si

93.

94.

1 000 000 000 транзисторов в каждый кристалл
Si

95.

1 000 000 000 транзисторов в каждый кристалл
5 мм
5 мм
Si

96.

40 000 000 000 транзисторов в каждый
кристалл
Si
4 мм
20 нм
200 000
штук
200 000 штук
4 мм =4*106 нм

97.

Пластина со множеством одинаковых
процессорных ядер.
Si

98.

Si
•В 2020, самое высокое число
транзисторов - 54 млрд МОП транзисторов, изготовленных
……технологии…7 нм .
•Вопрос. Сколько атомных слоев Si
уместится на кристалле шириной 7 нм

99.

Робот вырезает ядра из готовой пластины.
Si

100.

101.

Транзистор планарный и дискретный

102.

Транзистор планарный

103.

Лекция 7-3
Зонная очистка
полупроводников

104.

чистые и особо чистые вещества
• Основой технического прогресса в настоящее время во
многих областях техники и, в первую очередь, электроники
является производство чистых и особо чистых веществ.
• Это производство составляет основу так называемых
«высоких технологий». Особые требования к чистоте
материалов предъявляет полупроводниковая техника и
микроэлектроника.
• Как правило, заключение о пригодности
полупроводникового материала к использованию делается
в том случае, если концентрация примесных носителей тока
не подавляет собственную.

105.

контроль содержания нормируемых примесей
Принято контролировать содержание только определенных, так
называемых нормируемых примесей.
• Число таких примесей обычно не превышает 20 единиц, причем их точное
количество может и не определяться, а указываться их максимальное
содержание.
К числу таких нормируемых (определяемых) примесей относят три типа.
• 1 Технологические – примеси, вводимые в целевой продукт в процессе его
получения и переработки. Примером может служить углерод в железе.
• 2 Специфические – примеси, оказывающие сильное влияние на
практически важные свойства материалов, например бор и сурьма в
германии и кремнии.
• 3 Сопутствующие, или закономерные – примеси, являющиеся химически• ми аналогами данного элемента и сопутствующие ему в природе. Приме-

106.

• Все высокочистые вещества принято подразделять на вещества
эталонной чистоты (ВЭЧ) и особо чистые вещества (ОСЧ).
• В первых лимитируют небольшое количество особо
нежелательных примесей, например специфических. При этом
указывают общее содержание примесей в виде цифр перед
индексом ВЭЧ, а также количество определяемых примесей и их
суммарное содержание.
• Например, обозначение 005ВЭЧ4-7 соответствует материалу с
общим содержанием примеси 0,005 масс.%, с четырьмя
определяемыми примесями, количество которых равно 10-7
масс.%. (0,1 микрограмм на грамм)
• По сравнению с материалами класса ВЭЧ вещества ОСЧ
характеризуются большей чистотой и большим количеством
определяемых примесей, поэтому общее содержание примесей
практически соответствует сумме определяемых.

107.

Все методы очистки можно условно разделить на пять
групп в зависимости от физико-химического принципа,
лежащего в основе метода.
• 1. Методы, основанные на различной растворимости примесей в двух
соприкасающихся фазах. Это наиболее широко применяемая группа методов. Сюда
входят жидкостная экстракция и кристаллизация из расплава (направленная
кристаллизация и зонная перекристаллизация).
• 2. Методы, основанные на различиях в сорбционных характеристиках веществ. К этой
группе относятся: адсорбционные методы, ионный обмен, хроматография.
• 3. Группа методов, основанных на различной упругости паров примеси и очищаемого
вещества. Это дистилляционные, ректификационные и сублимационные методы.
• 4. Химические методы разделения веществ основаны на различии в константах
равновесия или константах скоростей реакций с участием основного вещества и
примеси. На химических методах разделения смесей основаны классические методы
химического анализа.
• 5. Методы, основанные на различии в диффузионных характеристиках компонентов
смеси. Сюда входят высоковольтный диализ и термодиффузия.

108.

Очистка
зонная перекристаллизация поликристалл
Монокристалл
2 Обмотка нагревателя
Рост

109.

Очистка
1 – Держатель
2 - Обмотка нагревателя
3 - Монокристаллический кремний
4 - Затравочный монокристалл
5 – Держатель
6 - Расплавленная зона
7 - Стержень из поликристаллического кремния
Расплавленная область нагревается с помощью
высокочастотного индукционного нагревателя и
перемещается вдоль стержня от затравочного
монокристалла.
Поскольку большинство примесей обладает хорошей
растворимостью в жидкой фазе по сравнению с твердой,
то по мере продвижения зона плавления все больше
насыщается примесями, которые скапливаются на конце слитка.
Процесс зонной плавки повторяют несколько раз,
а по окончании очистки загрязненный конец слитка отрезают.

110.

Коэффициенты
распределения
(К = ств/сж )
некоторых
примесей в
кремнии,
германии и
антимониде
индия

111.

Пластина, в которую надо ввести примесь
Коэффициенты
распределения
(К
= с