Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Революция в электронике, связанная прежде всего с Si, не убавилаинтереса к предшественникам этого полупроводникового материала.Халькогениды существенно расширяют возможности полупроводниковойэлектроники, обладают ценными фото– и пьезоэлектрическими свойствами.Особенность этих материалов – большое влияние технологии на свойства (дажебольшее, чем в соединениях АIIIBV), характер связи – ионно–ковалентный (см.рис.1.9,б). Поскольку при изготовлении соединений нельзя обойтись без высокотемпературных обработок, соотношение упругостей пара компонентов определяет свойства материала.
В халькогенидах оба компонента могут быть летучими,например, и Zn и S (широко известно обеднение латуней цинком при нагреве).Вследствие разницы упругостей пары компонентов А и В, выдержка приповышенной температуре приводит к потере более легколетучего компонента, из–за испарения происходит как бы легирование вторым компонентом. Это несопровождается разрушением кристалла, гомогенность не нарушается, т.е.дефекты точечные, а не объемные (типа вакансий халькогена).
Удельноесопротивление при этом может измениться на несколько порядков, отсюдавытекает особенность халькогенидов: их сопротивление ρ можно изменять вшироких пределах путем простой термообработки в парах одного из собственныхкомпонентов.По масштабам применения, из соединений халькогенидов выделяются сульфиды цинка и кадмия. Спектр излучения люминофора ZnS определяется типомактиваторов люминесценции: медь способствует излучению в зеленой и голубойобластях спектра, марганец – в желтой.
Недостаток ZnS-люминофоров –98Рис. 2.38. Схема выращивания монокристалла GaAs1−многосекционный печной блок; 2…4− кварцевые труба,реактор (ампула) и лодочка с расплавом галлия соответственно;5−смотровое окно; 6−монокристаллическая затравка; 7−капиллярная трубка; 8− источник летучего Ga2O; 9−кварцеваялодочка с мышьяком; 10− термопараРис.2.39.Спектральныефоторезистивных материаловхарактеристики99временная деградация приборов (кинескопов, экранов), обусловленная усилениемионного характера химической связи, стимулирующего электролиз.Сульфид кадмия широко используется для изготовления фоторезисторов, причем примеси играют существенную роль в механизме фотопроводимостисоединений АIIBVI. Помимо CdS для изготовления фоторезисторов,чувствительных к видимому излучению, используют пленки СdSe, спектральнаяхарактеристика этих материалов – рис.
2.39.Для ИК-фотоприемников, где необходимы узкозонные полупроводники, преимущества халькогенидов (PbS, PbSnТе, СdHgTe) особенно велики. По обнаружительной способности Cd Hg Te (KPT) не имеет себе равных в диапазоне 8…14мкм, который соответствует максимуму теплового излучения. Это лучший материал современных приборов ИК-техники (обнаружение стартов ракет, наведениена цель, преобразование теплового излучения в видимое, наблюдение и фотографирование местности днем и ночью, в условиях облачности и т.д.). За разработкутеории этих материалов, группе наших ученых в 1984 году была присужденаГосударственная премия страны.
Технология производства этих материаловкрайне сложна, КРТ является самым дорогим в современном производстве: дляего гомогенизации твердотельной диффузией необходимы 50-суточные отжиги;плохо воспроизводятся параметры, материал взрывоопасен.Высокая эффективность излучательной рекомбинации халькогенидовпозволяет использовать монокристаллы этих соединений в качестве рабочего телаполупроводниковых лазеров, возбуждаемых электронным пучком. По сравнениюс инжекционными лазерами, последние имеют преимущества: высокая мощностьизлучения; широкий выбор материалов, поскольку оказываются пригодными иуниполярные полупроводники; простота осуществления 2-х координатногосканирования пучка, преобразуемого в кристалле в лазерный луч. Технологиявыращивания монокристаллов халькогенидов разработана мало и представляет втехнологическом отношении трудную задачу, поскольку они имеют высокуютемпературу плавления и необходимо выдержать высокое давление в процессесинтеза.Выращиваниевбольшинствеслучаевосуществляетсяперекристаллизацией в запаянных кварцевых ампулах.
Синтез порошка длялюминофоров осуществляется по реакциям обменного разложения в воднойсреде. Так сульфид Zn(ZnS) осаждают из водного раствора сульфата ZnSO4пропусканием через него сероводорода H2S (для селеновых соединений H2Se).2.4. Типовые технологические процессы и операции,применяемые в производстве полупроводниковых микросхемСоздание микросхем начинают с подготовки пластин, которые получаютразрезанием монокристаллических слитков (булей), диаметром до 150 мм итолщиной 0,5 мм. После отрезки пластины шлифуют, полируют и производятхимическое травление для удаления верхнего дефектного слоя. Инструмент восновном алмазный. Зеркальная поверхность имеет шероховатость 0,03…0,05мкм, допустимое отклонение от плоскостности и параллельности поверхностей≤0,01 мм по всему диаметру.
Пластины характеризуются типом100электропроводности (n или p), удельным сопротивлением, а также ориентациейповерхности. Перед началом, а также неоднократно в течение циклаизготовления, производят очистку поверхности (промывка, растворение и т.п.).Особенно эффективна ультразвуковая очистка. Далее следуют этапыформирования на пластинах структуры микросхем (элементы и соединения),вводя соответствующие примеси или наращивая слои на поверхность.Проводники соединений, а в совмещенных схемах резисторы и конденсаторы, получают нанесением на поверхность пластин пленок.
Геометрия легированных областей и тонкопленочных слоев задается масками, формируемыми с помощью литографии. На пластинах образуется матрица одинаковых структур, каждая изкоторых соответствует одной микросхеме. Второй этап начинается с контроляфункционирования микросхем, электрические контакты осуществляются спомощью механических зондов (рис.2.7, 2.8) тонкими иглами, устанавливаемымина контактные площадки микросхем.
Зондовый контроль автоматизирован,дефектные схемы маркируются. Повышение степени интеграции и разработкаСБИС (более 10000 элементов в одной схеме) требует применения более сложныхи эффективных методов контроля: электронно–лучевое зондирование,электронный микроскоп и др. После контроля, пластины разрезают на кристаллы(отдельные микросхемы), кристаллы устанавливают в корпус, производитсямонтаж выводов и герметизация корпуса. Готовые микросхемы контролируются ииспытываются с помощью программируемых автоматических систем: тестовыйконтроль (функционирование) и параметрический.
Поскольку эти операциииндивидуальные, а не групповые, трудоемкость их и себестоимость могутдостигать 35% от общей трудоемкости и себестоимости изготовления ИС.Эпитаксия – процесс наращивания на пластину (подложку) монокристаллического слоя (эпитаксиальной пленки), повторяющего структуру подложки и ее кристаллографическую ориентацию. В большинстве случаев материалы пленки иподложки одинаковы, но могут применяться и разные материалы с близкойкристаллической структурой (гетероструктуры), например, пленка Si насапфировой (Al2O3) подложке. Именно с кремния началась эпитаксиальнаятехнология; при создании сверхрешеток на основе твердых растворов соединенийтипа АIIIBV осваивалась жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ).
Эпитаксиальная пленкасоздается на всей поверхности подложки, одновременно в нее вводятся примеси.На границе раздела пленки с подложкой можно сформировать p–n, n+–n или p+–pпереходы (знаком “+” обозначается слой более сильного легирования). Длясоздания многослойной структуры проводится несколько последовательныхэпитаксий. В технологии кремниевых микросхем обычно применяется газофазнаяэпитаксия (ГФЭ) в реакторе 3 (рис. 2.40). Пластины 1 на графитовом держателе 2помещаются в кварцевую трубу–реактор 3 с ВЧ–нагревателем 4.
Через трубупропускается поток H2 (газоноситель и восстановитель) с тетрахлоридом SiCl4 , атакже газообразных соединений доноров (РН3, РCl3) или акцепторов (ВВr3, B2H6).На поверхности пластин устанавливается и точно поддерживается температура(1200±30С) и происходит восстановление Si: SiCl4+2H2→Si↓+4HCl↑.Образующиеся атомы кремния и легирующих примесей мигрируют по101поверхности, занимая места в узлах решетки кристалла и растущая пленкапродолжает структуру подложки.
Скорость роста пленки 0,1…1,0 мкм/мин.(зависит от температуры, содержания SiCl4 в парогазосмеси (ПГС), скоростипотока и т.д. Из–за высокой температуры примеси диффундируют не только вподложку, но и обратно, что затрудняет получение резких переходов и тонкихслоев (пленка от 0,5, чаще 1…15 мкм). Более низкая температура требуется дляполучения пленки разложением силана SiH4 (10000C), но и он не позволяетполучить пленку тоньше 0,1–0,2 мкм (несколько сот атомных слоев).
Дляреализации очень тонких (до нескольких нанометров) пленок и резких переходов(технология GaAs-микросхем и др.), используется молекулярно–пучковая(молекулярно–лучевая) эпитаксия. Подложка 3 (рис. 2.41) закрепляется в камере сочень низким давлением (10–7…10–5 Па). В той же камере полукругомрасполагается несколько испарительных ячеек (тиглей 1), каждая ячейка отделенаот основного пространства камеры заслонкой 4, которая может очень быстрооткрываться и закрываться по команде ЭВМ. Рисунок поясняет эпитаксию пленкиарсенида АlxGa1–xAs на подложку GaAs, тигли содержат составные элементыпленки (Аl, Ga, As) и легирующие примеси (Si – донор, Мn – акцептор).Нагреватель поддерживает в тигле температуру, достаточную для интенсивногоиспарения материала, этим в тигле создается высокое избыточное давление паров.По команде ЭВМ открывается заслонка и пучок молекул из ячейки врывается вкамеру, летит к подложке и кристаллизуется на ней, могут быть открытыодновременно несколько заслонок.
С помощью процесса молекулярно–пучковойэпитаксии можно выращивать очень тонкие слои (от одного атомного слоя)сложных полупроводниковых соединений, строго контролируя толщину, состав иконцентрацию примесей в каждом слое (рис. 2.42). На рисунке показана строгаяпоследовательность рядов разного химсостава – дальний порядок сверхрешетки.При ЖФЭ, атомы растущего слоя оседают на подложку из расплава или раствора.
Раствор (расплав), насыщенный тем материалом, который необходимо вырастить, наносится на подложку. При охлаждении растворимость материала понижается и избыточное количество полупроводника осаждается на подложке. Длявыращивания GaAs методом ЖФЭ, он растворяется в жидком Ga. Температурапроцесса невысока (∼8000С), поэтому при ЖФЭ может быть выращен оченьчистый GaAs (рекордно малое содержание примесей ≤1013 см–3) с очень высокойподвижностью µ∼20 м2/(В⋅с) при температуре жидкого азота. ЖФЭ позволяетполучить слои толщиной от сотых долей мкм. Именно с помощью ЖФЭ былисозданы полупроводниковые лазеры на гетеропереходах (1967г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
