Легирующих элементов

Систематизирование изложены современные технологии важнейших полупроводниковых материалов. Рассмотрены подготовка основных и вспомогательных материалов, выращивание однородно легированных монокристаллов с совершенной структурой, получение высокочистых поликристаллических полупроводников, эпитаксиальных слоев, гомо- и ге-тероструктур методами газовой и жидкостной эпитаксии, изготовление пластин и подложек.

§ 4. Получение однородно легированных монокристаллов . . 133

Технология полупроводниковых материалов родилась одновременно с появлением первых твердотельных электронных приборов, и ее развитие отражает развитие полупроводникового приборостроения. Сначала технология полупроводниковых материалов включала операции получения высокочистых поликристаллических полупроводников и выращивания легированных монокристаллов, которые и были конечной продукцией полупроводникового производства.

Лигатуры представляют собой сильно легированные примесью полупроводники в форме монокристаллов или поликристаллов. Иногда в качестве лигатур используют химические соединения легирующей примеси с элементарным полупроводником (например, фосфид кремния SiP в случае легирования кремния фосфором) или компонентом полупроводникового соединения (например, сульфид галлия GaS в случае легирования фосфида галлия серой). В общем случае монокристаллическую лигатуру, концентрация легирующей примеси в которой не превышает 1020 атом/см3, применяют для получения слабо легированных, а поликристаллическую для получения сильно легированных монокристаллов полупроводников.

однородно легированных монокристаллов

Нашельский А. Я., Гнилое С. В. Расчеты процессов выращивания легированных монокристаллов полупроводников. — М.: Металлургия.— 1981. —91с. '

Материалы. Для изготовления активных и пассивных элементов микросхем широко используются полупроводниковые материалы, резистивные и проводящие металлы и сплавы, диэлектрические соединения и смеси, фоторезисты, диффузанты, растворители. В связи с уменьшением размеров этих элементов и стремлением разместить все большее их число на минимальной площади и.в^ минимальном объеме требования к материалам непрерывно повышаются. Необходимо производство сильно легированных монокристаллов кремния с низкой плотностью дислокаций точно заданного диаметра и т. д., а также выпуск монокристаллов новых полупроводниковых соединений высокого качества. Понятие «чистое вещество» в традиционном химическом смысле уже недостаточно для полной характеристики материала. Помимо содержания примесей, необходимо учитывать еще и стехиометрию, чистоту поверхности, плотность кристаллографических дефектов.

Тип электропроводности легированных монокристаллов кремния определяют методом термозонда для монокристаллов с (УЭС) < < 500 Ом • см и методом точечно-контактного выпрямления для монокристаллов с УЭС > 500 Ом • см.

173. Нашелъский А.Я., Гнилое СВ. Расчеты процессов выращивания легированных монокристаллов. - М.: Металлургия, 1981. - 91 с,

Для производства полупроводниковых приборов широко применяются элементарные полупроводники, которые обладают поликристаллической или монокристаллической структурой, из которых наибольшее применение нашли германий и кремний. Из легированных монокристаллов германия или кремния вырезают пластины, которые являются основой для изготовления приборов и интегральных микросхем.

Сплавы Fe-Ni-Al без легирующих элементов не применяют ввиду их сравнительно низких магнитных свойств. Наиболее распространенными являются сплавы, легированные медью и кобальтом. Высококобальтовые сплавы, содержащие больше 15% Со, как правило, используют с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой.

Диэлектрические материалы применяют в микроэлектронике в качестве изоляционных покрытий и масок при диффузии и ионной имплантации, герметизирующих покрытий легированных пленок, предотвращающих выход легирующих элементов, герметизирующих слоев, защищающих поверхности приборов от внешних воздействий, для диффузии примесей из слоев легированных оксидов, а также для геттерирования примесей и дефектов. Наиболее перспективны для этих целей оксид и нитрид кремния, а также имеющие более узкое применение оксинитрид кремния и некоторые стекла.

Большую экономию дает применение поверхностной закалки вместо химико-термической обработки. Резко (в 5—6 раз) сокращается стоимость обработки. Во многих случаях появляется возможность заменить дорогие легированные стали обычными углеродистыми типа Ст. 45 или снизить содержание легирующих элементов без ухудшения механических свойств изделий. Этому способствует предварительная термообработка деталей перед поверхностной закалкой. Закаленная деталь имеет твердый поверхностный слой и прочную, но достаточно вязкую сердцевину. Аналогичный комплекс свойств дает поверхностная закалка сталей регламентированной прокаливаемости.

Индукционные тигельные печи как плавильные устройства обладают большими достоинствами, важнейшие из которых — возможность получения весьма чистых металлов и сплавов точно заданного состава, стабильность свойств получаемого металла, малый угар металла и легирующих элементов, высокая производительность, возможность полной автоматизации, хорошие условия труда обслуживающего персонала, малая степень загрязнения окружающей среды.

Технико-экономические показатели индукционных тигельных печей говорят о высокой эффективности этого оборудования. При плавке алюминия и медных сплавов угар металла сокращается для различных видов шихты и марок сплавов на 30—60% по сравнению с газовыми и мазутными печами; при плавке стали уменьшение расхода легирующих элементов по сравнению с дуговыми печами доходит до 50% [41 ]; при выплавке в индукционных печах синтетических чугунов уменьшается в 3—4 раза по сравнению с плавкой в вагранках количество растворенных в металле газов, снижается в 1,5—2 раза брак по литью, а главное — применяется более дешевая шихта, включающая стальной лом и не содержащая литейного чугуна, что позволяет высвободить часть доменного парка для увеличения выпуска передельного чугуна [27].

Другой способ контролируемого введения примесных атомов в кремний основан на так называемом ионном легировании. По сравнению с диффузией метод ионного внедрения имеет ряд преимуществ, которыми определяется его широкое практическое применение. Одним из основных достоинств метода ионного легирования является низкая температура процесса, исключающая возникновение ряда отрицательных воздействий на исходную подложку, а также возможность независимого контроля концентрации вводимых примесных атомов и характера их распределения (профиль регулируется энергией ионов, а концентрация — дозой облучения). Кроме того, концентрация примесных атомов при ионном легировании не ограничивается предельной растворимостью, как при диффузии. Недостаток метода ионного легирования заключается в относительно неглубоком (менее 1 мкм) проникновении атомов основных легирующих элементов внутрь полупроводника. Поэтому ионное легирование обычно используют в сочетании с диффузионными методами.

в процессе эпитаксиального наращивания, так и при последующих высокотемпературных процессах. Для типичных структур с изоляцией р-л-переходом при толщине эпитаксиального слоя 8—10 мкм область расплывания, отсчитанная от верхней поверхности исходной подложки р-типа, составляет 3—4 мкм. Поверхностное сопротивление материала скрытого я+-слоя обычно изменяется в пределах 12—18 Ом/П. Область расплывания профиля в n-слое можно уменьшить, если в качестве легирующих элементов использовать элементы с меньшими коэффициентами диффузии, например мышьяк или

вать 6.6, в. В табл. 6.2 представлены значения параметров Е, р и k для основных легирующих элементов в кремнии и германии.

Таблица 6.2. Параметры е, р и k для основных легирующих элементов в Si и Ge

Метод самоизоляции л-областью основан на использовании легирующих элементов с различным коэффициентом диффузии. В частности, в ИМС обычно применяется одновременная диффузия фосфора и мышьяка для создания скрытого л+-слоя в р подложке. Элемент ИМС формируется в эпитаксиальном р-слое, выращенном на р-подложке с п+-слоем. В результате высокотемпературных диффузионных процессов создания базы и эмиттера происходит одновременно диффузия фосфора из л+-слоя и формируется изолированная л-область ( 1.6).

Ионное легирование — это технологическая операция введения примесей в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ионами примесей [171. Получение ионов, их ускорение и фокусировку производят в специальных вакуумных установках. Пари легирующих элементов поступают в ионизационную камеру, где возбуждается высокочастотный или дуговой электрический