— 2 —
С О Д Е Р Ж А И И Е
стр.
ВВЕДЕНИЕ 3
1. СВОЙСТВА ПОЛУ ИЗОЛИРУЮЩЕГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ ЕГО МОНОКРИСТАЛЛОВ 9
1.1. Факторы, влияющие ни свойства арсеиида галлия. Виды неоднородностей монокристаллов 9
1.2. Анализ возможностей выращивания однородных монокристаллов в условиях пониженной силы тяжести и воздействия ультразвукового поля 32
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОРИСТАЛЛОВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ 50
2.1. Моделирование пониженной силы тяжести в экспериментальных устройствах при росте монокристаллов арсеиида галлия 50
2.2. Изучение влияния ультразвукового поля на процесс выращивания
монекристаллического арсеиида галлия 62
2.3. Определение основных параметров и режимов ультразвукового воздействия на расплав растущего монокристалла 78
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВЫРАЩЕННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ 85
/. Методические особенности измерений свойств монокристаллов и образцов на их основе 85
3.2. Изучение структуры экспериментальных и опытных монекристаллических образцов 90
3.3. Исследование однородности свойств пластин из выращенных монокристаллов арсеиида галлия 92
3.4. Применение полученных монокристаллических материалов в технологиях изготовления современных приборов 111
4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ II ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СЕРИЙНОГО ПРОЮВОДСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ АРСЕНИДА ТАЛЛИЯ, БАЗИРУЮЩИЕСЯ НА РЕЗУЛЬТАТАХ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 121
ВЫВОДЫ 131
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 133
ПРИЛОЖЕНИЕ 142
- 3 -
ВВЕДЕНИЕ
Основное производство полупроводниковых приборов базируется в настоящее время на монокристаллическом кремнии [1,2]. Мировое производство последнего превышает 4 ООО т/год. Рынок пластин кремния оценивается в 2,5 млрд. долларов. В то же время наращиваются объемы производства приборов на основе новых перспективных материалов (арсенида галлия, теллурида кадмия и др.), хотя средняя цена интегральных схем на кремнии составляет 1,28 - 1,40 долларов за штуку, что в десятки раз ниже стоимости приборов на основе последних. С применением этих материалов разрабатываются ССИС, лазеры, фотоприемники, приборы сверхвысокочастотной (СВЧ) техники с высокими физическими и эксплуатационными характеристиками [3].
Уникальным сочетанием свойств обладает арсенид галлия, позволяющий создавать быстродействующие,радиационностойкие приборы, способные работать в широком диапазоне температур. Более высокая, чем при использовании кремниевых элементов, рабочая температура арсенидгаллиевых солнечных батарей позволяет применять их как концентраторы солнечной энергии. Только то, что использование арсенида галлия для создания ССИС открывает перспективу на порядок увеличить быстродействие электронно-вычислительных машин (ЭВМ), оправдывает затраты на исследования и разработку новых технологий его получения [4].
Полу изолирующие монокристаллы арсенида галлия с приемлемыми параметрами для ССИС и СВЧ приборов были получены в середине 80-х годов и с тех пор в разработку интегральных схем включается все большее количество зарубежных фирм. По оценкам компании Л2Е, мировой рынок ИС на арсендде галлия в 90-е годы составит
1,2 млрд. долларов, половина из которых будет приходиться на долю цифровых ИС [5]
В настоящее время все усилия ученых и специалистов направлены на создание технологий получения монокристаллов арсенида галлия с низкой плотностью дислокаций (менее 10" см'Э и однородными электрическими свойствами как по длине и диаметру, так и от кристалла к кристаллу'.
Основные надежды на достижение высокой однородности при получении монокристаллов разработчики связывают с использованием магнитного поля, микрогравитации и ультразвука [6,7].
- 4 -
Целью работы является анализ физичесикх процессов, происходящих при воздействии внешних полей на растущий монокристалл арсенида галлия, получение на основе этих воздействий монокристаллических материалов с улучшенными электрофизическими характеристиками, развитие методов исследования кинетики роста кристаллов и контроля основных параметров полупроводников.
Для достижения поставленной в работе цели было необходимо:
- проанализировать имеющиеся теоретические и экспериментальные данные о воздействии внешних полей на параметры получаемых монокристаллов и пластин:
- сформулировать требования к технологическому оборудованию и конструктивному его осуществлению с использованием в техпроцессе рост монокристаллов внешних полей;
- разработать конструкции ростовых технологических комплексов;
- выполнить необходимые расчеты и изготовить экспериментальные устройства для реализации исследований влияния невесомости и ультразвукового поля на промышленном оборудовании;
- получить образцы монокристаллов арсенида галия и обследовать их основные параметры с применением самых современных методик исследований, используемых в методах физики твердого тела.
Актуальность. Решение проблемы повышения однородности и структурного совершенства монокристаллов арсенида галлия откроет широкие возможности его промышленного использования. Основными областями применения арсенидгаллиевых приборов, в т.ч. малошумяших полевых транзисторов с барьером Шотгки, станут оборонные системы, высокопроизводительные ЭВМ, приемники спутниковой и волоконно-оптической связи. Мировой рынок электронных приборов на основе арсенида галлия оценивается в 3,5 млрд. долларов. Промышленное освоение интегральных схем с применением новог о арсенидгаллиевого материала не встретит особых осложнений, поскольку оно будет осуществляться на технологической базе (и оборудовании) для производства кремниевых ИС, включающей ионную имплантацию, сухие методы формирования рисунка, импульсный термический отжиг. Такие тенденции развития кремниевой технологии, как переход к меньшим топологическим нормам, снижение температуры обра-
- 5 -
ботки и повышение требований к чистоте производственных помещений и рабочих сред в равной степени характерны и при изготовлении арсенидгаллиевых схем.
Низкое структурное совершенство существующих в настоящее время монокристаллов арсенида галлия, неоднороднос ть их электрофизических параметров препятствуют повышению степени интеграции и выхода годных приборов.
Поэтому для электронной техники проблема реализации таких требований как разброс удельного сопротивления в пределах 20%, и величины плотности дислокаций 5 х 10 1 см '2 на 30 - 40% площади поверхности пластин ваАя представляет собой актуальную научную и практическую задачу. Решение этой задачи и связывается в данной работе с применением воздействия внешних полей на процесс роста монокристаллов арсенида галлия с целью достижения вышеуказанных параметров.
Научная новизна работы заключалась в комплексном аналитическом исследовании факторов, влияющих на однородность свойств монокристаллов арсенида галлия в процессе их выращивания, термообработки и технологии получения готовых изделий.
В работе впервые:
1. Проанализирована специфика получения монокристаллического арсенида галлия для целей электронного приборостроения и показано, что одним из важнейших параметров монокристалла является однородность их свойств, определяющая рост степени интеграции и улучшение свойств полупроводниковых приборов и микросхем. Предложена классификация видов неоднородности монокристаллов и методов их контроля и показано, чго оценка неоднородности твердого тела должна включать комплексное исследование структурных и электрофизических параметров материала. Удобными и информативными для этих целей являются оптические методы контроля.
2. Проведены теоретические исследования по изучению влияния ультразвукового поля на элементарные процессы роста арсенида галлия из расплава. Получено выражение, из которого следует, что скоростью зародышеобразования можно управлять путем выбора амплитуды и частоты акустических колебаний. Определено, что для арсенида галлия энергию акустической волны необходимо подбирать таким образом, чтобы при ее введении в расплав избежать деформации его кристаллической решетки в силу высокой термопластичности арсенида галлия.
— 6 -
3. Разработана модель воздействия ультразвукового поля на процесс роста монокристалла, связывающая его однородность с частотой и амплитудой колебаний, вводимых в расплав. Выявлено, что неоднородность распределения мышьяка практически полностью устраняется ультразвуковыми колебаниями при росте монокристалла арсенида галлия постоянного диаметра. Механизм этого явления связан с возникновением пакета стоячих волн между торцом волновода, вводящего колебания в расплав и плоской частью фронта кристаллизации, поскольку при отсутствии такого пакета температура расплава повышалась, активизировались конвективные потоки, наблюдалась периодическая неоднородность в распределении мышьяка.
4. Выполнены исследования по росту монокристаллов арсенида галлия при наложении ультразвуковых колебаний и в условиях, моделирующих пониженную силу тяжести. Определены лимитирующие стадии процесссов и оптимальные режимы роста монокристаллов при наложении ультразвуковых колебаний: скорость вытягивания кристаллов
6... 10 мм/мин, частота вращения кристалла 4...5 об/мин, частота вращения тигля 16... 18 об/мин, частота ультразвуковых колебаний 150...180 КГц, амплитуда колебаний 0,1...0,3 мкм. Б условиях, моделирующих невесомость: скорость вращения кристалла 6...8 об/мин, скорость вращения тигля 16 об/мин, градиент температуры осевой 12... 15 град/см, радиальный 2...4 град/см, градиент расплава 10... 12 град/см, частота колебаний штока 0,1—0,001 Гц.
5. Предложен метод моделирования невесомости при выращивании монокристаллов арсенида галлия в земных условиях, основанных на обеспечении выполнения критерия Рэлея (Ra). Ra<2 106.
6. Показана эффективность применения для определения однородности электрофизических свойств монокристаллических образцов арсенида галлия бесконтактной СВЧ-фотопроводимости, конденсаторной фото э.д.с., низкотемпературной фотолюминесценции и метода PIXE (аналитического метода, использующего флюоресцентное излучение). Установлено, что при использовании оптичесих методов исследования процесса выращивания монокристаллов, наблюдается зависимость оптической однородности образцов от амплитуды и частоты вибрационных воздействий, которая носит заметный экстремальный характер, что дает основание для использования их в оптимизации режимов при внедрении технологии роста кристаллов высокой однородности.
_ 7 -
7 Установлено, что реализация обоих исследованных методов выращивания монокристаллов арсенида галлия на модернизированной установке типа “Астра" позволяет получить образцы монокристаллов с однородностью удельного сопротивления по сечению 20% и плотностью дислокаций на 30 - 40% площади поверхности монокристалла 5 103 см'2.
Практическая значимость работы Разработан эффективный метод и установка для серийного изготовления монокристаллов арсенида галлия при наложении на расплав ультразвуковых колебаний, внедренный на промышленном предприятии и обеспечивающий производство монокристаллов ваА$ высокого совершенства.
На основе результатов моделирования процесса роста монокристаллов в невесомости разработана конструкторско-технологическая схема комплекса для выращивания монокристаллов арсенида галлия в космосе, являющаяся основой для поэтапной реализации ее в практике.
Данные и свойствах и параметрах получения монокристаллов арсенида галлия в условиях воздействия ультразвуковых колебаний и пониженной силы тяжести могут быть использованы при исследованиях, разработках и оптимизациях процессов получения по-лупровдниковых соединений А3В\ А2В° и др. с высоким структурным совершенством. Техпроцесс выращивания монокристаллов арсенида галлия с наложением ультразвукового поля внедрен в серийное производство в Центре электронного материаловедения ОАО “Аметист”.
Основные научные результаты, выносимые на защиту.
1. Модель роста монокристаллов в невесомости, реализуемая в лабораторных земных условиях на установке типа "Астра"
2. Результаты исследования влияния улыразвукового поля на элементарные процессы роста монокристаллов арсенида галлия;
3. Результаты исследований зависимости однородности свойств монокристаллов арсенида галлия от различных факторов: чистоты исходных и контейнерных материалов, параметров ультразвукового поля, материалов волновода.
4. Результаты экспериментов по получению монокристаллов арсенида галлия в смоделированных условиях невесомости и с ультразвуковым воздействием на расплав, обеспечившие выращивание монокристаллов с однородностью удельного сопротивления по сечению слитков 20% и плотностью дислокаций на 30-40% площади поверхности 5x103 см'2.
5. Методы выращивания однородных монокристаллов арсенида галлия в ультразвуковом поле и в условиях невесомости.
6. Результаты исследований свойств монокристаллов арсенида галлия, полученных в невесомости и в ультразвуковом поле с помощью оптических и других современных методов, в т.ч. и при реализации материалов в приборные технологии.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:
1. Всероссийской научно-технической конференции "Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и технологических процессов " ( Калуга, 1994 ).
2. Пятом, седьмо и восьмом Межнациональных совещаниях "Радиационная физика твердого тела " (Севастополь, 1995, 1997, 1998 ).
3. Третьем Российско-Китайском симпозиуме "Актуальные проблемы современного материаловедения " ( Москва-Калуга, 1995 ).
4. Второй Международной конференции МР$Т 96 ( Сумы, 1996 ).
5. Научно-методическом совещании ГК РФ по высшему' образованию "Проблемы высшего образования в области радиационного материаловедения на пороге третьего тысячелетия " ( Москва, 1996 ).
6. Симпозиуме 'Термоэлектронная, вторично-электронная, фотоэлектронная эмиссия и спектроскопия поверхности твердого тела" (Рязань, 1996 ).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах и 3 научно-технических отчетах.
1. СВОЙСТВА ПОЛУИЗОЛИРУЮ1ЦЕГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ ЕГ О МОНОКРИСТАЛЛОВ
1.1. Факторы, влияющие на свойства арсенида галлия.
Виды неоднородностей монокристаллов.
Для получения монокристаллов арсенида галлия и других соединений группы А?В‘ используются все разновидности метода направленной кристаллизации, однако, промышленное применение получили горизонтальная направленная кристаллизация по Бриджмену и вытягивание монокристалла из расплава по Чохралъскому, из-под слоя флюса (метод LEC). Последний способ является в настоящее время основным в производстве подложек арсенида галлия большого диаметра (до 76 мм). Причем, в аппаратуре высокого давления этот метод был использован в CUIA с 1979 г. [8].
Наиболее широко апробирован вариант LEC-метода при низком давлении, обеспечивающий сравнимое с полученными при высоком давлениии качество монокристаллов, но при существенно более низких затратах. Однако, стандартный процесс выращивания монокристаллов LEC-методом не обеспечивает получения нелегированного арсенида галлия с низкой плотностью дислокаций [9J.
Термические напряжения в процессе выращивания и охлаждения монокристаллов, превосходящие критический уровень, приводят к высокой плотности дислокаций в слитках. Достигнутые параметры для монокристаллов арсенида галлия, пригодных для производства ССИС приведены в табл. 1.
— 1Q —
Таблица I
Параметры монокристаллов арсенида галлия, выпускаемых зарубежными и отечественными фирмами
№№ п/п Наименование технического параметра Величина параметра для указанной фирмы
Япония Summitomo 1990г. США Westing, 1989г." СНГ, ТУ4 8-4-276-84 Россия з-д “Элма” ЭТО.035.ТУ
I. Диаметр, мм 76 76 60 76
2. Удельное сопротивление, Ом см >1 107 >1 10' >110’ >310'
Плотность дислокаций, см'2 ПО5 1 ю5 по5 ПО5
4. Подвижность носителей заряда, см2/В с 5000 3000 (для лег. Сг) 1000-3000 3000 3000
5. Концентрация глубоких уровней, см'3 " " не ЛИМИТ. не лимит.
6. Концентрация хрома, NONE, см'3 3 !016 1 10“ 310“ 1 10“
7. Неоднородность. % - - не лимит. не лимит.
8. Т ермост аби л ы гость сопротивления при отжиге, Ом см'1 термостаби- лен термостабилен при отжиге слитка термостабилен при отжиге пластин
Вышеприведенные данные позволяют сделать вывод о том, что современный уровень технологии не дает пока предельных параметров, которые обеспечивают преимущества арсснида галлия перед кремнием и прежде всего по однородности монокри-сталлов-основного параметра, при прочих равных условиях, определяющего выход годных интегральных схем.
Целью обзора является анализ технических решений, положенных в основу реальных способов выращивания монокристаллов, оценка причин и видов неоднородностей в них.
Снижение плотности дислокаций в слитках путем уменьшения градиентов температуры в процессе роста монокристаллов не всегда эффективно, поскольку приводит к
потере возможности контроля (с помощью весового датчика) за диаметром растущих кристаллов, что в свою очередь, также является причиной образования дислокаций [8]. Специалисты в этом случае делают ставку на оптимизацию условий получения слитков. Так авторами изобретения [10] в предложенном решении установки было обеспечено снижение обших потерь тепла с поверхности кристалла, находящейся выше слоя флюса (В:СХ), за счет уменьшения радиальных градиентов температуры до 4-6 град/см, против 12-18 град/см в известной установке и падение плотности дислокаций на 50-90% (вплоть до 1 10' см'2 на переферии слитков). Это техническое решение приведено на рис. 1.
Предлагаемый способ получения монокристаллов, в сочетании с уменьшением давления газовой среды внутри установки с 21,1 до 10,55 кг/см позволил еще на порядок снизить плотность дислокаций в монокристаллах. К сожалению, дальнейшее уменьшение давления в камере ростовой установки привело к появлению включений галлия в слитках. Получение за счет оптимизации термических условий плотности дислокаций в монокристалле арсенида галлия величиной 5x10' см " не является предельной, поскольку дальнейшее снижение возможно за счет изовалентного легирования индием. Хотя при этом возникает неизбежное разрушение поверхности раздела кристалл-расплав, обусловленное эффектом концентрированного переохлаждения, что приводит к снижению процента выхода годных монокристаллов более, чем на 30%.
Поэтому в упомянутом техническом решении [10] для преодоления этого недостатка предлагается ввести программирование скорости вытягивания монокристалла по закону
я-МИ)'*.
где Я,) - начальная скорость вытягивания,
§ - доля затвердевшего материала, отнесенная к начальному весу расплава.
Ь - константа.
Другим путем снижения плотности дислокаций в слитках является уменьшение градиентов температуры в системе вращения ростовой установки. Это достигается конструкцией нагревателей в сочетании с системой экранов и подставки под тигель. Хотя, к настоящему времени из-за динамичности системы с вращающимися кристаллом и тиглем в условиях конвекционного теплоотвода к холодным стенкам камеры ростовой установки значительно усложняет расчетный путь оптимизации условий выращивания моно-
Рис Л Модифицированная установка высокого давления [10] : ■[-модифицированная часть установки, 11-станда рткая часть*
- Київ+380960830922