Свойства сплавов кремний-германий и перспективы Si1-xGex производства
МОСКОВСКИЙ
ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ
РЕФЕРАТ
«Свойства сплавов кремний-германий и перспективы Si1-xGex
производства»
по курсу
«Основы теории легирования»
Руководитель: Дашевский М.Я.
Выполнил: Денисов А.В., МПП-97-1В
Москва, 2001
1. Оглавление
|Введение |2 |
|1. Свойства сплавов SiGe |3 |
| 1.1 Фазовая диаграмма системы кремний-германий |3 |
| 1.2 Параметры решётки. Ширина запрещённой зоны |4 |
| 1.3 Электрические свойства SiGe сплавов |6 |
| 1.4 Твёрдость кремний-германиевых сплавов при 300К |8 |
| 1.5 Зонная структура сплавов Si и Ge |9 |
|2. Области применения сплавов SiGe |10 |
| 2.1 Приборы на основе сплавов SiGe и их преимущества перед |10 |
|классическими | |
|3. Методы производства кремний-германиевых сплавов. Трудности |11 |
|производства. | |
| 3.1 Методы |11 |
| 3.2 Дислокации в местах концентрационных флуктуаций |12 |
| 3.3 Дефекты роста при выращивании по Чохральскому |13 |
| 3.4 Взаимодействие сплавов с кислородом |14 |
|4. Выводы |15 |
|5. Литература. |16 |
Введение
При развёртывании производства новых электронных приборов на
полупроводниковой основе отдача от инвестиций носит кумулятивный характер:
на каждом этапе внедрение новых технологий невозможно без производственной
базы, созданной ранее. Поэтому имеет смысл максимально использовать
имеющееся оборудование, совершенствуя его под постоянно меняющиеся
требования рынка. Такой подход позволяет без огромных разовых вложений
работать на современном уровне, его используют большинство современных
фирм, таких как Intel, Sony, Toshiba, IBM. Одна из сторон метода –
использование материалов с новыми свойствами, позволяющих использовать для
своей обработки широко распространённые, налаженные и окупившие себя
технологии.
Кремний-германиевые сплавы в настоящее время стали получать весьма
широкое распространение в качестве материалов для изготовления СВЧ-приборов
и интегральных схем. Замечательные свойства этих сплавов (особенно
содержащих германий в малых концентрациях) позволяют создавать устройства с
параметрами, превосходящими устройства на GaAs основе. При этом их
стоимость немногим выше, чем классических приборов на основе кремния, а все
наработанные производственные процессы для Si применимы и для SiGe.
Несмотря на то, что последние разработки в этой области являются know-how
фирм-производителей полупроводниковых приборов, многие ранние исследования
доступны в печати или в электронном виде. Часть из них – классические
работы, сделанные на заре развития полупроводниковой промышленности – в 50-
х годах ХХ века, часть – работы 1996 – 2001 годов. На их основе можно
проследить перспективы внедрения новых материалов на предприятиях России.
Данный реферат есть попытка изучения этих перспектив.
Часть 1. Свойства сплавов SiGe
Фазовая диаграмма системы кремний-германий
Кремний и германий являются химическими аналогами. Оба этих элемента
кристаллизуются в алмазоподобную структуру. Тип химической связи у них
схож, как и размерный фактор (постоянная решетки Si равна 5,44 A, Ge – 5,66
A). Столь высокое сходство этих элементов позволяет им образовывать
непрерывный ряд твёрдых растворов по принципу изовалентного замещения,
свойства которых непрерывно меняются.
Энтальпия смешения для системы Ge-Si положительна и составляет
приблизительно 2,2 ккал/моль. Это означает, что для пары германий-кремний
корректно приближение регулярных растворов. Хотя прецизионные исследования
и показывают тенденцию к расслоению при низких температурах, но явного
распада не обнаружено. Видимо, это связано с небольшой энтальпией смешения
и малой диффузионной подвижностью атомов при низкой температуре.
Постоянная решетки сплавов германий-кремний от состава по данным
рентгеноструктурного анализа меняется практически линейно (закон Вегарда),
обнаруживая слабое отрицательное отклонение. Кривая проходит ниже линейной
зависимости. Это свидетельствует о том, что раствор германий-кремний близок
к идеальному раствору, и превалирующим факторам в изменении параметра
решетки является размерный фактор.
Подобные данные, равно как и характер зависимости прочности от состава,
плотности от состава и т.п. делают возможным довольно точное предсказание
характеристик сплавов германия и кремния в зависимости от содержания в них
составляющих сплав элементов.
Параметры решётки и ширина запрещённой зоны сплавов SiGe
Для изучения зависимости постоянной решётки, плотности и ширины
запрещённой зоны авторами [1] была приготовлена серия германиево-кремниевых
сплавов путём гомогенизации при высокой температуре. Проверка сплавов на
гомогенность осуществлялась рентгенографическим методом, а химический
состав определялся путём анализа на германий полярографическим методом,
дающим, если кремний является единственной примесью, точность не хуже 1%.
Ширина запрещенной зоны определялась оптическим методом на образцах,
имеющих одинаковую толщину, равную 0,50 мм. Ширина запрещенной зоны была
принята равной энергии, соответствующей величине поглощения, которой
обладает германий при принятой ширине запрещенной зоны (0,72 ЭВ). В этой
точке коэффициент абсорбции был равен 22,7 см-1. Все абсорбционные кривые
имели наклон, подобный наклону кривой для чистого германия. Хотя наклон
этих кривых, полученных для поликристаллических образцов, несколько
отличается от кривых для монокристаллических образцов, было получено
достаточное количество данных на поликристаллических образцах,
показывающих, что общий вид кривой, приведенной на рис.2 заметно не
изменился бы, если все эти данные были бы получены на монокристаллических
образцах.
Составы сплавов и их параметры приведены в табл.1.
Табл.1 Составы сплавов и их параметры.
| | | | |Ширина |
|Обозначение |Плотность |Постоянная |Мол % кремния|запрещённой |
|сплава | |решётки | |зоны, ЭВ |
|GS-23 |2,80 |5,461 |85,8 |1,15 |
|OS-25 |2,72 |5,454 |87,4 |1,16 |
|GS-26 |3,03 |5,473 |75,7 |1,13 |
|GS-29 |3,62 |5,518 |57,5 |1,08 |
|GS-30 |3,95 |5,549 |44,3 |1,05 |
|GS-31 |4,86 |5,620 |15,0 |0,94 |
|GS-34 |4,89 |5,613 |13,5 |0,93 |
|GS-37 |4,70 |5,593 |22,9 |0,94 |
|D-28 |— |— |7,2 |0,83 |
|D-31 |— |— |4,3 |0,78 |
|D-39 |— |— |6,0 |0,81 |
|D-40-G |— |5,626 |12,6 |0,91 |
|D-40-S |— |— |4,2 |0,78 |
|D-40-T |— |— |7,4 |0,82 |
|D-41 |— |— |8,2 |0,84 |
|200-S |— |— |0,7 |0,73 |
|Ge |5,323 |5,657 |— |0,72 |
|Si |2,328 |5,434 |— |1,20 |
В дальнейшем эти измерения были неоднократно проверены и подтверждены
другими авторами, причём для сплавов, полученных самыми различными методами
(выращивание из расплавов методом Чохральского, бестигельной зонной плавкой
и др.).
Электрические свойства SiGe сплавов
Сплавы, которые исследовал Levitas [2], были приготовлены методом
изотермической кристаллизации и не подвергались термообработке.
Концентрация примесей в них не превышала 1014 ат/см2. Образцы, кроме
содержащих 1% и 4% Si, были поликристаллическими. Измерения удельного
сопротивления проводились в интервале температур [300.800] K, эффекта Холла
в диапазоне [77..300] K. Были проведены также измерения для проверки
зависимости ширины запрещённой зоны от состава сплавов.
Данные были скомбинированы между собой для получения зависимости
Холловской подвижности от температуры, при этом была обнаружена аномальная
зависимость подвижности от температуры для сплавов с 61% и 72% Si. Вблизи
300 K кривые могут быть неплохо приближены отношением
[pic].
Кривые собственного сопротивления могут быть представлены законом
[pic]
*) излом зависимости ширины запрещённой зоны (и собственного удельного
сопротивления) от состава сплава Levitas сгладил при аппроксимации
зависимостей.
Было показано, что зависимость удельного сопротивления от ширины
запрещённой зоны не всегда очевидна, так как зонная структура сплавов не
меняется линейно в зависимости от состава и присутствует аномальное
рассеивание, обусловленное легированием.
Чтобы проверить существование рассеяния, обусловленного легированием,
была исследована высокотемпературная часть кривых подвижности (см. рис. 6).
В этом интервале (около 300 К) значительно снижается влияние примесей и
границ зёрен. На полученных зависимостях заметны аномалии в областях
концентраций Si более 60 ат%.
Твёрдость кремний-германиевых сплавов при 300К
Как кремний, так и германий – элементы IV группы, оба они имеют структуру
алмаза и являются химическими аналогами друг друга. Параметры решётки
сплавов следуют закону Вегарда лишь с малым отклонением в сторону меньших
значений.
Твердость сплавов, а также чистого германия и чистого кремния
определялась на приборе для измерения микротвердости типа Лейтца (Durimet).
На рис. 1, 2 показаны микрофотографии с отпечатками, полученными при
нагрузке 100 г. Отпечатки на рис. 2 были получены с помощью индентора
Страницы: 1, 2
