29768

Поликристаллический кремний. Применение, свойства, получение

Контрольная

Химия и фармакология

Применение поликристаллического кремния Поликристаллический кремний весьма распространённый материал в технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем. Возможность получения поликристаллического кремния с электрическим сопротивлением отличающимся на несколько порядков а также простота технологии привели к тому что он используется в технологии интегральных схем с одной стороны в качестве высокоомного материала затворов нагрузочных резисторов а с другой в качестве низкоомного материала межсоединений. Достоинства разводки на основе...

Русский

2013-08-21

26.53 KB

142 чел.

Поликристаллический кремний. Применение, свойства, получение.

Применение поликристаллического кремния

Поликристаллический кремний весьма распространённый материал в технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем. Возможность получения поликристаллического кремния с электрическим сопротивлением, отличающимся на несколько порядков, а также простота технологии привели к тому, что он используется в технологии интегральных схем с одной стороны в качестве высокоомного материала затворов, нагрузочных резисторов, а с другой в качестве низкоомного материала межсоединений. В последнем случае поликристаллический кремний используется в качестве первого уровня разводки в многоуровневых интегральных схемах. Достоинства разводки на основе поликристаллического кремния заключаются в большей термостойкости по сравнению с металлами. Это позволяет использовать в дальнейшем многие высокотемпературные операции, необходимые при производстве интегральных схем.

В производстве интегральных схем плёнки легированного бором, фосфором, мышьяком, сурьмой поликристаллического кремния используются в качестве затворов полевых транзисторов, эмиттеров биполярных транзисторов, омических контактов к мелко залегающим диффузионным областям, в различных самосовмещённых биполярных транзисторов, обкладок конденсатора и межсоединений. В субмикронной КМОП технологии в качестве затворов полевых транзисторов используется структура, называемая полицид и состоящая из последовательности слоёв поликремния и силицида тугоплавкого металла. Плёнки нелегированного поликристаллического кремния применяются в качестве нагрузочных сопротивлений в статических, оперативных, запоминающих устройствах, в структурах микроэлектромеханических устройств.

До настоящего времени биполярные транзисторы на основе поликристаллического кремния сформировать не удалось, однако в биполярной технологии эмиттер может изготавливаться из поликристаллического кремния. Достоинства таких эмиттеров заключаются в высоком коэффициенте инжекции в носителе. Тонкоплёночные полевые транзисторы на основе плёнок поликристаллического кремния используются для изготовления управляющих матриц в жидкокристаллических экранах. Подвижность носителей в таких транзисторах на два порядка выше, чем в тонкоплёночных полевых транзисторах на основе аморфного кремния, что позволяет увеличить быстродействие, яркость дисплея и уменьшить потребляемую мощность.

Сильнолегированный поликристаллический кремний применяется в качестве диффузионных источников примеси при создании мелкозалегающих p-n переходов для обеспечения невыпрямляющих контактов к монокристаллическому кремнию. Структура КСДИ (кремний с диэлектрической изоляцией) поликристаллический кремний играет роль несущей подложки для монокристаллических карманов.

c-Si

c-Si

c-Si

Поли-Si

Часто для изоляции элементов интегральных схем используют V-образные канавки. Для получения более гладкой поверхности канавки после окисления заполняют поликристаллическим кремнием. Поликристаллический кремний является основным материалом в солнечной энергетике.

Свойства поликристаллического кремния

Атомная структура полупроводниковых материалов и в частности кремния может различаться очень сильно от строго упорядоченного расположения атомов в монокристаллах до разупорядоченного аморфного состояния. Поликристаллический кремний в этом ряду занимает промежуточное место. В полупроводниковом кремнии существует внутрифазная граница, под которыми понимают области контакта, различно ориентированных кристаллических решёток одной и той же фазы. Если углы разориентации относительно не велики (менее ), то границы называется малоугловыми или субграницами, а разделяемые ими области субзёрнами. Малоугловые границы формируются так называемыми стенками дислокаций. При этом дислокации располагаются друг под другом. Это связано с тем, что система одноимённых дислокаций в параллельных плоскостях скольжения наиболее устойчива, когда дислокации располагаются друг под другом.

Под микроскопом субграница выглядит как цепочка ямок травления, равноотстоящих друг от друга. Чем меньше угол разориентации тем меньше плотность дислокации и меньше плотность ямок травления.

При больших углах разориентации границы называются больше угловыми, а разделяемая ими область материала – кристаллитами или зёрнами. Материал, содержащий такие границы является поликристаллическим. Больше угловые границы также имеют дислокационную природу. Химические и физические свойства поликристаллического кремния в значительной степени зависят от структуры типа и размера зёрен, которые в свою очередь сильно зависят от технологии получения материала.

Высокая чувствительность свойств поликристаллического кремния к изменению технологических параметров с одной стороны позволяет в широких пределах изменять свойства материала, а с другой затрудняет получение материала с воспроизводимыми свойствами. Получение стабильных и необходимых свойств поликристаллического кремния осложняется именно наличием межзёренных границ. Межзёренная граница представляет собой регулярное множество дислокаций, что приводит к локальным искажениям решётки вблизи поверхности раздела внутри поликристалла. Такие локальные искажения приводят к образованию оборванных связей атомов. Состояние на межзёренных границах могут действовать в качестве ловушечных центров, а также центров рекомбинации и рассеивания. Именно из-за сильной рекомбинации носителей заряда на границах зёрен до настоящего времени не реализованы биполярные транзисторы на основе поликристаллического кремния.

Повышенное рассеивание носителей на границах снижает их подвижность, что ограничивает быстродействие тонкоплёночных транзисторов. Захват подвижных носителей на состояниях на межзёренных границах приводит к возникновению потенциального барьера на границах зёрен, при этом изменение концентрации носителей в приграничном слое приводит к образованию области пространственного заряда нескомпенсированных доноров или акцепторов в случае материала n или p-типа соответственно. Следствием этой является искривление зон. Зонная диаграмма для поликремния n-типа имеет следующий вид. – средний размер зерна.

Наличие потенциального барьера на межзёренной является причиной экспоненциальной температурной зависимости электропроводности поликристаллического кремния, поскольку вклад в проводимость вносят только те электроны, которые в состоянии преодолеть потенциальный барьер на границе зёрен.

Средняя электропроводность поликристаллического кремния равна ,  – электропроводность основной массы зерна поликристаллического кремния,  - потенциальный барьер, который необходимо преодолеть электрону. Нелегированные плёнки поликристаллического кремния обычно характеризуются содержанием остаточной примеси  и удельным сопротивлением , что на несколько порядков превосходит удельное сопротивление нелегированного монокристаллического кремния. Более высокое сопротивление поликристаллического материала обусловлено влиянием межзёренных границ. Плёнки поликристаллического кремния обладают высокой термической стабильностью, что делает их совместимыми с высокотемпературными процессами. Важное значение в технологии имеет также возможность формирования высококачественной границы раздела с диоксидом кремния.

Получение тонких плёнок поликристаллического кремния

1

ПГС

2

3

4

Свойства поликристаллического кремния сильно зависят от типа используемого реактора. При групповой обработки пластин используется химическое осаждение из газовой фазы в реакторе с горячими стенками при пониженном давлении. Схема реактора имеет следующий вид.

  1. Кварцевый реактор
  2. Нагреватель
  3. Подложка-держатель
  4. Подложки

Парогазовая смесь.

Процесс проводится при температурах , используется смесь моносилана  с водородом при давлении 0,1-0,3 мм ртутного столба. Типичная скорость осаждения 1-5 .

Поликристаллический кремний может быть легирован путём диффузии, ионной имплантации или введение легирующих добавок в газовую смесь в ходе осаждения плёнок. В последнем случае легирование осуществляется за счёт добавления в реактивную смесь фосфина , арсина  для получения поликристаллического кремния n-типа и диборана для получения поликристаллического кремния p-типа.

При повышении температуры осаждения выше  более важную роль начинает играть химические процессы не на поверхности подложки, а газовой фазе, что приводит к образованию рыхлого беспорядочно осаждающегося слоя. При температурах ниже  осаждается слой аморфного кремния. Плёнки поликристаллического кремния, осаждаемые методом химического осаждения из газовой фазы имеют характерную шероховатую поверхность, что создаёт проблемы при проведении последующих технологических операций изготовления интегральных схем. Шероховатость поверхностей кремниевых слоёв может привести к понижению пробивных напряжений и повышению туннельных токов транзисторов. Кроме того при формировании плавающих затворов, например в ячейках флэш-памяти важно обеспечить возможность выращивания на поверхности плёнки поликристаллического кремния слоёв диоксида кремния  с высокими пробивными напряжениями и низкими токами утечки. Поскольку это определяет время хранения заряда на плавающем затворе. Для этих целей, как правило, используют легированные в процессе роста плёнки аморфного кремния, подвергнутые далее кристаллизации при более высокой температуре.

Такие слои имеют по сравнению с осаждёнными плёнками поликристаллического кремния более совершенную структуру и гладкую поверхность, что обеспечивает и более совершенную границу раздела поликристаллический кремний - диоксид кремния. Поверхностные сопротивления поликристаллического кремния может быть изменено на несколько порядков с помощью ионной имплантации. Это позволяет использовать этот материал для создания высокоомных резисторов в статических ОЗУ вместо транзисторов, работающих в режиме обеднения и играющих роль нагрузки. Это позволяет уменьшить рассеиваемую мощность элементов в статическом режиме.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25137. Некоторые стандартные функции над числовыми данными 63.5 KB
  А и Р целые и вещественные числа. А целое и веществ. А целое и веществ. Р веществ.