ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОЛНИКПпы* прикпрпп
М|
мм1
"U
S
о
о
Э WV ‘sonwdSBj’vy
Р. А.Гаврилов, А-М.Скворцов
ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОИЗВОДСТВА
ПОЛУ П РОВОДН и ко вых
ПРИБОРОВ
«ЭНЕРГИЯ»
Ленинградское отделение
1968
УДК 621. 382.2/3. 002.2
6П2.15
Г12
Г 12
JB^A. Гаврилов, А. М. Скворцов
Технология производства полупроводниковых
приборов. «Энергия» Л. 1968.
240 с. с рис. 25

экз. 1 р. 03 к.
В книге рассматриваются основные технологические процессы,
используемые в производстве полупроводниковых приборов и полу-
проводниковых интегральных схем. Наибольшее внимание уделено
процессам вплавления-фекристаллизации и диффузии, в результате
проведения которых образуется электронно-дырочный переход.
Планарной технологии, которая в последнее время стала ши-
роко применяться как для изготовления различных типов крем-
ниевых диодов и транзисторов, так и полупроводниковых инте-
гральных схем, посвящена вторая часть книги. Здесь основное
внимание уделено фотолитографии и получению пассивирующих
слоев двуокиси кремния на кремнии, а также рассмотрены прин-
ципы построения интегральных схем на основе полевых транзисто-
ров типа металл — окисел — полупроводник.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников, за-
нимающихся Конструированием и производством полупроводнико-
вых приборов и интегральных схем. Она будет полезна также сту-
дентам высших учебных заведений, специализирующихся в области
полупроводниковой электроники.
3-3-12
312-68
6П2.15
ПРЕДИСЛОВИЕ
узионных диодов и мощных кремниевых
узионных и диффузионно-сплавных
фотоэлементов и солнечных батарей, полупровод-
ЗОЕ
ЗШЕ
ЗЕ
Технология изготовления полупроводниковых приборов пред-
ставляет собой комплекс сложных процессов, многие из которых
являются важными самостоятельными научными и техническими
проблемами.
К числу таких проблем следует, в первую очередь, отнести
вопросы, связанные с формированием электронно-дырочных пере-
ходов в полупроводниковых материалах. Процессы диффузии при-
месей в полупроводниках, изучаемые физикой полупроводников,
положены в основу' изготовления огромного класса полупровод-
никовых приборов: ди
управляемых вентилей, ди
транзисторов,
пиковых интегральных схем и многих других полупроводниковых
устройств.
Другой важной проблемой является проблема получения твер-
дых растворов полупроводников и легирующих примесных эле-
ментов. Решением подобных проб лем. занимается металлургия и,
в частности, металлургия полупроводников. Процессы вплавления-
рекристаллизации положены в основу широкого класса полупро-
водниковых приборов: сплавных диодов, низкочастотных транзи-
сторов и других.
В отдельную науку — химию полупроводников — вырастают
t проблемы химической обработки полупроводниковых материалов.
С одной стороны, задачей химической обработки является полу-
чение необходимых профилей поверхности (полированная поверх-
ность, селективное травление), с другой стороны, — обеспечение
необходимых электрофизических свойств поверхности (величина
поверхностного заряда, сорбция ионов, скорость поверхностной
рекомбинации).
Важными самостоятельными техническими проблемами яв-
ляются также такие, как фотогравировка в слоях полупроводни-
ковых материалов, создание невыпрямляющих контактов с полу-
проводниками и другие.-Все перечисленные выше процессы и не-
которые другие нашли отражение в настоящей монографии.
В последние годы вышло несколько работ по технологии про-
изводства полупроводниковых приборов, однако .многие важные
вопросы не нашли в них достаточно полного отражения. В част-
ности, в отечественной литературе отсутствует подробный обоб-
щенный материал по новой универсальной планарной технологии
изготовления полупроводниковых приборов и полупроводниковых
интегральных схем.
Книга разбита на две части. Наименования частей не полностью
отражают сущность распределения содержания книги. Первая
часть содержит общие вопросы, относящиеся к технологии всех
видов полупроводниковых приборов (главы I—IV), и изложение
процессов получения электронно-дырочных переходов методами
сплавления, ди
ния (главы V—VII). Вторая часть книги посвящена, по существу,
планарной технологии. Однако эта технология изложена примени-
узии, электрохимического травления и осажде-
Эшь
тельно к изготовлению полупроводниковых интегральных схем
(главы VIII—XIII). Такое распределение материала позволило
избежать повторений при изложении.
Основой для написания книги послужили курсы лекций по тех-
нологии полупроводниковых приборов, прочитанные А. М. Сквор-
цовым в Ленинградском электротехническом институте им.
В. И. Ульянова (Ленина) в 1960—61 учебном году, и по техноло-
гии полупроводниковых интегральных схем в Ленинградском ин-
ституте точной механики и оптики в 1965 г.
Первая часть книги написана авторами совместно, вторая —-
А. М. Скворцовым.
Авторы надеются, что эта книга будет полезной для инженерно-
технических работников, занятых как в производстве полупровод-
никовых приборов, так и в смежных областях электронной про-
мышленности. Книга может быть полезна также для студентов
старших курсов высших учебных заведений, специализирующихся
в области полупроводниковой электроники.
Замечания по книге следует направлять по адресу: Ленинград,
Д-41, Марсово поле, 1, Ленинградское отделение издательства
«Энергия».
Авторы
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ДИОДОВ И ТРАНЗИСТОРОВ
— — -	, I	. .			» .  ..«ж —I	III	I	I II I	I		-	-  . ~ ~	' _	~ -	_ . — .  _»* .	. ।	  		I
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ГЕРМАНИЙ И КРЕМНИЙ
1-1. Структуры кристаллических твердых тел
Твердое состояние вещества представляет собой одно из воз-
можных агрегатных состояний. Основной характеристикой твер-
дого тела является неизменность формы (в нормальных условиях),
при этом атомы в нем совершают малые колебания относительно
некоторых фиксированных положений равновесия.
Тела в твердом состоянии различаются по взаимному распо-
ложению атомов в них. Структура твердых тел характеризуется
дальним порядком расположения атомов. Дальнему порядку рас-
положе
я атомов соответствует кристаллическая структура твер-
дых тел. Устойчивая форма кристаллов — плоскогранная.
Жидкости характеризуются ближним порядком, т. е. правиль-
ностью взаимного расположения близких атомов, наблюдающимся
в пределах одного-двух межатомных расстояний. Если жидкость
обладает боль
ой вязкостью, то перемещения ее атомов в их теп-
ловом движении происходят крайне медленно и при уменьшении
температуры жидкость затвердевает до того, как ее атомы успеют
переместиться в равновесное положение. Тогда образуется аморф-
ное твердое тело, например, стекло, характеризуемое, как и жид-
кость, ближним порядком расположения атомов. Стекло при низ-
кой температуре только внешне подобно твердому телу.
Аморфные тела, благодаря своей структуре, изотропны, т. е.
обладают равными физическими свойствами по всем направлениям.
Ниже температуры плавления стекло неустойчиво по отношению
к переходу в твердое (кристаллическое) состоя
е. Таким образом,
аморфные тела с течением времени кристаллизуются. Однако не-
устойчивое аморфное состояние тела может сохраняться весьма
н

значительное время и при нормальных условиях не переходить
в кристаллическое.
Кристаллическое тело находится в более устойчивом энергети-
ческом состоянии по сравнению с аморфным. Дальний порядок
5
расположения атомов в кристаллах обеспечивает высокую степень
упорядоченности их структуры и, как следствие, анизотропность
и форму многогранников. Дальний порядок расположения атомов
в кристаллах простирается на тысячи межатомных расстояний.
Большинство твердых полупроводников и металлов имеет кри-
сталлическую структуру. Под упорядоченным расположением ато-
мов в пространстве понимается свойство пространственной перио-
дичности, или трансляционной симметрии, которыми обладает
кристаллическая ре
етка.
и
Ознакомление с кристаллическими решетками начнем с ли-
нейной (одномерной). Рассмотрим бесконечный ряд точек, нахо-
а)
б)
е	в е Рис. 1-1. Операции параллель-
* ного переноса (трансляции):
е е	9	9 а — бесконечный периодиче-
ский ряд; б — плоская прямо-
• е •	.	• е угольная двухмерная периоди-
.	ческая сетка (решетка); в —
плоская косоугольная двухмерная периодическая сетка
(решетка).
дящихся друг от друга на определенном расстоянии в направле-
нии а, где а — трансляционный вектор. Такая решетка может быть
получена путем последовательного смещения точки (узла) на рав-
ные отрезки а. Последовательное применение параллельного пере-
носа (трансляции) а к исходной точке, называемой узлом, приводит
к образованию бесконечного прямолинейного и периодического
ряда узлов, положение которых определяется вектором линейной
решетки Р == па, где а есть длина осевого масштаба, ап — целые
положительные и отрицательные числа (координаты узлов ряда).
Сочетание двух векторов переноса приводит к образованию
двухмерной периодической сетки. Положение узлов плоской сетки
определяется бинарной линейной формой Р = па
Сочетание трех некомпланарных (непараллельных одной и
той. же плоскости) векторов переноса а, Ь, и с, приводит к образо-
ванию трехмерной бесконечной периодической сетки, называемой
пространственной решеткой. Координаты узлов прострайственной
решетки определяются трехчленной линейной формулой Р = па +
+ mb + ре, где п, т, и р — координаты узлов, выраженные
mb (рис. 1-1).
6
Рис. 1-2. Схема пространственной
решетки.
кристаллическом
О
целыми числами; а, Ь, и с — единичные векторы осевого масштаба
(трансляционные, масштабные или основные векторы). Трехмерная
трансляционная группа (Р — пространственная совокупность трех
векторов а, Ь, с) обусловливает в решетке дальний порядок. При
этом узел в пространственной
решетке представляет собой аб-
стракцию атома, иона, молеку-
лы или радикала в кристалле.
Схема пространственной решет-
ки показана на рис. 1-2.
Между пространственной ре-
шеткой
структурой имеется существен-
ное различие. Кристаллическая
структура отличается от про-
странственной решетки тем, что
для построения ее необходимо
связать с точкой пространст-
венной .решетки материальный
элемент (атом, ион, молекулу или их совокупность). Получен-
ная таким образом структурная единица называется, соответ-
ственно, простым или сложным узлом данной кристаллической
структуры. Это иллюстрируется рис. 1-3 в отношений плоской
сетки. Все группы атомов, составляю-
щие структуру, идентичны по соста-
ву, расположению и ориентации.
Как видно из рис. 1-2, простран-
ственная решетка подразделяет тело
на совокупность равных и парал-
лельно расположенных параллеле-
пипедальных ячеек, называемых,
элементарными. Элементарная ячей-
ка может быть параллелепипедом
либо шестигранной призмой.
Если кристалл кубической фор-
мы, например, каменной соли NaCl,
расчленять на все более мелкие ку-
бики, то в Конце концов можно, по
крайней мере, теоретически, прийти
к наименьшей части кристалла, еще
сохраняющей элементы симметрии большого кристалла. Эта
наименьшая часть и есть элементарная ячейка) кристаллической
структуры. Элементарную ячейку следует описывать не по внеш-
ней форме, а по строению. Это возможно на основе рентгенов-
ского структурного анализа.
Материальное содержание элементарной ячейки, т. е. число
частиц каждого сорта, принадлежащих этой ячейке, называется
базисом данной кристаллической структуры.
Рис. 1-3. Двухмерная кристал-
личеркая решетка: а — базис,
содержащий два различных
атома;
структура, которая может рас-
сматриваться как объединение
базиса (а) с кащдой точкой (•)
пространственной решетки.
«э
б — кристаллическая
Рис. 1-4.
Таблица 9-8
Неокисленные контрольные образцы
Окисленные образцы
Поверх-
ностное
сопротивле-
ние, ом/О
Толщина
диффузион-
ного слоя,
мкм
Поверх-
ностная
концентра-
ция фос-
фора, см~3
Толщина
пленки
окисла,
Поверх-
ностное
сопротивле-
ние, ом/ □
Толщина
диффузион-
ного слоя,
мкм
Поверх-
ностная
концентра-
ция фос-
фора, см-3
0,69 .
0,71
6,73
6,15
1,6 • 1021
1,2.1021
6 500
9100
0,69
6,15
Приведенные
1,3 • 1021
результаты
12500
2,0
полная
защита
полная
защита
4,4 • 1020
совпадают с данными рис. 9-6, где
показаны маскирующие свойства пленок двуокиси. кремния при
диффузии фосфора. Диффузия проводилась в одну стадию при
температуре-(-1150° С из источника, содержащего Р2Об и находя-
щегося при температуре 4-260° С. Время ди
Из рисунка, так же как и из таблицы, видно, что для защиты от
осфора достаточна
пленка, полученная в атмосфе-
ре влажного кислорода, тол-
щиной 1 мкм.
При диффузии бора полная
маскировка достигается пленка-
ми окисла толщиной 0,4 мкм.
Для неокисленного же образца
глубина р-п-перехода для про-
ведения этого процесса диффу-
зии равна 12 мкм. Одной из
возможных причин, объясняю-
щих защитные свойства окис-
ных пленок, являются значи-
тельно менЫпие коэффициенты
узии некоторых примесей в пленке окиси по сравнению с коэф-
Толщина пленки окисла, мкм
Рис. 9-6. Маскирующее свойство оки-
слов кремния при диффузии фосфора.
ЭШЕ
узии

ЗЕ
узии — 145 мин.
ДИ
фициентом диффузии их в кремнии. В настоящее время нет дан-
ных о непосредственном измерении коэффициентов диффузии в
окисных пленках, однако косвенные данные свидетельствуют
о различных коэффициентах диффузии.
Защитные свойства окисной пленки данной толщины зависят
от температуры ди
в кремнии и пленке двуокиси кремния и времени диффузии.
ЗШЕ
ЗШЕ
узии, коэффициента диффузии примеси
9-6. Определение толщины окисного слоя на пластинках кремния
Как уже упоминалось в предыдущем параграфе, защитные
свойства пленок двуокиси кремния во многом определяются
толщиной пленки, полученной методом термического окисления.
166
Кубическая
Тетрагональная
Тригональная
Гексагональная
а=р=у=90
а=Ъ*с
сс^р^у^90
Решетки Браве.
входит от одного
их
Ь, с и углы а, Р, у между осями фигур показаны
По своему строению кристаллические решетки разделяются
на простые и сложные. В простой решетке элементарная ячейка
содержит один атом и любой узел решетки может быть совмещен
' с другим узлом посредством трансляций; все узлы решетки абсо-
лютно эквивалентны, т. е. картина окружающих атомов, которую
рассматривают из любого узла решетки, одинакова. В случае
сложной решетки пространственная трансляционная группа дей-
ствует на сложный узел.
Изучение идеальных монокристаллов еще задолго до экспери-
ментального исследования расположения атомов в твердых телах
привело к классификации кристаллов по сингониям" (сингония
означает «со сходными углами»).
Основу классификации составляют семь кристаллических сис-
тем координат (сингоний). В каждую сингон)
до четырех типов решеток, отличающихся друг от друга структу-
рой сложного узла. Так получается четырнадцать трансляцион-
ных решеток (рис. 1-4), носящих название решеток Браве по
имени французского кристаллографа Огюста Браве (1811—
1863). Векторы, задающие решетку, показаны сплошными ли-
ниями, вспомогательные линий изображены пунктиром. Осевые
единицы а
только для примитивного типа решеток. Остальные фигуры
каждой сингонии не отличаются по форме, но имеют другое
число рассматриваемых точек и различаются выбором векторов
параллельных переносов, z — число частиц (атомов) в элементар-
ной ячейке.
Базоцентрированных решеток две, они задаются тремя векто-
рами, два из которых совпадают с осевыми единицами а и с, а тре-
тий с полудиагональю грани базиса элементарной ячейки ре*
етки — параллелепипеда, построенного на осевых единицах кри-
сталла.
Объемноцентрированных решеток три, они задаются тремя
векторами, два из которых
и с, третий — с половиной пространственной диагонали ячей-
ки.
Гранецентрированных решеток две, они могут быть заданы
тремя векторами, каждый из которых равен полудиагонали
одной из координатных граней ячейки. Таким образом, струк-
тура любого кристалла может быть описана одной из решеток
Браве.
Для того, чтобы определить число атомов, приходящихся
на одну элементарную ячейку кристалла, необходимо иметь в виду,
что каждая частица, расположенная в узле ячейки (если в узле
сходится 8 ячеек), принадлежит элементарной ячейке на 1/8,
частица, расположенная на ребре, принадлежит элементарной
ячейке на 1/4, частица, расположенная на грани, принадлежит
элементарной ячейке на х/2, частицы, расположенные в объеме
элементарной ячейки, принадлежат ей целиком.
111
совпадают с осевыми единицами а
10
*
1-2. Плотность упаковки атомов
Структурным анализом установлено, что большинство кристал-
лов чистых металлов принадлежит к кубической и гексагональной
сингонии. Одновалентные щелочные металлы Li, Na, К, Rb и Cs,
двухвалентный Ва, переходные металлы, а-, £- и 6------моди-
фикации железа кристаллизуется в виде объемноцентрированного
куба. Металлы Си, Ag, Au, А1, РЬ, у — модификация железа,
Ni, Ir, Pt кристаллизуются в форме гранецентрированного куба
(плотнейшая кубическая упаковка), элементы Be, Mg, Zn, Cd
имеют элементарную ячейку гексагональной
структуры с так называемой плотной гексаго-
нальной упаковкой. В этом случае
Слож-
Рис.
ная решетка плот-
ной гексагональ-
ной упаковки.
и
сестигран-'
ная призма содержит в объеме дополнительно
три атома, как это показано на рис. 1-5.
Такая решетка содержит два атома в элемен-
тарной ячейке и представляет собой сложную
решетку. На рис. 1-5 элементарная ячейка
выделена жирными линиями.
Важным показателем свойств решетки, кри-
сталла служит координационное число Л, т.
число ближайших соседей, окружающих дан-
ный атом и находящихся от него на равных
расстояниях d. Чем больше это число, тем
плотнее упаковка атомов.
В любой решетке Браве число А одинаково
для всех ее узлов. В примитивной кубической
решетке А = 6 и расстояние от каждого из
атомов координационной группы до узла равно длине ребра
куба а.
В объемноцентрированной кубической решетке к = 8 и d ==
= (j/3/2) а; в гранецентрированной кубической решетке к == 12
и d-(]/2/2)a.
Плотность упаковки атомов в кристаллической структуре ха-
рактеризуется отношением объема, заполненного атомами, ко всему
объему элементарной ячейки, если атомы имитировать твердыми
шарами. Это отношение, называемое коэффициентом компактно-
сти д, определяется по формуле 9 =
сорта i в элементарной ячейке; — объем одного твердого
имитирующего атом сорта Ц
Для упаковок, образованных из одинаковых соприкасающихся
шаров,
, где — число частиц
ара,
— объем элементарной ячейки.
и
^ормула имеет вид:

	
где R — радиус равновеликого шара.
Щелочногалоидные соединения NaCl, LiF, Na J, KC1, а также
бинарные соединения MgO, CaO, MgS, CaSe, BaTe и др. кристал-
лизуются в форме кубической ре
и
етки, узлы которой попеременно
Рис. 1-6. Структура камен-
ной соли.
заняты ионами элементов соеди-
нения. Такой тип кристалличе-
ской решетки называется струк-
Рис. 1-7. Кристал-
лическая структу-
ра хлористого це-
зия.
турой каменной соли (от наименования распространенного соеди-
нения NaCl). В этом случае каждый ион Na+
CF* и наоборот (рис. 1-6). Пространственная ре
и
окружен ионами
етка NaCl — ку-
Рис. 1-8. Решетка
графита.
бическая гранецентрированная. Элементарный
куб содержит четыре молекулы. Такие ре
in
етки
можно рассматривать как совокупности двух
гранецентрированных структур, каждая из ко-
торых содержит ионы лишь одного знака.
Ионные кристаллы хлористого цезия (CsCl)
имеют структуру объемноцентрированного куба.
В этом случае каждый ион Cs+ окружен во-
семью отрицательными ионами галоида и ана-
логично каждый ион галоида — восемью иона-
ми Cs+ (рис. 1-7).
Среди твердых тел распространено явление
полиморфизма. Например, углерод имеет две
кристаллические модификации: графит #и ал-
маз.
Графит по структуре представляет собой
характерный пример сложной решетки с боль-
шой степенью анизотропии (рис. 1-8). Кристал-
лическая структура графита гексагональная.
кристаллическую решетку, элементарная ячейка
Алмаз имеет
которой образована атомами углерода, расположенными по вер-
шинам куба, в центрах его граней и в центрах четырех несмежных
октантов куба (рис. 1-9). Каждый атом кристалла находится
в центре правильного тетраэдра и окружен четырьмя атомами.
Пространственная регйетка алмаза кубическая гранецентрирован-
12
ная. Структура алмаза представляет собой сложную кубическую
решетку, состоящую из двух гранецентрированных кубических
решеток, сдвинутых одна относительно другой на одну четверть
постоянной решетки. Каждый атом имеет четыре ближайших со-
седа и двенадцать соседей, следующих за ближайшими. Базис
алмазной решетки содержит восемь
атомов, четыре из которых.
Рис. 1-10. Проекции атомов,
заполняющих элементарную
ячейку структуры алмаза,
на грань основания куба.
Рис. 1-9. Элементарная ячейка кри-
сталлической структуры алмаза.
ячейки. Расположение этих
Рис. 1-11. Кристаллическая
решетка цинковой обманки.
находятся в объеме элементарной
четырех атомов отмечено на рис. 1-10 дробями х/4 и 8/4. В кружках
записаны расстояния по нормали от
основания элементарной ячейки до цен-
тров атомов, выраженные в долях по-
стоянной решетки (а), причем верхняя
грань ячейки из рассмотрения исклю-
чена. Нуль означает совпадение с рас-
положением основания ячейки.
Решетка этого типа относится к числу
неплотно упакованных структур. В таких
структурах кристаллизуется углерод,
кремний, германий и серое олово; по-
стоянные решеток этих кристаллов рав-
ны соответственно 3,56; 5,43; 5,66; 6,49 А.
Алмазоподобными структурами обладают некоторые бинарные
соединения, такие, как, например, цинковая обманка ZnS (сфа-
лерит). Ее кубическая структура подобна структуре алмаза с тем
отличием, что в решетке ZnS чередуются ионы двух элементов
(рис. 1-11). Если одну половину узлов алмазной решетки (напри-
мер, узлы, которые в элементарной ячейке расположены в вер-
шинах куба и в центрах его граней) заменить ионами одного рода,
а другую половину узлов — ионами другого рода, то получится
решетка типа цинковой обманки ZnS.
В противоположность структуре алмаза, которая обладает цент-
ром симметрии на середине прямых, соединяющих ближайшие
13
частицы в структуре цинковой обманки таких центров, сим-
метрии не имеется, следовательно, эта структура неинвариантна
по отношению к операции инвер-
Рис. 1-12. Кристаллографиче-
ские -оси (к определению ин-
дексов Миллера).
сии.
Решетками типа цинковой обман-
ки обладает большинство полупро-
водниковых соединений типа AinBv,
например, антимонид индия (InSb).
В табл. 1-1 приведены значения
параметров, характеризующих рас-
смотренные структуры, при условии
замены атомов соприкасающимися
арами.
Присущая кристаллам анизотро-
пия требует при измерении физи-
ческих свойств указывать направ-
in
ления, к которым относятся полу-
ченные значения величин. В кристаллографии используются так
называемые индексы Миллера, задающие определенную плос-
кость кристалла. Проведем в кристалле из одного узла решетки
три оси, параллельные трем ребрам элементарной ячейки кри-
Таблица 1-1
Тип решетки
Число
атомов в
элемен-
тарной
ячейке z
Кратчай-
шее меж-
атомное
расстоя-
ние d
Коорди-
национ-
ное число
k
Объем
элемен-
тарной
ячей-
ки Va
Коэффи-
циент
компакт-
ности
струк-
туры q
Числен-
ное зна-
чение q,
Кубическая > гра-
нецентрирован-
ная ............
Плотноупакован-
ная гексагональ-
ная.......... • •
Кубическая объ-
емноцентриро-
ванная..........
Кубическая про-
стая ...........
Алмазная.......
4
2
2
1
8
74,04
74,04
с
4/3	8
а	6
4/3	4
4
а3
а3
а3
/Зл
8
68,1
t
52,3
34,0
У2п
6
/2о«
У 2 п
6
14
На оси II масштабная
являющийся масштабным для этой
сталла, и примем их за координатные оси. В таком случае они
называются кристаллографическими осями и нумеруются так,
как показано на рис. 1-12. Плоскость A±BtCly проходящую через
атомы кристалла и отсекающую на осях отрезки OAU OBt и ОС19
примем за единичную, т. е. масштабную грань. Это значит, что
отрезок ОЛг есть единица измерения для оси / и все отрезки этой
оси должны измеряться в единицах ОА
грань отсекает отрезок ОВ
оси. Отрезок ОСг представляет собой единицу измерения для
оси III. В общем случае отрезки ОА^ ОВи ОСГ могут быть не равны
ДРУГ другу.
Зададим теперь некоторую грань АХВХСХ и вычислим такие
двойные отношения:
ОАХ. ОВХ . ОС„
OAi ‘ OBi ‘
0Ct •
Эти отношения можно привести к отношению трех целых чисел:
*
ОАХ ОВХ ОСХ
OAi OBt ОС!	г
Это представляет собой следствие периодичности структуры крит
сталлов.
Если взять обратные отношения этих величин, то это запи-
шется так:
1.1.1	ОAt. ОВГ . ОС!	1 .1 .1
ОАХ : ОВХ ' ОСХ ~~ОАХОВХ' ОСх~т' п ' р
r/n и т/р к общему знаменателю
ОА± ОВ! ОС±
После приведения ? дробей 1/П1.
можно получить:
ОАХ'ОВХ'ОСХ~
где й, к, I — целые числа.
Таким образом, символ грани АХВХСХ выражается тремя це-
лыми числами, представляющими собой отношения трех дробей,
числители которых являются ребрами единичной грани (ОА lt
ОВ
(ОАХ, ОВХУ ОСХ\
Числа h,k,l называются индексами Миллера по имени ученого,
предложившего в 1839 г. введение этого способа, а совокупность
этих трех индексов грани принято называть ее символом. Обычно
индексы Миллера для грани (или вообще плоскости) заключаются
в круглые скобки без каких-либо знаков между ними (hkl). Плос-
костям, рассекающим грани куба по диагонали, соответствуют
индексы (110), (101), (011). Грани куба имеют индексы (100), (010),
(001), а противоположные им грани — индексы (100), (010), (001).
Знак минус над индексом показывает направление оси.
О(\), а знаменатели сортветствуют ребрам заданной грани
15
Плоскости, эквивалентные по симметрии, обозначаются индек-
сами, заключенными в фигурные- скобки. Например, все грани
куба можно обозначить через {100}.
Рис. 1-13. Главные плоскости кубического кристалла и
соответствующие им индексы Миллера.
и
А
Рис. 1-14. Некоторые направ-
ления и плоскости кубической
решетки.
На рис. 1-13 представлены, главные плоскости кубического
кристалла и соответствующие им индексы Миллера.
Положение узлов элементарной ячейки задаётся координатами
в единицах постоянной решетки. Например, в кубической ре-
гетке центр имеет координаты: г/2,
х/2, а центры граней г/2, V2, 0; 0,
г/2,	0, (записываются. без
скобок).
Индексы, обозначающие направ-
ления, записываются в квадратных
скобках [u v w\. Направление оси х
записывается как [100], отрицатель-
ное направление оси у — как [010].
В кубических кристаллах направле-
ние [и v ю] перпендикулярно к плос-
кости, имеющей те же индексы.
Физически эквивалентные на-
правления в кристалле обозначают-
ся символом (и v w).
На рис. 1-14 для кубической ре-
гетки показаны некоторые плоско-
сти и направления. Направление О А имеет индекс [100], направ-
ление OD — [011], направление ОН — [013], плоскость AEGF —
(100), плоскость ABDE — (110), плоскость АВС —- (111), плоскость
AIJ — (132), направление OG — [111].
Для гексагональной кристаллической решетки используются
индексы, состоящие из четырех знаков.
и
1-3. Основные свойства кремния и германия
Из моноатомных полупроводников кремний и германий изу-
чены лучше других и до настоящего времени находят наибольшее
применение в качестве материалов для радиотехнических полу-
16
проводниковых приборов. Монокристаллы этих элементов имеют
кристаллическую решетку типа алмаза, которая подробно рас-
смотрена в § 1-2.
Кремний Si был открыт в 1824 г. Берцелиусом и Штромейером.
Кремний — второй среди элементов по распространенности в при-
роде (после кислорода), содержание его в земной коре составляет
26% (по весу). В природе кремний встречается только в соеди-
нениях: в виде двуокиси кремния SiO2, называемой также крем-
невым ангидридом или кремнеземом, и в виде солей кремниевой
кислоты или силикатов.
Наиболее распрострацены в природе алюмосиликаты, т. е. си-
ликаты, в состав которых входит алюминий. К ним относятся
полевые шпаты, слюды, каолин и другие минералы. Кроме земной
коры, соединения кремния присутствуют в некоторых органах
растительного и животного мира.
Прокаливанием чистого SiO2 с магнием можно получить сво-
бодный кремний в аморфном состоянии. Медленным охлаждением
раствора кремния в цинке или алюминии получают кристаллы
кремния октаэдрической формы. Кристаллический кремний обла-
дает стальным металлическим блеском. В химическом отношег
И
14
кремний, особенно кристаллический, малоактивен; при комнатной
температуре он непосредственно соединяется только с фтором.
Кислоты не действуют на кремний, но щелочи энергично реа-
гируют с ним, выделяя водород и образуя соли кремниевой кис-
лоты,
Si + 2К0Н + Н2О = K2SiO3 + 2Н2.
Кремний хорошо растворим в смеси фтористоводородной и
азотной кислот.
Германий был открыт позднее кремния. Он был предсказан
Д. И. Менделеевым и еще до его обнаружения был назван эка-
кремнием. Открытие германия в 1886 г. принадлежит Винклеру.
Германий — один из наиболее рассеянных элементов. Мине-
ралы, содержащие германий в сколько-нибудь значительных коли-
чествах, крайне редки. Наиболее часто используются как сырье
для получения германия минералы: аргиродит 4Ag2S «0682 и гер-
манит 6CuS -GeSa. В очень мал&х количествах соединения герма-
ния находятся во многих рудах. Общее содержание германия
в земной коре не превышает 0,0004% (по весу). Источником полу-
чения германия обычно служат зола каменных и бурых углей
и отходы цинкового производства. Чистый германий применяется
главным образом для производства полупроводниковых при-
боров.
Германий — серебристо-белое, очень хрупкое кристаллическое
вещество. Монокристаллы германия не изменяются ни в сухом
ни во влажном воздухе даже при нагревании. Порошкообразный
германий уже при умеренном нагревании 'переходит в двуокись
германия GeO2.
17
В табл. 9-9 приведены значения величины S' в зависимости
от цветов (шкала Ньютона) и соответствующие этим цветам тол-
щины слоев пленки SiO2.
Однако, так как определенные цвета чередуются, необходимо
знать порядок интерференции. Для этого наносят каплю плави-
ковой кислоты на угол пластинки, чтобы получить разную тол-
щину пленки окисла от измеряемой до нулевой (цветовой клин).
Таким образом, на пластинке видна вся серия окрашенных колец,
причем зеленые кольца служат для отметки порядка интерферен-
ции. Относительная ошибка этого метода в большинстве случаев
составляет меньше 5% от исходной толщины при толщине слоя
SiO2 порядка одного микрона и меньше 10 % при толщинах окисных
пленок более одного микрона.
На практике использование этой таблицы затруднено, так
как сам процесс определения цвета (оттенка цвета) достаточно
субъективен. Поэтому для определения толщины окисных пленок,
ваться табл. 9-10.
пластинках
кремния, целесообразно пользо-
Таблица 9-10
Толщина окисных пленок, А
Цвет
Порядок интерференции
Серый..................
Рыжевато-коричневый. . .
Коричневый.............
Голубой................
Фиолетовый.............
Синий .................
Зеленый. ..............
Желтый.................
Оранжевый..............
Красный................
100
300
500
800
1000
1500
1850
‘ 2100
2250
2500
2750
3000
3300
3700
4000
4350
4650
4900
5200
5600
6000
6250
6500
6850
7200
7500
9-7. Окисление кремния р плазме кислорода
Метод термического выращивания слоев двуокиси кремния
на поверхности имеет целый ряд недостатков, связанных с высоко-
температурной обработкой кремния. В процессе такой обработки
могут ’ существенно изменяться электрические свойства кремния;
наличие незначительных загрязнений газа-носителя приводит
к нарушению окисной пленки.
требования к качеству очистки газа-носителя и условиям проведе-
ния процесса окисления. Необходимо также отметить, что после
очистки пластин кремния перед окислением во время загрузки
их в кассету и передачи на окисление поверхность пластинок
может в результате воздействия окружающей среды загрязняться.
Поэтому предъявляются высокие
171
г
Таблица 1-2
'Наименование
Кремний '
Германий
Атомный номер.......
Атомный вес, ат. ед. » .
14
28,086
32
72,59
Изотопы. . . . ;.....
Изотопы искусственные
Конфигурация внешних
электронов атома . . .
Кристаллическая струк-
тура .................
Постоянная решетки, см
Число атомов в 1 см3 . .
Плотность при 25° С,
г 1см3......'........
Твердость по шкале
Мооса................
Температура плавле-
ния, С ♦•••«••••
Температура кипения, °C
Скрытая теплота плав-
ления, кал!Г......
Теплоемкость, '
кал!Г-атом - град
при 80е К.........
> 300° К. ......
Теплопроводность при
25° С, кал)сек • см  град
Термический коэффи-
циент линейного рас-
ширения, 1/°С.........
массовое
число
массовое
число
29
30

92,3
3,0
70
72
73
74
76
20,4
.27,4 •
7,8
7,8
массовое
число
период полу-
распада, лет
массовое
число
период полу-
распада, ч
32
710
77 ,
78
12
1,47
3s23p2
Кубическая гранецентрированная типа
алмаза
5,431 • 10-8
4,99 • 1022
1423
395,2
4,65
0,2
4,68 • IO"8
(15—1000° С)
5,658 • 10“8
4,42 • 1022
5,327
6,25
2700
114,3
2,65
5,47
0,14
6,1 • IO"8
интервале -
6,6 • 10’®
Продолжение табл. 1-i
Наименование
Кремний
Германий _
Концентрация собствен-'
яых носителей заряда
- в чистом полупровод-
нике, СЛ€“®..........
Удельное сопротивление
* собственной проводи-
мости при	300° К,
6,8 • 1010
(при 300е К)
2,5 -IO*8
(при 20° С)
(Ш-СЛС. ..........
Работа выхода, ав ... ^
Ширина запрещенной
зоны, ов..........
и
Подвижность:
электронов, см2) в-сек
2-Ю5
4,8
1,153 при 0° К
1,107 при 295е К
дырок, см^/в-сек . .
Максимальная скоростью
электронов, см(еек
47
4,78
0,744 при 1,5* К
0,67 при 29Г К“
(р \~Ьвв
зоб)
/ у \ —2»83
1820 (я
дырок, см1сек . . . .
Коэффициент диффузии:
- дырок, СМ2/в.....
электронов, см2/в . .
Диэлектрическая про-
ницаемость ..........
Показатель преломления
8,5 • 10®
(при Е > 15 000 в1см)
5-10®
(при В >20 000 в}см)
13
35,36
12
3,42
6,5 • 10»
(при Е > 300 в1см)
6-10»
(при Е > 9000 в/см)
94
16
4,068-4,143
Соляная и разбавленная серная кислоты не действуют на гер-
маний, азотная и концентрированная серная кислоты окисляют
его в двуокись. В щелочах германий медленно растворяется.
При температурах порядка 200—250° С германий активно реаги-
рует с галогенами и серой.
В табл. 1-2 приведены основные свойства кремния и германия.
1-4. Марки кремния и германия
Выпускаемые промы
II
ленностыо монокристаллы кремния и гер-
мания по параметрам и качеству распределяются на несколько
групп. В этом параграфе систематизированы основные сведения
по монокристаллам кремния, и германия.
Для производства электронных полупроводниковых приборов
кремний монокристаллический йо РЭТУ 1221—64 подразделяется
на пять групп в зависимости от назначения и предъявляемых
требований.
19
Группа первая (электропроводйость электронная или дыроч-
ная). Слитки кремния, относящиеся к этой группе, характери-
зуются параметрами, приведенными в табл. 1-3.
Таблица 1-3
Под-
группа
Интервал
удельного
сопротивле-
ния,
ом • см
Разброс удельного
сопротивления не
более, %
по слитку
от номи-
нала
по каж-
дому тор-
чу
Плотность ’
дислокаций,
см-2
Длина
слитка
не менее,
мм
Диаметр
слитка,
мм
1
1с
Icy
1сс
2 -10 3—5 • 104
2-103
2-103
10
40
35
35
30
25—40
25—40
25—40
20—40
Диффузионная длина неравновесных носителей заряда для
кремния группы первой представлена в табл. 1-4.
Таблица 1-&
Номинальное
удельное
сопротивле-
ние, ом • см
Минимальная диффузион-
ная длина, мм
Но
[нальное
1с, Ice, Icy
удельное
сопротивле-
ние, ом. - см
Минимальная диффузион-
ная длина, мм
1с, Icc, Icy
1—4
4—5
0,2
0,3
0,1
0,1
5—7	0,4
7—20	0,5
4
0,1
0,1

Группа вторая (электропроводность электронная). Свойства
слитков приведены в табл. 1-5.
Таблица Тб
Под-
группа
Интервал
удельного
сопротивле-
ния, ом • см
Разброс удельного
сопротивления не
более, %
по слитку
от но:
[-
нала
по каж-
дому тор-
ЦУ
Плотность
дислокаций,
СЛ€~2
Длина
слитка
не менее,
мм
Диаметр
слитка,
мм
2А
2Б
2Бс
2Б
2Г
2Д
12—25
25—45
25—45
40—75
50—140
100—250
до 5 • 104
до 5-104
до 5 • 104
до 5 • 10*
до 5 • 104
до 5 • 10*
.40
40
30
40
40
40
25—40
25—40
20—40
25—40
25—40
.25—40

Примечая и е. Диффузионная длина
кремния всех подгрупп этой группы.
дырок не менее 0,3 мм для
Группа третья (электропроводность электронная или дыроч-
ная) — см. табл. 1-6.
Таблица 1-6
Подгруппа	S Интервал удельного сопротивления, ом • см	Разброс удельного сопротивления от номинала не более, %	Длина слитка не менее, мм	Диаметр слитка, мм
3	0,005 до 1,0	4 ±15	30	25—40
Зс	0,005 до 1,0	±10	30	25—40
Зсп	0,005 до 0,01	—	30	25—40
Слитки подгрупп Зс и Зсп выращиваются по режимам, приме-
няемым для получения малодислокационного монокристалличе-
ского кремния.
Группа четвертая (электропроводность дырочная) (см. табл. 1-7).
Таблица 1-7
Подгруппа
Интервал удельного
сопротивле ния,
ом • см
Разброс удельного
сопротивления по
слитку не более,
%
Длина
слитка не
менее, мм
А
Диаметр
слитка,
мм
0,005—1,0
0,005—1,0
±35
±30
30
30
20-40
20—40
При заказе кремния подгрупп 4 и, 4с указывается элемент
легирующей добавки (бор или алюминий).
Кремний подгруппы 4 и 4с, легированный алюминием с номи-
нальным удельным сопротивлением от 0,15 до 0,065 ом-см, может
поставляться в виде бикристаллов, а с номинальными удельными
сопротивлениями ниже 0,065 ом • см — в виде поликристаллов.
Кремний p-типа, легированный бором, предназначенный для
подложек, изготавливается с удельным сопротивлением менее
0,03 ом-см.
Кремний, легированный алюминием, выпускается с номиналь-
ным удельным сопротивлением от 0,02 до 0,2 ом-см.
Содержание бора в слитках подгруппы 4 и 4с, легированных
алюминием, должно соответствовать следу!
ин
щм значениям:
Номинальное удельное сопро-
тивление, ом* см......... 0,005—0,06 0,06—0,1 0,1—1,0
Содержание бора не более, %	8 • 10“б	4 • 10 б	2 • 10“б
Группа пятая (электропроводность электронная), см. табл. 1-8.
Кремний подгрупп 5 и 5с легируется фосфором и золотом;
гарантируется отсутствие второй фазы (золото). Содержание золота
в кремнии подгруппы 5 не менее 4 -1014 см~3.
21
Таблица IS
Под-
группа
Интервал
удельного
сопротивле-
ния, ом • см
Разброс
удельного
сопротивле-
ния от но-
минала не
более, %
Плотность
дислокаций, <ж"2
Время жиз-
ни неравно-
весных но-
сителей за-
ряда,
мксек
Длина
слитка
не ме-
нее,
мм
Д&эмегр
слитка,
мм
2  103—5 • 10»
3—18
Менее 0,2
30
30
по режимам, применяв-
Слитки подгруппы 5с выращиваются
мым для получения малодислоцированного монокристаллического
кремния.
Полупроводниковые кремниевые материалы маркируются так:
первая буква «К» соответствует исходному материалу (кремний);
вторая буква «Э» или «Д» обозначает электропроводность- (Э—
электронная, Д— дырочная); Третья и четвертая — начальные
буквы легирующих элементов: для подгрупп 1,1с, Icc, 2А, 2Б,
2Бс, 3, Зс, Зсп, 4,4с, 5, 5с; числовая дробь указывает: числитель —
номинальное удельное сопротивление, знаменатель — значение
узионной длины неравновесных носителей зарядов для под-
групп 1, 1с, 1сс, 2Б, 2А, 2бс и время жизни неравновесных носи-
телей заряда для подгрупп 5 и 5с.
Для групп 2в, 2Г, 2Д — обозначение легирующего элемента
и числовая дробь в марку не входят, а указывается индекс под-
группы. л	i
Примеры маркировки: *1ссКЭФ7,5/0,1 читается так — под-
группа 1сс, материал кремний электронной электропроводности,
легированный фосфором, с номинальным удельным сопротивлением
7,5 ом • см и с диффузионной длиной не менее 0,1 зш; 5сКЭФ10/0,2
читается так
электропроводности, легированный фосфором
удельным сопротивлением 10 ом*см и с временем жизни не бо-
лее 0,2 мксек.
Номинальное удельное сопротивление кремния может быть
любым, но не выходящим за пределы, указанные для каждой
подгруппы в таблицах. Исключение составляют подгруппы 2В,
2Г и 2Д. Для этйх подгрупп номинальное удельное сопротивление
кремния устанавливается при заказе по согласованию между по-
ставщиком и потребителем.
При выращивании монокристаллов затравка ориентируется
в направлении [111] с отклонением не более
заказу возможна поставка монокристаллического кремния, ори-
ентированного вдоль кристаллографических осей 1110] и 1100].
Кроме перечисленных сортов кремния, выпускаются еще по
МРТУ 48'—11—7—66 кремний монокристаллический бестигельнои
зонной плавки и по ЦМТУ 05—5—66 кремний поликриста лли-
Ш£
подгруппа 5с, материал — кремний электронной
с номинальным
По особому
ческий водородный. К- настоящему времени эти сорта кремния
не на
боров. Поэтому приводим лишь примеры маркировки и соответ-
ствующую расшифровку их:
15 гр. БКЭФЗ 10/0,16, где 15 — номер группы, Б — бести-
гельный, К — кремний, Э — электронный, Ф — фосфор, 3 — зо-
заказываемое номинальное удельное сопротивление,
11
ди
НГл
рокого применения в производстве электронных при-
лото, 10 —
ом-см, 0,16 — время жизни, мксек.
КП4 35/10, где КП
мер группы, 35
кремний поликристаллический,? 4 — но-
заказываемый номинальный диаметр, мм, 10 —
заказываемое номинальное удельное сопротивление, ом - см.
Монокристаллический германий, предназначенный для про-
изводства электронных полупроводниковых приборов, по виду
электропроводности выпускается электронного и дырочного типов.
В зависимости от назначения и предъявляемых требований моно-
кристаллический германий относится к трем группам.
Основные параметры германия каждой группы представлены
в табл. 1-9, 1-10 и 1-11.
Таблица 1-9
Подгруп-
па
Интервал
удельного
сопротив-
ления,
ом • см
Разброс удельного сопро-
тивления от номинала не
более, %
Плотность
дислокаций
СМ~2
Длина
слитка не
менее,
Диаметр
слитка
не менее,
мм
Группа I (электропроводность электронная или дырочная)
1а
lac
lacc
16
1бс
0,1—6
0,1—6
Ю,1—6
5—15
5—15
±15
ДЛЯ П-Т]
для р-типа
511
± 15 для п-типа
± 10 для р-типа
не более 10
2-108—2-10*
40
30
25
40
40
20—35
25—35
15—35
а
Группа II (электропроводность электронная или дырочная).
2
8—45
±20
4
40
25—35
Примечание. Прочерк означает, что плотность дислокаций для этой
подгруппы не нормируется.
Предельные значения интервалов удельного сопротивления
не могут быть выбраны как номинальные для слитка за исключе-
нием группы За, у которой допускается номинальное значение
0,00045 ом-см. Выбор номинального удельного сопротивления
должен быть следующий:
а) от 0,0001 до 0,001 ом • см, а для группы За до 0,0025 ом-см —
через 0,0001 ом - см; б) от 0,001 до 0,01 ом • см — через 0,001 ом - см;
в) от 0,01 до 0,1 ом • см — через 0,01 ом - см; г) от 0,1 до 1 ом  см —
23
Таблица 1-10
Подгруппа *	Электропровод- ность	Легирующая примесь	Интервал удельного сопротивления, ом • см	Разброс удельного сопро- тивления от номинального не более, %	Плотность дислокаций не более, см~2	Длина слитка не менее, мм	Диаметр слитка не менее, мм
За	Дырочная	Ga	0,00045—0,0025	± 10		15	12
36	То же	Ga	0,002—0,12	+ 15	—	15	15
Збс		Ga	0,002—0,10	zt 25	10	15	15
Зв	Электронная	Sb	0,003—0,12	±20		25	15
Зг	То же	As	0,0007—0,005	zt20	 -	25	10
Зд		Sb, Au	2-3	zt 20		40	25—35
Примечание. Прочерк означает, что плотность* дислокаций для
этой подгруппы не нормируется.
через 0,05 оле-aw; д) от 1,0 до 10 оле-сле — через 0,5 ом-см; е) бо-
лее 10 ом • см — через 1 ом • см.
Диффузионные длины неравновесных носителей заряда для
слитков всех марок приведены в табл. 1-11.
Табли ца 1-11
Номинальное
удельное
сопротивле-
ние, ом • см
Диффузионная длина не
менее, мм
п-тип	р-тип
* ...........
Номинальное
удельное
сопротивле-
ние, ом * см
Диффузионная длина не
менее, мм
п-тпп
р-тип
Более 36
16,0—35,0
4,2—15,9
2,5-4,1
3
1,2
4,0
0,8
3
1,2
1,0
0,8
0,9—2,4
0,50—0,89
0,24—0,49
0,5
0,4
0,3
0,6
0,5
0,3
Для слитков группы Зд гарантируется: а) время жизни нерав-
новесных носителей заряда менее 0,1 мксек; б) отсутствие вклю-
чений второй фазы.
Полупроводниковые германиевые материалы маркируются так:
первая буква «Г» — соответствует исходному материалу (германий);
вторая буква «Э» или «Д» — «Э» — электронная и «Д» — дыроч-
ная электропроводность; буквы (одна или две) — являются на-
чальными буквами элементов легирующих добавок; числовая
дробь — в числителе — номинальное удельное сопротивление,
ом* см, в’знаменателе — диффузионная длина и указание на при-
надлежность к той или иной группе.
24

Пример маркировки монокристаллического германия, постав-
ляемого в соответствии с техническими условиями РЭТУ 1231—65
ГДГ 0,75/0,5 lac, читается так: германий дырочной электропро-
водности, легированный галлием, с номинальным удельным со-
противлением 0,75 ом • еле, с диффузионной длиной не менее 0,5 лш,
группа lac.
При выращивании монокристаллов затравка ориентируется
в направлении [111] с отклонением ют оси не более ± 2°. По специ-
альному договору возможна поставка монокристаллов, ориенти-
рованных в направлениях [110] и [100].
ГЛАВА ВТОРАЯ
ОРИЕНТАЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ слитков
2-1. Роль ориентации монокристаллических
слитков в производстве полупроводниковых приборов
Кристаллическая решетка германия и кремния относится к
структуре типа алмаза и обладает анизотропией. Анизотропия
полупроводниковых материалов имеет большое значение в техно-
логии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных
схем. Поэтому перед резкой слитков на пластины важно знать
расположение основных кристаллографических плоскостей в моно-
кристалле.
Хотя в процессе выращивания полупроводникового монокри-
сталла затравка ориентируется так, чтобы плоскость (111) была
параллельна поверхности расплава, из которого выращивается
монокристалл, но все же плоскость торца слитка не всегда ока-
зывается строго параллельной плоскости (111). Это может про-
исходить из-за неточности ориентации и закрепления затравки
в державке, а также из-за несовершенства самой механической
системы, которая применяется для вытягивания слитка. В резуль-'
тате у выращенного монокристалла геометрическая ось не сов-
падает с кристаллографической осью [111].
Поэтому для получения пластинок полупроводниковых моно-
кристаллов, ориентированных в заданной плоскости, производят
ориентацию слитков, т. е. определяют расположение в монокри-
сталле основных кристаллографических плоскостей. *
В качестве примера влияния ориентации поверхности полу-
проводниковой пластинки на свойства полупроводникового при-
бора можно привести известный факт, что скорость растворения
германия в индии для плоскости (100) в пять раз больше, чем для
плоскости (111). Следовательно, если поверхность пластинкЦ|
л jt •глЭвЯйМ
я, в которую вплавляется индий, не совпадает с.плоскостью
гермас
п
(111), то фронт вплавления не будет плоским, так как растворение
в направлении плоскости (100) будет происходить быстрее. Наличие
на границе исходного монокристалла и рекристаллизованного
слоя выступов приводит к тому, что изготовленный на такой
неориентированной пластинке электронно-дырочный переход будет
иметь пониженные допустимые пробивные напряжения и доста-
точно большие обратные токи..
С другой стороны высокая скорость растворения германия
в плоскости (100) играет положительную .роль при производстве
германиевых ди

узионно-сплавных транзисторов. Для их изго-
товления используют пластинки, ориентированные в плоскости
(100). Это необходимо для того, чтобы в процессе вплавления—
ди
узии эмиттерный сплав не растекался по поверхности плас-

тинки, а быстро проплавлял соединительный базовый слой, об-
разуя небольшую площадь эмиттерного перехода. Ёсли пластина
германия оказывается ориентированной в плоскости (111), вплав-
ление эмиттерного сплава в пластинку замедляется и он расте-
кается по поверхности пластинки, что приводит, во-первых, к по-
вышенному браку, во-вторых, к значительному ухудшению час-
тотных свойств годных транзисторов.
2-2. Ориентация рентгеновским способом
*
Существует несколько способов ориентации монокристалличе-
ских слитков полупроводников. В промышленном производстве
полупроводниковых приборов до последнего времени чаще всего
использовали рентгеновский метод, основанный на отражении и
дифракции рентгеновских лучей.
Исходя из законов поглощения и отражения, было получено
классическое выражение*, определяющее рассеяние рентгеновских
лучей кристаллической решеткой (формула Вульфа—Брэгга):
2d sin а == иХ,
(2-1)
где X — длина волны падающего рентгеновского излучения;
d — расстояние между плоскостями;
а — угол между направлением рентгеновских лучей и кри-
сталлографической плоскостью;
п — целое число, его называют порядком отражения.
Для большинства практических расчетов принимают п = 1.
Если для лучей видимого света угол падения равен углу отра-
жения независимо от того, под каким углом к плоскости падает
луч, то для рентгеновского излучения существует только один
угол, при котором будет происходить отражение (рассеяние) рент-
геновских лучей.' Этот угол зависит от частоты пада! “	~
и строения кристаллограv
зт
[их лучей
ческой решетки вещества, от которого

26
Таблица 2-1
Углы отражения от плоскостей
Полупроводник
(Ш)
(ИО)
(100)
Германий. .
Кремний .
17*14'
17*56'
43*10'
30*12'
происходит отражение. В табл. 2-1
определенные углы отражения *
экспериментально
приведены
от различных плоскостей для
германия и кремния (анод рентгеновской трубки сделан из железа).
Для ориентации может быть использо-
вана любая рентгеновская установка,
снабженная дополнительным приспособле-
нием для определения углов поворота
слитка.
Чаще всего используют установки типа
УРС-50 или УРС-25И. Перед началом ра-
боты производят подготовку установки к
работе. Для этого приводят вращающийся
столик с фиксирующей рамкой в нулевое
положение. Нулевым считается такое по-
ложение, когда угол между плоскостью
рамки и падающим пучком рентгеновских
лучей равен а, углу отражения от плос-
кости (111) или другой плоскости, в кото-
рой производят ориентацию слитка. Под углом 2 а от плоскости,
определяющей падение рентгеновского луча, устанавливают прием-
ник индикатора, фиксирующего наличие отраженного луча.
На рис. 2-1 представлена схема подготовки рентгеновской уста-
новки к работе. До ориентации слиток шлифуют вдоль образующей
для получения на его поверхности плоскости. (Обычно такая
плоскость имеется, так как на заводах —изготовителях полупровод-
никовых материалов производят такую
измерения их удельного сопротивления и длины диффузион-
ного смещения неосновных носителей вдоль образующей слит-
А
ПОД
Схема
рентгеновской
Рис. 2
готовки
установки к работе.
1 — рентгеновская трубка;
2 ~ вращающийся столик;
з — приемник индикатора;
АВ — линия плоскости рам-
ки столика.
ami
лифовку слитков для
Затем производят шлифовку торца слитка таким образом, чтобы
плоскость торца была перпендикулярна плоскости вдоль обра-
зующей слитка.
Потом слиток устанавливают шлифованной боковой плоскостью
на вращающийся столик рентгеновской установки так, чтобы
плоскость торца слитка совпадала с лицевой рамкой столика.
* В оптике такие углы носят название углов*скольжения, а в рентгено-
спектроскопии называются Брэгговскими углами отражения. •
п
27
Вращением столика добиваются положения, при котором на инди-
каторе счетчика интенсивности рентгеновского излучения поя-
вится сигнал, свидетельствующий об отражении рентгеновских
лучей от соответствующей кристаллографической плоскости. После
этого медленным поворотом столика добиваются максимальной
интенсивности отраженного луча. Угол между новым положением
плоскости торца слитка и исходным положением АВ (рис. 2-1)
является одним из углов ориентации ах.
Так как плоскость (111) слитка может быть отклонена отно-
сительно торцевой плоскости в двух плоскостях, то необходимо
определить второй угол ориентации а2. Для этого слиток повора-
чивают так, чтобы шлифованная сторона была перпендикулярна
плоскости столика, а торец совпадал с плоскостью рамки. Затем
поворачивают приставки рентгеновской установки до получения
максимального отклонения индикатора счетчика. Таким образом,
получают значение второго угла ориентации а2. Углы аг и а2,
на которые отклонена кристаллографическая плоскость от плос-
кости торца слитка, определяют положение плоскости (111).
Необходимо заметить, что этот способ ориентации в самой мето-
дике определения углов ах и а2 имеет погрешность. Поэтому часто
применяют другой метод определения положения кристаллографи-
ческих плоскостей [например, (111)], при котором используется
та же аппаратура.
В этом случае столик находится в фиксированном положении,
при котором угол между плоскостью падения рентгеновских лучей
и плоскостью рамки столика равен углу отражения а. Плоскость,
в которой установлен приемник индикатора, расположена под
углом 2а к плоскости падения рентгеновских лучей (рис. 2-1).
Слиток кремния устанавливают так, чтобы плоскость его торца
совпадала с плоскостью рамки столика. Вращая слиток вокруг
своей оси и наблюдая за тем, чтобы плоскость торца не выходила
из плоскости рамки, добиваются максимального отклонения ин-
дикатора. В этом случае плоскость (111) будет перпендикулярна
поверхности столика. Так как щель в экране также перпендику-
лярна столику, то линия, проведенная на торце слитка параллельно
щели, практически является линией пересечения кристаллографи-
ческой плоскости (111) с плоскостью торца слитка.
После этого поворачивают слиток вокруг своей оси на 90°
так, чтобы линия, проведенная на торце слитка,-была параллельна
плоскости столика, и, зафиксировав это положение, вращают сто-
«лик до получения максимального отклонения стрелки индикатора.
Угол, на который пришлось повернуть столик, является углом
ориентации Да.
Необходимо заметить, что в зависимости от направления пово-
рота столика от нулевого положения углы ориентации могут иметь
как положительные, так и отрицательные знаки. Эти знаки углов
необходимо учитывать при резке слитков па пластины и кри-
сталлы.
28
2-3. Ориентация с помощью метода световых фигур
В последнее время в производстве полупроводниковых прибо-
ров находит широкое применение ориентация слитков полупро-
водниковых монокристаллов методом световых фигур. Этот метод
заключается в следующем. Бели предварительно отшлифованный
торец слитка протравить в селективном травителе, то на нем об-
разуются фигуры травления в виде ямок и выступов. Последние
имеют четкую огранку, соответствующую строению кристалличе-
ской решетки. Падающий на торец слитка узкий пучок света
отражается от граней ямок и падает на полупрозрачный экран,
на котором наблюдаются отраженные фигуры. В зависимости от
того, насколько сильно отклоняется кристаллографическая плос-
кость от плоскости торца слитка, фигура, образованная отражен-
ным пучком света, будет отстоять ближе или дальше от центра
экрана.
На рис. 2-2 приведена оптическая схема установки ориентации
монокристаллических слитков германия и кремния по методу све-
товых фигур. Свет от лампы накаливания с нитью накала, имею-
щей точечную проекцию на плоскость, перпендикулярную оптиче-
ской оси, падает на конденсор, представляющий собой систему
из двух линз. С конденсора свет попадает на регулируемую диа-
фрагму. Далее луч света, отразившись от нижнего зеркала, на-
правляется в длиннофокусный объектив, имеющий наводку на рез-
кость и регулирующую диафрагму. Суженный объективом пучок
света, отражаясь последовательно от зеркала и торца слитка,
попадает на матовый экран.
Изображение на матовом экране 6 рассматривается на просвет
с помощью зеркала наблюдения 7 в смотровое окно установки.
Зеркала для отражения луча 1 и 4 укреплены на перемещающейся
платформе. На схеме она изображена в крайнем правом положении.
В этом положении расстояние между монокристаллическим слит-
ком и экраном меньшее, и одно деление шкалы, равное одному
миллиметру, соответствует отклонению кристаллографической
плоскости (оси) слитка на 15 \
В крайнем левом положении платформы слиток занимает место
зеркала 7, а место слитка — зеркало 4. При этом расстояние,
указанное выше, повышается. Одно деление
соответствует отклонению кристаллографической оси монокристал-
лического слитка на 3'.
Перед ориентацией слитка производят подготовку установки
к работе: приводят световое пятно в центр экрана в место пере-
сечения вертикальной и горизонтальной осей. Слитки подвергают
травлению с целью выявления микроструктуры кристалла.
После этого слиток устанавливают на базировочную поверх-
ность и прижимают винтом кристаллодержателя 2. Световая фи-
гура, отраженная от торца слитка, попадает на матовый экран.
В общем случае она займет произвольное положение на экране.
калы в этом случае
III
29
Затем световую фигуру выводят на Вертикальную ось так, чтобы
она занимала симметричное положение относительно вертикаль-
ной оси.
Установка световой фигуры на горизонтальную ось, т. е. в точку '
пересечения осей, осуществляется поворотом ручки угломерной
кале угломерной головки определяют угол отклоне-
головки. По
н
Рис. 2-2. Оптическая схема установки для ориентации
полупроводниковых монокристаллов по методу световых
фигур.
1, 4t 8 — отражательные зеркала; 2 — столик для крепления полу*
> проводниковых слитков; з ~ монокристаллический? слиток; зпод-
вижная платформа; в — матовый экран; 7 — зеркало для наблю-
дения; 9 — источник света; 10 — конденсор; 11 — диафрагма;
12 — длиинофоку ~ "----------

ния кристаллогра

ческой плоскости монокристалла от плоскости
' торца слитка. Риска ручки головки указывает отклонение на лимбе
в минутах.	/	'
, - Если не требуется высокой точности ориентации, может быть
использована более простая установка. В качестве источника света
применяется дуговая лампа (например, типа ДАЦ-50). Рабочий
пучок света получают либо с помощью оптического устройства,
либо только применив диафрагму, диаметр светового луча 1—3 мм.
Полупрозрачный экран располагается между источником света
и образцом. Расстояние от экрйна до образца 50—100 мм. В центре-
1
к
экрана имеется отверстие, через которое проходит пучок света
от источника.
Наводка световых фигур производится на отметку, нанесенную
на экран, поворотом кристаллодержателя со слитком. Угол меЖду
кристаллографической плоскостью образца и плоскостью торца
слитка определяется по лимбу кристаллодержателя с точностью
в несколько минут. Кроме определения угла по лимбу, на торце
слитка определяется линия пересечения кристаллографической
плоскости с торцом слитка, и параллельно ей по торцу слитка
победитовым резцом проводят риску.
Сравнение результатов определения ориентации методом свето-
вых фигур упрощенным способом с результатами, полученными
рентгеновским методом на установке УРС-50, показывает, что.
расхождение не превышает 5 —10'. Такое расхождение практически
немного превы
ft
ает точность определения ориентации рентгенов-
ским методом.
Точность определения углов ориентации методом световых фи-
гур во многом зависит от четкости изображения фигур на экране,
и, следовательно, от четкости ям травления на торце слитка.
В качестве селективного травителя для кремния чаще всего
используют растворы щелочей. Для получения фигур травления
на слитках германия используют растворы, содержащие в своем
составе плавиковую кислоту и перекись водорода.
Время травления изменяется в широких пределах в зависимости
от обработки торца слитка перед травлением. Режимы травйения
существенно влияют на точность ориентации. При малом времени
травления ямки получаются мелкими и световые фигуры оказы-
ваются недостаточно яркими, при более длительном травлении
размеры ямок увеличиваются за счет слияния малых ямок, стенки
между которыми разрушаются. При этом возникают округления
Таблица 2-2
Мате- риал	Плоскость ориента- ции	Состав		Время травления, Л<Ш1	Темпе- ратура, °C
		Компоненты и их концентрация	Объемные части		
Ge	(100)	48% HF 30% Н2О2	1,5 2,0	12	24
	(111) Л	48% HF 30% Н2О2 П2О	1,0 2,0 4,0	30—45 сек	40—50
	(100) (110) (111)	50% раствор NaOH 50% раствор NaOH 50% раствор КОН	9	12 12 3-5	65 65 кипение ♦
31
дна ямок, что нарушает параллельность дна ямы кристаллогра-
фической плоскости монокристалла.
В табл. 2-2 приведены травители и режимы травления для вы-
явления различных кристаллографических плоскостей на моно-
кристаллических слитках германия и кремния.
В отдельных случаях, когда необходимо получить резко очер-
ченные ямки травления, может быть использовано травление моно-
кристаллов расплавленными металлами. Было найдено, что от-
ражения света от образца германия с ямками травления, полу-*
ченными в результате взаимодействия с индием, представляют
собой очень яркие резко очерченные точки. Чаще всего применяют
метод травления расплавленными металлами при определении ка-
чества ориентации уже нарезанных пластин и кристаллов. После
шлифовки пластины с находящейся в контакте с ней фольгой
или таблетками металлов-травителей нагревают в кварцевой трубе
в вакууме. При нагревании часть полупроводникового материала
растворяется в металле-травителе, а затем при охлаждении ре-
кристаллизуется. При этом полупроводниковый материал в за-
висимости от режима охлаждения может осаждаться на исходный
монокристалл вдоль поверхности раздела между жидкой и твердой
фазами или образовывать зародыши кристаллов, которые будут
расти в жидком расплаве. Во всех этих случаях будут выявляться
грани, образованные в процессе растворения.
Для германия в качестве травителей были опробованы In, Ga,
Au, Pb, Sn (результаты ухуд
аются к концу ряда). Было установ-
лено, что на германии хорошо выявляются только плоскости (111).
и
Таблица 2-3
Полупровод- ник» <•	Металл-травитель	Температура травления, СС	Равновесная концентра- ция, атом. %	Реагент для удале- ния металла
InSb	Индий	350	10	НС1
GaSb	Галлий	500		НС1
InAs	Индий	600	6	H2SO4
GaAs	Галлий	800	7,5	НС1
AlSb	Алюминий	800	5	NaOH
	Индий	450	10	НС1
Ge	Галлий	137	1	НС1
	Сурьма	600—700	15—30	— —
	Олово	1000	' 7,5	HC1
	Галлий	500	1	HC1
Si	Висмут	1150	11	HC1
	Индий	600	1	HC1
	Алюминий	।	700	20	HC1
32
Для соединении AinBv в качестве травителей удобно исполь-
зовать элементы III группы периодической таблицы Менделеева. •
С помощью этих элементов в соединениях AinBv хорошо выяв-
ляются ^кристаллографические плоскости (111) и (100).
Травление расплавленными металлами позволяет хорошо вы-
являть плоскости с низкими индексами, причем точность измере-
ний повышается по сравнению с химическим травлением. Это объ-
ясняется совершенством образующихся граней, достигаемым при
правильном -подборе количества металла-травителя, температуры
травления и скорости охлаждения. В табл. 2-3 приведены основ-
ные металлы-травители, равновесные концентрации растворов по-
лупроводника в расплавленном металле и температуры травления
для германия, кремния и соединений типа AinBv.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ
3-1. Резка полупроводниковых слитков па
пластины и кристаллы
В зависимости от типов изготавливаемых полупроводниковых
приборов заготовки полупроводниковых монокристаллов могут
иметь разные геометрические формы и различный вес. В настоящее
время наиболь
ее применение для производства полупроводнико-
вых приборов имеют германий и кремний, хотя в последние годы
используются также полупроводниковые соединения типа AnIBv
и другие материалы. v
Германий и кремний отличаются высокой твердостью и хруп-
костью, поэтому обычные способы обработки, применяющиеся
в металлообрабатывающей промышленности, не могут быть ис-
пользованы для обработки полупроводниковых материалов. Суще-
ствует несколько способов обработки твердых материалов, которые
применяются в тех илй иных комбинациях для обработки германия
и кремния: 1) резка алмазными или абразивными дисками; 2) резка
стальными полотнами; 3) обработка с помощью ультразвука; 4) пе-
скоструйная обработка; 5) электролитическое анодное растворе-
ние; 6) электроэрозионная обработка; 7) электронно-лучевая об-
работка; 8) обработка лучом лазера.
Резку монокристаллических слитков на пластины осуществ-
ляют в настоящее время главным образом алмазными дисками
или стальными полотнами.
Полупроводниковый слиток закрепляется на столике станка
с прокладкой из стекла для предохранения поверхности столика
и
2 Г- А. Гаврилов, А. М. Скворце
33
1
при распиловке. Закрепление слитка на прокладке и прокладки
на столике производится склеиванием.
Материалы, используемые для наклейки слитка, должны обла-
дать следующими свойствами:
1)	надежно сцепляться с поверхностью слитка и стекла, к кото-
рому приклеивается слиток;
2)	легко сниматься и отмываться с заготовок (пластин полу-
проводника);
3)	не вступать в химическое взаимодействие с полупроводником;
4)	не быть вязкими при комнатной температуре.
Этим требованиям в большей или меньшей мере удовлетворяют
такие материалы, как пицеин (сплав воска с канифолью), кани-
фоль, шеллак, сургуч, глифталевая замазка, некоторые мастики.
Чаще всего при резке слитков на пластины используют цоколе-
вочную мастику, применяемую в вакуумном производстве
специальную мастику, изготовляемую на основе клея БФ и микро-
порошка, который применяют для резки и
водниковых материалов.
Столик с установленным на него слитком помещают в термо-
или
ЛИфОВКИ полупро-
II
стат, где мастика засыхает, и слиток прочно приклеивается к сто-
лику. Затем столик со слитком устанавливают на станок для резки
так, чтобы плоскость реза была ориентирована соответствующим
образом с выявленной при ориентации кристаллографической
плоскостью.
При резке монокристаллических слитков с помощью стальных
полотен, последние используются как средство переноса частичек
абразива, которые подаются к месту резки в составе суспензии
(на 1 л воды берется 300 г микропорошка).
Употребляемые на таких станках полотна изготавливаются
из бритвенной стали шириной порядка 10 мм и толщиной от 0,08
до 0,2 мм. Чем тонь
и
е полотно, тем уже получается рез и, следо-
вательно, меньшее количество полупроводникового материала пе-
реходит в отходы. Однако тонкие полотна недостаточно прочны.
При разрыве они скалывают целые пластины, что в конечном
счете приводит к увеличению брака. Поэтому для резки слитков
чаще используют полотна толщиной 0,15 мм. Длина полотен опре-
деляется конструкцией станка и держателя кассеты, в которую
набраны полотна. Число полотен, набираемых в одну кассету,
может достигать нескольких десятков. Толщина прокладок между
полотнами определяет толщину получаемых при резке пластин.
Кассета с набором полотен устанавливается на станке и приво-
дится в возвратно-поступательное движение. Принципиальная
схема станка для резки полотнами представлена на рис. 3-1.
Снизу к лентам кассеты с помощью рычага подводится подвижной
столик. Давление лент на слиток может регулироваться измене-
нием нагрузки на рычаг. Сверху над кассетой с полотнами, напро-
тив подвижного столика, находится шланг, по которому из помпы
подается суспензия.
34
Скорость резания зависит от многих факторов, трудно учиты-
ваемых при практической работе. Основные из них следующие:
1) скорость движения полотен; 2) длина хода полотен; 3) величина
Рис. 3-1. Схема станка резки стальными полотнами: а — схема
станка; б — кассета с полотнами.
1 — шланг для подачи суспензии; 2 — скоба для закрепления кассеты;
3 — шатун; 4 — маховик-эксцентрик; 5 — слиток кремния; в — стекло;
7 — основание столика; 8 — рычаг; 9 — груз; 10 — съемный столик;
11 — клеющая мастика; 12 — стальное полотно; 13 — винт для натягива-
ния лент; 14 — оправка кассеты; 15 — прокладки между полотнами.
зерна абразива; 4) твердость зерен абразива; 5) твердость обра-
батываемого материала; 6) концентрация абразива в суспензии;
7) величина давления полотей
на слиток; 8) число и толщина
стальных полотен при одном и
том же давлении на рычаг
и т. д.
На рис. 3-2 приведена зави-
симость скорости резания крем-
ния на станке типа ВО-732В от
нагрузки на рычаг для двух
различных абразивов: электро-
корунда и карбида кремния.
При этом зернистость абразива
была выбрана (М-14), толщина
стальных полотец равнялась
0,2 мм, длина плеча рычага по-
рядка 30 см и число лент рав-
нялось десяти. Необходимо от-
Рис. 3-2. Зависимость скорости ре-
зания кремния от нагрузки.
1	— для суспензии на основе карбида крем-
ния (3 части воды, 1 часть микропорошка);
2	— для суспензии на основе электроко-
рунда (3 части воды, 1 часть микропо-
рошка).
метить, что кривые, изображен-
действительности в том случае,
ные на рис. 3-2, соответствуют
если стальные полотна не врезаются глубоко в полупроводник.
При большом углублении полотен в монокристалл часть давления,
создаваемого нагрузкой на плечо столика, уходит на преодоление
35:
л
11
ней режущей кромкой больше диаметра оси шпин-
и
аметр которых на 50—70 мм меньше
мешали распиловке слитка.
хил трения боковых поверхностей полотен с материалом слитка.
В результате давление полотен на площадь реза уменьшается и,
следовательно, уменьшается скорость резания.
При резке слитков на станках с режущими стальными полот-
нами в начале процесса на плечо столика устанавливают мини-
мальную нагрузку (2—3 кГ). По мере врезания полотен в слиток
нагрузку постепенно увеличивают, доводя ее до 5—6 кГ в конце
резки. Из рис. 3-2 видно, что с увеличением нагрузки скорость
резания растет линейно. Однако таким способом значительно уве-
личивать скорость нельзя, так как большие перегрузки приводят
к изгибу лент, что влечет за собой скалывание слитка и пластин
со стекла. Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что при переходе
к более твердому абразиву (карбид кремния значительно тверже
электрокорунда) скорость резки при той же самой нагрузке повы-
ается. Резку слитка производят да тех пор, пока ленты не вре-
жутся в стекло на глубину порядка 0,5 мм. После окончания
резки выключают помпу и станок, снимают столик со слитком
и смывают с него в проточной воде остатки абразивной суспензий.
Затем разогревают столик на электроплитке и отклеивают от него
стекло с наклеенным слитком. Стекло со слитком помещают в стек-
лянный стакан с растворителем, в котором мастика растворяется
и пластины отделяются от стекла. После этого следуют операций
обезжиривания и очистки пластин.
В последнее время находит наиболее широкое применение резка
полупроводниковых монокристаллов алмазными дисками. Станки
для резки слитков на пластины алмазными дисками подобны обыч-
ным фрезерным станкам, в которых вместо фрезы устанавливается
алмазный диск. Перед постановкой диска на шпиндель производят
рихтовку диска на подгоночной металлической плите. Отверстие
в диске с вне
деля. Для закрепления диска и устранения биений диск с двух
сторон сжимается фланцами,
диаметра диска, чтобы они
Резка слитков может производиться дисками как с внешней
режущей кромкой, так и дисками с внутренней режущей кромкой.
На рис. 3-3 показаны диски с внутренней и внешней режущими
кромками. Алмазный диск состоит из металлической основы с вкрап-
ленной в режущую кр.омку алмазной крошкой. Состав материала
дисков с внешней режущей кромкой диаметром 90 -мм следующий:
17,6 Г меди, 1,6 Г свинца, 1,3 Г олова. На такой диск расходуется
приблизительно 0,5 карата алмаза.
Толщина дисков с внешней режущей кромкой 0,4—0,5 мм,
а с внутренней — 0,2 мм и тоньше. Это обусловлено тем, что при
резке слитков дисками с внешней режущей кромкой получаются
сильные биения. Работа станков, имеющих диски с внутренней
режущей кромкой, более стабильна. Выход дорогостоящих полу-
проводниковых материалов в отходы и в брак на них значительно
меньше, так как ширина реза может быть получена в два-три
36

раза уже, чем на станках с дисками с внешней режущей кромкой^
Поэтому станки для резки, имеющие диски с внутренней режущей
кромкой, находят наиболее широкое применение.	> '
Важным фактором, определяющим качество резки и износ дис-
ков, является эффективное охлаждение диска и обрабатываемого

Металл с вкраплением
алмазной крошки
Рис. 3-3. Алмазные диски: а — с внутренней режущей
кромкой; б — с наружной режущей кромкой.
слитка.' Для охлаждения диска по трубкам подается вода на обе
стороны дисковой пилы. Эта вода, кроме того, удаляет с поверх-
ности диска и из реза в слитке частички выкрошенного. полупро*
водника. Производительность данного способа резки очень боль-
шая. При скорости вращения диска порядка 8000 об/мин от слитку
кремния диаметром 40 мм может быть отрезана пластина за
1,5—2 мин.
3-2. Шлифовка полупроводниковых пластин
Цель операции шлифовки в производстве кристаллов полупро*
водниковых приборов и интегральных схем заключается в сле-
дующем:
1.	Удалить поверхностный слой кристаллической решетки мо-
нокристалла, разрушенного при резке слитка на пластины.
2.	Получить параллельность плоскостей пластины.
3.	Довести толщину пластины до определенной величины.
4.	Получить требуемую чистоту обработки поверхности плас-
тин.	.... 
Режимы шлифовки характеризуются многими параметрами, нй*
пример такими, как давление на
вращения
[лифуемые пластины, скорость
лифовального круга, размер зерен абразива и
и
hi
37
твердость абразивного материала, концентрация и скорость подачи
эмульсии и другие. Процесс шлифовки заключается в том, что
частички абразива, из которого приготовляется абразивная сус-
пензия, соприкасаясь с поверхностью полупроводниковой плас-
тинки, выкалывает с поверхности пластинки кусочки полупровод-
никового материала, которые затем удаляются вместе с суспензией.
При шлифовке наряду с разрушением поверхности полупровод-
никовой пластинки происходит разрушение самих частичек абра-
зива. Поэтому, если не менять суспензию на шлифовальнике, ско-
рость шлифовки со временем падает. Для поддержания постоянства
скорости на шлифовальник периодически или непрерывно подают
шлифовальную суспензию.
Глубина слоя нарушенной в результате шлифовки кристалло-
графической решетки кремния пропорциональна диаметру и твер-
дости зерен абразива и не зависит от давления на шлифуемую
пластину и скорости вращения шлифовального круга. Качество
поверхности шлифованной пластины существенно зависит от чис-
тоты обработки шлифовального круга и материала, из которого
этот круг сделан. Чем лучше чистота обработки поверхности шли-
фовальника, тем меньше толщина нарушенного слоя на полупро-
водниковых пластинах при одной и той же твердости и величине
зерен абразива. Часто при шлифовке полупроводниковых пластин
используют
При этом в процессе шлифовки шлифовальная суспензия загряз-
няется дисперсным железом. Во время шлифовки оно попадает
в микротрещины, которые образуются в поверхностном слое полу-
проводника в результате воздействия на монокристалл частичек
абразива. На промытых после шлифовки полупроводниковых
пластинах часто можно наблюдать бурые полосы — остатки дис-
персного железа в нарушенном слое монокристалла. При хими-
ческой полировке пластинок железо растворяется в травителе и
загрязняет его! В результате на поверхности полированной пла-
стины образуется нерастворимый осадок, который не удаляется
ни промывкой пластин, ни повторным травлением.
Поэтому в качестве материала шлифовальника необходимо ис-
пользовать специальные стекла, обладающие повышенной проч-
ностью, например, марки «пирекс».
На качество поверхности, как уже указывалось ранее, сущест-
венно влияет абразив, на основе которого приготавливается
фовальная суспензия. Чем меньше величина зерна абразива и
меньше его твердость, тем выше степень совершенства поверхно-
сти полупроводниковой пластины после
Абразивные материалы по зернистости разделяются на три
группы:
1.	Шлифзерно (крупные зерна абразива; по размерам разли-
чают 11 групп с 200-й до 16-й).
2.	Шлифпорошки (более мелкие зерна абразива; по размерам
различают 7 групп с 12-й до 3-й).
лифовальные диски, изготовленные из чугуна.
II
ли-
II
лифовки.
II
3.	Микропорошки (по размерам разделяются на семь групп
от М40 до М5 с размерами зерен основной фракции 40 и 5 мкм
соответственно).
Для механической обработки полупроводниковых материалов
используют исключительно микропорошки. При этом чаще всего
применяют группы микропорошков размером зерен 15 мкм и
мельче. В табл. 3-1 приведены номера зернистости микропорошков
и содержание различных фракций в каждой группе зернистости.
Предельная
фракция
Таблица 3-1
Крупная фракция		Основная фракция		Комплексная . фракция		Мелкая фракция	
размер зерен, мкм	в % не более	размер зерен мкм	в % не менее	размер зерен, мкм	в % не менее	размер зерен, мкм 1 i	в % не более
М40
М28
М20
М14
мю
М7
М5
63—50	2	50—40	15
50—40	2	40—28	15
40—28	2	28—20	18
28—20	3	.20—14	25
20—14	4	14—10	25
14—10	5	10—7	30
10—7	6	7—5	30
II
Микропор о
40—20
28—14
20—10
14—7
10—5
7—3
5—3
80
82
75
69
64
СО
62
мельче 20
мельче 14
мельче 10
мельче 7
мельче 5
7
12
12
15
' 15
20
ки перечисленной в таблице зернистости могут от-
личаться материалом зерен абразива. В производстве полупровод-
никовых приборов обычно используют электрокорунды и корунды,
изготавливаемые из окиси алюминия, а также карбид кремния.
Абразивной промышленностью выпускаются следующие типы
микропорошков, которые используют для резки и шлифовки полу-
проводниковых материалов.
1.	Электрокорунд белый марки «Э98», в состав которого входят
98% окиси алюминия, около 0,15% окиси железа и около 2% окиси
кремния. Этот микропорошок используют для резки монокристал-
лов. Для шлифовки полупроводниковых пластин и кристаллов ’
он не может быть рекомендован, так как имеет плохие формы
зерен абразива и большое содержание твердых частиц окиси крем-
ния. При его применении на кристаллах полупроводников после
шлифовки появляется большое количество царапин (рисок).
2.	Электрокорунд нормальный марки «Э90» выпускается зер-
нистостью до М7 включительно. Зерна микропорошка этой марки
имеют более округлую форму и меньшее содержание посторонних
твердых частиц. Микропорошок «Э90» с зернистостью М14, МЮ и
М7 часто применяют как для резки, так и для шлифовки полу-
проводниковых материалов.
39
III
шероховатости пластин и кристаллов приме-
II
3.	Корунд природный «Семиз-буги» имеет зернистость от М28
до М7. Эти микропорошки дают худшие результаты, чем электро-
корунд нормальный марки «Э90», однако также используются.
4.	Карбид кремния марки «КЗ», отличается от электрокорун-
дов и корунда более высокой твердостью, поэтому посторонние
твердые. вкрапления оказывают меньшее влияние на образование
царапин на поверхности полупроводниковых пластинок, а также
при его использовании получаются большие скорости резки слит-
ков и шлифовки пластин. Вместе с тем шлифованные поверхности
полупроводниковых пластин имеют небольшое количество дефек-
тов в виде рисок. Поэтому карбид кремния находит наиболее
ирокое применение для шлифовки полупроводниковых монокри-
сталлов.
Для увеличения производительности при шлифовании и в то. же
время для снижения
няют последовательное черновое и чистовое шлифование (сначала
крупным, а затем более мелким абразивом). При грубой шлифовке
используют абразив с размером зерна 10—14 мкм. При тонкой
шлифовке процесс проводят на кварцевом либо стеклянном шли-
фовальнике с размером зерна 5—7 мкм. Иногда для получения
более чистой шлифованной поверхности используют третью сту-
пень шлифовки. В этом случае после шлифовки на абразиве с вели-
чиной зерна 7 мкм производят шлифовку на абразиве с размером
зерна 3 мкм. Для получения высококачественной шлифованной
поверхности толщина снятого слоя монокристалла при шлифовке
на каждой фракции должна быть не менее утроенной величины
частичек абразива. Практически толщина слоя, удаленного шли-
фовкой, всегда намного превосходит эту величину
Величина шероховатости и отсутствие царапин на поверхности
полупроводниковых пластин — основные критерии качества на
последнем этапе шлифовки. Частица размером 3 мкм может дать
царапину (риску) глубиной около 3 мкм. Кроме того, под царапи-
ной может получиться примерно такой же толщины нарушенный
слой кристаллической решетки, содержащий механические напря-
жения или дислокации, который будет выявлен только, после хи-
мической полировки.
Поэтому абразивный порошок, используемый для приготовле-
ния шлифовальной суспензии, подвергается отмучиванию (разде-
лению на фракции с одинаковым размером. зерна в каждой фрак-
Ц^р). Это вызвано^тем, что в соответствии с ГОСТ на микро-
порошки в партии микропорошка необходимой зернистости допус-
кается большой разброс по величине зерен абразива (см. табл. 3-1).
Наличие же в мелкой фракции микропоршка хотя бы небольшого
количества крупных частичек абразива приводит к появлению
на поверхности пластин глубоких рисок, что делает их непригод-
ными для использования на последующих операциях.
В производстве полупроводниковых приборов применяется два
-способа шлифовки пластин и кристаллов. При первом способе
40

я. Затем ее помещают на шлифовальный круг стайка
sis
пластина шлифуется сначала с одной, а затем с другой стороны.
В этом случае пластины наклеиваются на металлическую оправу.
Для наклейки используют пицеин (смесь воска с канифолью),
воск, канифоль, шеллак и некоторые другие материалы. Перед
наклейкой оправка нагревается на электрической плитке, затем
на нее наносится клеющее вещество и накладываются полупровод-
никовые пластинки. Для более плотного соприкосновения всей
поверхности пластин с поверхностью оправки нагретую оправку
с помещенными на нее пластинами помещают под пресс с р^зйно-
вой прокладкой. Оправка выдерживается под прессом до поЛого
остыва
пластинками к шлифовальному кругу. На верхнюю поверхность
оправки устанавливают шпиндель с грузом, на котором оправка
может свободно вращаться вокруг своей оси. Одновременно с вра-
щением шлифовального круга осуществляется перемещение оси
шпинделя вокруг общей оси шлифовального станка. Таким обра-
зом, оправка испытывает сложное вращательно-поступательное
движение, что обеспечивает хорошее качество шлифованной по-
верхности пластинок. Во время шлифовки осуществляется непре-
рывная подача суспензии на шлифовальный круг.
После шлифовки одной стороны пластины переклеиваются на
оправку шлифованной стороной и производится шлифовка другой
стороны. Шлифованные пластины снимаются с оправки и подвер-
гаются тщательному обезжириванию с целью полного удаления
клеющего вещества.
По такому принципу работает станок односторонней шлифовки
типа С-15. Необходимая производительность станка обеспечи-
вается тем, что на нем имеется четыре шпинделя, это позволяет
одновременно устанавливать четыре оправки, на каждую из кото-
рых можно наклеить не менее семи полных пластин.
Шлифовальный круг станка С-15 имеет две скорости враще-
ния — 60 и 120 об/мин. Шпиндели вращаются со скоростью
190 об/мин. Этот станок в заводском исполнении укомплектован
чугунным шлифовальником. Как уже отмечалось, если чугунный
шлифовальник заменить «пирексовым», то качество шлифовки зна-
чительно улучшится. Следует отметить, что в процессе долгой
работы шлифовальный круг изнашивается и теряет плоскостность,
поэтому необходимо регулярно проверять износ шлифовальника
и по мере надобности производить его шлифовку на специальной
притирочной плите до получения нужной плоскостности.
Второй способ шлифовки — шлифовка пластин без наклейки.
Для этого применяют специальные станки с металлическими сепа-
раторами, толщина которых определяет толщину получаемых
после шлифовки пластин. На шлифовальном круге станка уста-
навливается не менее трех сепараторов
помещают по шесть полных пластин. На таких станках шлифовка
малых пластин затруднена, так как они могут попадать в рабочие
отверстия сепараторов, раскалываться и загрязнять абразив
в каждом из которых
41
лифовки пластин. Однако этот способ
и
крупными кусочками полупроводникового материала, что при-
ведет к появлению рисок на пластинках.
Существуют станки, на которых возможно проведение одно-
временно двухсторонней
в промышленном производстве полупроводниковых приборов ис-
пользуется редко, так как требует достаточно сложного и трудного
в эксплуатации технологического оборудования.
Необходимо особо отметить важность получения при проведе-
нии процесса шлифовки плоскопараллельности поверхностей пла-
стин кремния, используемых для изготовления полупроводниковых
интегральных схем. Одно из требований, выдвигаемых изготови-
телями интегральных схем, заключается в том, чтобы плоскопа-
раллельность пластин была не хуже ± 2 мкм на площади поверх-
ности пластины диаметром до 40 мм. При получении худшей
плоскопараллельности после проведения процесса изолирующей
диффузии наблюдается соответствующий разброс по толщине изоли-
рованных областей
твердых схем. Это, в свою очередь, приводит к разбросу электри-
ческих параметров как самих активных элементов, так и твердых
схем.
в которых создаются активные элементы

узии (см. 2-ю часть книги).
3-3. Механические методы полировки
полупроводниковых материалов
Хотя химическая полировка широко используется в производ-
стве полупроводниковых приборов, она имеет существенный не-
достаток. Полупроводниковые пластинки после травления полу-
чаются «чечевицеобразной» формы, так как края пластин травятся
быстрее. Отсутствие же достаточной плоскостности и плоскопа-
раллельности поверхностей пластины кремния приводит к пло-
хому качеству фотогравировки в слоях двуокиси кремния и раз-
бросу по толщине изолированных областей, полученных в пла-
стине с помощью изолирующей ди
Поэтому в последнее время многие изготовители планарных ’
полупроводниковых приборов и полупроводниковых интеграль-
ных схем используют механические способы полировки пластин
кремния. После тонкой шлифовки, о которой упоминалось в пре-
дыдущем параграфе, проводят грубую полировку. Ее производят
на фторопластовом^полировальном круге и используют при этом
в качестве абразивных материалов корунды или алмазные пасты
с размером основных фракций порядка одного микрона. Время
грубой полировки колеблется от 30 мин до 1 ч. Такая полировка
дает шероховатость поверхности и царапины порядка 0,02—
0,08 мкм глубиной и 0,02—0,1 мкм шириной. Очень важна частота,
с которой меняется абразив на полировальнике. Если к моменту
окончания полировки подать новую порцию абразива, то на по-
верхности пластинки кремния образуются царапины длиной
2—3 мкм и шириной 0,2—0,3 мкм. Для получения хорошей по-
верхности необходимо проводить процесс полировки таким обра-
42
Томщшо. снятого слоя, мни
Рис. 3-4. Связь скорости полировки
поверхности кремниевой пластинки
с глубиной полировки.
1 — металлографическая полировка; 2 —
оптическая полировка.
зом, чтобы на последней стадии новые порции абразива не по-
давались.
После грубой полировки применяется тонкая полировка. Име-
ется две разновидности тонкой механической полировки: оптиче-
ская и металлографическая.
При оптической полировке используют такие абразивы, как
окись хрома (Сг2О3), окись церия (СеО) или окислы других редко-
земельных элементов, применяемых для полировки в оптической
промышленности. На основе этих окислов приготовляется водная
суспензия, которая подается на вращающуюся поверхность поли-
ровального круга.
Металлографическая полировка во многом определяется свой-
ствами материала шлифовальника, на котором она проводится.
Такими материалами могут
быть: силон, нейлон и политекс,
специально разработанный для
целей полировки. На полиро-
вальник, покрытый одним из
перечисленных материалов, на-
носят алмазную пасту с величи-
ной зерна абразива порядка
0,25 мкм или пудру двуокиси
алюминия с величиной зерна
порядка 0,1—0,3 мкм.
На рис. 3-4 представлена
связь скорости полировки по-
верхности кремниевой пласти-
ны с глубиной полировки для
двух способов полировки. Как
видно из рисунка, скорость металлографической полировки в от-
личие от оптической почти постоянна в
тых слоев кремния.
Необходимо отметить, что оба метода полировки дают толщину
механически и физически нарушенного слоя в пластинах кремния
порядка 0,7—1,0 мкм при хорошей плоскостности и плоскопарал-
лельности поверхностей пластинок. Обычно в технологии планар-
ных приборов и интегральных схем механическую полировку при-
меняют в комбинации с химической или электрохимической.
С помощью химической или электрохимической полировок уда-
ляют нарушенный слой. При этом не происходит какого-либо
заметного завала краев кремниевых пластин. Наиболее гладкую
поверхность пластин кремния получают, если нарушенные в про-
цессе механической полировки слои удаляются электрохимиче-
ской полировкой. Известно, что таким способом можно получить
ероховатость, составляющую несколько десятков ангстрем. С по-
мощью усовершенствованного электрохимического метода после
предварительной механической полировки были получены плос-
костность пластинки 1. мкм!см и шероховатость порядка 25А.
широком интервале сня-
и
и

43
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ГЕРМАНИЯ
КРЕМНИЯ И СОЕДИНЕНИЙ АШВ¥
4-1. Влияние механической обработки на качество
поверхности кристаллов
ния пластинки по
II
Рис. 4-1. Пластина полупроводника
после механической обработки.
1 — полупроводник; 2 — механически нару-
шенный слой; з — физически нарушенный
слой.
После разрезания полупроводниковых слитков на пластины
и шлифовки пластин их поверхность имеет углубления, вызванные
выкалыванием кусочков полупроводникового материала частич-
ками абразива, царапины и трещины. Этот нарушенный поверхно-
стный слой принято называть механически нарушенным (рис. 4-1).
Кроме того, под действием давления и горизонтального перемеще-
лифовальному кругу в более глубоких слоях
кремния и германия, до ко-
торых не распространились
микротрещины, возникают
остаточные механические на-
пряжения. Они еще не вызы-
вают трещин, но приводят к
некоторому нарушению кри-
сталлической решетки—сдви-
гу. Слой, в котором возни-
кают и сохраняются механи-
ческие напряжения в моно-
кристаллической пластинке
полупроводника, может быть назван физически нарушенным.
Практически толщина механически нарушенного слоя пропор-
циональна диаметру зерна абразива и равна 10—20 мкм. Толщи-
на физически нарушенного слоя зависит также от качества абра-
зивного материала и многих других факторов, таких например,
как давление на шлифовальник, свойств материала шлифоваль-
ника и др. Она равна по величине примерно половине толщины
механически нарушенного слоя.
Для создания р-п-переходов эти слои должны быть пол-
ностью удалены, так как в противном случае процессы получения
р-п-переходов будут плохо контролируемы. Кроме того, сами
р-п-переходы будут шунтироваться этими слоями, что приведет
к возникнове]
ио больших токов утечек переходов.
4-2. Очистка кристаллов от органических загрязнений
В процессе резки и шлифовки германия и кремния пластинки
этих материалов загрязняются различными органическими ве-
ществами, в том числе жирами, которые входят в состав клеющих
мастик. Наличие таких загрязнений приводит к появлению на пла-
стинках дефектов травления, возникающих вследствие того, что
44
t
травление чистых и загрязненных участков происходит с разными
скоростями. Удаление жировых загрязнений является необходи-
мой технологической операцией, так как жиры плохо растворяются
в травильных растворах, с помощью которых производится хи-
мическая полировка.
В отдельных случаях для обезжиривания используют мыльные
растворы или растворы щелочей. Однако щелочные растворы могут,
использоваться только для обезжиривания германия, так как
кремний растворяется в кипящих щелочных растворах. Кроме того,
ионы щелочных металлов, образующиеся в результате диссоциа-
ции щелочи, очень трудно удаляются с поверхности полупровод*,
никовых пластинок при промывке в дистиллированной или деио-
лизированной воде. Поэтому обезжиривание пластинок германия
растворами щелочей является нежелательным процессом.
Чаще всего после шлифовки, промывки и сушки производят
обезжиривание пластинок в органических растворителях. В каче-
стве растворителей выбирают следующие: трихлорэтилен (СНС1==
=СС12), толуол (СН3С6Н5), четыреххлористый углерод (СС14),_аце-
тон (СН3СОСН3), этиловый спирт (С2Н5ОН), амилацетат
(СН3СО2С5НП) и др. Процесс растворения жиров в органических
растворителях сильно зависит от температуры. С повышением
температуры обезжиривающего состава скорость растворения резко,
возрастает. В табл. 4-1 приведена зависимость скорости растворе-
Таблица 4-1
Растворитель
кип»
Скорость растворения,
мГ/см2 • мин
70е С
Четыреххлористый углерод.......
Толуол.........................
Трихлорэтилен .................
76,7
110.6
,87,8
2,1
1,9
13,2
87,8
98,8
146,0
ния пицеина от температуры для трех органических растворителей:
четыреххлористого углерода, толуола и трихлорэтилена. Как видно
из таблицы, повышение температуры от комнатной до + 70° С
приводит к увеличению скорости растворения пицеина в трихлор-
этилене более чем на порядок, а в чйтыреххлористом углероде и
толуоле — почти на полтора порядка. Поэтому, как правило^
процессы обезжиривания проводят при высоких температурах.
Для получения наилучшего обезжиривания и отмывки полу-
проводниковых пластинок в последние годы стали широко исполь-
зовать ультразвук. При ультразвуковой промывке ванна с орга-
ническим растворителем укрепляется на магнитострикторе. Под
Действием ультразвука происходит интенсивное перемешивание
растворителя. Молекулы растворителя с силой ударяются в по-
верхность пластинки, легко удаляя с ее поверхности различные
загрязнения. Процесс обезжиривания производится с использова-
нием ультразвука последовательно в кипящих толуоле, амил-
ацетате, ацетоне, этиловом с:
срте и деионизованной воде. Время
II!
промывки в каждом веществе 5 мин. Очищенные таким образом
пластинки подвергаются вакуумной или температурной сушке и
затем передаются на операцию химической полировки.
Необходимо отметить, что вещества, используемые для обез-
жиривания, должны быть очень чистыми. Наличие в них малей-
III!
[х следов растворенных жиров не позволит получить высоко-
качественной очистки. Поэтому растворители подвергают допол-
нительной очистке (например, перегонке), что существенно улуч-
шает их качество. Так, простая однократная перегонка этилового
спирта новы
п
ает его удельное сопротивление в 7—10 раз. Исполь-
зуемая для промывки пластинок вода должна обладать высоким
удельным сопротивлением (порядка нескольких Мом -см) с целью
исключения сорбции ионов металлов на поверхности пластинок.
Дело в том, что ионы металлов, особенно щелочных, легко
адсорбируются на поверхности обрабатываемого полупроводника
и трудно смываются. Величина удельного сопротивления является
показателем степени деионизации растворителя и может служить
критерием годности данного вещества для обезжиривания полу-
проводникового кристалла.
Следует заметить, что промывать пластинки перед травлением
можно простой дистиллированной водой. Однако так как в после-
дующих технологических процессах необходимо использовать
только деионизованную воду, то нецелесообразно производить
и дистилляцию и деионизацию воды. Тем более, что при хорошо
организованном процессе деионизации стоимость деионизован-
ной воды может быть ниже стоимости дистиллированной. Поэтому
при производстве полупроводниковых приборов все процессы про-
мывки, как правило, производят в деионизованной воде.
4-3. Химическая полировка полупроводниковых
материалов
В производстве полупроводниковых приборов чаще других
способов полировки применяют химическую. Для этого исполь-
зуютхразличные травильные растворы как простого, так и сложного
составов. Скорость растворения германия и кремния в любом
травителе можно определить следующей формулой
v-P(}- Р [Г/см2 - мин],
SL
(4-1)
вес пластины до травления, Г; Р
л q — dw хjl, л. 9 jc вес пластины после
. травления, Г; s — эффективная поверхность пластинки, cat2; t —
46
время травления, мин; v — скорость растворения полупроводни-
кового материала, Г 1см2 •мин.*
Скорость растворения полупроводникового материала в раст-
воре определенного состава не является постоянной величиной.
В начале процесса она высока, так как нарушенный поверхност-
ный слой пластинки полупроводника травится быстрее. Молекулы
етки. Таким
травителя проникают в трещины кристаллической ре
и
образом, эффективная площадь травления оказывается большой.
Глубина нарушенного слоя может быть определена как толщина
слоя, который необходимо удалить до момента, когда скорость
травления становится постоянной (у — const).
Любой травильный раствор для германия или кремния должен
содержать в своем составе в качестве обязательных компонентов
какой-либо сильный окислитель, переводящий германий или крем-
ний в окисленное состояние, и агент-комплексообразователь, пере-
водящий окислы полупроводников в раствор. В водных растворах
в качестве окисляющих агентов чаще всего используются азотная
кислота (HNO3) и перекись водорода (Н2О2). Кроме того, окисли-
тельными свойствами обладают также иод (J2), бром (Вг2), и неко-
торые соли, например, иодистый натрий (NaJ) и хлорное железо
(FeCl3). Особенно ценными растворяющими агентами-комплексооб-
разователями являются плавиковая кислота (HF) и щелочи (NaOH,
КОН). Комплексообразующими агентами являются также щаве-
левая, лимонная, винная и соляная кислоты.
Кроме двух основных обязательных агентов (т. е. оксилителя и
комплексообразователя) в травильном растворе часто бывают необ-
ходимы другие компоненты. Агентами, ускоряющими реакцию трав-
ления, являются иод и бром. Для регулирования скорости травле-
ния часто используют замедлители реакции: воду, ледяную уксусную
кислоту (СН3СО2Н). Для выявления определенных кристаллогра-
фических плоскостей в полупроводниковых монокристаллах в тра-
витель добавляют агенты, дающие селективное травление: азотно-
кислое серебро (AgNO3), азотнокислую ртуть (HgNO3), иногда
уксусную кислоту и др. Таким образом, состав травителя для
германия или кремния в самом общем виде будет выглядеть сле-
дующим образом: окислитель + комплексообразователь + уско-
ритель + Стабилизатор реакции (замедлитель).
В зависимости от условий травления и требований к качеству
поверхности полупроводниковых монокристаллов выбирают то
или иное сочетание компонентов в травильном растворе. Необхо-
димо отметить, что состав боль
инства растворов, применяемых
и
для травления германия и кремния, подобран эмпирическим путем.
В настоящее время существует две теории саморастворения
германия и кремния: химическая и электрохимическая. Согласно
* Заметим, что в практике изготовления полупроводниковых приборов
скорость травления часто определяют путем измерения толщины стравлен-
ного слоя полупроводника в единицу времени (мкм/мин).
47
первой теории, процесс травления происходит в две стадии. Первая
% стадия заключается в окислении полупроводникового материала,
вторая — в растворении образующегося окисла. Скорость каждой
стадии рассчитывается с точки зрения теории абсолютных скоро-
стей реакции. Вторая теория рассматривает процесс саморастворе-
ния как электрохимический процесс. Поверхность полупроводни-
ковой пластинки в этом случае представляется как энергетически
неоднородная. Поэтому на ее микроучастках возможно одновре-
менное протекание противоположно направленных сопряженных
электрохимических реакций: анодной — перехода атомов полупро-
водника в раствор в виде ионов — и катодной — какого-либо вос-
становительного процесса (например, восстановление HNO3 или
Н2О2), Суммарная скорость всего процесса в этом случае опреде-
ляется скоростью наиболее медленной реакции. Из этих двух
теорий наиболее общей является электрохимическая, так как она
позволяет объяснить ряд закономерностей процесса травления,
которые не могут быть объяснены с точки зрения химической
теории.
4-4. Травление германия в перекиси водорода
Согласно химической теории, процесс растворения германия
в перекиси водорода (Н2О2) состоит из двух этапов. Первый —
процесс окисления германия до двуокиси германия GeO2, второй —
процесс растворения образовавшейся окиси в воде. При травлении
германия в перекиси во-
дорода происходят следую-
щие реакции:
Н2О2 -> Н2О + Of,
Ge + Н2О2 -> GeO + Н2О,
Ge -j- Н2О2 —► GeO2 + Н2О.
Так как скорость рас-
творения в воде GeO2 боль-
ше чем GeO, то конечным
Рис. 4-2. Зависимость скорости растворе- продуктом окисленйя яв-
ния германия в перекиси водорода от ее ляется двуокись германия
концентрации. Температура 90° С. GeO2. При 100° С в 100 мл
воды растворяется 1 г GeO2.
На рис. 4-2 представлена зависимость скорости растворения гер-
мания от концентрации Н2О2. Как видно из рисунка, с увеличением
концентрации Н2О2 от нуля до концентрации, равной приблизи-
тельно 4%, скорость растворения определяется процессом окисло-
ш
ния германия, ускоряющимся с увеличением числа атомов кисло-
рода. Уменьшение скорости растворения при дальнейшем увели-
чении концентрации перекиси водорода связано с уменьшением}
скорости растворения продуктов окисления германия.
48
%
Процесс растворения двуокиси германия происходит по сле-
дующим реакциям:
GeO2 + H2O->H2GeO3,
GeO2 + 2Н2О2 H2GeO6 + Н2О,
2GeO2 + 2Н2О2 H2Ge2O3 + Н2О,
Эти соединения германия, являющиеся кислотами и надкислотами,
представляют собой конечные продукты растворения германия
в чистом растворе перекиси водорода. Травление германия в пере-
киси водорода имеет то преимущество, что в процессе разложения
перекиси водорода образуется вода, а, следовательно, не возникает
никаких дополнительных загрязнений ни растворителя, ни поверх-
ности кристаллов. Необходимо отметить, что перекись водорода
является селективным травителем. Скорость травления в плоско-
сти (111) проходит медленнее, чем в плоскостях (110) и (100).
Для увеличения скорости травления в перекись водорода добав-
ляют различные вещества, создающие с германием хорошо раство-
римые соединения. Такими веществами
как уже упоминалось,
являются щелочи, плавиковая, соляная, салициловая кислоты и др.
В практике производства полупроводниковых приборов на основе .
германия для увеличения скорости реакции в раствор перекиси
водорода чаще всего добавляют растворы щелочей. При этом
лочь, во-первых, способствует ускоренному разложению перекиси
водорода, и, во-вторых, образует с двуокисью германия легко рас-
творимые комплексы. Между перекисью водорода и щелочью про-
исходит следующая реакция:
2NaOH + Н2О2 = Na2O2 4- 2Н2О.
Перекись натрия Na2O2 — неустойчивое вещество. Разлагаясь,
дает окись натрия и атомарный кислород:
Na3p2 Na2O -j- Of.
Далее окись натрия взаимодействует с водой, образуя снова щелочь:
Na2O + H2O = 2NaOH (с выделением тепла).
Таким образом, вследствие выделения тепла становится возмож-
ным поддержание автотермического процесса травления. Кроме
того, добавление щелочи снижает температуру, при которой начи-
нается автотермический процесс. С другой стороны, взаимодей-
ствие щелочи с двуокисью германия приводит к образованию
следующих солей соответствующих кислот и надкислот: NaHGeO3,
NaHGeO5, Na2GeO3, Na2GeO5) NaHGe2O7, Na2Ge2O;. Как ВИДНО
из рис. 4-3, добавление в раствор перекиси водорода нескольких
капель 25% раствора NaOH увеличивает скорость растворения
® 1,5—2 раза. При увеличении концентрации щелочи в травильном *
растворе скорость растворения увеличивается (рис. 4-4). Про-
цессы травления германия в перекиси водорода проводятся при
49
ш
повышенных температурах. С подъемом температуры увеличивается
как скорость окисления германия (в связи с увеличением скорости
Рис. 4-3. Зависимость скорости раство-
рения германия от концентрации Н2О2
в присутствии щелочи (I) и без щелочи
в кипящем растворе (2).
Рис. 4-4. Зависимость скорости
растворения германия в перекиси
водорода от концентрации едкого
натра при температуре 90° С (кон-
центрация Й2О2 — 30%).
тов реакции. На рис. 4-5 представлена зависимость скорости рас-
творения германия от температуры для чистой перекиси водорода.
Обычно травление кристаллов германия производится с до-
бавлением небольшого количества раствора NaOH при температуре
порядка 90° С. Учитывая, что
Рис. 4-5. Зависимость скорости
растворения германия от темпе-
ратуры раствора.
1 — 4,2%-ный раствор Н2О2, 2 —
36%-ный раствор Н2О2.
толщина нарушенного слоя может
достигать 20 мкм, производят
травление кристаллов таким обра-
зом, чтобы толщина удаленного
слоя с каждой стороны была не
менее 40 мкм для полной гарантии
удаления нарушенного слоя.
Напомним, что в случае до-
бавления в травильный раствор
щелочи необходимо особенно тща-
тельно производить отмывку кри-
сталлов, так как ионы щелоч-
ных металлов трудно удалить с
поверхности пластинок. Травле-
ные кристаллы промываются в
горячей дистиллированной или
деионизованной воде. Удельное
сопротивление дистиллированной воды должно быть не менее
0,3 Мом *см, а деионизованной — не ниже 8—10 Мом •см.
Промывка производится в кристаллизаторах (специальной квар-
цевой посуде) при перемешивании в 10—12 водах. Одновременной
50
промывке подвергается не более 200 кристаллов. Промытые кри-
сталлы сушатся в термостате при Т = 100 ч- 120° С в течение
часа и хранятся в закрытых стеклянных бюксах. Такой промывки
часто оказывается недостаточно, поэтому в последнее время для
окончательной промывки используют ультразвуковую промывку.
Она производится в проточной деионизованной воде, ванна
с которой крепится в ультразвуковой установке. Промывка пла-
стинок прекращается после того, как удельное
сопротивление воды
на выходе из ванны окажется равным сопротивлению воды на входе.
При этой промывке обеспечивается полное удаление ионов с по-
верхности полупроводниковой пластины.
4-5. Травление германия в кислотных травителях
Как уже указывалось в § 4-3, травитель для полупроводника
должен содержать в своем составе окислитель и комплексообразо-
ватель. Для германия окислителями, кроме перекиси водорода,
являются азотная кислота, персульфат, хлорное железо, бром и
другие. В качестве комплексообразователей используют щелочи,
плавиковую, соляную, щавелевую кислоты и некоторые другие
вещества. Различные сочетания этих веществ в травителе, а так-
же их различное количественное соотношение позволяют полу-
чать необходимые результаты травления.
Все травители для германия по виду получаемой после травле-
ния поверхности можно разделить на селективные и неселектив-
ные, или полирующие. При использовании селективных трави-
телей процесс травления происходит с различными скоростями
по разным кристаллографическим плоскостям. Образующиеся при
этом на пластинке германия фигуры травления позволяют сделать
заключение о кристаллографической ориентации плоскостей. С по-
мощью неселективных травителей производят химическую поли-
ровку поверхности пластинок германия, которая обычно сопро-
вождается удалением достаточно толстых слоев германия. Такие
травители позволяют получать приблизительно одинаковую ско-
рость травления для различных кристаллографических плоско-
стей, в результате чего поверхность пластинок приобретает зер-
кальную поверхность с шероховатостью менее чем 0,1 мкм. Поли-
рующие травители имеют важное значение в технологии произ-
водства полупроводниковых приборов, так как все пластинки
ЗШ1
германия перед операциями вплавления или ди
обязательно
Y Y
уз;

А А
подвергаются химической полировке.
Одним из наиболее часто употребляемых кислотных травителей
для химической полировки германия является раствор, содержа-
щий смесь азотной, плавиковой и уксусной кислот. Процесс трав-
ления может быть представлен следующими реакциями:
Ge + 4HNO3 = GeO2 + 4NO2 + 2H2O,
GeO2 + 6HF « H2GeF6 + 2HaO.
При травлении германия в этом травителе реакция не имеет посто-
янной скорости. В процессе травления имеется индукционный пе-
Время травления, сек
Рис. 4-6. Изменение толщины об-
разца германия в зависимости от
времени травления в смеси 60 ча-
стей HF (60%), 20 частей HNO3
(90%) и 20 частей Н2О2.
I — травление с катализатором N2O4,
2 — травление без катализатора.
риод, т. е. стадия, характеризую-
щаяся малой скоростью травле-
ния.
Скорости травления имеют
наиболее воспроизводимые вели-
чины в растворах с очень высо-
кой концентрацией HNO3 (пример-
но 80% HNO3). Индукционный
период можно сократить, если до-
бавить к травителю небольшое
количество таких катализаторов,
как N2O4 или NaNO2. На рис. 4-6
приведены данные о скорости
травления германия в растворе
без катализатора и с катализат
тором N2O4.
Скорости травления получают-
ся более воспроизводимыми, если
образцы германия подвергались
кратковременному предварительному травлению в растворе, со-
держащем 60% HF, 20% HNO3 и 20% H2Q (по объему). Такому
повышению воспроизводи-
мости результатов значи-
тельно способствует нали-
чие в растворе уксусной
кислоты.
На рис. 4-7 представ-
лена треугольная диаграм-
ма зависимости скорости
травления от состава тра-
вителя, содержащего три
компонента. По сторонам
треугольника отложено со-
держание компонентов в
весовых процентах. На
правой стороне показано
содержание в растворе
плавиковой и азотной кис-
лот. Вершина треугольни-
ка соответствует 100%-му
содержанию
60 % -й плавиковой кисло-
ты. При перемещении по
концентрация плавиковой кислоты
ответственно увеличивается содержание азотной кислоты, так что
в правой нижней вершине треугольника концентрация плавиковой
HF(60Z>)
Рис. 4-7. Зависимость скорости травления
[(мкм/мин) 25,4] пластинки германия «-ти-
па с ориентацией в плоскости (111) от со-
става травителя при температуре + 25° С
(катализатор NaNO2).
1.0
1,2 13
1.2 1.5 /4
12 2.1 5,0 4,6
1.2 2.3 5.1 68 5#
1,0 1.6 4.0 6,3 7.3 16
1.2 1,7 3.0 42 4,5 6.0 5.9
1,2 1.5 1.7 2.1 276 2.9 3.7
0,6 07 0,9 1,1 1,3 2.1 2.9 2,5
СОз СООН 80 70 60 50 40 30 20 10HN0J907)
f fl —Г	— Ъ
в растворе
правом
стороне треугольника вниз
в растворе понижается и со-
____	<и>	___ _ ___
52
кислоты равна нулю и раствор состоит только из одной 90%-й
азотной'кислоты.
Левая сторона треугольника характеризует содержание в рас-
творе плавиковой и уксусной кислот. Нижняя левая вершина
треугольника соответствует 100 %-му содержанию в растворе ле-
дяной уксусной кислоты. Основание треугольника характеризует
содержание веществ в двухкомпонентном растворе уксусная кис-
лота — азотная кислота. Если любая точка на любой из сторон
треугольника характеризует процентное содержание в растворе
двух каких-то компонентов, то каждая точка, лежащая внутри
треугольника, соответствует уже трехкомпонентному раствору.
Цифры внутри треугольника обозначают скорость травления
германия, ориентированного в плоскости (111). Точка, в которой
находится цифра, соответствует составу травителя, обеспечиваю-
щего указанную цифрой скорость. Например, скорость травления,
равная 5,0 мкм/мин, получается при использовании раствора,
содержащего 30% HNOS, 50% HF и 20% СН3СООН. Процентное
содержание компонентов раствора определяется следующим обра-.
зом. Через точку с указанной скоростью травления проводят
линии, параллельные сторонам треугольника. Пересечение линии,
противоположной той вершине треугольника, в которой указан
искомый компонент, са стороной треугольника, на которой обо-
значено процентное содержание этого компонента, дает точку,
соответствующую процентному содержанию искомой компоненты
в растворе.
Как видно из диаграммы, максимальная скорость травления
германия наблюдается при содержании в травильном растворе
около 60 частей 90 %-й азотной кислоты, 30 частей 60-й плавиковой
кислоты и 10 частей уксусной кислоты в присутствии катали-
затора NaNO2.
Необходимо заметить, что в зависимости от состава травителя
наблюдаются различные скорости травления германия в различи
ных кристаллографических плоскостях. Так, например, при со-
держании в травителе 25—75 весовых процентов HNOS наблюл
дается очень сильное влияние ориентации поверхности пластин
германия. При концентрации плавиковой кислоты порядка 2$%
кривые скорости травления различны: скорость травления поверх-
ности с ориентацией (100) продолжает линейно увеличиваться,
а при ориентации поверхности в плоскостях (110) и (111) достигает
максимума и затем уменьшается. Уменьшение скорости травления
® плоскостях (111) и (110) при увеличении содержания в растворе
HF не является, по-видимому, следствием замедления окислитель-
ной стадии реакции. Замедление растворения наблюдается еще
при высокой концентращ
ничения скорости реакции является либо медленное растворение
германия, либо образование на поверхности пластинок нераство-
римых продуктов реакции. Установлено, что при травлении гер-
мания в растворах с высоким содержанием плавиковой кислоты?.
» *
жж ~ V
l HNO3. Следовательно, причиной огра-


пластинки покрываются коричневой пленкой. В растворах с очень
высокой концентрацией HF пленка имеет вид порошка, легко
дающегося с поверхности германия. Эта пленка обычно обра-
оч
ш
зуется на поверхности с ориентацией (111) и (110) в растворах
с концентрацией HF выше 40%. На поверхности с ориентацией (100)
пленка не возникает вплоть до применения HF с концентрацией
порядка 60%. Вероятно, пленка состоит из нерастворимой в HF
моноокиси германия. Возникающая с появлением пленки пассив-
ность германия (экранизация поверхности германия пленкой моно-
окиси) зависит от сцепления пленки с поверхностью, которое
может быть разным на поверхностях с различной кристаллогра-
фической ориентацией.
При концентрации плавиковой кислоты более 50% скорости
травления германия при любой кристаллографической ориентации
поверхности уменьшаются. Из экспериментальных данных не опре-
делено, вызвано ли это снижением активности азотной кислоты
или увеличением пассивности германия.
Присутствие в травителе азота в низ
и
их состояниях окисления
(NaNO2) оказывает катализирующее влияние на травление герма-
ния в тех растворах, в которых скорость растворения зависит
от стадии окисления.
Аналогичными каталитическими свойствами в растворе азот-
ной, плавиковой и уксусной кислот обладает бром. Травитель
на основе перечисленных кислот, содержащий в своем составе
бром, обозначается СР-4, Этот травитель очень часто используется
в качестве полирующего при производстве полупроводниковых
приборов на основе германия. Состав СР-4 следующий:
'Ч
48%-я плавиковая кислота..............30 мл
70 %-я азотная кислота ............... 50 мл
Ледяная уксусная кислота ............. 30 мл
Бром.................................... 0,6	мл
Бром, сам являясь окислителем, усиливает окисляющее дей-
ствие азотной кислоты. Особенно сильно сказывается- влияние
брома на увеличении скорости травления при низких температу-
рах, когда окисляющее действие азотной кислоты сильно ослаб-
ляется.
Таблица 4-2
Состав травителя, %		Скорость Правления, мкм/мин		
HF	Н&о3	без катализа- тора	с катализатором	
			NaNO2	1	Вг2
9	91	30,5	35,6			
17	83	56	56	61
26	74	48	94	94
35	65	7,6	135	102
45	55'	7,6	79—168	
54
В табл. 4-2 приведены скорости травления германия без ката-
лизатора и в присутствии нитрита и брома. Результаты получены
при использовании пластин германия, ориентированных в кристал-
лографической плоскости (111).
Таким образом, добавка в травильный раствор небольшого
количества катализатора, например брома, увеличивает скорость
травления почти вдвое при содержании в растворе плавиковой
кислоты более 25%.
В зависимости от качества исходной поверхности кристаллов
скорость травления в СР-4 различна. На рис. 4-8 представлена
зависимость скорости растворе-
ния от времени травления для
кристаллов германия, только шли-
фованных и предварительно про-
травленных в травителе СР-4.
Из рисунка видно, что скорость
растворения больше для образ-
цов со шлифованной поверхно-
стью. Это объясняется повышен-
ной скоростью травления нару-
шенного слоя. Дальнейшее увели-
чение скорости травления после
того, как нарушенный слой ока-
зывается удаленным, связано с
тем, что скорость травления гер-
мания в травителе сильно зависит
от температуры.
В процессе травления происхо-
дит выделение тепла, а следова-
тельно, нагрев кристаллов и тра-
вителя. Поэтому при травлении
германия в кислотных травителях
Рис. 4-8. Зависимость скорости
растворения германия от времени
травления в травителе СР-4.
1 — пластина шлифованная, — пред-
варительно травленая в СР-4.
типа СР-4 обычно стабилизи-
руют температуру травителя. Для этого платиновый сосуд, в ко-
тором производится травление, помещают в водяную баню, темпе-
ратура воды в которой регулируется с помощью контактного тер-
мометра. Последний в зависимости от изменения температуры воды
включает или выключает электроплитку, на которой установлена
баня.
Установлено, что с увеличением скорости травления (при на-
греве травителя) качество поверхности кристаллов улучшается.
Кристаллы получаются глянцевые, лишенные каких-либо загряз-
нений поверхности.
При производстве полупроводниковых германиевых приборов
часто в качестве полирующих травителей используются растворы,
содержащие плавиковую кислоту и перекись водорода. В качестве
замедлителя реакции при этом используют воду, содержание кото-
рой в растворе может варьироваться в широких пределах. Однако
необходимо заметить, что при большом содержании воды травитель
55
приобретает, селективные свойства, выявляя ямки травления ;
с очень четкой структурой на плоскостях (111), (100), (110).
Как уже указывалось, селективные травители обладают раз-
личными скоростями травления в различных кристаллографиче-
ских плоскостях. Этим свойством часто пользуются при опреде-
лении ориентации монокристаллов. С помощью селективного тра-
вителя на поверхности полупроводниковой пластинки образуются
ямки травления. Исследуя форму контура ямок или измеряя от-
клонение отраженной от боковых сторон ямок световой фигуры,
Таблица 4-3*
Название травителя
Состав травителя
Примечание
Иодный-А
HNO3 —10 мл
HF — 5 мл
СН3СООН —11 мл
с 30 мг 12 в растворе
Полирование и травление по-
верхностей (111) и (100). Для
травления плоскости (100)
этот состав лучше, чем СР-4.
СР-4
HN03—-25 мл
HF — 15 мл
СН3С00Н —15 мл
с 0,3 ч Вг2 в растворе
Полирование и травление по-
верхностей (111) и (100).
Выявление резких р-п-пере-
ходов.
*
СР-4А
HNOg — 5 мл
HF — 3 мл
СН3С00Н — 3 мл
Полирующий травитель. Рабо-
тает медленнее СР-4, поэтому
применяется при 70° С.
Травитель № 2
(супероксоль)
Н2О2 — 1 мл
HF — 1 мл
Н2О — 4 мл
Травитель с небольшой ско-
ростью травления. Лучшая
полировка получается при
нагреве травителя.
* ФайнштейнС.М., Обработка поверхности полупроводниковых при-
боров, Издательство «Энергия», 1966 (тот же источник для табл. 4-4, 4-5
и 4-6).
находят положение основной кристаллографической плоско-
сти (111).
Для германия имеется очень большое количество селективных
травителей. Чаще других используют травители на основе плави-
ковой и азотной кислот с добавлением в них азотнокислых солей
(например, AgNOs, HgNO3).
В табл. 4-3 приведены основные полирующие и в табл. 4-4 —
селективные травители для германия.
тяжелые металлы. В таких случаях кислоту подвергают допол-
нительной перегонке в специальных платиновых аппаратах.
Большое влияние на качество отполированной поверхности
оказывает промывка полупроводниковых пластин — вымыва-
ние реагента водой после химического полирования и травления.
Необходимо следить за тем, чтобы поверхность образца была
все время покрыта жидкостью. Если не соблюдать этого усло-
вия, то те части пластинки, которые не будут покрыты слоем
жидкости в то время, когда реагент еще не до конца удален из
нее, прэтравятся как-то иначе, чем остальная поверхность. На-
пример. при травлении в смесях HF + HNO3 такие участки
окисляются. Последующее травление приводит к появлению на
них шероховатостей.
4-6. Химическая полировка кремния
Любой химический полирующий травитель будет растворять
поврежденный материал быстрее, чем окружающий его неповреж-
денный, поэтому необходимо следить за тем, чтобы после шлифов-
ки на поверхности полупроводниковой пластинки не оставалось
глубоких царапин и других повреждений. Их удаляют допол-
нительным шлифованием более тонкими абразивными микропо-
рошками.
При использовании полирующего травителя растворение раз-
личных шероховатостей и неровностей происходит намного бы-
стрее, чем растворение окружающей поверхности, вследствие
чего поверхность постепенно выравнивается. Различие в чистоте
поверхности или небольшие локальные изменения примеси в ма-
териале могут в некоторой степени влиять на скорость травления,
вследствие этого в микромасштабе поверхность будет слегка вол-
нистой. Поэтому в технологии производства полупроводнико-
вых приборов болылое значение придается предварительной
очистке пластинок кремния перед химической полировкой (см.
§ 4-2).
При выборе травителя необходимо учитывать ориентацию по-
верхности пластинки кремния, толщину слоя, которую необхо-
димо удалить, желаемое качество травленой поверхности, тех-
нологические операции, следующие непосредственно за травле-
нием.
П ри производстве полупроводниковых кремниевых прибо-
ров чаще всего требуется получение чистой блестящей полиро-
ванной поверхности. Реже бывает необходимо получить фигуры
травления для выявления кристаллографической ориентации
плоскостей и дислокаций.
Травильные растворы, используемые для химической поли-
ровки кремния, в большинстве случаев содержат те же компо-
ненты, что и растворы для травления германия. В качестве окис-
лителя преимущественно используют HNO3. Однако перекись
58
водорода, которая является хорошим травителем для германия,
совсем не может быть использована при травлении кремния, так
на поверхности кремния окисная пленка не
как образующаяся
растворяется в воде и тормозит дальнейший ход реакции.
Обычные полирующие травители для кремния чаще всего
содержат в своем составе такие компоненты, как HF и HNO3
с различными добавками (уксусная кислота, бром, соли азотной
кислоты и др.), придающими травителю необходимые свойства.
Для химической полировки кремния чаще других используется
травитель С Р-8, в состав которого входят плавиковая и азотная
кислоты в соотношении 1:3. Вообще же для травления кремния
ироких преде-
и
могут использоваться соста-
вы, содержание плавиковой
и азотной кислот в которых
меняется в
лах: 1:10
1:1. Концентрации исполь-
зуемых кислот: HF — 48%,
HNO3 — 72%. Иногда ис-
пользуются травители ука-
занных составов, в которых
концентрации плавиковой и
азотной кислот равны соот-
ветственно 42 и 63%.
Процесс травления крем-
ния в растворах плавиковой
и азотной кислот может быть
fOf) Содержание реагентов в весовых процентах
Рис. 4-9. Зависимость скорости травле-
ния кремния от содержания плавиковой
и азотной кисло г в травильн эм растворе.
4
охарактеризован следующими реак-
циями:
окисление кремния до двуокиси кремния:
3Si + 4HNO3 -> 3SiO2 + 4NO 4- 2Н2О,
растворение двуокиси в воде (комплексообразование):
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2Н2О.
Общая реакция травления кремния в смеси плавиковой и
азотной кислот может быть записана так:
3Si + 18HF + 4HNO3 = ЗН2 [SiFe] + 4NO + 8Н.О.
На рис. 4-9 приведена зависимость скорости травления плас-
тинки кремния от содержания в растворе HF и HNO3. Для по-
лучения повторяемых результатов необходимо интенсивное пе-
ремешивание травителя и поддержание постоянной температуры.
Как видно из рисунка, в области высоких концентраций плави-
ковой кислоты скорость травления определяется содержанием
HNO3, в области высоких концентраций азотной кислоты — ко-
личественным содержанием и диффузией к поверхности пластин-
ки HF. Максимальная скорость травления кремния, равная
28 мкм!сек, наблюдается, когда отношение IIF к HNO3 в растворе
59
в молях равно 1:4. Для замедления скорости реакции травления
в раствор плавиковой и азотной кислот добавляют ледяную ук-
сусную кислоту или воду.
Хорошо отполированная поверхность получается также при
использовании травителя следующего состава: HNO8 : HF :
: CHSCOOH = 4:1:0,5—1 (в объемных частях). Дальнейшее по-
вышение содержания уксусной кислоты приводит к появлению
ямок травления.
Химическую полировку кремния можно производить также
в травителе типа СР-4А, который был рекомендован ранее для
травления германия. Однако скорость травления в нем невелика^
а иногда при травлении могут выявляться дислокации, что в боль-
Таблица 4-5
1
Название травителя
Состав травителя
Примечание
GP-8
HNOg— 3 мл
HF— 1 мл
Наиболее часто используемый
полирующий травитель.
GP-8 с уксусной
кислотой
HNO3 — 3 мл
HF— 1 мл
GIIgGOOH —1 мл
Травитель, дающий хорошую
полированную поверхность.
Скорость травления ниже
чем в СР-8.
СР^4А
HNOg — 5 мл
HF — 3 мл
GHgCOOH —3 мл
Медленное химическое поли-
рование. Выявление р-п-шн
реходов. Иногда выявляются?
дислокации.
Иодный трави-
тель — А
HNOg —100 мл
HF —50 мл
GH3GOOH —110 мл
К —1 мл
Химическое полирование со
средней скоростью травле*
пия.
шинстве случаев нежелательно. Состав некоторых полирующих'
травителей, используемых для травления кремния, приведен
в табл. 4-5, а селективных — в табл. 4-6.
Табл. 4-5 и 4-6 содержат лишь незначительное число тра-
вителей, используемых для травления кремния. Ранее уже гово-
рил ось о том, что существует много травителей на основе плави^
ковой и азотной кислот, которые могут с успехом использоваться,
для химической полировки кремния. К ним относятся смеси, со-
держащие HF и HNO8 в соотношениях 1:1 и 1: 10. В производств
венных условиях эти травители часто называют травителями ти*
па СР-8. Кроме того, наряду с иодным травителем типа «А», пр»
веденным в табл. 4-5, часто используют другие иодные травителщ
например травитель «В» (HNOg — 125 мл, HF — 25 мл$
60
*
Таблица 4-6
Название травителя
Состав травителя
Примечание
Травитель Деша
HNO3 — 3 мл
HF—1 мл
СН3СООН — 8—12 мл
Достаточно быстрое травление
всех плоскостей. Глубокие
ямки, проходящие вдоль ди-
слокационных линий.
SD-1
HNO3—18 мл
HF—-25 мл
СН3СООН — 5 мл
Н20 —10 мл
Вг2 — 0,1 мл
Хороший травитель для быст-
рой оценки плотности дис-
локаций по ямкам травле-
ния. Выявляет краевые и
смешанные дислокации на
всех плоскостях. *
Горячий
ной
II
(елоч-
1—30%-ный раствор
NaOH или КОН
Травление при 50—100° С.
Быстро выявляет структур-
ные детали. Дает четкие
ямки травления в плоскости 
(111).
СН8СООН — 110 ..мл, J2 — 0,5 мл) или иодный травитель «С»
(HNOS — 150 мл, HF — 25 мл, СН3С00Н — 120 мл, J2 —1,2 мл).
Находят применение большое число селективных травителей,
на основе HNOS и HF с добавками различных солей.
4-7. Электрохимическая теория саморастворения германия
и кремния
Как показали исследования, травление германия и кремния
в растворах, содержащих плавиковую и азотную кислоты, пред-
ставляет собой электрохимический процесс. Для катодной реак-
"	следующая
ции восстановления HNOS может быть предложена
схема процесса:
HNO3^
HNO. + HNO
2	2^4 ~Г А
2NO2,
le~ s=± 2NOa,
2NO^ + 2H+^2HNO2.
Суммарное уравнение
(4-4)
(4-5)
(4-6)
(4-7)
На анодных участках полупроводникового электрода осу-
ществляются следующие анодные реакции:
для германия
Ge + 2Н2О J- пе+ GeO2 + 4Н+ + (4 — п) е ,
(4-8)
61
для кремния
Si + 2Н2О +	—► SiO2 + 4Н* + (4 — п) е .	(4-9)
жПри концентрации HNO3 не более 5—8 нормального раствора
скорость саморастворения германия определяется катодным про-
цессом, в котором наименее медленной является стадия
HNOS 4
о 1
HNO2 —> 2NO2 + Н2О.
Как видно из (4-7), в процессе растворения полупроводника об-
разуется IINO2, которая сама является реагентом, поэтому ско-
рость растворения должна увеличиваться со временем травления,
т. е. реакция будет носить автокаталитический характер. Перег
мешивание травителя во время травления приводит к умень
и
е-
нию концентрации HNO2 вблизи электрода, а следовательно,
к повышению скорости саморастворения. Если при травлении
германия в травителе содержится HNO3 высокой концентрации,
то процесс саморастворения замедляется. В этой области кон-
центраций скорость всего процесса ограничивается не катодной,
а анодной реакцией:
Ge + 2И2О + не' GeO2 -| 4Н+(4— п)е~.	(4-10)
Добавление в раствор плавиковой кислоты приводит к ускорению
растворения германия, так как HF разрушает пассивирующую
окисную пленку на германии. Переме]
иг
гвапие
как уже было
сказано, также увеличивает скорость растворения.
При саморастворении кремния на анодных участках пластинки
происходит анодная реакция:
Si 2Н2О + пё' SiO2 -|- 4Н- -|- (4 — п) е \	(4-11)
Двуокись кремния, взаимодействуя с плавиковой кислотой, дает
растворимый в воде фторид и воду:
SiO2 -f- 6HF H2SiF6 + 2Н2О.
(4-12)
Согласно электрохимической теории саморастворения основ-
ная функция окислителя состоит не в окислении поверхности по-
лупроводника
а в доставке легко восстанавлива!
эш
(ихся молекул
и ионов к катодным участкам полупроводниковой пластинки.
При отсутствии в растворе окислителей единственной сопряжен-
ной катодной реакцией будет процесс выделения -кислорода, ко-
торый должен протекать с ничтожной скоростью. Восстановле-
ние окислителей может происходить с захватом электронов из
валентной зоны полупроводника, что равносильно образованию
новых дырок непосредственно на поверхности полупроводнико-
вого электрода:
HNO3 + 2Н! HNO2 + Н2О + 2е\
(4-13)
Таким образом, полное уравнение реакции саморастворения
кремния в смеси плавиковой и азотной кислот может быть запи-
сано следующим образом:
3Si + 4IINOS + 18HF -> 3H2SiFe + 4NO + 8Н2О +
+ 3 (4 — п) е+ + 3 (4 — п) е~.	(4-14)
Необходимо отметить, что восстановление HNO3 на катодных
участках может происходить до NO. При этом в результате вос-
становления одной молекулы кислоты на поверхности кремния
образуются уже три дырки, а не две, как в случае образования
HNO2. Скорость растворения кремния при этом увеличивается.
4-8. Травление полупроводниковых соединений типа АШВ*
Как уже было сказано, полупроводниковые соединения типа
AinBv имеют структуру цинковой обманки, которая характери-
зуется наличием в кристаллической решетке двух «сортов» ато-
мов. Относительное расположение атомов в этой решетке такое
же, как и в решетке типа алмаза (т. е. в германии и кремнии). Од-
нако, поскольку в этих соединениях имеются атомы двух «сор-
тов», узлы ре
етки заняты по-
и
переменно атомами III и V групп
таким образом, что каждый
атом одного «сорта» имеет в ка-
честве ближайших соседей че-
тыре атома другого «сорта».
Рассмотрение такой решетки
показывает, что некоторые плос-
кости в ней состоят полностью
из элементов III и V групп пе-
риодической системы Менде-
леева. Наиболее важными плос-
Рис. 4-10. Схематическое изображе-
ние структуры антимонида индия,
иллюстрирующее расположение плос-
костей (111) в монокристалле сое-
динений типа AHIBV.
костями этого типа являются
плоскости (111). На рис. 4-10
схематически изображена струк-
тура цинковой обманки в проек-
ции на плоскость, перпендику-
лярную кристаллографической плоскости (111). Из рисунка видно,
что плоскости (111) располагаются парами, причем в каждой
паре имеется плоскость, состоящая из атомов III группы, и
плоскость из атомов V группы. Вдоль,направления [1111 или
любого из остальных трех направлений <111> плоскости рас-
положены в таком порядке, что в каждой паре сначала идет
плоскость, состоящая из атомов III группы, а за ней следует
плоскость, состоящая из атомов V группы. В противоположном на-
правлении [111] или любом из трех остальных направлений
<111>» порядок следования плоскостей обратный.
Таким образом, на атомной поверхности полупроводникового
соединения типа AmBv все атомы могут быть атомами III или
63
* Таблица 4-7*
--- -- ъ .. -------------- - . —- . - —  ------ - ---
Состав травителя
Примечание
Компоненты раствора
*
Пропорция
1. Арсенид галлия (GaAs)
HNOS + HF
hno,+hf + h2o
hno«+hf + h2o
HNO3 + HG1 + H2O
HN03 + HCL
H2O2 + H2SO4 + H2O
3:1
2:1:4
3:1:2
1:3:2
1:5
1:3:1
H2O2 + HaSO4 + H2O 1:18:1
H2O2 + H2SO4
HNO3 + H2O
HgO2 + IIF + H2O
H202 + H2SO4 + H2O
1:1
1:1
1:1:4
1:1:8
Полирующий травитель
To же
» »
В горячем виде полирующий тра-
витель. При комнатной темпер а-
г туре выявляет /ьп-пере ходы
Полирующий травитель. Скорость
травления 5 мкм/мин
Полирующий травитель. Скорость
травления 2,1 мкм[мин
Полирующий травитель. Скорость
травления 5 мкм)мин
Травитель для выявления дислока-
ции
Селективный травитель
Выявление межзеренных границ
2. Арсенид индия (InAs)
HNO3 + HG1 1:1
HNOS + HC1 + H2O
HNO8 + HF + 5%-ный рас-
твор AgNO3
H2O2 + HF + H2O
1:1:1
1:2:2
1:1:4
Полирующий травитель. Скорость
растворения 6 мГ/см2 • мин
Выявление дислокации на In (111)
Селективный травитель
То же
3. Антимонид галлия (GaSb)
HNO3 -J- 40%-ный водный
раствор винной кислоты
HNO3 + HF
HNO3 + HC1
HNO3 + HG1 + H2O
1:3
.4. Антимонид индия (InSb)
Скорость растворения 6 мГ/см2 • мин
Дислокации на Ga (111)
Скорость растворения 40 мГ/см2 - мин.
Скорость растворения 2 мГ/см2 • мин
Селективный травитель. Треуголь-
ные ямки травления на Ga (111)
HNO3 + HF
1:1
HNOS + HF + CHaGOOH 5:3:3
HNO8 + HF + H2O	5:5:2
HNO84-HF + H2O	1:1:4
5. Фосфид галлия (GaP)
Полирующий травитель для пло-
скостей (111) и (110)
Полирующий травитель
( Травление плоскостей (110) и (100)
' Травление плоскостей (111)
HNO3 + HG1
HNO3 + HF
1:1
1:1
Скорость растворения 0,6 мГ1см2 • мин
Скорость растворения 0,19 мГ/см2 X
HNO3 + HF + GH3COOH
NaOH
5:3:3
* Травление полупроводников,
X мин
Селективный травитель
Селективный травитель. Травление
при 95е С
М., Изд-во «Мир», 1965.
64
Состав травителя
Компоненты раствора
Пропорция
Продолжение табл. 4~7
Примечание
6.	Фосфид индия (1пР)
Концентрированная НС1
Разбавленная НС1
HN08 + НС1
1:1
I Селективный травитель
То же
Скорость растворения 6 мГ1см2 * мин
V группы. Однако реальная пластинка такого соединения'
практически никогда не может иметь поверхность, параллель-
ную атомной кристаллографической поверхности, и, следова-
тельно, содержит на* поверхности атомы как III, так и V групп.
Перечисленные особенности соединений типа AinBv сущест-
венно влияют на выбор травителей и процесс травления. В настоя-
щее время не существует теории, которая достоверно отражала
бы процесс травления соединений типа AinBv. Травители для
обработки этих соединений подобраны экспериментальным пу-
тем. Чаще всего в качестве окислителей и комплексообразовате-
лей при травлении используют те же вещества, что и при трав-
лении германия и кремния. В табл. 4-7 приведены травители, ис-
пользуемые для травления некоторых соединений типа A1UBV.
ГЛАВА ПЯТАЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ
ПЕРЕХОДОВ МЕТОДОМ СПЛАВЛЕНИЯ
5-1. Сущность метода вплавления-кристаллизации
Процесс получения сплавных электронно-дырочных перехо-
дов проходит в две стадии. Во время первой стадии происхо-
дит растворение части полупроводникового монокристалла в ме-
таллическом сплаве. Вторая стадия — рекристаллизация раст-
воренных в расплаве атомов полупроводника, в результате чего
образуется монокристаллическая область полупроводника с про-
тивоположным типом проводимости.
Повы
ение температуры при вплавлении вызывает следующие
и
явления:
1)	увеличение амплитуды колебаний атомов, находящихся
в узлах кристаллической решетки, около положения равновесия;
2)	атом или ион, обладающий достаточной энергией, может
перейти из регулярного положения в «иррегулярное», т. е. в меж-
доузлие;
3 Г. А. Гаврилов, А. М. Скворцов
65
3)	этот диссоциированный атом может некоторое время ко-
лебаться вокруг своего «иррегулярного» положения, прежде чем
«перескочит» в другое свободное регулярное или «иррегулярное»
положение;
4)	диссоциированный атом с некоторой вероятностью может
перейти на вакантный узел решетки.
Перечисленные явления можно рассматривать как «разрых-
ление» кристаллической решетки. Дальней]
[и рост температуры
пн
приводит к усилению этих процессов, а следовательно, к более
сильному «разрыхлению». Процесс, заключающийся в ослаблении
между атомных связей, а следо-
вательно, в увеличении возмож-
Рис. 5-1. Вплавление индия в германий: а — система индий — гер-
маний перед вилавлением; б — система индий — Германией в нагретом
Графитовая
па клад*а
Индий.
Германии
,1-типа
состоянии (начало процесса растворения).
1 — кристаллическая решетка германия; 2 — атомы германия в узлах кристал-
лической решетки; 3 — графитовая накладка; 4 — расплавленный индий; 5 —
атом германия, перешедший в расплав из узла кристаллической решетки; 6 — атом
индия, внедрившийся в решетку германия (занявший вакантный узел в кристал-
лической решетке германия).
пости отрыва атомов от положений равновесия, характеризуется
теплотой разрыхления Q. Выражение, полученное Брауне для
теплоты разрыхления Q, имеет вид:
Q = 3b*TsR,
где Т8 — температура плавления; е — некоторая постоянная,
связанная с амплитудами колебаний атомов кристаллической
решетки; R — универсальная газовая постоянная.
Если в контакте с полупроводниковым монокристаллом на-
ходится жидкая фаза расплавленного металла, то выражение для
теплоты разрыхления усложняется. Величина теплоты разрых-
ления значительно понижается, т. е. возможность отрыва атомов
от своих положений равновесия увеличивается.
Рассмотрим случай вплавления индия в германий. Этот про-
цесс ]
ных германиевых диодов и транзисторов.
Допустим, что пластинка германия толщиной 100—200 мкм
и произвольной площади находится в контакте с индиевой на-
веской, имеющей форму таблетки (рис. 5-1). Для устранения воз-
можности растекания индия по германию положение индиевой
пи
[роко используется в технологии изготовления сплав-
66
таблетки фиксировано графитовой накладкой. Система полу-
проводник-металл (рис. 5-1, а) помещается в печь вплавления.
Когда температура системы превысит 156° С, индий расплавится.
При этом связь между атомами индия будет очень слабой. С даль-
нейшим повышением температуры энергия атомов индия будет
новы
и
аться. Одновременно будет расти амплитуда колебаний
атомов германия вокруг своих положений равновесия в моно-
кристалле (рис. 5-1, б), в результате чего появляется возможность
перехода атомов германия из узла кристаллической решетки
в «иррегулярное» состояние. Освободившееся место в кристал-
лической решетке может занять
атом индия, так как он слабо
связан с соседними атомами.
Известно, что введение чуже-
родного атома в кристалл при-
водит к нарушению связей в кри-
сталлической решетке и
, следо-
вательно, к дополнительному ее
разрыхлению. При этом большее
Рис. 5-2. Схема процесса вырав-
нивания концентрации растворен-
ных атомов германия в индии.
число атомов, находящихся на
поверхности, может уйти из узлов
кристаллической решетки. Веро-
ятность перехода атомов герма-
ния в междоузлия кристалличе-
ской решетки мала по сравнению
с вероятностью перехода их в
жидкую фазу индия. Таким об-
разом, происходит замещение
1 — монокристалл германия; 2 — рас-
плавленный индий; 3 — графитовая
накладка, ограничивающая растекание
индия; 4 — тонкий слой расплава,
насыщенный атомами германия, распо-
лагающийся па границе твердая фаза —
расплав; 5 — атом растворенного гер-
мания; 6 — направление диффузии ато-
мов германия в индии.
атомов германия атомами индия
(растворение германия в расплавленном индии). Свободные ато-
мы германия образуют в индии вблизи поверхности германия
насыщенный раствор. В результате этого в индии возникает гра-
диент концентрации атомов германия. Вследствие градиента
концентрации происходит процесс диффузии атомов германия
в глубь индия. Диффузия будет происходить до тех пор, пока кон-
центрация атомов германия в растворе не выравняется, т. е. не
наступит равновесие в системе твердый германий — жидкий ин-
дий. На рис. 5-2 показан механизм выравнивания концентрации
атомов германия в индии.
Если после достижения равновесия в системе германий —
индий снова повысить температуру системы, то начнется даль-
ней
и
ее растворение германия, которое будет происходить до тех
пор, пока не наступит равновесная концентрация германия в ин-
дии, соответствующая данной температуре.
При охлаждении системы германий — индий равновесная
концентрация германия в индии нарушается: раствор германия
оказывается
пересыщенным.
В результате начинается рекри-
сталлизация из раствора атомов германия, которые образуют
3*
67
эш
близкий
ициенту теплового расширения полупроводника. Невы-
нН»
хотя это название не вполне удачно. Сплавы должны удовлет-
ворять следующим важным требованиям.
1.	Электродный сплав должен содержать в своем составе до-
бавки, являющиеся донорными или акцепторными примесями
в используемом при сплавлении полупроводнике. В процессе ре-
кристаллизации атомы полупроводника будут захватывать атомы
примеси; последние будут определять тип электропроводности
рекристаллизбванной области.
2.	Электродный материал должен создавать с полупровод-
ником эвтектический сплав, температура плавления которого
должна быть ниже температуры плавления полупроводника.
3.	В качестве легирующего элемента необходимо использо-
вать элемент с наибольшей предельной растворимостью в данном
полупроводнике. Это обеспечит получение низкоомной рекри-
сталлизованной области, что, в свою очередь, позволит полу-
чить высокую эффективность электронно-дырочного перехода.
Часто это требование формулируют как способность атомов леги-
рующей примеси обладать высоким коэффициентом сегрегации
при рекристаллизации.
4.	Эвтектический сплав, образовавшийся после вплавления
должен иметь коэффициент теплового расширения
к коз
полнение этого требования приведет к тому, что при охлаждении
системы сплав — полупроводник в полупроводнике могут воз-
никнуть механические напряжения, которые ухудшают электри-
ческие характеристики р-п-перехода, а иногда даже приводят
к появлению на пластинках трещин.
5.	Используемый для вплавления сплав не должен содержать
примесей, имеющих высокий коэффициент диффузии при тем-
пературе вплавления. Это требование особенно важно для спла-
вов, используемых при изготовлении сплавных кремниевых тран-
зисторов, так как быстро ди
нии (в базовой области) примесные уровни, являх
рекомбинации неосновных носителей, что может привести к зна-
чительному уменьшению коэффициента усиления по току тран-
зистора.
6.	Электродный сплав должен иметь низкое давление паров
при температуре вплавления. В противном случае испарение
сплава или отдельных его компонентов (особенно легирующего
элемента) приводит к загрязнению поверхности полупроводника.
7.	Эвтектический сплав после вплавления не должен Давать
хрупких фаз и должен быть устойчив к воздействию растворов,
используемых при последующей обработке электронно-дыроч-
ных переходов.
8.	Применяемый для вплавления сплав должен обладать хо-
рошими механическими свойствами (в частности, пластичностью),
которые позволили бы его легко обрабатывать при изготовлении
электродов,
ундирующие примеси дают в крем-
щеся центрами
ЗИЛ
зш
70
алюминий сопряжено С некоторыми трудностями. Часто для прида-
ния сплаву на основе индия определенных свойств в его состав

узионно-сплавных
вводят свинец, золото, олово, висмут и некоторые другие эле-
менты. Так, например, при изготовлении ди
транзисторов' типа П401 и П403 в качестве эмиттерного сплава
используют следующей состав: РЬ — 55%, In— 36%, Bi — 5%,
Sb— 3,5%, Ga — 0,5%. Основными элементами, определяющи-
ми электропроводность рекристаллизованной p-области эмит-
тера , здесь являются индий и галлий. Для получения более плос-
кого фронта вплавления и повышения допустимых пробивных
напряжений электронно-дырочно-
Рис. 5-4. Диаграмма состояний
системы свинец — сурьма.
го перехода в сплав на основе
индия добавляют золото. х
Если электронно-дырочные пе-
реходы изготовляют на герма-
нии p-типа, то в качестве леги-
рующих элементов для получе-
ния рекристаллизованной области
n-типа могут быть использованы
элементы V группы периодиче-
ской таблицы Менделеева сурьма
(Sb) или мышьяк (As). Однако
сурьма — очень хрупкий мате-
риал, и изготовление из нее
электродов для вплавления прак-
тически невозможно. Мышьяк же
из-за его большой токсичности
при изготовлении сплавных р-п-пе-
реходов не используют. Поэто-
му для получения р-п-переходов на германии p-типа чаще всего
применяют сплав свинец-сурьма (Sb — 3—5%). На рис. 5-4
представлена диаграмма состояний системы свинец — сурьма.
Как видно из рисунка, сурьма со свинцом дает эвтектическую
диаграмму, причем эвтектический сплав характеризуется соста-
вом 11,2% сурьмы и 88,8% свинца. Применение свинца в ка-
честве металла-носителя целесообразно еще и потому, что сви-
нец является мягким материалом, и из него можно легко изго-
товлять электроды для вплавления как с помощью прокатки и
вырубки, так и путем протяжки в виде проволоки с последующей
разрезкой на цилиндрические навески. Кроме того, благодаря
пластичности этого сплава при охлаждении системы сплав —
германий в полупроводнике не образуется трещин, хотя коэффи-
циенты теплового рас:
и
прения германия и свинца различны.
Если при .изготовлении электронно-дырочных переходов ис-
пользуют кремний, то в качестве материалов-носителей для элек-
тродных сплавов - применяют олово и свинец, которые, внедряясь
в кристаллическую решетку кремния, не создают в ней центров
рекомбинации; другие элементы, способные вплавляться в крем-
72
5
ний, вводят в него центры рекомбинации. Иногда в качестве ме-
талла-носителя используют золото.
Хорошей донорной <добавкой при изготовлении сплава для
получения р-п*перехода на кремнии p-типа является фосфор.
Самостоятельно фосфор не может быть использован в качестве
электродного материала, так как он не является металлом и су-
ществует в природе в виде порошка. Донорными свойствами об-
ладают также сплавы, содержащие в своем составе мышьяк.
Однако коэффициент сегрегации у мышьяка ниже, чем у фосфора.
Из других элементов V группы донорной добавкой в электродном
сплаве может служить сурьма.
Для получения на кремнии n-типа рекристаллизованного слоя
с дырочной проводимостью в качестве добавки может использо-
ваться бор, коэффициент сегрегации которого в кремнии равен
6,8 *10 1. Очень часто в технологии изготовления сплавных р-п-
переходов используют алюминий, который в чистом виде удов-
летворяет всем требованиям, предъявляемым к электродному ма-
териалу. Алюминий легко сплавляется с кремнием, образуя эв-
тектику при температуре 577,2° С с содержанием в эвтектическом
сплаве 12,1 атомных процента кремния.
Существенным недостатком алюминия как электродного ма-
териала является большая величина коэффициента теплового
расширения по сравнению с кремнием (для кремния коэффициент
теплового расширения
21 -10 G ° С’1). Элементы III группы — галлий и индий — не мо-
гут быть использованы в чистом виде, в качестве электродных .
материалов из-за низкой температуры плавления (156° С для
индия и 29° С для галлия). В виде добавок эти материалы также
не используют, так как коэффициент сегрегации галлия немного
превышает коэффициент сегрегации алюминия, а у индия он на
порядок ниже. Кроме того, энергия ионизации акцепторного
уровня, создаваемого атомами индия, в кремнии достаточно ве-
равен
для алюминия
5-3. Диаграммы состояний некоторых двойных систем
При изготовлении электронно-дырочных переходов методом
вплавления — кристаллизации для правильного выбора элект-
родного сплава в целом и отдельных его компонентов необходимо z
знать свойства и поведение как равновесных, так и неравновес-
ных систем, состоящих из жидкой или твердой фаз в контакте
с твердой кристаллической фазой полупроводника. Условия тем- <
пературы и концентрации, при которых жидкая фаза, содержа-
щая какую-либо примесь, может находиться в равновесии с твер-
дой фазой почти чистого полупроводника, представляются диа-
граммой состояния.
Как следует из § 5-2, при изготовлении сплавных электронно-
дырочных переходов в отдельных случаях в качестве электродного
Рис. 5-5. Участок диаграммы состоя-
ния полупроводник — металл, металл
является примесью и понижает точ-
ку плавления (коэффициент сегрега-
ции меньше единицы).
сплава используют один элемент, обладающий одновременно
свойствами металла-носителя и легирующей примеси. Общий вид
диаграммы состояния для такой двойной системы, состоящей из
металла и полупроводника, показан схематически на рис. 5-5.
Диаграммы состояний этого типа характерны для сплавов гер-
мания и кремния с некоторыми акцепторными элементами III груп-
пы и донорными элементами V группы периодической таблицы
Менделеева. Особенностью диаграммы, представленной на рис.
5-5, является весьма протяженная ветвь кривой ликвидуса, опре-
деляющей состав жидких фаз в
равновесии с германием и крем-
нием. В области, лежащей вы-
ше линци ликвидуса, система
полупроводник — металл нахо-
дится в жидком состоянии.
Когда температура системы ни-
же точки ликвидуса для дан-
ного состава сплава, происхо-
дит процесс выделения кристал-
лов полупроводника, и концен-
трация металла в жидкой фазе
увеличивается. Наконец, при
некоторой эвтектической темпе-
ратуре* происходит затвердева-
ние всего раствора. Область
ниже линии солидуса характе-
ризует твердый насыщенный
раствор полупроводника в ме-
талле. На рис. 5-5 линия соли-
дуса для наглядности проведе-
на таким образом, что показы-
вает гораздо большую концентрацию примеси в кристаллизо-
ванной области полупроводника, чем получается на практике.
Ввиду быстрой диффузии атомов в жидкой фазе ее состав от-
вечает равновесию, определяемому температурой и положением
кривой ликвидуса на диаграмме состояний. Если же при этом
учесть, что для наиболее часто применяемых на практике двой-
ных систем полупроводник — металл эвтектическая раствори-
мость германия и кремния в примесном металле очень мала, то
почти весь растворенный в металле полупроводник оказывается
рекристаллизованным в процессе охлаждения.
Как уже упоминалось в § 5-2, при изготовлении германиевых
сплавных p-w-переходов с рекристаллизованной р-областью
в качестве легирующего материала используют чаще всего индий.
На рис. 5-6 изображена диаграмма состояния сплава индий —
♦ Эвтектическая температура — температура, при которой происходит
одновременная кристаллизация компонентов данной системы.
74
германий. Из рисунка видно, что растворимость германия и ин-
дия в жидкой фазе изменяется в широких пределах, это играет
положительную роль при проведении процесса вплавления. Зная
диаграмму состояния, темйературу вплавления и некоторые дру-
гие условия вплавления,
можно легко рассчитать
такой важный параметр,
как глубину вплавления,
или
толщину
рекристал-
лизованного слоя герма-
ния (см. ниже).
Необходимо заметить,
что иногда для получения
более высокой электро-
проводности рекристалли-
зованного p-слоя в индий
добавляют 0,5—1,0 % гал-
лия, который имеет в гер-
мании коэффициент сегре-
гации на два порядка
больше, чем индий. При
таких малых добавках гал-
Рис. 5-6. Диаграмма состояния системы
индий — германий.
лия диаграмма состояния
тройной системы германий — индий — галлий по существу не будет
отличаться от диаграммы состояния, изображенной на рис. 5-6.
Если при изготовлении полупроводниковых приборов- в ка-
честве исходного материала выбирают германий p-типа, то для
вплавления чаще всего выбирают
Рис. 5-7. Диаграмма состояния
системы германий — свинец.
сплав свинца и сурьмы. Так как
содержание сурьмы в таком сплаве
никогда не превышает 3—5%, для
характеристики процесса вплавле-
ния-кристаллизации можно пользо-
ваться диаграммой состояния двой-
ного сплава германий — свинец. Эта
диаграмма представлена на рис. 5-7.
Из диаграммы видно, что до темпе-
ратуры порядка 700° С содержание
германия в растворе невелико и сла-
бо зависит от изменения температу-
ры. Растворимость германия, а сле-
довательно, и глубина вплавления
увеличивается 'при температуре выше 750° С. Например, при
температуре 800° С в жидкой фазе содержится десять атомных
процентов германия.
Если изготовляют электронно-дырочный переход на кремнии,
то индий не может быть использован в качестве электродного
материала, так как имеет температуру плавления ниже предельно
75
допустимой рабочей температуры перехода кремниевых полу-
проводниковых приборов. Обычно сплавные р-п-переходы на
кремнии n-типа изготовляют, используя в качестве электродного
материала алюминий. На рис. 5-8
приведена диаграмма состояний
сплава алюминий—кремний. Из
рисунка видно, что алюминий
с кремнием образует эвтектику
при температуре 577,2° С в точке,
1									zw^	
			•						
% 											I
Z	_ 				Z					-	£
)								г		
										L
									1
г									
					577				1
									
									—г 1
1					с					At
									1
										
									
Рис. 5-8. Диаграмма состояния
системы алюминий — кремний.
4Z? 50 60 70 60 90 100
Si
0 10 20
А1100 Весовые проценты
Рис. 5-9. Диаграмма состояния
системы кремний — олово.
соответствующей 12,5 весовых процентов кремния. При темпе-
ратурах выше температуры
51, Весовые проценты
Рис. 5-10. Диаграмма состоя-
ния системы кремний — золото.
Система кремний —
плавления алюминия растворимость
кремния в алюминии изменяется в
широких пределах и зависит от тем-
пературы приблизительно по линей-
ному закону.
Для получения рекристаллизо-
ванных слоев кремния n-типа в исход-
ном монокристалле p-типа в качестве
металла-носителя в подавляющем
большинстве случаев используют
олово. Диаграмма состояний сплавов
системы-кремний— олово приведена
на рис. 5-9.
олово имеет неограниченную раствог
римость компонентов в жидком со-
стоянии и полную нерастворимость
в твердом. При охлаждении системы твердый кремний — ра-
сплав происходит кристаллизация растворенного в олове крем-
ния. Процесс кристаллизации продолжается до эвтектической
температуры, которая имеет значение на 0,001° С ниже точки
плавления олова и соответствует концентрации олова 10~4 атом-
ных процента. Добавление в олово в качестве легирующих при-
76
месей небольшого количества элементов V группы (фосфора или
мышьяка) не влияет на вид диаграммы состояний.
При изготовлении кремниевых выпрямителей хорошим ле-
гирующим сплавом,
n-типа, является
системы кремний
дающим рекристаллизованную область
сплав золота с сурьмой. Диаграмма состояний
— золото изображена на рис. 5-10. Существен-
ным недостатком этого сплава является то, что эвтектическая точ-
ка расположена при температуре, значительно более низкой,
чем температура плавления золота, и растворимость золота в этой
точке очень велика.
Часто в качестве электродного сплава на кремнии р-типа при-
меняют сплав золота со свинцом, содержащий небольшие добав-
ки сурьмы или мышьяка.
5-4> Процессы вплавления-кристаллизации
Необходимо отметить, что процесс растворения полупровод-
ника в сплаве в отдельных случаях может происходить раньше,
чем начинается расплавление электродного материала. (Напри-
мер, при вплавлении алюминия в кремний, в случае, если тем-
пература системы превысит температуру эвтектики и начинается
интенсивное растворение кремния в алюминии с образованием
жидкой фазы.) При этом основная часть материала электродной
заготовки остается в твердом состоянии, так как температура
системы еще не достигла температуры плавления алюминия.
На выбор процесса вплавления-кристаллизации влияют раз-
личные факторы: исходный материал (германий или кремний),
тип электропроводности полупроводникового материала, мате-
риал электродного сплава, толщина полупроводниковой пла-
стинки, метод вплавления, параметры изготавливаемого при-
бора и др.
Однако имеется целый ряд общих закономерностей, которые
не зависят от перечисленных выше факторов. Например, ско-
рость нагрева системы полупроводник — электродный сплав оп-
ределяет главным образом смачиваемость полупроводниковой
пластинки расплавом и соответственно растекание расплава по
поверхности пластинки. Если растекание расплава не контроли-
руется, то это приводит к тому, что при заданной температуре
получается разброс толщины рекристаллизованного слоя и, сле-
довательно, глубины вплавления у различных электронно-дыроч-
ных переходов. Следует заметить, что на смачиваемость сущест-
венно влияют и многие другие факторы: чистота поверхности
полупроводниковых заготовок; наличие на поверхности полу-
проводника слоя окисла; атмосфера, в которой проводится про-
цесс вплавления и т. д. Наилучшая смачиваемость наблюдается
на совершенно чистых, свободных от окисла поверхностях в вос-
становительных средах. В качестве восстановительной среды
выбирают чаще всего осушенный и очищенный от кислорода и
77
других примесей водород или смесь очищенного водорода с инерт-
ным газом (азотом или аргоном).
Степень смачиваемости полупроводниковой пластинки спла-
вом подобно смачиваемости любого твердого тела жидкостью
обычно характеризуется краевым углом 6, образуемым каса-
тельной к поверхности жидкости на границе раздела между жид-
костью — газом — твердым телом (рис. 5-11). Силы, действую-
щие в точке х жидкости, покоящейся на твердой подложке, на
рисунке показаны стрелками. Выражение для cos 6 имеет сле-
дующий вид:
cos 6 =-----,
Уъ
Рис. 5-11. Схематическое
изображение взаимодей-
ствия жидкости и твер-
дого тела при смачивае-
мости.
где — свободная энергия на поверхности раздела твердое
тело — газ; ysL — свободная энергия на поверхности раздела
твердое тело — жидкость; yL — свободная
энергия на поверхности раздела жид-
кость — газ.
Смачиваемость твердого тела жидко-
стью тем лучше, чем меньше угол 6, и
определяется в основном соотношением
величин и ус чем больше ys превышает
yL, тем лучше смачивание.
Связь величин и yL с различными
факторами, имеющими место при вплав-
лении, может быть охарактеризована сле-
дующим образом:
1)	увеличение давления на твердую поверхность увеличива-
ет ys;
2)	увеличение давления компенсирует также отрицательную
роль окисных пленок, увеличивая и уменьшая ус
3)	уменьшение влажности (понижение точки росы) газа-но-
сителя увеличивает и уменьшает ус
4)	восстановительная атмосфера увеличивает ys и уменьша-
ет ус
5)	более высокая температура сплавления увеличивает у8 и
уменьшает ус
6)	твердые электродные сплавы имеют меньшую yL, чем мяг-
кйе сплавы;
7)	применение флюсов, создающих при взаимодействии с окис-
ными пленками летучие соединения, также увеличивает и
уменьшает у^.
Таким образом, используя различные сочетания перечислен-
ных технологических факторов, можно управлять процессом
вплавления для получения наилучшей смачиваемости поверх-
ности полупроводниковой пластинки электродным сплавом.
Качество смачивания существенно влияет на фронт вплавле-
ния. Если отдельные участки полупроводниковой поверхности
78
окажутся несмоченными, то фронт вплавления в этих местах
будет изогнут, так как на этих участках растворение полупро-
водника с поверхности не
будет происходить. Отклоне-
ние же от плоскопараллель-
ности границы электронно-
дырочного перехода приводит
к ухудшению параметров по-
лупроводниковых приборов,
в которых используется та-
кой переход. Особенно это
относится к транзисторам,
у которых неравномерный
фронт вплавления эмиттера
или коллектора приводит к
неравномерной толщине ба- _
Рис. 5-12. Схема кассетного вплавления.
1 — металлический толкатель; 2 — заготовки
электродного сплава; 3 — кристалл полупро-
водника; 4 — тело кассеты; 5 — графитовые
пробки.
зы, и как следствие этого —
к резкому ухудшению ча-
стотных свойств транзисто-
ра и к повышенному бра-
ку (смыкание фронтов вплавления коллектора и эмиттера).
С другой стороны, хорошая смачиваемость поверхности полу-
проводниковой пластинки, обеспечивающая плоский фронт вплав-
Рис. 5-13. Конструкция кас-
сеты для вплавления.
1 — шток; 2, з — грузы; 4 —
пробка; 5 — направляющая на-
кладка; 6 —основание; 7 — кри-
ста ллодержатель; 8 — заготовка
эмиттерного сплава; 9 —коллек-
торный электрод; 10— полупро-
водниковая пластинка.
ления, может привести к сильному ра-
стеканию жидкого электродного сплава,
в результате чего увеличится площадь
р-п-нерехода. Это, в свою очередь, при-
ведет к изменению параметров прибора,
в котором этот переход используется.
Поэтому в технологии изготовления
полупроводниковых приборов методом
вплавления широко используется кас-
сетный метод. Схема кассетного вплав-
ления представлена на рис. 5-12. Гра-
фитовое основание и вкладыш (пробка)
используют для предотвращения рас-
текания расплавленного электродного
материала. При использовании кассет
площади электронно-дырочных перехо-
дов строго задаются размерами отвер-
стия в графитовых кассетах.
На рис. 5-13 показана возможная
конструкция кассеты для случая, когда
с целью улучшения смачивания исполь-
зуются специальные грузы, создающие
дополнительное давление на расплав.
Необходимо заметить, что графитовые кассеты обладают
рядом существенных недостатков. Графит хрупок, поэтому
79
изготовление из него деталей с малыми допусками является
сложной задачей. Для получения же доброкачественных при-
боров с малым разбросом параметров необходимо изготавли-
вать отдельные детали кассет с точностью 0,05 и даже 0,03 мм.
Кроме того, вследствие хрупкости графита отверстия в кассете
и пробках разнашиваются в процессе эксплуатации кассет, поэ-
тому требуется частая смена кассет. Таким образом, при исполь-
зовании графитовых кассет требуется по существу системати-
ческое изготовление графитового инструмента, что приводит к уве-
личению трудоемкости и удорожанию самих полупроводниковых
приборов. И, наконец, частички открошившегося графита при
вплавлении могут загрязнять расплав, что приведет к ухудшению
электрических параметров р-п-переходов.
Чтобы избежать недостатков, связанных с использованием
графитовых кассет, некоторые зарубежные фирмы при кассетном
способе вплавления используют стальные кассеты и пробки к ним
с рубиновыми вкладышами, которые запрессовываются в сталь-
ные детали кассеты. В результате расплав электродного сплава
при вплавлении не соприкасается с основным материалом кас-
сеты (сталью), который он может смачивать и, следовательно,
приплавляться к нему. Рубин же никакими сплавами практи-
чески не смачивается. Такие кассеты обладают высокой проч-
ностью и большой долговечностью.
Другой способ избежать недостатков, связанных с исполь-
зованием графитовых кассет, — применение бескассетного ме-
тода вплавления. Этот метод чаще всего используются при из-
готовлении высокочастотных германиевых транзисторов, когда
в качестве электродного сплава используют чистый индий. Вы-
сокая точность дозировки электродного сплава обеспечивается
тем, что индиевый диск вырубается из индиевой фольги, кото-
рая протягивается над пластинками германия. Таким образом,
высота 'дисков получается одинаковой для всех сборок и опре-
деляется толщиной применяемой фольги. Диаметры индиевых
дисков также имеют незначительный разброс, так как диски вы-
рубаются из фольги одним и тем же пуансоном. Приблизительно .
одинаковый вес электродных заготовок при условии одинако-
вой смачиваемости пластинок германия обеспечивает получение
ошщаковой глубины вплавления индия во все пластинки германия.
'^Чаще всего при бескассетном методе вплавления производят
одновременно . вырубку эмиттерного и коллекторного электро-
дов. В этом случае индиевая фольга и пуансоны находятся с двух
сторон (сверху и снизу) германиевой пластинки. После вырубки
таблеток из фольги пуансоны досылают их к поверхности плас-
тинки и слегка придавливают индий к ней.
В результате индий прилипает к пластинке и хорошо на ней
держится.
Ври проведении процесса вплавления расплавленный элект-
родный материал растекается по поверхности пластинки и под
действием сил поверхностного натяжения приобретает форму
сферического сегмента. Если электродная заготовка имеет фор-
му таблетки, то площадь соприкосновения расплавленного элект-
родного материала с поверхностью германия имеет форму круга.
Размеры этого круга определяются первоначальными размера-
ми таблетки, т. е. диаметром и высотой таблетки, силами по-
верхностного натяжения и углом смачивания поверхности гер-
мания расплавленным электродным материалом. В свою оче-
редь, угол смачивания зависит от температуры, при которой про-
водится процесс вплавления, среды, в которой производится
нагрев, и качества очистки пластинок перед вплавлением.
Таким образом, растекание жидкого электродного материала
определяет площадь р-п-перехода и, следовательно, электриче-
ские параметры полупроводникового прибора. Величина рас-
текания электродного материала характеризуется коэффициен-
том растекания, который показывает, во сколько раз диаметр
вплавленного электрода или диаметр р-п-перехода больше диа-
метра исходной заготовки электродного материала. Выражение
для определения величины
имеет следующий вид:
коэффициента растекания сплава
о
12 Л°-
Д)___________
\8 Q 1 — cos 0 ’
/ sin 6
где Do — диаметр исходной таблетки электродного сплава;
— диаметр электрода после вплавления; hQ — высота исход-
ной таблетки; 0 — угол смачивания.
Необходимо заметить, что при проведении процесса вплав-
ления в атмосфере очищенного от кислорода и осушенного водо-
рода часто наблюдается очень сильное растекание жидкого элект-
родного материала по поверхности пластинки германия. При
этом уменьшение высоты таблетки индиевого электрода не дает
заметного уменьшения растекания индия. После рекристалли-
зации затвердевший электродный материал располагается в сред-
ней части рекристаллизованной области, оставляя открытой
большую часть ее. Тот факт, что часть рекристаллизованной об-
ласти германия p-типа оказывается непокрытой электродным
материалом, не оказывает заметного влияния на электрические
параметры р-п-перехода. Однако невозможность контроля вели-
чины коэффициента растекания индия приводит к большому раз-
бросу диаметров р-п-переходов и соответственно разбросу элект-
рических параметров приборов. Для ограничения растекания
часто проводят процесс вплавления в две стадии. Первая стадия
вплавления — стадия, смачивания. На этой стадии температура
системы индий — германий устанавливается такой, чтобы про-
исходило смачивание поверхности германия индием (темпера-
тура ^порядка 250—300° С). Этим температурам соответствует
81
А
хорошая смачиваемость и в то же время почти не происхо-
дит растекания. Вторая стадия процесса производится при обыч-
ных температурах вплавления (порядка 500—600° С для вплав-
ления индия в германий) в слабо окисляющей атмосфере. Такой
атмосферой, например, может являться осушенный обычный
технический азот, в котором всегда содержится до 1—2% кис-
лорода. На второй стадии вплавления растекания сплава не
происходит, так как окисленная поверхность германия не сма-
чивается жидким индием.
Использование бескассетного метода вплавления при изго-
товлении сплавных полупроводниковых приборов позволяет зна-
чительно повысить качество приборов. Однако трудность от-
работки технологического процесса вплавления^ связанная с
необходимостью учета влияния большого числа трудно контроли-
руемых факторов, влияющих на растекание жидкого электрод-
ного материала, а также отсутствие высококачественного авто-
матического оборудования не позволяют широко использовать
этот метод для производства сплавных полупроводниковых при-
боров.
5-5. Влияние ориентации полупроводниковых монокристаллов
на свойства 2>^-переходов
При изготовлении сплавных полупроводниковых приборов
большое значение имеет ориентация монокристаллической по-
лупроводниковой пластинки, т. е. точность совпадения поли-
рованной поверхности пластинки с какой-либо кристаллогра- {
фической плоскостью кристалла. Для получения плоских фрон-
тов вплавления электродного сплава в полупроводниковую
пластинку последняя обычно ориентируется таким образом, чтобы
поверхность пластинки совпадала с кристаллографической пло-
скостью (111). Это связано с тем, что плоскость (111) проходит
через наиболее плотные области кристалла и, следовательно,
атомы в этой плоскости связаны наиболее прочно. Поэтому ос-
вобождение атомов полупроводника из узлов кристаллической
решет^Й и переход их в расплавленный электродный сплав (раст-
ворение) в этой плоскости происходят с минимальной скоро-
стью.
Известно, например, что скорость растворения германия в ин-
дии для плоскости (100) в пять раз больше, чем для плоскости
(111). Такая большая разница в скоростях растворения наблю-
дается до тех пор, пока концентрация атомов полупроводника
в расплавленном индии мала. С увеличением концентрации ато-
мов полупроводника в расплаве разница в скоростях растворе-
ния становится менее заметной.
Таким образом, для получения плоского фронта вплавления
индия в германий необходимо, чтобы поверхность германиевой
пластинки была, насколько это возможно, параллельна плоскости
82
1
(111). Особенно большое значение это требование имеет тогда,
когда методом сплавления создается высокочастотный транзи-
стор. Небольшие отклонения ориентации поверхности пластинки
от кристаллографической плоскости (111) приводят к получению
неравномерной по толщине базовой области и, следовательно,
к низкому коэффициенту уси-
ления транзистора по току
и низкой граничной частоте.
Независимо от формы ис-
ходной заготовки электрод-
ного сплава (таблетка, ци-
линдр или шарик), а также
от метода вплавления (кас-
сетный или бескассетный)
форма рекристаллизованной
области имеет вид усечен-
ного конуса. То, что это дей-
ствительно так, подтверж-
дается исследованиями попе-
Рис. 5-15. Формы неправильного об-
разования фронтов вплавления при
неточной ориентации монокристал-
лических пластин; а — образование
микроступеней; б — погрешность в
ориентации меньше 2°; в — погреш-
ность в ориентации меньше 4° («кры-
шеобразное образование»); г — по-
грешность в ориентации больше 5°
(форма фронта вплавления близка
к сферической).
Рис. 5-14. Схема попе-
речного сечения р-тг-пе-
рехода.
1 — электродный сплав, за-
твердевший после впдавле-
ния и кристаллизации; 2 —
рекристаллизованный слой
полупроводника, имеющий
форму усеченного конуса с
диаметрами оснований di и
3 — исходный монокри-
сталл полупроводника.
речных шлифов. На рис. 5-14 схематически представлено попе-
речное сечение шлифа р-п-перехода. В этом случае кристалло-
графическая плоскость (111) располагается параллельно поверх-
ности пластинки полупроводника.
Если в монокристаллической пластине имеется ошибка ориен-
тации Да, то очень многие атомные слои, располагающиеся в пло-
скости (111), будут иметь выход на поверхность полупроводни-
ковой пластины, и процесс вплавления в поверхность пластины
электродного сплава будет происходить неравномерно.
На рис. 5-15 представлены поперечные сечения р-п-пе-
реходов, полученных методом вплавления, когда пластина
83
полупроводника имеет погрешность в ориентации. Из рисунка
видно, что при большой погрешности в ориентации фронт вплав-
ления вообще не будет иметь плоской границы. Естественно,
что в подобном случае трудно ожидать хороших параметров у
полупроводникового прибора, особенно у транзистора.
Следует подчеркнуть, что о влиянии ориентации на пара-
метры полупроводниковых приборов можно говорить лишь в слу-
чае, когда процесс вплавления проводится в инертной или вос-
становительной среде, содержащей малые количества влаги и ки-
слорода. Наличие же последних приводит к тому, что фронт
вплавления не будет плоским по той причине, что отдельные
участки пластины окисляются и не смочатся расплавленным
электродным сплавом. Растворение полупроводника на этом
участке будет затруднено, и на границе фронта кристаллизации
окажется выступ; поэтому чаще всего процессы вплавления про-
изводят в водороде, содержащем менее 0,0005% кислорода и имею-
щем точку росы ниже —50° С.
5-6. Влияние скорости нагревания и охлаждения на свойства
р-п-переходов
Кроме факторов, перечисленных в предыдущем параграфе
на режим вплавления существенно влияют также вид обработки
и чистота поверхности полупроводниковой пластинки; атмосфе-
ра^ в которой производится вплавление сплава; геометричес-
кие размеры пластинки и электродной заготовки и т. д.
Регулируемыми параметрами процесса сплавления (вплав-
ления-кристаллизации) являются: скорость подъема температуры
системы полупроводник — сплав, максимальная температура на-
грева, длительность времени выдержки при максимальной тем-
пературе и скорость охлаждения.
Существуют различные мнения о влиянии скорости нагрева
системы на форму фронта вплавления. Отдельные разработчики
и изготовители полупроводниковых приборов используют плав-
ный нагрев системы (время нагрева длится 8—12 мин), тогда
как другие предпочитают производить резкий нагрев до макси-
мальной температуры (время нагрева не более 3—5 мин). Кро-
ме того, чйсто используют комбинированный (ступенчатый) ре-
жим нагрева. Вначале производится резкий нагрев до темпера-
туры, при которой происходит смачивание поверхности пластин-
ки расплавленным сплавом. При этой температуре производят
выдержку, и затем осуществляют резкий подъем температуры до
максимальной температуры нагрева. На рис. 5-16 показаны раз-
личные кривые нагрева системы полупроводник — сплав (для
случая вплавления индия в германий). Такие режимы часто ис-
пользуют на практике при производстве сплавных полупровод-
никовых приборов.
84
Во многих практических случаях не 'наблюдается существен-
ной разницы в качестве получаемых p-w-переходов при исполь-
зовании указанных выше режимов нагрева. Это, вероятно, можно
объяснить тем, что на качество изготавливаемых р-п-переходов
значительно сильнее влияет скорость охлаждения системы полу-
проводник — электродный сплав, чем скорость нагрева. Однако
из общих ^теоретических соображений, очевидно, необходимо
отдать предпочтение ступенчатому режиму нагрева системы до
максимальной температуры.
От выбора максимальной температуры вплавления зависит
главным образом глубина вплавления электродного сплава в полу-
проводник и, следовательно, толщина
рекристаллизованного слоя. В зави-
симости от необходимой глубины
вплавления и высоты таблетки или
столбика электродного сплава выби-
раются температуры обычно для си-
стемы германий — индий — от 450 до
650° С, для системы германий — сви-
нец — сурьма — от 650 до 750° С и
для системы кремний •*— сплав — от
900 до 1200° С.
Глубина вплавления зависит не
только от максимальной температуры
вплавления, но также и от времени
выдержки системы при этой темпе-
ратуре. Процесс растворения полу-
проводника в жидком электродном
сплаве не происходит мгновенно. Он
связан с достаточно медленным про-
цессом диффузии растворенных ато-
Рис. 5-16. Температурные кри-
вые нагрева системы полупро-
водник — сплав (случай вплав-
ления индия в германий).
1 — медленный нагрев; 2 — быст- \
рый нагрев; 3 — ступенчатый- на-
грев.
мов полупроводника в расплав, поэтому время выдержки систе-
мы при температуре вплавления выбирают таким, чтобы атомы полу-
проводника успели равномерно распределиться по всему объему рас-
плава, т. е. чтобы система полупроводник — расплав пришла в
равновесие. После установления равновесия в такой системе про-
цесс растворения при данной температуре прекращается, и даль-
нейшая выдержка при этой температуре не даст увеличения кон-
центрации атомов полупроводника в жидком растворе. Вообще
говоря, время выдержки зависит от высоты электродной заго-
товки. На практике время выдержки при температуре вплавле-
ния редко выходит за пределы 5—40 мин.
Как уже упоминалось, большое влияние на качество сплав-
ного р-п-перехода оказывает режим охлаждения, т. е. режим
проведения процесса рекристаллизации атомов полупроводника из
раствора в жидком электродном сплаве. После того, как устано-
вилось равновесие в процессе диффузии атомов полупроводника
в жидком электродном сплаве, малейшее уменьшение температуры
приводит к пересыщению раствора. В этих условиях начи-
нается процесс рекристаллизации полупроводника, причем ре-
кристаллизованный слой образует на границе твердый полупро-
водник-расплав, продолжая кристаллическую решетку исходного
полупроводника.
Наилучшим режимом при проведении процесса рекристаллиза-
ции является такой режим, при котором система будет находиться
в состоянии, близком к состоянию равновесия, т. е. необходимо
охлаждать систему с очень маленькой скоростью. Однако на прак-
тике подобным образом процесс рекристаллизации не проводят,
так -как процесс изготовления сплавного р-п-перехода значительно
бы затянулся. Поэтому в производстве сплавных полупроводни-
ковых приборов используют достаточно большие скорости охлаж-
дения, но такие, которые обеспечили бы хорошее качество рекри-
сталлизованного слоя.
Если проводить охлаждение с большой скоростью, то в ре-
зультате кристаллизации атомов полупроводника из расплава
тонкий слой расплава на границе полупроводник — расплав бу-
дет иметь состав, отличный от равновесного. Этот слой оказыва-
ется сильно обедненным атомами полупроводника и обогащенным
атомами электродного сплава и, следовательно, атомами примеси.
Поэтому рекристаллизованный слой, полученный при большой
скорости охлаждения, оказывается неоднородным. Концентрация
примеси в нем возрастает по направлению от границы р-п-перехода
в глубь рекристаллизованного слоя.
При очень большой скорости охлаждения (порядка 30—50° С
в минуту) в растворе может возникнуть несколько центров рекри-
сталлизации, в результате чего рекристаллизованный слой будет
состоять из нескольких монокристаллов. Если границы этих
монокристаллов выходят за границу р-п-перехода, то такой пере-
ход будет иметь плохие вольт-амперные характеристики.
Исследование влияния различных режимов охлаждения си-
стемы на качество рекристаллизованных областей показывает,
что наиболее сильно качество р-п-перехода зависит от того, как
производится охлаждение в начале рекристаллизации. Именно
в этот период образуется граница между исходным полупровод-
никовым монокристаллом и рекристаллизованной областью про-
тивоположного знака проводимости (р-п-перехода). На рис. 5-14
изображено поперечное сечение р-п-перехода, изготовленного ме-
тодом вплавления при малых скоростях охлаждения.
Фотография шлифа р-п-перехода, у которого рекристаллизован-
ная область получена современной скоростью охлаждения, при-
ведена на рис. 5-17. Температурная кривая процесса вплавления-
кристаллизации представлена на рис. 5-18. Электронно-дырочный
переход получен в данном случае вплавлением индия в германий
n-типа. Нижняя светлая часть рис. 5-17 представляет собой исход-
ный монокристалл германия n-типа. Граница р-п-перехода выяв-
лялась на шлифе методом травления и имела вид узкой темной х
86
полосы, проходящей горизонтально вдоль всего монокристалла.
Над границей /?-п-перехода располагается рекристаллизованная
область p-типа, нижняя часть которой, прилегающая к границе
электронно-дырочного перехода, имеет однородную структуру и
не отличается по внешнему
виду от исходного монокри-
сталла германия n-типа. Эта
область рекристаллизованно-
го германия p-типа была по-
лучена при скорости охлаж-
дения 1° Св минуту (на рис.
5-18 — область малой ско-
рости охлаждения). Спустя
пять минут после начала ох-
лаждения системы скорость
охлаждения была увеличена
до 5° С в минуту. Как видно
из рис. 5-17, верхняя часть
рекристаллизованной обла-
сти, полученная при боль-
ших скоростях охлаждения,
имеет неоднородную струк-
туру и дефекты в слое.
На рис. 5-19 приведена фотография шлифа р-п-перехода, по-
в германий, когда при про-
ведении процесса рекри-
сталлизации скорость ох-
лаждения изменялась не-
сколько раз (каждый раз
скорость увеличивалась на
5° С в минуту). При этом
начальная скорость ох-
лаждения равнялась, как
и в первом случае, 1° С
в минуту. Из рисунка вид-
но, что часть рекристал-
лизованного слоя, приле-
жащая к границе р-п-пе-
рехода и полученная при
минимальной скорости ох-
лаждения, однородна по
своей структуре. Область
же, полученная при скорости охлаждения 6° С в минуту, имеет
дефекты в виде узких наклонных кристаллических областей (пра-
вая часть фотографии). Вся же рекристаллизованная область
имеет несколько слоев, полученных при разных скоростях охлаж-,
дения, отличающихся друг от друга концентрацией примесных
атомов (в данном случае индия).
Рис. 5-17. Фотография шлифа р-п-пере-
хода, полученного вплавленном индия в
германий (X 50).
лученного также вп л явлением индия
Рис. 5-18. Температурная кривая процесса
вплавления-кристаллизации с переменной
скоростью охлаждения.
87
Из исследований по вплав лению индия в германий также сле-
дует, что процесс рекристаллизации длится 7—15 мин, в зависи-
мости от высоты индиевой навески, и ио существу заканчивается
с
Рис, 5-19. Фотография шлифа р-п-пере-
хода, у которого процесс кристаллиза-
ции производился с переменной скоро-
стью (X 50).
при понижении температуры
от максимальной на 40—
60° С, в то время как процесс
растворения германия в ин-
дии протекает значительно
медленнее. Поэтому процесс
охлаждения целесообразно
проводить в два этапа: пер-
вый — охлаждение системы
с малой скоростью (порядка
1° С в минуту), когда про-'
исходит процесс рекристал-
лизации атомов полупровод-
ника из жидкой фазы. Для
вплавления индия в герма-
ний этот этап должен длить-
ся порядка 7—12 мин. На
втором этапе процесса ох-
лаждения для повышения
производительности скорость охлаждения может быть увеличена
до 15—20° С в минуту. При этом увеличение скорости охлаждения
не скажется заметным об-
разом на качестве элек-
тронно-дырочного перехо-
да. На рис. 5-20 приведен
режим вплавления-кри-
сталлизации, обеспечи-
вающий получение высоко-
качественных р-?г-пе ре хо-
дов при вплавлении индия
в германий.
Н еобхо димо заметить,
что рекомендованный вы-
ше режим охлаждения не
может быть использован
Рис. 5-20. Температурная кривая вплавле-
ния индия в германий.
при изготовлении сплав-
ных кремниевых электрон-
но-дырочных переходов,
особенно если в качестве
электродного материала используют алюминий. В этом случае
большая скорость охлаж/^ййия недопустима, так как после за-
твердевания электродного сплава из-за большой разницы коэф-
фициентов термического расширения кремния и электродного
сплава при быстром охлаждении может наблюдаться появление
трещин в области р-п-перехода. Поэтому при изготовлении сплав-
ных кремниевых переходов охлаждение необходимо проводить мед-
ленно вплоть до комнатных температур.
В настоящее время для изготовления сплавных электронно-ды-
рочных переходов применяют высокопроизводительные конвей-
ерные печи непрерывного действия. Схематически конструкция
конвейерной печи вплавления представлена на рис. 5-21. Изме-
нение скорости движения ленты конвейера производится авто-
матически. Температурный режим печи задается подачей соответст-
вующих напряжений на различные участки нагревателя. Конвейер
Рис. 5-21. Схема конвейерной печи вплавления непрерывного
действия.
1 и 9 — устройства для удаления водорода; 2 — кассеты; з — труба (на-
гревательный элемент); 4 —кожух печи; 5 —теплоизоляция; 6 — конвейер-
ная лента; 7 — ввод водорода; 8 —.холодильник; 10 — привод конвейера;
11 — электродвигатель с редуктором; 12 — термопары; 13 — контактные
электрические выводы; 14 — направляющие ролики.
транспортирует установленные на нем кассеты с загруженными
в них полупроводниковыми кристаллами и электродными заготов-
ками. Непрерывный поток кассет в печи приводит к некоторому
перераспределению ’температуры в ней. Таким образом, изменение
температуры кассет, перемещающихся в печи, не будет полностью
соответствовать распределению температуры вдоль канала печи в
режиме холостого хода (без кассет) и, естественно,, будет зависеть
от скорости перемещения кассет через печь. Поэтому при каждом
изменении скорости движения конвейерной ленты с кассетами
необходимо производить корректировку хемпературы отдельных
зон печи для получения необходимого температурного режима
кассет, в которые загружены и приведены в соприкосновение
полупроводниковые и электродные заготовки.
Для создания внутри печи защитной атмосферы в полость трубы
вводят какой-либо инертный газ. Как упоминалось, при вплавле-
нии чаще используют восстановительную атмосферу и, в частности,
89
очищенный от кислорода и влаги водород. При выходе из
трубы водород сжигается. Имеются конструкции печей с входными
и выходными устройствами, в которых выходящий из печи во-
дород смешивается с инертным газом и затем выводится в атмос-
феру. В современных печах точность поддержания температуры в
зонах равна ± 1 ° С. Такой точности вполне достаточно для по-
лучения высококачественных переходов с малым разбросом глу-
бин вплавления.
В заключение заметим, что для получения омических контак-
тов к базовым областям переходов транзисторов и переходам
диодов используют те же печи вплавления, что и для получения
р-лг-переходов.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ч
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ
ПЕРЕХОДОВ МЕТОДОМ ДИФФУЗИИ
6-1. Особенности метода диффузии
Диффузия как метод введения примесей в полупроводник и
изготовления р-п-переходов имеет первостепенное значение в тех-
нологии полупроводниковых приборов. Это обусловлено несколь-
кими очень важными для практических целей преимуществами:
1) возможностью получения высококачественных электронно-ды-
рочных переходов практически любой площади от тысячных долей
квадратного миллиметра (для высокочастотных диодов и транзи-
сторов) до нескольких квадратных сантиметров (для мощных
выпрямительных кремниевых вентилей); 2) легкостью осуществле-
ния контроля и регулировки глубины залегания электронно-ды-
рочного перехода, поверхностной концентрации примеси и рас-
пределения концентрации примеси в толще кристалла; 3) метод
диффузии является наиболее универсальным для получения
р-п-переходов. Метод диффузии обеспечивает получение полу-
проводниковых приборов с минимальным разбросом электрических
характеристик, значения которых мало отличаются от расчетных.
Он одинаково успешно применяется при изготовлении германи-
евых и кремниевых приборов, полупроводниковых приборов на
основе соединений типа AniBv и др. С помощью этого метода
можно осуществлять селективную диффузию примесей в планарной
технологии в случае маскирования поверхности кремния тонким
слоем двуокиси кремния, поэтому диффузия является единствен-
ным методом изготовления активных областей приборов в полу-
проводниковых интегральных твердых схемахт~'
Диффузией атомов или молекул называется процесс их пере-
носа, происходящий в результате хаотического теплового движе-
90
ния. Диффузия наблюдается во всех агрегатных состояниях ве-
щества, но скорость ее сильно зависит от агрегатного состояния.
В твердых телах из-за больших сил сцепления между частицами
эти процессы протекают в миллионы и миллиарды раз медленней,
чем в газах, и в тысячи и миллионы раз медленнее, чем в жид-
костях.
Если в твердом теле имеется градиент концентрации атомов
какого-либо элемента, то создается направленное диффузионное
движение, стремящееся выравнять концентрацию этих атомов во
всем объеме. И хотя движение частиц носит хаотический характер,
в этом случае все-таки будет существовать некоторая направлен-
ная составляющая скорости движения в сторону уменьшения кон-
центрации.
Процессы выравнивания концентрации под действием диффузии
в твердых телах происходят только при достаточно высоких тем-
пературах, когда резко увеличиваются скорости движения частиц.
При низких (комнатных) температурах процессы диффузии в твер-
дых телах практически отсутствуют.
Известны в твердых телах три основных механизма диффузии.
1.	Атомы могут диффундировать путем последовательных пе-
ремещений по вакантным узлам кристаллической решетки.
2.	Атомы могут двигаться по междоузлиям. Если на пути дви-
жения атома окажется вакантный узел, то атом сможет занять его.
3.	Атомы могут обмениваться местами в узлах кристалличе-
ской решетки аналогично тому, как это происходит в идеальном
кристалле.
Основные электрически активные примеси в полупроводниках
дают твердые растворы замещения, в которых диффузия может
осуществляться всеми тремя способами. Однако преобладать будут
два первых механизма, так как энергия активации обмена атомов
между узлами значительно больше, чем в случаях диффузии по
вакансиям или междоузлиям.
6-2 Диффузия примесей в полупроводниках
Если рассматривать диффузию как процесс переноса атомов,
вызываемый только наличием градиента концентрации, то выра-
жение для потока вещества, т. е. количества вещества, прохо-
дящего за единицу времени через единицу площади сечения, пер-
пендикулярного направлёнию перемещения вещества, будет харак-
теризоваться следующим уравнением:
F = —Dgvv&N,	(6-1)
где F — поток диффундирующего вещества; D — коэффициент
диффузии атомов вещества, см2/сек} N — концентрация атомов
вещества, см'3.
Знак минус в уравнении показывает, что диффузия происхо-
дит в направлении убывания концентрации примеси.
91
Если концентрация вещества изменяется лишь в одном направ-
лении, то выражение (6-1) для потока вещества в точке х в момент
времени t будет иметь вид:

(6-2)
dN
где — градиент концентрации атомов вещества.
Уравнения (6-1) и (6-2) были предложены швейцарским физи-
ком Фиком для описания диффузионных процессов в идеальных
газах и растворах. В даль-
нейшем было доказано, что
диффузия в твердых телах
тоже подчиняется этим зако-
нам. Уравнение (6-1) носит
название первого закона
Фика.
Второй закон Фика выво-
дится из первого и показы-
вает изменение концентра-
ции растворенной примеси
во времени:
57V (х, 0
01
10й
ю*
6
10
10
Температура °C
1100	1000
	i—г			V			Г" Г 1 к -фОСфОр— * * б°Р 1		
*									
					Dr	и -10г5е\ >		5000	1
									
—									
—									
-					А*				
-									
									
									
*									
									
—									
 Ь г									
					\				
—											
а2л(х, о
5х2
(6-3)
Соотношение (6-3) полу-
чено при допущении, что
коэффициент диффузии не
зависит от концентрации при-
меси. Такое допущение спра-
ведливо для большинства
зил
0,64	0,68	0,72	0,76	0,80	0,84 практических случаев диф-
1О2/т°К	фузии, примесей в полупро-
Рис. ,6-1. Температурная зависимость водниках.
коэффициентов диффузии для бора и При заданном коэффи-
фосфора.	циенте диффузии последнее
уравнение описывает харак-
ундирующих частиц в раз-
nlii
тер распределения концентрации ди
личных точках среды как функцию времени. Оно имеет важнейшее
значение для всех видов диффузии и называется уравнением диф-
фузии. Решение этого уравнения при различных граничных и
начальных условиях дает распределение примеси при различных
условиях диффузии.
Важной величиной является коэффициент диффузии D. Он за-
висит от энергии связи примесных атомов в решетке, количества
вакансий в кристалле, постоянной кристаллической решетки и не-
которых других величин. С ростом температуры в твердых тежх
коэффициент диффузии резко возрастает, изменяясь по экспонед-
Ш

92
J
циальному закону:
К; кН — энергия активации диф-
J о I
узии бора и фосфора в кремнии.
ундирующей примеси коэф-
[ растет вследствие того, что в монокристалле

лип
уз]
ДЕ	_ АН
D^D^e kT =Рое ЙТ,	(6-4)
г
где R — универсальная газовая постоянная, равная 1,99 кал!град х
Хмоль} Т — температура в
фузии, кал!моль} к — постоянная Больцмана, эв/град (& —8,6х
х10 6 эв/град)} ~ константа диффузии, численно равная коэф-
фициенту диффузии при бесконечно большой температуре, см2/сек.
На рис. 6-1 приведена температурная зависимость коэффициен-
та ди
При высокой концентрации ди
фициент ди
полупроводника возникает электрическое поле, которое обуслов-
лено ионизацией примесных атомов. Так, в случае диффузии в
полупроводник донорной примеси свободные электроны, возни-
кающие в результате ионизации примесных атомов, диффунди-
руют в глубь монокристалла значительно быстрее, чем соответст-
вующие примесные ионы. В результате происходит разделение за-
рядов и возникает электрическое поле, напряженность которого
Е равна:
кулон}
см3) дырочном крем-
р __ ьт_ алд
еТУд дх *
где е — заряд электрона, равный 1,6 40 19
7\Гд' — концентрация донора, слГ3;
-т~- — градиент концентрации донорной примеси.
Таким образом, возникающее в полупроводниковом монокри-
сталле электрическое поле приводит к увеличению скорости диффу-
зии примеси. Так, например, установлено, что коэффициент диффу-
зии индия в сильно легированном (2 40 21
нии увеличивается в 6 раз.
Практический интерес в производстве полупроводниковых диф-
фузионных приборов представляют случаи диффузии в полуогра-
ничениое тело из бесконечного (постоянного) источника и из ко-
нечного (ограниченного) источника примесей.
Диффузия в полубесконечное тело из бесконечного (постоян-
ного) источника. Полубесконечным телом практически можно
считать монокристаллическую пластинку полупроводника, диаметр
которой много больше ее толщины, при условии, что диффузия
примеси происходит на глубину, много меньшую, чем толщи-
на самой пластинки.
Под бесконечным, или постоянным источником примеси, пони-
мают такое состояние системы, при котором количество примеси,
уходящей из поверхностного слоя в объем полупроводника, равно
количеству примеси, поступающей в поверхностный слой. Такому
требованию удовлетворяет источник диффузии с бесконечно боль-
шим содержанием примесных атомов, обладающих в источнике и
93
в пространстве вблизи поверхности полупроводниковой пластин-
ки скоростями, значительно большими, чем в полупроводнике.
Для этого случая начальные граничные условия можно пред-
ставить в виде: при t = О, Nx = 0; для всех t > 0 на границе
х — 0, Nx = No. Здесь No — поверхностная концентрация;
Nx — концентрация диффундирующей примеси на любой глубине;
t — время диффузии; х — расстояние от поверхности.
При этих условиях решение диффузионного уравнения (6-3)
имеет вид:
/) = No 11 — erf	= No erf -Л—,	(6-6)
’	2/ DtJ	2/Dt	v '
где
выражение erf
X
2VDt
X
2VDt
называется
интегралом
0
ошибок. Символом erf обозначена
ункция дополнения интеграла

ошибок до единицы — error function complement.
Формула (6-6) характеризует распределение концентрации при-
меси, которое устанавливается в полубесконечном теле в случае
диффузии в него примеси из паровой фазы при бесконечном источ-
нике (концентрация на поверхности пластинки постоянна и рав-
ria 2 г О/.
Количество вещества, проникшего в тело за время t от момента
начала диффузии, равно:
(6-7)
Из уравнения (6-7) следует, что количество атомов диффузанта,
внедрившихся в полупроводниковый образец, прямо пропорцио-
нально поверхностной концентрации примеси и возрастает с уве-
личением длительности выдержки. Так как коэффициент, диффу-
зии имеет экспоненциальную зависимость от температуры (форму-
ла 6-4), то количество внедрившейся в полупроводник примеси
также сильно зависит от температуры.
Диффузия в полубесконечное тело из конечного (ограничен-
ного) источника примесей. Этот способ реализуется тогда, когда
в тонком поверхностном слое полупроводника создана избыточ-
ная концентрация атомов примеси Л%. Затем полупроводниковая
пластинка подвергается высокотемпературной обработке, во время
которой происходит диффузия примеси из поверхностного слоя
в глубь пластинки. На практике этот процесс часто называют раз-
гонкой примеси. Во время процесса разгонки количество атомов
примеси на поверхности будет непрерывно уменьшаться, и одно-
временно будет увеличиваться концентрация примеси в слоях, ле-
жащих глубже легированного поверхностного слоя. Начальные
и граничные условия для этого случая можно представить в ви-
94
де: Nx — Nq при t — 0 в плоскости х = 0 и Nx = 0 при t О
их — ОС. ’
Решение диффузионного уравнения дает функцию распределен
ния Гаусса:
N (х, J)=7Voe"^.	(6-8)
Здесь Ng зависит от температуры и меняется со временем. Выра-
жение для поверхностной концентрации примеси имеет вид:
(6-9)
0 У nDt ’
На рис. 6-2 приведены графики распределения атомов приме-
си для двух последовательных моментов диффузии. На рис. 6-2, а —
Рис. 6-3. Распределение
донорной примеси в мо-
нокристалле р-типа после
диффузии.
Рис. 6-2. Распределение атомов примеси в
полупроводниковом монокристалле для двух
последовательных моментов диффузии: а —
распределение по закону функции ошибок;
б — распределение по закону Гаусса.
случай распределения по закону дополнительной функции оши-
бок, на рис. 6-2, б — случай распределения по закону Гаусса.
Если учитывать, что в реальных полупроводниковых моно-
кристаллах уже имеется определенная концентрация основной ле-
гирующей примеси, то на некотором расстоянии от поверхности
кривая распределения диффундирующей примеси пересечется с
линией, характеризующей концентрацию основной легирующей
примеси в исходном монокристалле. Этот случай представлен на
рис. 6-3. Точка хр_Г1 характеризует компенсацию донорной и ак-
цепторной примесей. Слева от нее преобладает примесь одного
знака, справа — другого. Эта точка является границей р-п-пере-
хода. Глубина залегания электронно-дырочного перехода (рас-
стояние хр_п) определяется из уравнения:
хр_п = 2 VDt In 2	,	(6-10)
Р-п
где ^Хр_п — концентрация примеси на расстоянии хр_п от по-
верхности.
95
6-3. Получение диффузионных электронно-дырочных переходом
в кремнии
лип

узия в кварцевом
узии в замкнутом объеме пластины крем-
Л1П
В технологии изготовления кремниевых р-п-переходов диффу-
зионным способом чаще всего используют следующие три метода:
1) диффузия в замкнутом объеме (закрытом боксе), 2) диффузия
в открытой трубе в токе газа-носителя, 3) ди
составном контейнере (полузакрытом боксе).
При проведении ди
ния помещаются вместе с некоторым количеством примеси в ам-
пулу из кварца, которая откачивается до 10 4 — 10“5 мм рт. ст. и
отпаивается. В некоторых случаях ампула заполняется перед от-
пайкой чистым инертным газом. Затем ампулу помещают в камерную
силитовую печь, нагретую до температуры, при которой проводится
узия. Вследствие возгонки легирующего элемента в ампуле
создается давление паров примеси. Атомы легирующей примеси
адсорбируются на поверхности кремниевой пластинки и диффун-
дируют в поверхностные слои полупроводника. При таком методе
практически всегда соблюдаются условия,» при которых количе-
ство атомов примеси в паровой фазе много больше количества
атомов примеси, диффундирующих в кремний. Поверхностную
концентрацию примеси мржно менять в широких пределах, меняя
концентрацию примеси в газовой фазе, т. е. давление паров диф-
фузанта, температуру диффузионного процесса и время диф-
лип
узанта, и контроль давления пара явля-
лип
узии в закрытой ампуле такое условие
В идеальном случае равновесная концентрация пропорциональ-
на давлению пара ди
ется удобным средством управления поверхностной концентра-
цией примеси. Необходимо заметить, 4то равновесная поверхност-
ная концентрация устанавливается не сразу, а в течение некото-
рого времени, иногда достаточно большого. Если равновесие на
поверхности достигается за время, меньшее, чем время диффузии,
то поверхностную концентрацию можно считать постоянной. При
проведении процесса ди
в большинстве случаев соблюдается, поэтому распределение при-
меси описывается дополнительной функцией интеграла ошибок.
Иногда при ди
кремниевой пластинки может образоваться слой двуокиси крем-
ния, который будет препятствовать диффузии атомов примеси в
кремний. Причиной этого может быть неправильный выбор источ-
ника примеси или при содержании растворенного кислорода в
исходном монокристалле кремния — обратная диффузия кисло-
рода.
При определенных условиях, например, в случае больших пар-
циальных давлений, концентрация примеси может быть такой,
что на поверхности пластинки будет образовываться слой вещества
в жидкой фазе, который может также препятствовать диффузии
атомов примеси в полупроводник.
ЛШ1
узии в откачанной ампуле на поверхности
ЛШ1
96
На рис. 6-4 приведены'схемы установок для проведения диф-
фузии в кремний в закрытом объеме. Если в качестве диффузанта
Рис. 6-4. Схема установок для проведения процессов диффузии
примесей в кремний в закрытом объеме: а — диффузия бора,
б — диффузия фосфора.
1 — силитовая высокотемпературная печь; 2 — кварцевая запаянная' ам-
пула; з — пластина кремния; 4 — лодочка с диффузантом; & — низко-
температурная печь.
используют элемент, обладав
при температуре ди
замкнутую
ляющую
кварцевую
В отростке
примеси, температура которой
может регулироваться незави-
симо от температуры пластинок
кремния (рис. 6-4, б). Такая же
ампула с отростком может быть
использована в случае приме-
нения диффузанта с низким
парциальным давлением при
температуре ди
необходимо в широких пределах
регулировать поверхностную
концентрацию примеси на пла-
стинках кремния.
При проведении ди
в закрытом объеме следует учи-
тывать зависимость давления
узанта от темпера-

[ии очень высоким давлением пара
узии (например, фосфор), то используют
ЭП1
систему, представ-
собой откачанную
ампулу с отростком,
находится источник

когда
ЗШЕ
Ш
§
г
£
400 600 800Ут 1ШМГЗЮ
Температура, *£
' Рис. 6-5. Зависимость давления па-
ров элементов III и V групп от тем-
пературы.

ЗШ1
паров ди
туры. Для некоторых примесей
при высокой температуре дав-
ление паров настолько сильно
увеличивается, что ампула мо-
жет разорваться. К таким примесям можно отнести фосфор,
мышьяк, сурьму. На рис. 6-5 приведена зависимость давления
паров некоторых элементов III и V групп от температуры. Из
I
4 Р. А. Гаврилов, А. М. Скворцов
рисунка видно, что у фосфора, например, при температуре Около
400° С давление паров достигает 1000 мм ртп. ст.
Недостатки метода диффузии в замкнутом объеме заключаются
в следующем: 1) невозможность раздельного управления поверх-
ностной концентрацией и температурой диффузии; 2) сравнитель-
но низкая производительность и большой расход дорогостоящего
плавленого кварца,
так как после каждого процесса ди

ампула разбивается для извлечения из нее пластинок кремния.
Указанных недостатков лишен метод диффузии в открытой
трубе в потоке газа-носителя. Установка для диффузии по методу
«открытой трубы» представлена на рис. 6-6. Она состоит из кварце-
Рис. 6-6. Схема двухзонной установки для диффузии приме~
сей в кремний по методу открытой трубы (диффузия в потоке).
1 — ротаметры; 2 — кварцевая труба; 3 — лодочка с диффузантом;
4 — низкотемпературная печь; 6 — силитовые стержни; 6 — пластины
кремния; 7 — кассета; 8 — высокотемпературная силитовая печь; 9 —
турбулятор; 10 — увлажнитель; 11 — краны.
вой трубы, проходящей через две температурные зоны. В одной
из них, более холодной, с температурой Т1У испаряется примесь,
причем скорость испарения регулируется температурой примеси.
Во второй, высокотемпературной зоне с температурой Т2, распо-
ложены пластины кремния, в которые происходит диффузия при-
меси. Через трубу в направле:

си от источника к пластинам крем-
ния пропускают предварительно очищенный инертный газ, кото-
рый, проходя над тиглем с диффузантом, захватывает пары при-
меси и переносит их к пластинам кремния в зону с температурой
Т2. Состав несущего газа должен быть таким,, чтобы не происхо-
дило окисления пластин полупроводника. Пленка окиси, если она
образуется, может препятствовать проникновению примеси внутрь
образцов кремния. Пластинки кремния обычно помещаются в
кварцевый или кремниевый держатель и устанавливаются в нем
в вертикальном положении, что позволяет потоку газа обтекать
пластины равномерно со всех сторон.
После достижения в зонах диффузионной установки требуемой
температуры подают в кварцевую трубу газ и производят в тече-
115
иг эрозия поверхности кремния. Это явле^
се может быть
ние нескольких минут продувку печи. Затем вводят в зону с тем-
пературой 1\ лодочку с диффузантом и помещают во вторую тем-
пературную зону печи кварцевую кассету с кремниевыми пластин-
ками.
Наблюдаются случаи, когда в трубчатой двухзонной печи при
использовании в качестве газов-носителей аргона или азота про-
исхо
устранено, если добавить в газ-носитель небольшое количество
кислорода. Для этого на входе в кварцевую трубу имеются два
подводящих газ патрубка. По одному из них может подаваться
основной инертный газ-носитель, по другому — кислород. При
входе в трубу эти газы перемешиваются и затем поступают в зоны
печи, где находятся диффузант и кремниевые образцы. Другой
способ устранить эрозию кремния — увлажнение газа-носителя.
С этой целью газ пропускается через кварцевый барботер, напол-
ненный деионизованной водой. Барботер помещают в водяную
или глицериновую баню с автоматической регулировкой темпе-
ратуры жидкости. Степень увлажнения газа-носителя определяется
температурой воды в барботере.
Обычно расход газа-носителя регулируют в пределах 0,5—
—1,5 л!мин с помощью ротаметров, установленных на входе печи.
Изменение расхода в указанных пределах не оказывает заметного
влияния на результаты диффузии. При очень больших расходах
газа появляется эрозия кремния.
Из-за вредности многих элементов, применяемых для диффу-
зии в кремний, следует обратить особое внимание на необходи-
мость удаления в вытяжную систему выходят
содержащих пары ди
Метод диффузии в потоке газа-носителя чаще всего исполь-
зуют для диффузии в кремний фосфора, бора или галлия. Он поз-
воляет легко решать многие технологические задачи: изменять
состав и расход газа-носителя, содержание влаги в нем, темпера-
туру источника и температуру пластин кремния. С помощью этого
метода получают электронно-дырочные переходы с высокой воспро-
изводимостью электрических характеристик, что связано с воз-
можностью точной регулировки глубины ди
распределения концентрации примеси в нем.
Метод диффузии в полузакрытом боксе является промежуточ-.
ным между методом диффузии в закрытом объеме и методом «от-
крытой трубы». Подобно последнему методу полузакрытую ампулу
помещают в печь, через которую продувается инертный газ, и дав-
ление паров диффузанта в полуоткрытой ампуле равняется ат-
мосферному.
С другой стороны, подобно методу диффузии в замкнутом объе-
ме, при проведении диффузии источник и кремниевые пластинки
находятся при одной и той же температуре, что создает известные
трудности для получения диффузионных слоев с наперед задан-
ными параметрами.
х из печи газов
11*5
1Ш1
узанта.
узионного слоя и
ЗШЕ
Метод диффузии в полузакрытом боксе обладает следующими
преимуществами по сравнению с методом отпаянных ампул:
1)	значительно уменьшается расход кварца, так как пропа-
дает необходимость каждый раз использовать новую ампулу;
2)	уменьшается рабочий цикл, упрощается технология (ликви-
дируются откачка и отпайка ампул);
3)	отсутствует опасность взрыва из-за расширения наполняюще-
го ампулу газа при проведении диффузии.
Конструкции устройств для диффузии по методу полузакры-
того бокса приведены на рис. 6-7. Первое ^устройство представляет
собой вставленные одна в другую кварцевые ампулы. Внутрь
ампулы с малым диаметром помещают платиновый контейнер с
диффузантом и кварцевую кассету с пластинками кремния. Затем
Рис. 6-7. Схема устройства для диффузии примесей по
методу полузакрытого бокса: а — ампула в ампуле; б —
ампула с окном, закрываемым платиновой фольгой.
1 — силитовая печь; 2 — кварцевая ампула; 3 — лодочка с диффу-
зантом; 4 — пластины кремния; 5 — платиновая проволока; в —
платиновая фольга.
первая ампула вставляется в ампулу с боль
мм диаметром, и вся
и
система (полугерметичный контейнер) помещается в печь.
Другой тип полугерметичного контейнера приведен на рис.
6-7,6. Он состоит из кварцевой ампулы, у которой верхняя часть
срезана по образующей цилиндра. Внутрь ампулы помещают источ-
ник примеси и кварцевые пластины. Затем края среза закрыва-
ются кварцевой крышкой. Для уплотнения между краями среза
и крышкой прокладывают тонкую платиновую фольгу. Крышку
закрепляют платиновой проволокой. Контейнер этого типа имеет
JlUl
меньшую утечку паров диффузанта, чем контейнер, состоящий из
двух амцул. Источник в нем может использоваться в течение .
70 ч без замены, при этом поверхностная концентрация примеси,
например, бора, уменьшится только на 10%.
При проведении диффузии важное значение имеет правильный
выбор источника примеси. Во-первых, примесь должна обеспечить
необходимый тип электропроводности диффундированной обла-
сти. Во-вторых, источник должен обладать высокой степенью чи-
стоты, чтобы исключить возможность загрязнения полупровод-
ника атомами других элементов и особенно тех, атомы которых
легко диффундируют в кремний. К таким элементам относятся
100
золото, железо и цинк, являющиеся в кремнии акцепторами, и
литий, обладающий донорными свойствами. В-третьих, диффузант
не должен давать нежелательных соединений с полупроводником,
осложняющих процесс диффузии, и, в-четвертых, ди
возможности не должен быть токсичным, а также дефицитным или
дорогостоящим.
В качестве примесей, дающих электронную проводимость в
кремнии, в основном используют фосфор и реже — сурьму. Для
узант по
получения дырочной
проводимости диффун-
дированного слоя при-
меняют бор и реже —
галлий или алюминий.
Фосфор, в качестве
диффузанта может быть
использован как в чи-
стом виде, так и в виде
соединений или смесей.
Однако использование
чистого фосфора сопря-
жено с трудностями,
вызываемыми необходи-
мостью принятия спе-
циальных мер для пред-
отвращения его воспла-
менения.
Чаще
узии
всего при
в кремний
в качестве источника
примеси используют
фосфорный ангидрид
(Р2О5). Он может успеш-
но использоваться при
К диффузионному насосу
Рис. 6-8. Схема вакуумной установки для
диффузии сурьмы в германий из паровой фазы.
1 — графитовые кольца; 2 — термопары; з — витки
индуктора; 4 — кварцевый колпак; 5 — графитовая
стойка с основанием; 6 — графитовый стакан; 7'—
лодочки с диффузантом; 8 — пластины германия;
9 — полочки; 10 — вакуумный шлиф.
любом методе ди
узии.
При использовании ме-
тода открытой трубы
необходимо, чтобы газ-
носитель был очищен
от влаги, так какв


противном случае на
15
[я может образоваться метафосфорная кислота.
пластинках кремг
При проведении диффузии фосфора из соединения Р2О5 источ-
ник помещают в платиновую или кварцевую лодочку и устанав-
ливают в зону с температурой 200—280° С, а кассету с пластинками
кремния устанавливают в высокотемпературную зону печи с тем-.
пературой 1100—1300° С. На поверхностную концентрацию фос-
фора в кремнии влияют температура пластинок кремния, темпе-
ратура источника и скорость потока газа-носителя.
101 ;
•f <

ундиро-
зшя
Важным достоинством фосфора как донорной примеси в крем-
нии является его высокая растворимость (1022 см3). Поэтому
фосфор используют для получения электронно-дырочных пере-
ходов с высокой инжективной способностью, что особенно важно
при изготовлении эмитгерных переходов транзисторов.
Как уже упоминалось, для получения в кремнии ди
ванной области p-типа чаще всего используют бор. В качестве
источника атомов бора широкое применение находит борный ан-
гидрид (В2О3). Его температура плавления порядка 600° С. Бор-
ный ангидрид может быть использован для диффузии как в за-
крытом объеме, так и по методу открытой трубы. При изменении
температуры источника от 700 до 1350° С поверхностная концен-
трация бора в кремнии изменяется от 1018 до 1021 см~3.
Иногда в качестве источника диффузанта применяют борную
кислоту (Н3ВО3), которая при нагревании теряет воду и переходит'
сначала в метаборную кислоту (НВО2), затем в тетраборную
(Н2В4О7) и, наконец, в борный ангидрид.
Если необходимо в широких пределах и с высокой точностью
регулировать поверхностную концентрацию бора, в качестве источ-
ника примеси используют различные смеси, например, смесь бор-
ной и кремниевой кислот. Порошкообразные кислоты смешива-
ются в заданном соотношении и растворяются в дистиллирован-
ной воде. Затем раствор высушивается при слабом нагревании и
перемешивании. Полученная смесь отжигается при температуре
диффузии. Это необходимо для полного удаления воды и полу-
чения воспроизводимых результатов. В табл. 6-1 приводятся свой-
ства диффузионных слоев в зависимости от содержания борного
ангидрида в источнике.

Таблица 6-1'
Процент со-
держания
борного ан-
гидрида
в источнике
Концентрация
носителя
в исходном
кремнии,
Время,
мин
Темпера-
тура, сС
Поверх-
ностное
сопротив-
ление,
ont/D
Глубина
перекода,
мкм
Поверхност-
ная концент-
рация, CJU-8
50
50
80
400
В2О8
В2О3
в203
в2о3
7 -10*5
8 • 1015
8 • 1015
8-Ю15
25
15
15
150
1125
1200
1125
1000
7,0
1,0
4,6
14.2
1,9
3,6
1,9
1,3
3 • 1020
8. • 1О20
3\ Ю20
2 • 1020
Из приведенной таблицы видно, что можно
в широких преде-
лах изменять величину поверхностной концентрации бора,
содержание борного ангидрида в источнике.
Для получения ди
узионных слоев p-типа в кремний
меняя
может
использоваться галлий. Однако вследствие высокой токсичности
он применяется редко. Диффузию с ним можно проводить как в
закрытом объеме, так и по методу открытой трубы. Изменение
температуры диффузии (в пределах 1100—1300° С) позволяет по-
лучить поверхностную концентрацию порядка 101е—1020 см3.
зшя
зшв
102
<
1
зшя
узии проводят в основном в отпаянной ампуле
узии поверхностная

Ёсли в качестве акцепторной примеси применяют алюминий
то процесс ди
и лишь иногда в полу герметичном контейнере, используя поток
азота или аргона. В качестве источника примеси в ампулу поме-
щают пластинку кремния с напыленным на нее слоем алюминия.
Следует заметить, что при таком методе ди
концентрация алюминия в пластинках кремния обычно не может
быть получена высокой, так как алюминий взаимодействует с квар-
цем и парциальное давление падает более чем на порядок. Если про-
водить диффузию алюминия в алундовом контейнере, то в тех же
самых режимах поверхностная концентрация получается на один-
два порядка выше.
6-4. Методы получения диффузионных электронно-дырочных
переходов в германии
К наиболее активным примесям в германии относятся элементы
III и V групп периодической таблицы Менделеева: бор, алюминий,
галлий, индий, мышьяк и сурьма. Эти элементы образуют с гер-
манием твердые растворы замещения; их атомы создают электри-
чески активные примесные центры, локальные уровни которых
располагаются близко к границам энергетических зон германия,
что приводит к сравнительно легкой ионизации этих примесей.
Введением в кристаллическую решетку германия атомов элемен-
тов III и V групп удается в широком диапазоне изменять проводи-
мость германия. При этом элементы III группы являются акцеп-
торами, а элементы V группы — донорами. В кристаллическую
решетку германия они диффундируют в виде однократно заря-
женных положительных или отрицательных ионов. Механизм диф-
фузии этих элементов сводится к перемещениям их по вакантным
узлам кристаллической решетки германия и к взаимному обмену
местами с регулярными атомами германия. В табл. 6-2 приведены

Таблица 6-2
Элемент
Группа пе-
риодической
системы
Коэффициент
диффузии,
cms /сек
Ковалентный
радиус, А
Электрическая
активность
Литий..........
Медь ..........
Серебро......
Золото........
Цинк.........
Бор............
Галлий .......
Индий.........
Фосфор........
Мышьяк........
Сурьма ........
Железо.........
Никель........
I
I
I
I
II
III
III
III
V
V
V
VIII
VIII
8,6 • 10"5
2.8 • 10~5
8,8 • 10-’
5,0 • 1 (Г10
1,0 • 10"12
4,0 • 10"18
1,0 • 10"13
2,0 • 10“18
6,5 • 10-12
4,0 • ПГ11
2,0 -10-41
1,6 • 10”6
4,4 -10-5
0,68
1,35
1,53
1,50
1,31
0,75
1,58
1,65
0,77
0,96
1,19
— —
Донор
Акцептор
То же
» »
> »
> »
Донор
Акцептор
»
103
1LLH


зшя
ундирующими ионами и вакансиями, которые при

JLH
коэффициенты диффузии различных примесей в германии при тем-
пературе 800° С. Как видно из таблицы, характерной особенностью
для элементов III и V групп является сравнительно медленная
узия. Наблюдаемая разница между коэффициентами ди
доноров и акцепторов связана с различными ионными радиусами
этих элементов, а также с величиной кулоновского взаимодействия
между ди
высоких температурах в германии электрически заряжены.
Из приведенной таблицы видно, что ряд элементов имеет в гер-
мании аномально высокие значения коэффициентов ди
таким элементам относятся литий, медь, никель, железо, серебро
и в несколько меньшей стеиени золото. Высокие значения коэф-
фициентов диффузии многие исследователи объясняют тем, что
узия этих элементов происходит в виде положительно заря-
женных ионов, перемещающихся по междоузлиям кристалличе-
ской решетки германия. При встрече с вакансией ион переходит из
междоузлия в узел. В узлах кристаллической решетки германия
эти элементы находятся в виде отрицательных ионов. Тепловое
движение может снова перебросить часть ионов из узлов в междо-
узлия. Поэтому в решетке германия всегда существует динами-
ческое равновесие между атомами примеси, например, меди в уз-
лах и междоузлиях. Чем больше вакансий в кристалле, тем больше
смещается это равновесие в сторону преобладания меди в узлах.
Концентрация же вакансий в германии при заданной темпера-
туре зависит от степени совершенства кристалла. В случае нали-
чия дефектов в кристаллах ваканс
процесс переноса быстродиффундирующих элементов ограни1
вается только скоростью диффузии их по междоузлиям.
Таким образом, быстрое перемещение атомов быстродиффунди-
рующих элементов, по междоузлиям о последующей рекомбина-
цией с вакансиями приводит к кажущемуся, перемещению этих
: создаются во всем объеме и

Таблица 6-3
Температура
диффузии, °C
Коэффициент диффузии,
D • 10^см2/се«
Температура
диффузии, °C
Коэффициент диффузии,
JD • Ю5 см2/сек

никеля железа
никеля железа
700
750
775
800
850
1,5
2,2
4~4
4,8
0,10
0,16
0,19
875 ,
900
920
930
0,24
0,34
0,37
0,43
зшя
атомов на большие расстояния с большой скоростью, совершенно
не присущей атомам замещения.
Температурная зависимость коэффициентов ди
железа в германии приведена в табл. 6-3. <

104
Изменение коз
Hill
ициента диффузии золота в интервале тем-
ператур от 600 до 900° С происходит по закону:
57600
D. =2,25’102е
СЛ£2
сек
(6-11)
Подобная зависимость получена для германия п типа с удельным
сопротивлением порядка 5—10 ом •см.
Из быстродиффундирующих элементов в производстве герма-
ниевых полупроводниковых приборов находят применение золото
и медь. Золото используют для изготовления управляемых вен-
тилей, а медь — в производстве конверсионных транзисторов сред-
ней мощности.
Чаще всего для изготовления электронно-дырочных переходов
в германии методом диффузии используют элементы III и V групп
периодической таблицы Менделеева. Основные из них — сурьма,
мышьяк, индий и галлий. Важное преимущество этих элементов.
I
Таблица 6-4
Элемент
Группа
j периоди-
ческой
системы
Тип примеси
Энергия
актива-
ции, ев
Откуда производится отсчет
энергии активации
Медь.........
Медь.......
Медь.......
Серебро . . .
Серебро . . .
Серебро . . .
Золото. . . .
Золото. . . .
Золото. . , .
Золото. . . -
Цинк......
Цинк......
Алюминий .
Бор.......
Галлий . . .
Индий ....
Сурьма . . .
Фосфор . . .
Мышьяк. . .
Железо . 1 .
Железо . . .
Никель . . .
Никель . . . .
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
II
II
III
ш
ш
III
у
V
VIII
VIII
VIII
VIII
Акцептор
То же
«
*> »
Донор
Акцептор
То же
> » ~
Донор
То же
» »
Акцептор
То же .
Акцептор
•
ч
0,04
0,33
0,26
0,13
0,29
0,09
0,16
0,20
0,04
0,05
0,05
0,09
0,0102
0,0104
0,0108
0,0112
0,0096
0,0120
0,0127
0,035
0,027
0,22
0,30
От верхнего края валент-
ной зоны
То же
От дна зоны проводимости
От верхнего края валент-
ной ’ зоны
От дна зоны проводимости
То же
От верхнего края валент-
ной зоны
От дна зоны проводимости
То же
От верхнего края валент-
ной зоны
То же
> >
» »
» »
От дна зоны проводимости
То же
От верхнего края валент-
ной зоны	•
От дна зоны проводимости
От верхнего края валент-
ной зоны
От дна зоны проводимости
г

как примесеи в германии — низкая энергия ионизации примесных
атомов. Это приводит к тому, что уже при комнатных температурах
все атомы примеси перечисленных выше элементов оказываются
ионизованными. В табл. 6-4 приведены значения энергетических
уровней примесей в германии. Как видно из таблицы, энергии
ионизации этих примесей имеют значения немногим более 0,01 эв,
а у сурьмы — 0,0096 эв.
При изготовлении полупроводниковых германиевых приборов
узионными электронно-дырочными переходами используют
узии: из паровой фазы (из газовой среды), из рас-
узия при вплавлении) и из рекристаллизованного

три вида ди
плава (ди
слоя (диффузия после вплавления).
ЗШй
зш?
и
азы в германий
6-5. Диффузия из паровой
При диффузии из паровой фазы на пластинке германия соз-
даются условия, при которых скорость притока атомов примеси
на поверхность пластинки из паровой фазы намного превосходит
скорость ухода примесных атомов из поверхностного слоя полу-
проводника в кристалл за счет ди
зшя
узии. Это соответствует слу-
чаю диффузии в полубескойечное тело из бесконечного (постоян-
ного) источника, рассмотренному в § 6-2 настоящей главы. Как
уже было показано, распределение концентрации примеси в объе-
ме полупроводникового монокристалла при этом будет подчи-
няться выражению (6-6).
Чтобы обеспечить выполнение условия бесконечного источника,
процесс диффузии примеси в германии производят из насыщенных
узанта. Примером проведения такого процесса может
**	* * узии сурьмы в германиевые пластинки в
зшя
паров ди<
служить случай ди
вакуумной диффузионной установке У-52.
Вакуумная диффузионная установка типа У-52 позволяет про-
изводить работу непрерывно. Для этого у нее имеется две позиции
для откачки с отдельными форвакуумными и паромасляными на-
сосами. Форвакуумные насосы типа ВН-461М создают предвари-
тельное разрежение до 2 *10“2 мм рт. ст. Диффузионные насосы
позволяют получить без вымораживающей ловушки предельный
вакуум порядка 5 -106
кой порядка 5 -106 мм рт. ст.
Подколпачное устройство вакуумной системы состоит из гра-
фитового стакана, графитовой подставки с пробкой, графитовых
или молибденовых полочек и графитовых тиглей для диффунди-
рующей примеси. Поперечное сечение части вакуумной системы,
. в которой производится процесс ди
. приведено на рис. 6-8. Стакан с расположенными в нем пластинками
германия и диффузантом нагревается индукционными токами, ко-
торые наводятся в стенках стакана от индуктора, надетого сверху
\ иа кварцевый вакуумный колпак. Индуктор является катушкой ин-
дуктивности колебательного контура высокочастотного генератора
зшя
мм рт. ст. и с вымораживающей ловуш-

узии сурьмы в германии
1 *10 6 — 5 -10 6 мм pm.

и соединяется с блоком конденсаторов контура с помощью коакси-
ального кабеля. Иногда для уменьшения потерь мощности блок кон-
денсаторов переносят также на вакуумную установку. Для охлаж-
дения индуктора и конденсаторов используется вода. Поэтому
катушка индуктора изготовлена из медной трубки, по которой
пропускается вода.
Перед проведением диффузии производится дегазация всех гра-
фитовых деталей при температуре 980—1000° С в течение часа.
После этого система охлаждается, в нее подается воздух и в ста-
кан загружаются пластинки германия и диффузанта.
Для этого на графитовую стойку надевают графитовое, кольцо,
на него помещают молибденовую полочку. На полочку кладут
одну или несколько пластинок германия и устанавливают тиге-
лек с диффузантом. Затем на полочку кладут графитовое кольцо,
на которое снова помещают молибденовую полочку с пластинками
германия и тиглем, содержащим.диффузант, и т. д. Таким образом
на графитовой стойке можно поместить 10—15 полочек с пластин-
ками германия. После загрузки полочек с германиевыми пластин-
ками на графитовую подставку надевают графитовый стакан, затем
вся система закрывается кварцевым колпаком и откачивается.
Когда давление в системе достигнет
ст., на кварцевый колпак надевают катушку индуктора, подают
воду для охлажденид индуктора и включают высокое напряжение
на анод генераторной лампы. Температуру графитового подкол-
пачного устройства регулируют изменением тока колебательного
контура генератора. Повышение температуры производят таким
образом, чтобы давление в системе не превышало 10 4 мм рт. ст.
Нагрев до температуры, при которой происходит диффузия, про-
изводят в течение 50—60 мин. Контроль температуры внутри гра-
фитового стакана осуществляется с помощью трех термопар, уста-
новленных внутри графитовой стойки на различной высоте, чтобы
контролировать температуру в различных точках объема стакана.
При диффузии в германий сурьмы из паровой фазы чистую
сурьму практически не используют, так как при температуре диф-
фузии в германий сурьма быстро испаряется и процесс протекает
в условиях, когда на поверхность.пластинок германия не происхо-
дит непрерывного притока атомов сурьмы из паровой фазы, и
по сути дела нарушается условие диффузии из бесконечного источ-
ника. В качестве диффузанта обычно используют сплав сурьмы с
германием. Широко применяют сплав, содержащий 50% германия
и 50% сурьмы. При диффузии используют такую навеску этого
сплава, чтобы после проведения диффузии оставшаяся навеска
имела вес, больший половины веса исходной дозы сплава. Это
свидетельствует о том, что до конца процесса диффузии на поверх-
ность пластин германия происходит поступление атомов сурьмы
из паровой фазы, поддерживаемой источником примеси.
Рассмотренный процесс диффузии сурьмы в германии проис-
ходит в условиях, когда источник примеси находится в жидком
107
ЗИИ
узии, количеством и составом диффузанта, взаимным
фазе; это позволяет поддерживать достаточно постоянным содер-
жание атомов сурьмы в паровой фазе.
Глубина диффузионного слоя в германии определяется темпера-
турой ди
расположением на полочке пластинок германия и тигля с диффу-
зантом, качеством очистки пластинок германия и обезгдживанием
графитовых деталей подколпачного устройства перед диффузией,
временем диффузии и другими факторами.
В табл. 6-5 приведена связь глубины диффузионного слоя в
герман
с температурой диффузии.
Таблица 6-5
Температура - диффузии, сС ч	* Время диф- фузии, мин	Глубина диффузион- ного слоя, мкм	Температура диффузии, °C	9 t Время диф- фузии, мин	Глубина диффузион- ного слоя, мкм
800
35
29
35
760
780
16
20
получены
таблице,
случая,
для
Результаты, приведенные
когда навеска сплава германий — сурьма равнялась 1 мг и на
полочке находились две пластины германия.
В качестве примера выбора режима работы диффузионной
установки У-52 для получения диффузионного слоя толщиной
35—37 мкм в пластинках германия может быть приведен следую-
щий режим.
1. Откачка системы до вакуума порядка 10~s мм рт. ст.
2. Нагрев системы в, течение 10 мин до температуры 350° С.
. 3. Откачка системы до вакуума порядка 10 6 мм рт. ст.
4.	Нагрев системы от температуры 350° С до температуры
860б С в течение 20 мин.
5.	Выдержка при температуре 860° С в течение 30 мин.
6.	Охлаждение системы в течение 1,5—2 ч.
Многократное проведение процессов диффузии сурьмы в гер-
маний в указанных выше режимах дает хорошо повторяемые резуль-
таты. Разброс глубины диффузионных слоев в пластинах от пар-
тии к партии не превышал точности измерений глубины, т. е.
2—3 мкм.
узиеи при вплав-
ИГН1
1ШЕ
6«6. Диффузия из расплава в германий
Этот способ диффузии иногда называют дй_
лении. Он реализуется на практике в случаях, когда в монокри-
сталл германия вначале вплавляют какой-либо электродный сплав,
содержащий диффундирующий элемент, или чистый диффундиру-
ющий элемент, а затем систему расплав — твердый монокристалл
выдерживают необходимое время при максимальной температуре
108
зшв
узия
вплавления. Во время такой выдержки и происходит дифф
атомов ди
При диффузии из расплава не происходит обеднения слоя
расплава, граничного с твердым германием, так как скорость
выравнивания концентрации атомов примеси в расплаве значи-
тельно больше скорости ди
Таким образом, этот случай, так же как и случай диффузии из
паровой фазы, соответствует случаю диффузии в полубескойечное
тело из постоянного источника. Следовательно, закон распреде-
ления концентрации примеси в объеме полупроводника можно
характеризовать дополнительной функцией ошибок.
В качестве примера получения электронно-дырочного пере-
хода методом диффузии из расплава можно рассмотреть диффу-
Hill
узанта из расплава объем германия.
iffli
узии их в твердом монокристалле.
зию сурьмы при вплавления в
германий p-типа сплава сви-
нец — сурьма, содержащего
5—7% сурьмы и соответственно
95—93% свинца. На рис. 6-9
показано распределение приме-
си в пластине германия после
проведения диффузии.
При вплавлении в монокри-
сталл германия p-типа сплава
свинец — сурьма, начиная с не-
которой температуры, одновре-
ЛМ
Рис. 6-9. Распределение примеси в
пластине германия после диффузии
сурьмы из расплава, образованного-
вплавлением в германий сплава РЪ
95% - Sb 5%. - -
менно с процессом растворения
германия в расплаве осущест-
вляется процесс диффузии сурь-
мы в монокристалл германия.
Однако при постоянном повышении температуры скорость растворе-
ния германия превышает скорость диффузии сурьмы, поэтому фронт
вплавления перемещается в глубь кристалла быстрее, чем фронт
диффузии. После достижения системой расплав — германий мак-
симальной температуры, при которой производят диффузию из
расплава, растворение вначале преобладает над диффузией. Затем,
когда система- германий — расплав приблизится к равновесному
состоянию, скорость диффузии начнет преобладать над скоростью
растворения и начнется процесс диффузии сурьмы в объем гер-
мания. На рйс. 6-9 приведено распределение концентрации ато-
мов сурьмы в момент окончания процесса диффузии, а также изоб-
ражена суммарная кривая распределения донорной и акцептор-
ной примесей. Точка, в которой концентрации акцепторной й
донорной прймесей равны, является границей р-п-перехода. Слева
от этой точки располагается область германия n-типа прово-
димости, которая обусловлена преобладанием в монокристалле до-
норных атомов примеси, справа — область германия p-типа, элек-
тропроводность которой обусловливается избытком атомов акцепт
торной примеси, имевшейся в исходном монокристалле германия.'
109
При охлаждении системы расплав — германий происходит ре-
кристаллизация германия из расплава свинец — сурьма — герма-
ний. В результате этого после охлаждения образуется рекристал-
лизованный слой германия n-типа с распределением примеси в
нем, зависящем от концентрации донорной примеси в сплаве (в
приведенном случае — сурьмы), коэффициента сегрегации при-
меси в германии, скорости охлаждения и некоторых других фак-
торов.
Метод диффузии из расплава часто используется в технологии
изготовления германиевых диффузионно-сплавных транзисторов,
о чем более подробно будет рассказано в § 6-8.
6-7. Диффузия из рекристаллизованного слоя
в германий
узии примесей в германий иногда также на-
Этот метод ди

зывают диффузией после вплавления. Сущность метода заклю-
чается в том, что если на поверхность пластинки германия по-
местить, например, кусочек сурьмы и такую систему нагревать в
инертной или восстановительной среде, то будет происходить
процесс растворения германия в сурьме. Если затем после дости-
жения некоторой достаточно большой концентрации атомов гер-
мания в расплаве сурьма — германий прекратить нагрев и начать
охлаждать систему, то в монокристаллической пластинке герма-
ния образуется рекристаллизованный слой германия с электрон-

узии атомов сурьмы из рекристаллизованного
ным типом проводимости.
После охлаждения системы с поверхности германия страв-
ливают налет сурьмы. Очищенную после травления пластинку
германия помещают в диффузионную печь с восстановительной
средой и нагревают до температуры, при которой происходит
процесс диффузии сурьмы из рекристаллизованной области гер-
мания в германигЬисходной электропроводности (германий дыроч-
ного типа.)
Вследствие ди
слоя германия в исходный монокристалл происходит обеднение
атомами сурьмы тонкого граничного слоя рекристаллизованной
области. Поэтому происходит процесс диффузии атомов сурьмы из
поверхностных слоев рекристаллизованной области вглубь, к гра-
нице раздела. Таким образом, происходит пополнение граничного
слоя рекристаллизованной области атомами примеси.
Следовательно, распределение диффундирующих атомов сурь-
мы в исходном монокристалле германия зависит как от концентра-
ции примесных атомов сурьмы в граничном рекристаллизован-
ном слое, так и от толщины этого слоя.
- Если .толщина рекристаллизованного слоя d велика, т. е.
и точка х = 0 расположена на границе раздела
? рекристаллизованная область — исходный монокристалл герма-
110
ч
пия, то распределение примеси будет определяться выражением:
N (х, z) = ^»erf—
(6-12)
Для случая, когда рекристаллизованный слой тонкий
(d<^2yDt), выражение, характе-
ризующее распределение примеси
будет иметь вид:
N(x,
2С*
4D7
(6-13)
Это выражение справедливо при
условии, что коэффициент диффу-
зии примеси в рекристаллизован-
ной области равен коэффициенту
диффузии в чистом монокристалле
германия. Если же коэффициент
узии в рекристаллизованной
области 2)рек отличается от коэф-
фициента диффузии в исходном
монокристалле Z)o, то концентра-
ция на границе раздела в тонком
рекристаллизованном слое будет
не NJ2, a No ^D^/(VDрек +
+ V Do).
На рис. 6-10 приведено распре-
деление примеси для случая диф-
фузии из рекристаллизованной
Рис. 6-10. Диффузия донорной
нримеси из рекристаллизованного
слоя: а — система германий —
сплав после вплавления; б — си-
стема после снятия электродного
сплава; в — распределение при-
меси в исходном монокристалле
и рекристаллизованном слое после
диффузии из рекристаллизован-
ного слоя.
1 — сплав; 2 — рекристаллизованный
слой германия, з — исходный моно-
кристалл.
области. Если концентрация при-
меси в рекристаллизованной обла~
сти постоянна, то после проведе-
ния диффузии распределение при-
меси в рекристаллизованной облас-
ти будет иметь вид, изображенный
на рис. 6-10. Если же концентра-
ция примеси в рекристаллизо-
ванном слое неравномерна, что
практически наблюдается, то рас-
пределение примеси в рекристал-
лизованном слое будет отличать-




ся от приведенного на рисунке.
Метод диффузии из рекристаллизованного слоя чаще всего
используют при изготовлении диффузионных сплавных транзи-
сторов, когда рекристаллизованная область германия является
эмиттерной областью транзистора, а базовая область образуется
диффузией донорной примеси (чаще всего сурьмы) из рекристал-
лизованной эмиттерной области.
•<
111
6-8» Технология изготовления диффузионно-сплавных
германиевых транзисторов

Диффузионно-сплавным транзистором называют такой тран-
зистор, у которого область базы получают методом ди
а область эмиттера — вплавлением.
Транзисторы с неоднородным распределением примеси в базе,
полученным в результате диффузии примесей в эту Область полу-
проводника, называют' дрейфовыми транзисторами. Он называ-
ются так потому, что перенос неосновных носителей в базе от
эмиттера к коллектору происходит под действием электрического
поля, .возникающего в базе вследствие градиента концентрации
примеси.
В сплавных же транзисторах области эмиттера и коллектора
получают методом вплавления, а базовая область представляем
собой исходный монокристалл германия с постоянным по толщи-
не распределением примеси. Перенос неосновных носителей в базе
в сплавных тразисторах осуществляется диффузионно вследствие
градиента концентрации неосновных носителей, инжектирован-
ных из эмиттерной области в базу.
Известно, что дрейф носителей тока в электрическом поле
происходит значительно быстрее, чем ди<
вследствие градиента концентрации. Поэтому диффузионно-сплав-
ные транзисторы являются более высокочастотными транзисто-
рами, чем сплавные транзисторы. Предельные частоты дрейфовых
транзисторов более чем на порядок выше сплавных. Это важное
преимущество дрейфовых транзисторов обеспечило их широкое
внедрение в массовое промышленное производство.
По методу создания электронно-дырочных структур р-п-р-типа
диффузионно-сплавные транзисторы можно разделить на три труп-
узионный перенос
1. Транзисторы, сплавная эмиттерная область которых полу-
чена после создания диффузионной области базы (метод вплавле
[Я
]О£
2. Транзисторы, у которых диффузионная базовая область
образуется при использовании метода вплавлениЯ-диффузии (ме- '
узии из расплава, изложенный в § 6-6). Эмиттерная об-
JW1
ТОД ди
ласть таких транзисторов получается в результате рекристаллиза-
ции германия из расплава после проведения диффузии базовой
области.
3. Транзисторы, у которых эмиттерная область получена мето-
дом вплавления-рекристаллизации, а базовая область — диффу-
зией донорной примеси из рекристаллизованной области эмиттера.
Этот способ диффузии был изложен в § 6-7.
Существенной разницей в методах создания р-п-р структур
диффузионно-сплавных транзисторов, изготовленных двумя по-
следними способами, и в методах получения одиночных р-п-пере-
ходов, изложенных в предыдущих параграфах, является то, что
в качестве электродных сплавов для получения эмиттерных и ба-
зовых областей используются сложные многокомпонентные сплавы,
содержащие четыре й более элементов, и в том числе акцепторные
и донорные примеси в необходимых пропорциях (более подробно
об этом будет сказано ниже).
6-9. Изготовление дрейфовых транзисторов методом
вплавления после диффузии
германия, на котором
Рис. 6-11. Поперечное сечение
меза-транзистора.
1 — область эмиттера; 2 — область
базы; 3 — область коллектора (ис-
ходный монокристалл); 4 — Алюми-
ниевые контакты эмиттера и базы.
В качестве примера получения дрейфового транзистора мето-
дом вплавления после диффузии можно привести технологию изго-
товления германиевых меза-транзисторов.
Устройство меза-транзистора показано на рис. 6-11. Основой
меза-транзистора является монокристалл
вытравлен Столообразный выступ
(«меза»-структура). На столообразной
поверхности располагаются электро-
ды эмиттера и базы. Коллектором
является исходный монокристалл
германия. Выводом коллектора слу-
жит металлический, фланец ножки
транзистора, к которому приплав-
ляется кристаллик германия.
Для изготовления германиевых
меза-транзисторов обычно выбирают
монокристалл германия p-типа с
удельным сопротивлением 0,5—
1,0 ом •см. Базовую область тран- *
зистора получают диффузией сурьмы
или мышьяка из паровой фазы в ваку-
уме. Диффузию проводят сразу во всю поверхность пластинки
германия, на которой в дальнейшем изготовляют несколько сот
транзисторов за один технологический цикл. После диффузии на-
пыляют в вакууме через биметаллическую маску алюминиевые
полоски толщиной порядка 0,1 мкм. Затем маску немного сме-
щают и рядом с алюминиевыми полосками, параллельно им, на-
пыляют полоски сплава золото—сурьма. Размеры полосок алю-
миния и сплава золото — сурьма порядка 20 X 50 мкм\ расстояг
ние между полосками 10—20 мкм.
Пластинку германия с напыленными на нее полосками поме-
щают в печь вплавления и производят вплавление алюминия и
золота в диффузионную область. При вплавлении алюминия в диф-
фузионной области n-типа образуется рекристаллизованная об-
ласть эмиттера p-типа, в которой акцепторной примесью являются
атомы алюминия. Вплавленный в и-германий сплав золото—сурьма
дает хороший омический контакт с базовой областью транзистора.
После вплавления производят фотогравировку в германии для
получения на поверхйости пластинки «меза»-структур. При.
'	ИЗ
ироко используемый в настоящее
II
фотогравировке применяют
время метод фотолитографии (см. главу десятую).
Оставшиеся в результате проведения фотолитографии на п@-
верхнЬсти пластинки защитные участки слоя фоторезиста должны
располагаться таким образом, чтобы они полностью закрывали
напыленные полосы алюминия и базового электродного сплава.
Поэтому расположение светлых квадратов на фотошаблоне должно
точно соответствовать расположению отверстий в маске, через
которую производят напыление алюминия и сплава золото—
сурьма. Кроме того, важно обеспечить точное совмещение про-
зрачных участков фотошаблона с теми участками пластины, на ко-
торых расположены пары напыленных полос.
После задубливания производят травление пластинки германия.
В табл. 6-6 приведены составы травителей, которые могут быть
использованы для получения «меза»-профилей в пластинке гер-
мания.
Таблица 6-6
Номер
трави-
теля
t
2
•>
а
4
5
Состав травителя, в объемных
частях

HF:H.OS = 1:1
HF : НД = 2: 1
HF : Н2О2 = 4:1
HF : HgO2 ==8:1
HF : HNO3 : H2(X : IEO = 1:1:1:4
I
Скорость
травле-
ния,
мкм/мин
34
20
10
6
3
Концентрации компонентов, входящих в состав приведенных
в табл. 6-6 травителей, следующие: HF — 48%,. HNO3 —57%,
Н2О2 - 30%.
Травитель № 1 дает хорошую полированную поверхность на
травленых участках; высота «меза»-выступа может быть получена
15—20. мкм. Травители с меньшим содержанием перекиси водорода
имеют мень
п
ую скорость травления, но зато слой фоторезиста
может выдерживать длительное воздействие этих травителей, что
при необходимости позволяет получать более глубокие профили.
Следующая технологическая операция — снятие* слоя фоторе-
зиста с германиевой пластинки.
На рис. 6-12 приведена схема технологического процесса фото-
гравировки на пластине германия при изготовлении германиевого
диффузионно-сплавного транзистора.
После снятия слоя фоторезиста и промывки пластинки ее раз-
резают на отдельные кристаллы, на каждом из которых находится
по одной меза-структуре с чередующимися переходами р-и-р-типа.
Годные переходы приплавляют к фланцу ножки, затем производят
монтаж выводов эмиттера и базы и герметизацию транзистора.
114
Следует отметить, что изготовление ди

узионно-сплавных
транзисторов по методу вплавления после диффузии недостаточно
технологично. Существенный недостаток этого метода — необхо-
димость проведения процесса вплавле-
ния на строго заданную толщину, что
является сложной задачей. Для полу-
чения транзистора с хоро
п
ческими параметрами толщина базы
должна равняться 2—'3 мкм. При тол-
щине базовой области менее 2 мкм
сими электри-
Спой фоторезиста
транзистор имеет очень низкие допусти-
мые пробивные напряжения коллек-
тор — эмиттер, а при большой толщи-
не базы — сравнительно низкие значе-
ния коэффициента усиления и высокие
значения емкости эмиттерного перехо-
да. Регулировать же процесс вплавле-
ния с точностью долей микрона или
6)
даже одного микрона очень трудно.
Увеличение глубины вплавления алю-
миния приводит к проплавлению диф-
фузионного слоя и закорачиванию об-
ластей эмиттера и коллектора. Малая
глубина вплавления, как уже отмеча-
лось, приводит к резкому ухудшению д)
параметров транзистора.
Производство диффузионно-сплав-
ных меза-транзисторов организовано
многими зарубежными фирмами.
В отечественной полупроводниковой
промышленности серийный выпуск диф-
фузионно-сплавных меза-транзисторов
Рис. 6-12. Схема процесса
фотолитографии на герма-
нии: а — нанесение слоя
фоторезиста; б — экспони-
рование; в — проявление;
г — травление; д — снятие
слоя фоторезиста.
по методу вплавления после ди

узии
не был внедрен вследствие низкой технологичности. В нашей
промышленности широкое развитие получили транзисторы, изго-
тавливаемые методом диффузии из расплава или диффузии из
рекристаллизованного слоя (диффузия после вплавления).
6-10. Изготовление дрейфовых транзисторов методами
диффузии при вплавлении и диффузии после вплавления

Наиболее массовыми диффузионно-сплавными транзисторами,
изготавливаемыми методами диффузии из расплава или диффузии
из рекристаллизованного слоя, являются транзисторы типа П401,
П402, П403, П403А, а также транзисторы П414, П415 и П416.
Транзисторы типа П401, П402, П403 и П403А изготовляются
по единому технологическому процессу. Схема технологического
процесса их изготовления представлена на рис. 6-13.
115
Диффузионный слой

1115.
слои эмиттера
июи, полученный диффузией
из расплаваЛ #
Рис. 6-13. Схема техно-
логического процесса из-
** готовления диффузион-
но-сплавных транзисто-
ров типа П401—П403:
а — шлифовка пластин;
б — получение рисок и
травление пластин; в —
диффузия сурьмы из па-
ровой фазы; г — заливка
к воском; д — шли-
фовка пластин; е — уда-
ление воска и очистка
пластин; ж — загруз-
ка эмиттерного сплава;
а — вплавление-диффу-
зия; и — загрузка и
подавление базового
сплава.
Е5ГДЗС
:и
Получение рисок на шлифованной поверхности пластинок гер-
мания осуществляют с помощью ультразвука. Специальный ин-
струмент («ерш») позволяет одновременно
получить большое количество рисок сразу
на всей пластинке. После получе
сок пластинки германия тщательно обез-
жириваются и промываются, а затем хи-
мически полируются в травителе типа
СР-4. Время травления невелико (порядка
ДО сек) во избежание сильного растравли-
вания рисок.
Травленая пластинка поступает на one-'
рацию диффузии сурьмы. Диффузию про-
водят из паровой фазы в двухпозицион-
ной вакуумной установке. Полученный
в риске диффузионный слой является сое-
динительным и служит для осуществле-
ния контакта с базовым слоем, который
получают на последующих’ операциях в
результате процесса диффузии при вплав-
. лении эмиттерного сплава.
Диффузионный слой, образовавшийся
в процессе создания соединительного слоя
на поверхности пластинки германия за
пределами рисок, удаляют шлифовкой.
Чтобы во время шлифовки не нарушить
диффузионный слой в рисках, последние
перед шлифовкой заливают воском. После
шлифовки нарушенный слой удаляют хи-
мическим травлением в травителе типа
СР-4. Чтобы во время травления в ре-
зультате разогрева пластинки воск не
расплавился и не обнажил диффузионного'
слоя в риске, травление производят в
охлажденном травителе. Так как при низ-
ких температурах скорость травления
значительно уменьшается, то для повы-
шения скорости в травитель СР-4 в тече-
ние процесса травления добавляют бром.
После удаления нарушенного слоя
травлением пластинки германия для рас-
творения воска погружают в холодный
толуол, затем промывают в горячей ди-
стиллированной воде, спирте и снова в го-
рячей дистиллированной или деионизо-
ванной воде и сушат в термостате. Очи-
щенные таким способом пластины посту-
пают на операцию вплавления-диффузии.
116
Непосредственно перед загрузкой эмиттерного сплава плас*
тинкй с рисками травятся с целью дополнительной очистки в 10 %-м
растворе перекиси водорода с добавлением к 50 ел*3 раствора
3—4-х капель 10%-го NaOH (операция «освежения»). Время трав-
ления не более минуты. Затем пластинки тщательно промываются
в нескольких порциях горячей деионизованной воды и сушатся
в термостате.
После освежения поверхность пластин имеет пористую поверх-
ность. Однако в углублениях рисок поверхность германия гладкая
и блестящая.	'
Затем производят загрузку кусочка (навески) эмиттерного
сплава, в состав которого входит, несколько компонентов: мета л л-
носитель (для ди
индий или свинец), быстродиффундирующая донорная примесь
(сурьма) для получения ди
акцепторная примесь, обладающая высоким коэффициентом сегре-
гации в германии (галлий), для обеспечения низкого удельного
сопротивления рекристаллизованной области эмиттера и, следо-
вательно, его высокой эффективности. Кроме того, в сплав могут
добавляться и другие элементы, обеспечивающие различную тем-
пературу плавления сплава, смачиваемость и некоторые другие
свойства. В табл. 6-7 приведены составы эмиттерных сплавов
которые находят применение в технологии ди
германиевых транзисторов.
1Ш£
узионно-сплавных транзисторов это чаще всего

узионного базового слоя транзистора
1Ш£
Ю£
1
узионно-сплавных
Таблица 6-7
Номер
сплава
Содержание компонентов, %
In
РЬ
Sb
Ga
88,0
88,0
91.0
36,0
55,0
5,0
3,5
0,5
3,5
5.5
7,0
7,0
5,0
получения эмиттерных навесок сплав

ЭЕ
прокатывают на
медицинских вальцах, чтобы получить фольгу толщиной 0,1 —
0,15 мм. Толщина фольги зависит от глубины диффузионного слоя
в рисках. Из фольги на специальном приспособлении с помощью
пуансона вырубаются навески эмиттерного сплава. Диаметр на-
вески 125—150 мкм. Навески имеют выпуклую полусферическую
форму, так как при вырубке фольга находится на резиновой под-
ложке, которая, прогибаясь, меняет форму навески. Иногда по-
лученные таким образом навески насыпают на песмачиваемую
сплавом подложку и оплавляют их, в результате чего образуются
шарики сплава.
. Эмиттерные навески загружают в риски с одного края. Чтобы
электродные навески не смещались или вообще не вываливались
из рисок, перед загрузкой пластина германия смазывается кани-
фолью, растворенной в спирте.
Пластина с загруженными рисками поступает на операцию
вплавления-диффузии. Схема печи вплавления-диффузии приве-
дена на рис. 6-14. Труба печи является нагревательным элементом.
Температура печи регулируется при помощи изменения тока, про-
текающего по трубе. Такая конструкция печи обеспечивает малую
инерционность и хорошую точность регулировки температуры
процесса вплавления-диффузии. Внутренний объем трубы-нагре-
вателя герметичен. С одного конца нагревателя имеется трубка
для подачи в печь необходимого газа. На другом конце трубы —
Вход воды
понижающему трансформатору
JiLii
Рис. 6-14. Схема прямонакальной печи вплавления-диффузии.
I — труба печи (нагреватель); 2 — пластины германия; з — кассета; 4 —
термопара; 5 — водяная рубашка; 6 — резиновая прокладка; 7 — уплотняю-
щий
31
ланец; 8 — сварные электрические контакты.
патрубок для выхода газа из печи. После загрузки пластины в печь
выход печи закрывают крышкой с резиновой прокладкой для уплот-
нения. Через крышку проходит трубка с термопарой. Кроме того,
к внутренней стороне крышки припаяны медные штуцеры для
подачи воды для охлаждения, так как прокладка, запрессованная
в крышку, при проведении диффузии может обуглиться, в ре-
зультате чего нарушится герметичность печи. После Проведения
вплавления-диффузии в случае необходимости для увеличения
скорости охлаждения поверхность трубы обдувают сжатым воз-
духом.
допустим, что в качестве эмиттерного сплава используется
сплав № 2, состав которого приведен в табл. 6-7. При нагревании
пластины германия с загруженными :
риски кусочками сплава
начинается процесс растворения германия в этом расплавившемся
сплаве. После достижения системой германий—расплав темпера-
туры, при которой происходит диффузия примесей в базовую
область транзистора, процесс растворения германия длится до
тех пор, пока раствор пе окажется насыщенным германием. После
118
этого преобладающим процессом является диффузия сурьмы в гер-
маний p-типа. Так как коэффициент диффузии сурьмы на два
порядка выше коэффициента диффузии индия и галлия (Dsi> ~
= 2,0 -10Л1 см2'сек, Din = 2,0 «10 13 см21 сек и D&& = 1,0 •1(Г13
см2!сек), то во время диффузии сурьма будет диффундировать
в глубь монокристалла германия на значительно большую глубину,
чем индий и галлий. На рнс. 6-15 приведено распределение донор-
ной и акцепторной примеси в системе твердый германий — расплав
Ge — In — Sb—Ga—Au. Так как коэффициент диффузии индия
Рис. 6-15. Распределение донорной и акцепторной прпмесей прп
изготовлении дпффузиоппо-сплавных германиевых трапзисто-
Liilii
ров: а — распределение примссеи в системе расплав — германии
в момент окончания процесса ди
месей в исходном монокристалле и рекристаллизованной области
узии; б — распределение при-
после охлаждения системы.
1 — кривая распределения акцепторов; 2 — кривая распределения доно-
ров; з — суммарная кривая; 4, 5, 6 — кривые распределения соответст-
венно акцепторов, доноров, суммарная кривая для полученной системы
типа р-п-р; гсэ = w 9 + w9, где го9 — часть эмиттера, образованная диффу-
зией, w9 — часть эмиттера, образованная в процессе рекристаллизации.
в два раза больше коэффициента диффузии галлия, а концентрация
индия в расплаве в шестьдесят раз выше, чем концентрация гал-
лия, то основной акцепторной примесью, диффундирующей в гер-
маний, является индий. Поэтому на рис. 6-15 приведены кривые
распределения сурьмы и индия. Слева от оси концентраций
(рис. 6-15, а) приведены концентрации примесей в расплаве,
хотя коэффициент диффузии
справа — в монокристалле германия.
Как видно из рисунка, вблизи границы расплава образуется
тонкий слой германия p-типа, обусловленный диффузией в герма-
ний индия. Это связано с тем, что
индия и ниже, чем сурьмы, концентрация его на границе расплав—
германий значительно больше.
На расстоянии х, большем х ~ ха, преобладает концентрация
донорной примеси, т. е. сурьмы. Эта область германия является
базовой областью транзистора. Точка хр.п указывает границу
119
.fiTiiBii
f примесями,
узионно-сплавных
1Ш£

и области, образованной
электронно-дырочного перехода. Справа от нее преобладает до-
норная примесь (атомы сурьмы), слева — акцепторная, концен-
трация которой в исходном монокристалле равна 2Ус0-
После проведения диффузии из расплава охлаждают систему
расплав—германий. Во время охлаждения происходит рекристал-
лизация германия из расплава In—Sb—Ge—Au—Ga и образова-
ние рекристаллизованной области эмиттера. Так как коэффициент
сегрегации галлия на два порядка больше коэффициента сегрега-
ции индия и сурьмы, то преобладающей примесью в рекристал-
лизованном слое будут атомы галлия. Хотя коэффициент сегрега-
ции индия значительно ниже, чем у галлия (Ajn = 1,1 -IO"3),-
концентрация атомов индия в рекристаллизованном слое будет
также значительной вследствие высокой концентрации атомов
индия f в расплаве.
Так как и галлий, и индий являются акцептор™
то рекристаллизованный слой будет обладать 'проводимостью
p-типа, причем концентрация акцепторной примеси в рекристал-
лйзовашюй области эмиттера будет очень высокой. Это обеспечи-
вает высокую эффективность эмиттера и, следовательно, высокий
коэффициент усиления по току у таких ди
транзисторов.
Таким образом, как видно из суммарной кривой 6 рис. 6-15, б,
p-область эмиттера состоит из двух областей: области, полученной
рекристаллизацией из расплава гррек>
диффузией индия и в меньшей степени галлия в германии
Базовая область образована диффузией сурьмы и имеет толщину
Следует обратить внимание на тот факт, что градиент концен-
трации примеси в базовой области таков, что в части области базы,
прилежащей к эмиттеру, будет действовать поле, тормозящее дви-
жение неосновных носителей (дырок) от эмиттера к коллектору.
В большей же части базы поле будет ускоряющим при движении
дырок к коллектору. В хороших дрейфовых диффузионно-сплав-
ных транзисторах толщина этой области с тормозящим полем'
настолько маца, что перекрывается областью пространственного
заряда эмиттерного перехода и поэтому практически мало влияет^
на перенос неосновных носителей в области базы.
Коллекторной областью такого дрейфового транзистора р-п-р-
типа является область исходного монокристалла германия р-типа. ’
В случае .высокого удельного сопротивления получаются малая
коллекторная емкость и высокие пробивные напряжения коллек-
тора, что значительно улучшает эксплуатационные характеристики
транзистора. Но, с другой стороны, при протекании коллекторного J
тока на высокоомной области коллектора будет происходить боль-
шое падение напряжения, что ухудшает его рабочие характери-
стики. Поэтому при выборе исходной марки германия для изго-
товления диффузионно-сплавного транзистора приходится искать ’
компромиссное рещение между этими противоположными требо- .
ваниями.
И/
Как уже упоминалось, чаще всего для диффузионно-сплавных
транзисторов используют германий с удельным сопротивлением
0,5—1,0 ом *см. Германий с таким удельным сопротивлением обес-
печивает возможность получения пробивных напряжений" коллек-
тора не менее 30—40 в и в то же время достаточно низких емкостей
и падений напряжения на коллекторной области.
В случае изготовления ди
по технологии, схема которой приведена на рис. 6-13, при полу-
чении р-п-р-структуры может быть использован также метод диф-
фузии после вплавления. При этом достаточно лишь после дости-

узионно-сплавных транзисторов
414
шщг
Рис. 6-16. Температурные кривые проведения процессов
вплавления — д
I — для случая диффузии из расплава; 2 — для случая диффузии из
рекристаллизованного слоя.
жения системой расплав—германий состояния равновесия (пре-
кращения процесса растворения германия в расплаве) несколько
охладить расплав и получить рекристаллизованный слой эмиттер-
ной области. При этом эмиттерный сплав остается жидким, а тем-
пература системы достаточной для. того, чтобы мог происходить
процесс диффузии сурьмы из рекристаллизованной области эмит-
тера в область исходного монокристалла германия.
На рис. 6-16 приведены температурные кривые процессов диф-
фузии из расплава и из рекристаллизованного слоя. В случае
когда процесс диффузии проходил из рекристаллизованного слоя
после окончания растворения германия система охлаждалась на
30° С от максимальной температуры и при такой температуре
выдерживалась 10 мин. Во время выдержки происходит диффузия
сурьмы из рекристаллизованного слоя германия.
Изготовление двух партий транзисторов, в одной из. которых
диффузия сурьмы .происходила из расплава (кривая 7), а в

другой — из рекристаллизованного слоя (кривая 5), показало, что
число годных транзисторов в партиях приблизительно одинаково,
но число транзисторов с коэффициентом усиления по току в схеме
с общим эмиттером более 60 в два раза боль
е в партии, в которой
и
процесс диффузии проводили из рекристаллизованного слоя эмит-
терной области.
После проведения вплавленмя-диффузии и создания транзи-
сторной структуры р-п-р следует операция вплавления базового
контакта. Базовый электрод (базовую навеску) приготовляют из
сплава, в состав которого чаще всего входят свинец и сурьма,
а иногда олово и висмут. Примерами таких сплавов являются
следующие два сплава, которые
I!
ироко используются в произ-
водстве диффузионно-сплавных транзисторов для создания оми-
ческих контактов к соединительному базовому слою: 1) свинец —
95%, сурьма — 5%; 2) свинец — 70%, висмут — 15%, олово —
10%, сурьма—5%.
Сурьма добавляется в сплав для создания надежного невыпрям-
ляющего контакта к n-области соединительного слоя. Для сни-
жения температуры плавления базового сплава в него добавляют
висмут. Низкая температура плавления нужна для того, чтобы
во время приплавления выводов к металлическим навескам эмит-
тера и базы эти навески расплавлялись приблизительно при одной
температуре. Олово добавляется в базовый сплав для улучшения
смачиваемости золотого базового вывода во время приплавления
его к базовому электроду.
Пластина германия с полученными на ней транзисторными
структурами разрезается на отдельные кристаллы таким образом,
чтобы на каждом из них имелась риска с базовым и эмиттерным
электродами, затем проверяются вольт-амперные характеристики
этих структур на кристаллах. Годные кристаллы с переходами
приплавляются к фланцам ножек транзисторов или к кристалло-
держателю, который приваривается к фланцу ножки.
После этого производят припайку золотых выводов к эмиттер-
ной и базовой навескам. Во время припайки для улучшения смачи-
ваемости часто используют флюсы, например, стеариновую кис-
лоту. Приплавленные к переходу золотые выводы привариваются
с помощью конденсаторной сварки к выводам ножки. Затем ножку
с переходом обезжиривают, травят, сушат, покрывают кристаллик
германия на ножке кремнийорганическим компаундом и герме-
еденная выше технология изготов-
— П403 является достаточно слож-
51?
тизируют.
Следует отметить, что пр
ления транзисторов. типа П401
ной, причем, как видно из рис..6-13, большая часть операций свя-
зана с созданием контакта к тонкой базовой области транзистора.
В настоящее время разработаны й другие методы получения
соединительных слоев к базовой области, которые исключают не-
обходимость применения ультразвука и промежуточной шлифовки
пластинок после диффузии.
122
Рис. 6-17. Получение сое-
динительных базовых слоев
с помощью разгонки сурь-
мы: а — загрузка сурьмы;
б — вплавление;
гонка.
германии
Например, на поверхность пластинки германия помещают ку
сочки сурьмы, вплавляют их, производят разгонку сурьмы, в ре-
зультате которой на пластинке обра-
зуются диффузионные области вслед-
ствие диффузии сурьмы. Затем кусочек
эмиттерного сплава помещают на гра-
ницу диффузионной области и проводят
процесс вплавления-диффузии подобно
тому, как это было описано выше. Диф-
фузионная область n-типа, полученная
в результате диффузии сурьмы из рас-
плава, находится в контакте с диффу-
зионной областью, полученной после
разгонки сурьмы (рис. 6-17). Недоста-
ток этого метода — разброс площадей
соединительных слоев вследствие раз-
броса размеров кусочков сурьмы и
различных условий смачиваемости по-
верхности германия при их вплавле-
нии.
Для точной дозировки количества
сурьмы и ликвидации операции ручной
ее загрузки используют специальный
керамический шаблон, в котором имеют-
ся углубления нужного размера. Чтобы
исключить возможность загрязнения,
шаблон может бытр изготовлен из крем-
ния,
пают порошок сурьмы, распределяют
его таким образом, чтобы все углубле-
ния в шаблоне оказались заполненными
порошком. После этого лишний поро-
шок удаляют (рис. 6-18, а).
Затем на поверхность
мещают полированную пластинку гер- *
мания p-типа и поджимают ее к шаб-
лону, установив шаблон с пластинкой
в соответствующую кассету. В ди
зионной печи частички сурьмы сплав-
ляются друг с другом и приплавляются
к поверхности германия, образуя стол-
бики (рис. 6-18, б). Затем кассету из-
влекают из печи, разбирают, а пластинка
германия вновь помещается в печь диф-
фузии, где при более высокой темпе-
ратуре производится разгонка сурьмы,
в результате которой образуется соединительный слой (рис.
в *“ раз-
На поверхность шаблона насы-
аблона по-
i

Рис. 6-18. Получение соеди-
нительных слоев с исполь-
зованием шаблонов; а — за-
грузка сурьмы; б — при-
плавление сурьмы; е ~
пластина германия после
разгонки сурьмы.
1 — порошок сурьмы; 2 — пла-
стина германия; 3 — керамичес-
кий или кремниевый шаблон;
4 — столбики сурьмы; 5 — сее-
динительные области, образо-
ванные диффузией атомов сурь-
мы.

123

Транзисторные структуры типа р-п-р с диффузионной базой
и рекристаллизованным слоем эмиттера образуются вплавлением
эмиттерного сплава и последующей диффузией из расплава или
из рекристаллизованного слоя аналогично тому, как это было
описано выше. Эмиттерная навеска помещается на поверхность
пятна, образовавшегося в результате разгонки сурьмы на поверх-
ности пластинки германия с края пятна, для того чтобы с другого
края пятна после проведения ди
приварить золотой базовый вывод.
После этого пластину германия разрезают на кристаллы, раз-
браковывают р-п-р-структуры на кристаллах и годные приплав-
ляют к фланцам ножек.
чти
узии-вплавления можно было
6-11. Изготовление ди
зшг
узионно-сплавных германиевых
меза-транзисторов
Изложенная выше технология изготовления германиевого диф-
фузионно-сплавного транзистора типа П401, П402, П403 и П403А
имеет существенные недостатки: 1) долблению рисок с помощью
ультразвука приводит к сильному нарушению поверхности внутри
риски; 2) шлифовка пластин после диффузии нарушает поверхность
пластин у края рисок; 3) травление пластин в полирующем трави-
теле с зап
загрузки электродов эмиттера и базы в риски.
_ От перечисленных недостатков свободна технология изготов-
ления германиевых диффузионно-сплавных транзисторов типов
П414, П414А, П414Б, П415, П415Б, П416, П416А и П416Б, кото-
рые изготавливаются по одной технологии и только после изго-
товления разделяются на перечисленные группы.
Схема технологического процесса изготовления этих транзи-
сторов приведена на рис. 6-19.
В качестве исходного германия выбирают германий р-типа
с удельным сопротивлением 1,0—0,5 ом *см, Слитки германия
режут таким образом, чтобы пластины были ориентированы в плос-
кости (100). Затем пластины шлифуются, полируются химическим
методом и передаются на операцию ди
Процесс диффузии проводят тем же способом, какой приме-,
няется в технологии изготовления ди
методом вплавления после ди
в первом случае диффузионный слой являлся базовым слоем тран-
зистора, а здесь этот диффузионный слой соединительный.
После диффузии проводят процесс фотолитографии с целью
получения лунок в диффузионном слое, в которые в дальнейшем
будет осажден эмиттерный сплав. Травление лунок производят
на такую глубину, чтобы диффузионный слой оказался протрав-
ленным и дно лунки находилось на германии с исходной прово-
димостью. Затем в вытравленные на пластинке германия лунки
осаждают электрохимическим способом слой эмиттерного сплава,
щтой рисок воском; 4) низкая производительность ручной
и*
ЗШ1

rj jYjal
Jslf а
узионных транзисторов
узии. Разница лишь в том, что"

содержащего как донорную, так и акцеп-
торную примеси. После этого слой фото-
резиста снимают, пластинку промывают,
сушат и Передают на следующую опера-
цию фотолитографии.
Потом производят второй процесс фото-
литографии для получения незащищенных
участков пластинки германия, на кото>-
рые также электрохимическим методом на-
носят сдои базового сплава, содержащего
в [своем составе сурьму для улучшения
омического контакта к диффузионному
соединительному слою транзистора.
После удаления с поверхности пласти-
ны германия слоя фоторезиста пластину
помещают в диффузионную печь и про-
водят процесс вплавления-диффузии, в ре-
зультате которого образуется транзистор-
ная р-п-р-структура и низкоомный оми-
ческий вплавленный базовый контакт.
Следующая
ция
»»П».
технологическая
фотолитография и
опера-
последующее
ZZZZZZZZZZZZZ
в)
ММ3
J
травление с целью выделения коллектор-
ных р-п-переходов транзисторов. В ре-
зультате этой операции на поверхности
пластинки германия образуются транзи-
сторные меза-структуры. Глубина вытрав-
ленных меза-профилей должна быть такой,
чтобы коллекторный переход находился
приблизительно посредине между поверх-
ностью пластины германия и дном меза-
структуры. Площадь полученной меза-
структуры определяет величину емкости
коллекторного перехода такого транзи-

стора.
Затем пластина разделяется на отдель-
ные транзисторные "меза-структуры либо
с помощью фотогравировки, либо скрайби-
рованием и последующим раскалыванием.
И, наконец, следуют описанные ранее
операции монтажа транзистора.
L»»L»»J
6-12. Диффузия в полупроводниковых
соединениях типа AIUBV
Соединения типа AinBv обеспечивают
разработчиков широким ассортиментом
свойств исходных материалов, например,
Рис. 6-19. Схема техно-
логического процесса из-
готовления транзисторов
типа П414, П415 и П416:
а — диффузия сурьмы;
б — фотолитография (по-
лучение эмиттерных лу-
нок); в — осаждение мно-
гокомпонентного эмит-
терного сплава; г — сня-
тие слоя фоторезиста;
д — фотолитография (по-
лучение окон в слое фо-
торезиста для осаждения
базового сплава); е —
осаждение базового спла-
ва; ж — снятие слоя
фоторезиста; з — вплав-
ление — диффузия; и —
фотолитография (полу-
чение транзисторных
меза-структур).
L»O»J
К

узии значительно
таких, как ширина запрещенной зоны (от 0,17 аа у InSb до 2,25 за
у GaP), подвижность' электронов (от 110 см2!в •сек у GaP до
78 000 см?!в •сек у InSb) и др. Поэтому соединения AinBv можно
успешно использовать как для совершенствования существующих
полупроводниковых приборов, так и для создания новых.
Диффузия в соединениях типа AlIIBv имеет определенные особен-
ности в связи с тем, что их структура представляет собой две
взаимнопроникающие гранецентрированные кубические решетки,
каждая из которых состоит только из атомов одного из составляю-
щих элементов.
Если проводят диффузию примеси в соединение, для которого
давление паров одного из компонентов имеет заметную величину
при температуре диффузии, то процессы ди
усложняются. Так, при диффузии в арсенид галлия во время
нагрева атомы мышьяка будут покидать кристалл до тех пор,
пока над арсенидом галлия не установится давление, равное рав-
новесному давлению паров мышьяка при данной температуре
(для случая замкнутого объема). Число атомов мышьяка, покидаю-
щих кристалл, зависит от температуры, величины кристалла и
объема окружающего пространства. Уход из кристалла атомов
мышьяка приводит к возникновению вакансий в монокристалле,
по которым происходит диффузия атомов примеси. Замечено, на-
пример, что скорость диффузии цинка в арсениде галлия вблизи
поверхости уменьшается, если в окружающем пространстве создать
избыточное давление мышьяка порядка одной атмосферы.
В настоящее время наибольшее применение из соединений
типа AniBv находит арсенид галлия,'поэтому наиболее исследована
диффузия примесей в нем.
В качестве донорных примесей в арсениде галлия используют
серу, селен и теллур. Диффузию серы и селена проводят из газо-
так как в противном случае сера может
Концентрация серы в газовой фазе при диффузии не должна
превышать 3 «1016 см 3
конденсироваться на поверхности GaAs. Если плотность паров
серы приблизительно равняется 1018 см^3, то поверхность арсе-
нида галлия взаимодействует с серой и образуется соединение GaS.
Увеличение концентрации серы в среде до 1020 с Ж3 и выше при-
водит к увеличению толщины слоя GaS, но не увеличивает содер-
жания атомов серы в мнокористалле арсенида галлия.
При высокотемпературной обработке арсенида галлия" в парах
селена на поверхности пластинки образуется аморфная пленка
стеклообразного селена, толщина которой меняется с изменением
концентрации атомов селена в газовой фазе. Распределение селена
в монокристалле арсенида галлия'характеризуется кривой, опи-
сываемой функцией ошибок (считая от границы стеклообразной
пленки селена).
Акцепторными примесями в арсениде галлия являются эле-
менты II группы периодической таблицы Менделеева — цинк nJ
126
кадмий. При диффузии цинка в GaAs до температуры 800° С про-
цесс диффузии подчиняется закону дополнительной функции оши-
бок. При температуре же 1000° С и выше процесс диффузии цинка
подчийяется более сложному закону (наблюдается резкое изме-
нение градиента концентрации примеси при концентрациях по-
рядка 1019 слГ3).
Диффузия кадмия в арсениде галлия также имеет сложный
характер, объяснения которому до настоящего времени нет.
Ниже перечислены примеси II и VI групп, которые обычно
являются в соединениях примесями замещения, причем атомы
II группы замещают атомы III группы, образуя акцепторные
уровни. Атомы же VI группы заме
и
(ают в кристаллической ре-
шетке атомы V группы, образуя донорные уровни.
Примесные атомы 1116 и V6 групп замещают соответственно
в кристаллической решетке атомы III и V групп, образуя ней-
тральные центры.
Таблица 6-8
Донор
Донор
Донор
VI
Донор
Донор
Те
»
»
VIII
Fe
Со
Ni
Акцептор
»
»
В табл. 6-8 приведены свойства некоторых примесей в соеди-
нениях типа AniBv.	х
Элемент I группы литий в соединениях типа AniBv является
донорной примесью. Он быстро диффундирует в решетке этих
127
растворимость, подобно
соединений, давая примесь внедрения. Ёго
тому, как это наблюдается в германии и кремнии, зависит от при-
сутствия в кристаллической решетке отрицательно заряженных
акцепторных ионов.
Вредной примесью в соединениях AniBv может оказаться медь,
так как она способна быстро диффундировать в них. Даже при ком-
натных температурах диффузия меди может иметь заметную вели-
чину, в результате чего образцы легко обогащаются медью, и
их свойс!ва могут медленно меняться в течение большого периода
в которых замещение
Атомы IV группы входят в решетку соединений А1ПВу;как
примеси замещения. Вероятно, эти примесные атомы будут зани-
мать в кристаллической решетке места
приводит к наименьшему нарушению решетки, т. е. они будут
замещать атомы, наиболее близкие к ним по размеру.
Однако некоторые эксперименты показывают, что примесные
атомы IV группы стремятся заместить в соединениях атомы боль-
шего размера. Германий, например, замещает в антимониде галлия
сурьму, а в арсениде индия — индий.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ
ПЕРЕХОДОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО
ТРАВЛЕНИЯ И ОСАЖДЕНИЯ
7-1. Образование р-п-перехода в приповерхностных слоях
полупроводника одного типа проводимости
В предыдущих главах описано создание электронно-дырочных
переходов в монокристаллах полупроводников, когда в едином
монокристалле имеются области с различными типамй проводи-
мости. Однако на практике может быть реализован случай, когда
в тонком поверхностном слое полупроводника образуется слой,
обедненный основными носителями заряда, и электропроводность
в этом слое осуществляется неосновными носителями.
На поверхности полупроводникового монокристалла в реаль-
ных условиях всегда имеются поверхностные энергетические уро-
вни, способные захватывать электроны или дырки в зависимости
от типа полупроводника и природы самих уровней. Плотность
этих энергетических уровней можно регулировать различными
способами, например, высокую плотность уровней можно полу-
чить электрохимическим осаждением на поверхности полупровод-
ника металлического контакта.
Образование на поверхности полупроводника инверсного слоя
(с типом проводимости, противоположным исходной электропро-
t
Зоне, проводимости
Валентная зона
водности кристалла) можно рассмотреть на примере электронного
полупроводника (рис. 7-1). Если имеются поверхностные энер-
гетические уровни, которые могут заполняться электронами, то
на поверхности образуется отрицательный заряд, отталкивающий
из приповерхностного слоя одинаковые и притягивающий проти-
воположные по знаку носители заряда из объема полупроводника.
В результате этого в приповерхностном слое полупроводника
образуется пространственный заряд, равный по величине поверх*
постному заряду, локализованному на поверхностных уровнях, -
и противоположный ему по знаку, Толщина этого пространствен-
ного заряда зависит от концентрации основных носителей в исход-
ном монокристалле полупроводника и может иметь величину от
десятых долей микрона до одного
микрона.
В этом случае дно (нижняя
граница) зоны проводимости уда-
лится от уровня Ферми, а верх-
ний край валентной зоны прибли-
зится к уровню Ферми (рис. 7-1).
Так лкак в едином монокристалле
уровень Ферми постоянен по все-
му объему полупроводника, то
в приповерхностном слое полу-
проводника будет наблюдаться ис-
кривление энергетических зон.
Если на поверхности пластины
имеется высокая плотность по-
верхностных состояний и, следова-
тельно, локализован высокий ^от-
рицательный потенциал, то линия,
характеризующая середину запрещенной зоны (уровень энергии
полупроводника с собственной проводимостью), пересечет уровень :
Ферми. Точка хр__п на оси абсцисс определяет положение границы
электронно-дырочного перехода. Слева от этой точки распдла-
гаётсН ббласть, обедненная основными носителями (электронами),
справа — область, в которой преобладают основные носители,
т. е. слева расположена область p-типа, справа —'п-типа.
Полупроводниковые приборы, в>которых^электронно-дырочные #
переходы создаются не путем легирования отдельных областей
монокристалла примесными атомами, а созданием физическим спо-
собом слоя полупроводника, обедненного основными носителями
заряда и обладающего в связи с этим противоположным типом
проводимости, называют поверхностно-барьерными. При этом элек-
тропроводность в приповерхностном слое этого полупроводника
осуществляется преимущественно при помощи неосновных носи-
телей заряда.
Для получения достаточно высокой дырочной проводимости
в приповерхностном слое германия n-типа необходима возможно
л
5 В, А; Гаврилов, А. М. Скворцов	12Й
Рис. 7-1. Образование инверсного
‘слоя на поверхности полупровод-
ника.
- уровень Ферми; К. — уровень -
Г	1	1
энергии, соответствующий середине
запрещенной зоны.
к
большая плотность энерГетйческйх уровней на поверхности, пла-
стины германия, способных - локализовать на себе электроны.
Электрохимическое осаждение на германии n-типа таких металлов,
как индий, цинк, кадмий и некоторых других, позволяет получить
высокую плотность поверхностных уровней, а следовательно, до-
статочно хорошие электронно-дырочные переходы.
Чаще всего метод электрохимического осаждения используют
в сочетании со струйным электрохимическим травлением полу-
проводниковой пластинки. Такая технология до последних лет
довольно широко применялась в производстве германиевых поверх-
ностно-барьерных и микросплавных высокочастотных транзисто-
ров. Методом электрохимического травления и осаждения были
получены также поверхностно-барьерные транзисторы на основе
кремния, однако в литературе не имеется сообщений о внедрении
таких транзисторов в промышленное производство.
7-2. Конструкция р-п-р-структур германиевых поверхностно-
барьерных транзисторов и схема технологического процесса их
изготовления
Для изготовления поверхностно-барьерных германиевых тран-
зисторов используют германий только электронного типа с удель-
ным сопротивлением от 0,5 ом-см до 2 ом-см. Использование .
низкоомного германия обеспечивает лучшую селективность трав-
ления германиевой пластинки и меньшее сопротивление базы
транзистора. С другой стороны, на низкоомном германии полу-
чаются сравнительно низкие пробившее напряжения переходов
эмиттера и коллектора и увеличенные значения емкостей. На гер-
мании с более высоким удельным сопротивлением получаются
меньшие емкости и большие пробивные напряжения, но увеличи-
вается растравливание лунки в пластинке германия и получается
большее сопротивление базы. .
Известно, что для повышения предельной частоты транзистора
необходимо добиваться получения минимальной толщины области
базы. Так, например, предельная частота усиления по току тран-
зистора с однородным распределением примеси вдоль базы обратно
пропорциональна квадрату толщины базы, т. е.
где А — предельная частота, w — толщина базы.
Для получения тонкой базы производят локальное травление
германия в центре пластинки, на которой создаются коллекторный
и эмиттерный переходы. Локальное травление, а не травление
всей поверхности пластинки, производят для того, чтобы пластинка
обладала достаточной прочностью и не увеличивалось сопротив-
ление пассивной части базы, так как увеличение сопротивления
базы ухудшает высокочастотные свойства транзистора.
130
Имеются различные конструктивно-технологические варианты
получения тонкой базовой перемычки на пластинках германия.
В одних случаях травление пластинок германия производят с двух
сторон, причем лунки, в которые впоследствии электрохимическим
способом осаждают металлические электроды эмиттера и коллек-
тора, делают строго центрированными. В других-случаях лунку
вытравливают локально с одной стороны пластинки, так что по-
следующее осаждение металла производят на вытравленную элек-
трохимическим способом поверхность внутри лунки и на исходную
Рис. 7-2. Конструкции р-п-переходов поверхностно-барьер-
ных транзисторов: а — одностороннее струйное травление,
коллектор осажден в лунку; б — одностороннее, струйное
травление, эмиттер в лунке; в — двухстороннее струйное
травление; г — одностороннее струйное травление, кристал-
лодержатель наплавлен на всю поверхность кристалла.
1 — кристалл германия; 2 — коллектор; з — оловянный припой;
4 — кристаллодержатель; 5 — эмиттер.
поверхность пластинки германия с противоположной стороны.
При этом в лунку могут помещать как эмиттерный, так и коллек-
торный электроды. На рис. 7-2 приведены возможные конструкции
поверхностно-барьерных транзисторов. В качестве кристалл одер-
жателеи чаще всего используют никелевую ленту, которая вначале
облуживается, а затем‘накладывается на край германиевой пла-
стинки близко к торцу и припаивается. Иногда для повышения
механической прочности и улучшения электрических характери-
стик транзисторов кристаллодержатель приплавляется ко всей
поверхности пластинки так, что на ней остается свободный участок
только в том месте, где на кристаллодержателе имеетря круглое
отверстие (рис. 7-2, а).
Технология изготовления поверхностно-барьерных и микро-
сплавных транзисторов содержит следующие основные операции:
1.	Химическая полировка пластинок германия.
5*
131
2.	Припайка или прицлавление кристалла к кристаллодержа-
телю.
3.	Контролируемое локальное электрохимическое или фото-
электрохимическое травление германиевых пластинок.
4.	Локальное катодноеили катодно-анодное электроосаждение
индиевых электродов.
5.	Изготовление электродов на выводах.
6.	Присоединение выводов к индиевым осадкам эмиттера и кол-
лектора. В случае создания микросплавных транзисторов оно
сопровождается микроплавлением, в результате которого обра-
зуются очень тонкие рекристаллизованные слои германия р-типа.
7.	Монтаж перехода на ножку транзистора.
8.	Химическое травление переходов.
9.	Герметизация транзисторов.
10.	Контроль параметров.
Как следует из перечня основных технологических операций,
отличие поверхностно-барьерных транзисторов от микросплавных
заключается в том, что в последних после осаждения индиевых
осадков производится процесс микровплавления, в результате
которого образуются тонкие рекристаллизованные области р-типа
толщиной 0,1—0,3 мкм.
В конце 50-х годов этот метод изготовления транзисторов нашел
широкое применение в ряде Стран, например, в США, Японии,
ФРГ и др. Это обусловливалось тем, что электрохимический метод
изготовления транзисторов относительно прост, и процесс их
изготовления легко автоматизировать. Кроме того, микросплавные
транзисторы имели высокую по тому времени предельную частоту
коэффициента усиления по току при хороших остальных электри-
ческих параметрах. Наибольшие успехи в области разработки,
и организации* серийного выпуска микросплавных транзисторов
были достигнуты американской фирмой Филко. Первые поверхно-
стно-барьерные транзисторы были изготовлены этой фирмой в
1953 г. С целью дальнейшего повышения частотного предела
в 1958 г. был получен микросплавной транзистор с диффузионной
базой. - В 1962 г. появилось сообщение о том, что фирмой Филко
разработан микросплавной транзистор на пластинке германия
с эпитаксиальным слоем, с предельной частотой около 10000
Однако промышленное производство таких транзисторов нала-
жено .не было в связи с большими технологическими трудностями,
а также потому, что к этому времени были разработаны более
универсальные технологические методы изготовления полупровод-
никовых приборов, основанные на планарной технологии. Были
получены также образцы кремниевых электрохимических транзис-
торов, которые не были внедрены в промышленное производ-
ство.	*•
* Отечественной электронной промышленностью выпускаются
электрохимические микросплавные германиевые транзисторы типа
П412 у- П413 в металло-стеклянном корпусе.
f
7-3. Получение тонкой перемычки методом струйного
электрохимического или фотоэлектрохимнческого травления
Изготовление поверхностно-барьерных транзисторов методом
электрохимического струйного травления было впервые осуще*
ствлено в 1953 г. Сущность этого метода заключается в следующем.
На германиевую пластинку n-типа направляется струя электро-
лита, которой, посредством платинового электрода сообщается
отрицательный потенциал. На пластинку подается положительный
потенциал, так что германиевая пластинка является анодом. Схема
струйного электрохимического травления приведена на рис. 7-3.
“ л
Рис. 7-3. Схема струйного электрохимического травления.
1 —, кристалл германия; 2; — сопло; 3 — кристалле держатель; 4 — пла-
тиновый контакт; 5 — струя электролита.
В результате анодного растворения германия на пластинке
вытравливается Луцка сферической формы, диаметр которой за-
висит как от диаметра струи электролита, так и от некоторых
других факторов, например, таких, как скорость отсоса электро-
лита от поверхности кристалла или величина удельной электро-
проводности электролита. Обычно выбирают такой электролит,
чтобы его удельное сопротивление было на два-три порядка выше,
чем удельное сопротивление полупроводника. Поэтому диаметр
вытравливаемой лунки не намного превышает диаметр струи Элек-
тролита. -
В качестве электролитов для травления германия могут быть
использованы растворы щелочей или кислот. В производстве по-
верхностно-барьерных транзисторов чаще всего используют кис-
лотные растворы, так как последние позволяют растворять гер-
маний анодным способом и получать электрохимические осадки
индиевых электродов на германии. Так, например, микросплявные
транзисторы типа П412—П413 изготавливаются из германия п-типа
с удельным сопротивлением 1 ом-см. а в качестве электролита
используют раствор сульфата натрия, удельное сопротивление
которого составляет порядка 50 ом*см. При таком соотношении
удельных сопротивлений германия и электролита диаметр лунки
получается примерно в два раза больше диаметра струи электро-
лита. Уменьшения диаметра лун-
Рис. 7*4. Схема струйного фото-
электрохимического травления.
1 — источник света; 2 — линза; з —
диафрагма; 4 — кристалл германия;
5 — криста ллодержатель; 6 — струя
электролита; 7 — отсос электролита;
8 — фотоэлемент; 9 — державка.
ки при том же самом диаметре
струи электролита можно добить-
ся, если повысить удельное со-
противление электролита, что,
однако, приведет к увеличению
времени травления.
Улучшить селективность при
вытравливании лунок в пластин-
ках германия можно, исполь-
зуя метод фотоэлектрохимического
травления. Известно, что скорость
травления германия в электро-
лите ограничивается поступле-
нием дырок к поверхности раздела
германий — электролит из объема
германия. Так как в германии
n-типа дырки являются неоснов-
ными носителями, концентрация
которых мала, то и скорость
травления германия также мала.
Если же каким-либо образом
в образце германия повысить
концентрацию дырок, то скорость
травления значительно увеличит-
ся. При фотоэлектрохимическом
травлении концентрация дырок
в пластинке германия повышает-
ся под действием света, который
направляют на поверхность пла-
стинки со стороны, противополож-
ной той, на которую направлена струя электролита.-Схема струй-
ного фотоэлектрохимического процесса представлена на рис. 7-4.
С помощью специальной оптической системы на поверхность плас-
тинки проектируют яркое световое пятно, диаметр которого дол-
жен быть равен необходимому диаметру лунки. Так как диффузи-
онная длина неосновных носителей заряда в германии несколько
десятых долей миллиметра, а толщина пластинки германия по-
рядка 50 мкм, то по сути дела все генерированные светом дырки
подойдут к границе германий — электролит и примут участие
в процессе анодного растворения германия. Рассеяние дырок за
пределы, ограниченные размером светового пятна, будет незначи-
134
тельным. Следовательно, растворение германия в области свето-
вого пятна будет происходить с большой скоростью в то время,
как растворение германия за пределами освещенной области будет
происходить медленно. Этим самым обеспечивается высокая селек-
тивность анодного растворения германия. Если при этом световое
пятно будет равномерным по яр^бсти, то лунка получится с плос-
ким дном, что очень важно для получения транзисторов с высо-
кими предельными частотами.
Важным фактором, обеспечивающим получение повторяемых
результатов при получении тонких базовых перемычек в пластин-
ках германия, является возможность использования фотоконтроля
толщины, образующейся в процессе травления перемычки. В соз-
дании внутреннего фотоэффекта и образования в результате этого
пар электрон — дырка участвуют кванты фотоизлучения, имеющие
длину волны менее 1,3 мкм. Этот спектр излучения очень сильно
•лт
поглощается германием.
Спектр излучения с длиной волны более 1,3 мкм (инфракрасное
излучение) поглощается германием сравнительно слабо, поэтому
эта часть фотоизлучения может быть использована для фотокон-
троля толщины базы.
В случае электрохимического струйного травления для фото-
контроля используют достаточно сложную систему, состоя
как правило, из устройств: модулятора — прерывателя светового
потока, узкополосного усилителя, детектора и усилителя посто-
янного тока.
При струйном фотоэлектрохимическом травлении можно выбрать
такой источник фотоизлучения, у которого имелся бы достаточно
интенсивный спектр инфракрасного излучения. Если вытравлива-
ние лунки происходит только с одной стороны, а освещение пла->
стинки германия производится с противоположной, не соприкаса-
ющейся с электролитом, то мощность излучения может оказаться
достаточной для осуществления контроля толщины базы без уси-
лительных устройств.
7-4. Получение выпрямляющих контактов методом
струйного электрохимического осаждения
Получение металлических осадков на вытравленных с помощью
анодного растворения в пластинках германия базовых перемыч-
ках — важная технологическая задача. От правильного ее реше-
ния зависит качество полученных поверхностно-барьерных и ми-
кросп ладных переходов.
Эксперименты различных авторов, например Плуммера, не об-
наружили связи между выпрямляющими свойствами полученных
контактов и разностью работ выхода электронов из полупроводника
и металла. Этот результат полностью подтверждает вывод о том,
что высота барьера в переходах, полученных электрохимическим
способом, определяется не разностью работ выхода, как это
135
никель и др., дает
t n-тица и омические — на
г
И!
предсказывается теорией контакта металл — Полупроводник, а По-
верхностными состояниями, которые возникают в ходе процесса
электроосаждения.
Установлено, что большинство металлов, например, таких, как
индий, цинк, кадмий, свинец, медь, золото
выпрямляющие контакты на герман:
германии р-типа.
Как уже упоминалось, в качестве электродных осадков в по-
верхностно-барьерных и микросплавных транзисторах используют
чаще всего индиевые. Процесс нанесения индиевых осадков произ-
водят способом локального электрохимического осаждения.
— Электролит для электрохимического осаждения индия обычно
готовится из солянокислых или сернокислых солей индия. Чаще
для локального осаждения индия используют электролит из трех-
хлористого индия ,с удельным сопротивлением порядка 150—
1Ш
•JH
Скорость, осаждения индия и качество полученного осадка
зависят от плотности тока осаждения. Для сокращения времени
осаждения необходимо увеличивать плотность тока. Однако уве-
личение плотности тока ограничено. При больших плотностях
тока качество осадков ухудшается: они становятся рыхлыми,
плохо сцепляются с поверхностью, наблюдается рост дендритов.
На качество индиевых осадков отрицательно влияет реакция вос-
становления водорода, которая протекает одновременно с реакцией
катодного осаждения. При низких потенциалах происходит пре-
имущественное выделение индия, а при повышенных — выделение
водорода.
Чтобы увеличить скорость осаждения индия и в то же время
сохранить хорошее качество осадков, применяют импульсный ка-
' тодно-анодный процесс осаждения индия. Суть его состоит в том,
что последовательно осуществляется катодное осаждение индия
и анодное подтравливание получающегося осадка. Причем токи
и время протекания этих процессов выбирают такими, чтобы про-
цесс осаждения преобладал над процессом растворения.
Из электрохимических транзисторов наибольшее распростра-
нение получили микросплавные транзисторы, так как они обла-
дают лучшими электрическими параметрами и большей надеж-
ностью.
При проведении процесса вплавления индия в германий (в слу-
чае изготовления обычных сплавных германиевых транзисторов)
смачивание германия индием начинается при температуре .350° С.
В случае же изготовления микросплавных транзисторов процесс
микровплавления производят при температуре 180—200° С, т. е.
при температуре, немного превышающей температуру плавления
индия (156° С). Это обусловлено тем, что • локальное осаждение
индиевых электродов обеспечивает хорошую начальную адгезию
индиевых осадков с германием. Время вплавления-рекристалли-
зации длится несколько секунд. При этом образуется рекристал-
136

лизовайный слой германия p-типа толщиной порядка нескольких
десятых долей микрона.
Если толщина исходной перемычки, полученной методом элек-
трохимического или фотоэлектрохимического травления, рав-
няется 5 лекм, то после вплавления толщина базы оказывается рав-
ной примерно 4 мкм с абсолютно плоскими фронтами эмиттерного
и коллекторного переходов. Базы с такой толщиной и плоскопа-
раллельностью переходов никогда не могут быть получены при
изготовлении обычных сплавных германиевых транзисторов.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
/ ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
8-1. Активные элементы в полупроводниковых интегральных
схемах
Активными элементами в полупроводниковых интегральных
схемах называют диоды и транзисторы, которые служат для пре-
образования электрических сигналов.
По сравнению с обычными дискретными транзисторами тран-
зисторы в интегральных схемах имеют две особенности. Во-первых,
у них при равных конструктивных размерах увеличено сопро-
тивление коллекторной области за счет того, что контакты к об-
ластям коллектора и базы расположены на одной и той же поверх-
ности кристалла. Во-вторых, дополнительные переходы, изоли-
рующие друг от друга транзисторы (в случае изоляции элементов
с помощью р-п-переходов), вводят паразитную емкость и сопро-
тивление утечки. В одном случае паразитная емкость может быть
только относительно земли, в другом паразитные связи могут быть
с другими элементами через распределенное сопротивление полу-
проводниковой подложки. Эти особенности приходится учитывать
при изготовлении полупроводниковых интегральных схем. В. на-
стоящее время технология изготовления таких схем в основал
совпадает с технологией изготовления планарных транзисторов,
что позволяет одновременно в одном и том же технологическом
потоке на идентичных кремниевых пластинках получать либо
интегральные схемы, либо планарные транзисторы.
В периодической печати имеется большое количество работ,
посвященных планарной технологии изготовления р-и-переходов
и приборов. По существу она представляет собой разновидность
обычной диффузионной технологии.
Строго говоря, термин «планарный» („plane* — плоскость) от-
носится к конструкции прибора, в котором эмиттерный и коллек-
*
138
торный переходы доходят на одну и ту же поверхность. На рис. 8-1
представлены два типа диффузионных транзисторов — планарный
и меза. Как видно из рисунка, планарные транзисторы могут иметь
коллекторный контакт на верхней или на нижней поверхности
пластинки кремния. Транзисторы, конструкция которых изобра-
жена на рис. 8-1, в, могут быть использованы в полупроводниковых
интегральных схемах. Эта конструкция позволяет производить
соединение транзисторов в любые интегральные схемы на одной
поверхности монокристалла. Таким образом, основное отличие
планарного транзистора от меза-транзистора состоит в том, что
в последнем один или оба перехода соприкасаются с краем цилин-
дрической поверхности, образующей меза-структуру.
0
<*)
К
Рис. 8-1. Типы кремниевых диффузионных транзисторов: а — ме-
за-транзистор; б — планарный транзистор с контактом коллектора
на стороне, противоположной той, на которую выходят р-п-перехо-
ды; в — планарный транзистор с тремя выводами на одной поверх-
ности.
На практике термин «планарный» применяют к приборам, из-
готовленным селективной диффузией через окисную маску, ниже
которой образуются переходы. У таких приборов р-п-переходы
оказываются защищенными слоем SiO2, поэтому планарные тран-
зисторы обладают более низкими значениями обратных токов
и более стабильным коэффициентом усиления по току. На рис. 8-2
представлены конструкции планарных кремниевых транзисторов
фирмы Фершильд.
Планарные диоды, входящие в состав интегральных схем, изго-
товляются одновременно с изготовлением коллекторных или эмит-
терных р-п-переходов. При этом диоды, изготовленные одновре-
менно с коллекторными р-п-переходами, называют базоколлектор-
ными, а диоды, изготовленные одновременно с эмиттернымй р-п-
переходами—базо-эмиттерными диодами. Конструкция планарного
диода представлена на рис. 8-3, а.
На рис. 8-3, бив приведены простейшие интегральные полу-
проводниковые схемы — диодные дешифраторы той же фирмы.
В качестве диодов можно использовать также переходы тран-
зисторов для интегральной схемы.
I
В настоящее время для йспдльзования в полупроводниковой
интегральных схемах получены транзисторы со следующих
раметрами: коэффициент усиления по току 0
па-
ев 30—60; мощность,
б)
Рис. 8-2. Геометрия кремниевых планарных транзисторов:
а, б — транзисторы средней мощности; в — транзистор боль-
8-2. Геометрия кремниевых планарных транзисторов:
<Л	_ __________ __
шой мощности; г — транзистор малой мощности;
рассеиваемая транзистором, Рк до 0,5 вт; пробивное напряжение
эмиттер — база UQ$ 5 й; пробивное напряжение коллектор —
Рис. 8-3. Планарный диод и диодные дешифраторы: а — планарный
диод с плазой; б, в — диодные дешифраторы.
база UK$ 40 <?; предельная частота транзистора — несколько
сот Мгц.
Такие значения электрических параметров позволяют получать
полупроводниковые интегральные схемы с высокими эксплуата-
ционными характеристиками.
140
8*2. Пассивные элементы в полупроводниковых интегральных
схемах
и
О)
Омические контакты
Материал p-и ли п-типа
Диффузионный слой р-типа
Материал п 'типа
Рис. 8-4. Типы сопро-
тивлений: а — объемное;
б — диффузионное.
Пассивными элементами в интегральных схемах называют со-
противления, конденсаторы и индуктивности. В полупроводнико-
вых интегральных схемах в качестве пассивных элементов исполь-
зуют только сопротивления и емкости, так как невозможно полу-
чить в полупроводнике достаточно боль-
ие индуктивности.
Для изготовления пассивных элементов
в интегральных схемах можно использо-
вать те же технологические методы, что и
для создания активных элементов. Это
позволяет получить в одном технологиче-
ском потоке пассивные элементы и актив-
ные области транзисторов.
Имеется несколько методов получения
сопротивлений и емкостей в полупровод-
никовом монокристалле. Если нанести два
контакта на поверхность пластинки крем-
ния, то область между этими контактами
будет обладать определенным сопротивле-
нием. Это сопротивление называется объ-
емным (рис. 8-4, а). Величина его зави-
сит от удельного сопротивления полупро-
водника, длины омических контактов и
расстояния между ними. Такие сопротив-
ления линейны и подчиняются закону Ома
в области напряжений, при которых ра-
ботают транзисторы. -	\
Другой тип сопротивлений — диффу-
зионные сопротивления (рис. 8-4, б). Их
получают методом диффузии примесей,
которые создают в кремнии другой тип
проводимости, чем проводимость исходного материала. ________
поверхностный ^л ой отделяется от остальной части кристалла
р-п-переходом, который служит барьером и обеспечивает про-
текание тока только по поверхностному слою.
Общая величина сопротивления материала (кремния) опреде-
ляетсяГследующей формулой:
Тонкий
dw'
где р —- удельное сопротивление материала, ом* см; L — длина
w — ширина мате-
материала, см; d — толщина материала, см
риала, см.
Ерли сопротивление образовано диффузией, то на его величину
сильно влияет распределение примеси в диффузионном слое.
зезе
141
Диффузионное сопротивление может быть получено одновременно
с изготовлением активных элементов. Однако наиболее часто сопро-
тивлепия изготовляют одновременно
с получением диффузионных базовых
областей. При этом глубина диффу-
зионного слоя равна примерно трем
микронам и является относительно
постоянной.
Поэтому обычно говорят о неко-
тором среднем сопротивлении данного
слоя измеряемого в омах на
L^2.50mkm
W- 25 мкм
Рис. 8-5. Конструкция реаль-
ного диффузионного сопротив-
ления: а — поперечное сече-
ние; б — общий вид сопротив-
ления.
квадрат.
Тогда формула для дифф
сопротивления будет иметь вид:
ЭШЕ
узионного
(8-2)
Сопротивление определяется типом
примеси и.режимом проведения про-
цесса диффузии. Оно является по-
стоянным при заданных условиях
диффузии и определяется только от-
ношением Llw. Например, отношение
Llw для сопротивления в 1000 ом,
которое должно быть получено из
1 — алюминий; 2 — SiO2; 3 — р-тпп;
4 — п-уни (0,5 ом • ел); 5 — под-
ложка р-тида (5 ом-слО; 6 —р-тип;
7 — контакт; 8 — эпитакс, п-тип;
р — 0,5 ом • слц Р—р-тип 100 ojh/O.
диффузионного слоя с
нием 100 ам/Q, равно
соиротивле-
L 1000
w" 100
= 10:1.
Типичное поперечное сечение рассматриваемых ди
ЭШ!
эузионных
сопротивлений представлено па рис. 8-5, а. Общий вид и размеры
сопротивления величиной в
1000 ом, полученного в диф-
фузионном слое с сопротив-
лением 100 (ш/Q, показаны
на рис. 8-5, б. Существенным
недостатком подобных сопро-
тивлений является относи-
тельно большая распределен-
ная емкость, которая приво-
дит к зависимости величины
сопротивлений от частоты.
На рис. 8-6 приведена
Частота, Мгц
Рис.
него
8-6. Частотная зависимость типич-
диффу звонкого интегрального со-
противления.
частотная зависимость ти-
пичного диффузионного со-
противления. Как видно из
рисунка, такое сопротивле-
ние удовлетворительно работает
герц. На высоких частотах общая
до частот в единицы мега-
комплексная величина сопро-

142
тивленця уменьшается. Температурный коэффициент диффузион-
ного сопротивления является функцией концентрации примесей в
диффузионном слое и зависит^акже от сопротивления кремния. Be-
Рис. 8-7. Конструкции сопротивлений фирмы Fairchild Semi-
conductor Corp.: а — сопротивление 15 ком с промежуточными
отводами; б — сопротивление 6 ком с промежуточными отво-
дами.
личина температурного коэффициента диффузионных сопротивле-
ний лежит в пределах 0,05—5 % на градус Цельсия. Поверхностные
концентрации диффузионного слоя составляют обычно 1016~1019слг 3
При концентрации примеси
тивление слоя/?8 для мате-
риала p-типа составляет
, а для материала
2600 ом/
п-типа—800<ш/[2]- Практи-
чески изготовляют диффу-
зионные сопротивления
величиной до 40000—
50 000<ш. Такие сопротив-
ления для уменьшения их
длины делают зигзагооб-
разной формы и, следова-
тельно, достаточно боль-
шой общей длины. Более
1017 см 3 и толщине слоя 3 мкм сопро-
Рис. 8-8. Типы конденсаторов Ti интеграль-
ных схемах: а — копдепсатор, образован-
ный емкостью р-п-перехода; б — конден-
сатор, образованный металлической плен-
кой и кремнием (в качестве диэлектрика
используется слой SiO2).
низкие значения сопротив-
лений можно получить в
’ виде прямолинейной поло-
сы. На рис. 8-7 представ-
лены конструкции сопро-
тивлений фирмы Фершильд, используемых в интегральных полу-
проводниковых схемах («микрологических элементах»).
Полученный методом диффузии р-п-псреход при включении его
в запорном направлении может быть использован в качестве кон-
денсатора. На рис. 8-8, а представлен конденсатор, образованный
емкостью р-д-перехода. Емкость такого конденсатора зависит от
143
площади перехода и ширины запорного слоя. На кремнии методом
диффузии можно получить удельные емкости до 200 000 пф/см2.
У таких конденсаторов наблюдается зависимость емкости от при-
ложенного напряжения, так как ширина запорного слоя растет
с увеличением обратного напряжения.
Металлическая (А1) обкладка
Контакт - 2 (А1)
пр- тип (п/п обкладка
конденсатора)
,п-тип (0,5 ом. см)
< Контакт-1(Al)	!
SiO2~

Подложка р-типа
(5 ом. см)
Л
Рис. 8-9. Конструкция конденсатора, образованного
слоем металла и полупроводника.
Вторая конструкция конденсатора, изображенная на рис. 8-8, б,
может быть получена вакуумным напылением металла на поверх-
ность двуокиси кремния. У этого конденсатора одной обкладкой
является исходный монокристалл кремния, а другой — осажден-
ный металлический слой. Изолятором в этом случае служит пленка
окиси кремния. Конструкция такого конденсатора, используемая
в практических схемах, представлена на рис. 8-9. Предел емкости
конденсаторов такого типа лежит в интервале 500—1000 пф.
8-3. Изоляция элементов интегральной схемы
Современные технологические методы изготовления полупро-
водниковых элементов обеспечивают возможность получения очень
высокой плотности элементов на одной пластине кремния. Плот-
ность активных элементов, например, может достигать более’сотни
на 1 см2. Однако чтобы объединить эти элементы в конкретную
функциональную схему, необходимо их электрически изолировать
друг от друга. Изоляция может быть осуществлена несколькими
способами. Один из них — изоляция объема полупроводниковой
пластинки, в которой образован элемент, замкнутым р-п-перехо-
дом, включенным в запорном направлении. Такой р-и-переход
может быть получен следующим образом. На поверхности плас-
тинки кремния каким-либо способом образован защитный слой
SiO2 (методы создания защитных слоев будут описаны в дальней-
шем) с созданными на нем свободными от окъЬла участками (крем-
ний обнажен). Если затем такую пластинку подвергнуть высоко-
температурному отжигу в атмосфере диффузанта, то в результате
встречной диффузии примесей в пластине кремния будут образо-
ваны изолированные области исходного кремния, ограниченные
со всех сторон и отделенные друг от друга диффундированными
областями. На рис. 8-10 показана пластинка кремния до и после
проведения процесса изолирующей ди
WOE
ЛТП
узии.
144
Такой переход, включенный в запорном направлении, обладает
высоким сопротивлением (порядка нескольких мегом при комнат-
ной температуре) и достаточно хорошо изолирует элемент, ограни-
ченный этим переходом, от соседних с ним элементов. Несмотря
на это, в таких структурах наблюдаются некоторые паразитные
явления.
1.	Проявление транзисторного эффекта в изолирующих слоях
(влияние одного р-п-передода на другой подобно тому, как взаи-
модействуют р-п-переходы эмиттера и коллектора в транзисторе).
2.	Паразитные емкости изолирующих р-п-переходов, образо-
ванных областями исходного монокристалла и диффузионной об-
ластью.
3.	Существенное понижение сопротивления изолирующего
р-п-перехода с повышением температуры.
Рис. 8-10. Изоляция отдельных областей кремниевой пластины
методом диффузии: а — пластина кремния до диффузии; б — пласти-
на кремния после диффузии.
1 — кремний; 2 — слой двуокиси кремния; 3 — окна в слое SiO2; 4 — изоли-
рующие диффузионные слои; 3 — изолированные области.
г. фотолитография на кремнии, эпитаксиальное
Перечисленные недостатки накладывают серьезные и в некото-
рых случаях непреодолимые ограничения на работоспособность
полупроводниковых интегральных схем, изоляция элементов
в которых осуществляется с помощью р-п-переходов. Главный их
недостаток — трудность получения высокого быстродействия в
связи с большими паразитными емкостями связи между элементами.
Поэтому в последнее время все болеё4 широкое применение нахо-
дит метод диэлектрической изоляции элементов на подложке.
В основу метода положены последние достижения полупроводни-
ковой технолог
выращивание полупроводниковых слоев, прецизионная шлифовка.
На рис. 8-11 представлена схема технологического процесса
получения диэлектрической изоляции элементов в полупроводни-
ковых интегральных схемах. Пластинка кремния после полировки
подвергается термическому окислению. С помощью фотолитогра-
фии в слое SiO2 получают «окна» (участки, свободные от окиси).
При этом после вытравливания SiO2 из окон пленка фоторезиста,
защищая ‘''слой окисла, сохраняется на поверхности.х Затем

145
аморфного кремния остаются участки монокристаллического крем-
ния, изолированные друг от друга слоем SiO2. Полученная изо-
ляция обладает'высокими диэлектрическими свойствами. Между
изолированными областями практически отсутствуют паразитные
связи, так как между изолирующими слоями SiO2 находится еще
достаточно толстый слой аморфного кремния. Повышение темпе-
ратуры также не приводит к возникновению каких-либо заметных
токов утечки между изолированными элементами.
8-4. Планарный технологический процесс изготовления
. интегральных схем
В основе планарной технологии лежат последние достижения
полупроводниковой техники. Основными технологическими про-
цессами планарного метода являются: создание защитного слоя
двуокиси кремния на поверхности пластинки кремния; фотогра-
вировка в слоях SiO2, кремния и алюминия; селективная диффузия
в свободные от окисла участки кремния. Эти и другие технологи-
ческие операции производятся с очень большой точностью. Напри-
мер, совмещение негативов с подложкой при проведении процессов
фотолитографии производится с точностью 1—2 мкм. Клип растрав-
ливания в слое окисла (ширина области с частично удаленным
слоем SiO2) при получении свободных от окисла участков кремния
получается порядка 1 мкм, что является удовлетворительным
результатом. Обычно стремятся выбрать режимы фотогравировки
такими, чтобы клин растравливания был минимальным. При этом
разрешающая способность фоторезиста оказывается менее одного
микрона. С помощью фотогравировки можно получить «окна»
в SiO2 размером менее 10 мкм. Точность поддержания температуры
при проведении диффузии примесей в кремнии (£=4200—1300°'С)
составляет 0,5—1° С. Изменение температуры в больших пределах
приводит к разбросу величины поверхностного сопротивления диф-
фузионного слоя и соответственно к разбросу электрических
параметров элементов полупроводниковой интегральной схемы.
Во избежание разброса электрических параметров активных
элементов интегральной схемы предъявляются чрезвычайно высо-
кие требования к чистоте и плоско пар ал дельности кремниевой
пластинки. Например, плосконаралдельность пластинки диамет-
ром до 40 мм и толщиной порядка 200—250 мкм не должна выхо-
дить за пределы ±1,5—3 мкм.
В различных случаях разработчики интегральных схем оста-
навливают свой выбор на транзисторах типа р-п-р или п-р-п.
Иногда для большей универсальности интегральной схемы на
одной подложке получают оба типа транзисторов. В зависимости
от схемы выбираются тип проводимости кремния и диффундирую-
щие примеси для создания изолирующих областей, а также
областей базы и эмиттера, диффузионных сопротивлений и емко-
стей.
147
Sity
Изолированная область
----------------,
*т**
» I* I
»и...1ь>1|.|ЛУ11| йчн *	1 а Г» * II fi
Солирующий диффузный слой(р-тип)
»< a I 1 t *
Область базы
io
Разработка полупроводниковой интегральной схемы начинается
с выбора марки кремния. При выборе удельного сопротивления
исходят из электрических параметров изготовляемой интегральной
схемы. Использование
высокоомного кремния
позволяет получить вы-
сокие коллекторные
пробивные напряжения
транзисторов, но при
этом соответственно уве-
личивается падение на-
пряжения на объемном
сопротивлении коллек-
тора. На низкоомном
кремнии получаются
малые падения напря-
жения, но зато и зна-
чения пробивного на-
пряжения коллекторно-
го перехода оказывают-
ся малыми. Важное
значение при выборе
марки кремния имеет
плотность дислокаций в
слитке. Она должна
составлять примерно
100 см 2 и уж во всяком
случае быть не более
1000 слГ2. Для получе-
ния слитков кремния с
такими характеристика-
ми требуются специаль-
ные методы выращива-
ния монокристаллов.
Последовательность
технологических опера-;
ций изготовления полу-
проводниковой инте-
гральной схемы следую-
ая:
1.	Ориентация слит-
ков
ского кремния. В ре-
зультате ориентации
определяется местопо-
ложение кристалло-
графической плоскости
(111).
Область коллектора
//
Г
» Область эмиттер
Слой алюминия
W/Z4/Z//Z/Z/Z//ZZZ/ZZ////Z7,
^аО5ййй^Шй«Я^;
<W///Z///Z/Z<ZZZZZ/Z/XrzzZ^
Д.1ГГА1,
/3
14
мьл
15
^ZZ^ZWZZX/XZZ/^/XZZM
ййй%
A.
Кремний п -типа	L_J Двуокись кремния (SiO?)
Кремний p-типа	МВ Алюминий





II
монокристалличе-
7 — фотогравировка в слое SiOt;
Рис. 8-12. Основные технологические операции
Изготовления интегральной схемы.
6 — окисление;
8 — диффузия примеси для создания изолированных
областей; 9— фотогравировка в слое SiOs; 10 — диф-
фузия базовой примеси; 11 — фотзгравировка в слое
SiO»; IS — диффузия вмиттерноЙ^иримеси; 18 — фото-
гравировка в слое SiO2; 14 — Вакуумное напыление
алюминия; 15 — фотогравировка в слое алюминия.
148
Рис. 8-13. Фотография интегральной
схемы.
преимуществом
2.	Резка слитков на пластины. Резка слитка производится Так»
чтобы плоскость полученной пластинки кремния совпадала с плос-
костью (111).
3.	Шлифовка пластин.
4.	Полировка пластин.	z
5.	Обезжиривание и промывка пластин.
Дальнейшая последовательность технологических операций
для наглядности представлена на рис. 8-12.
Для простоты на рисунке рассматривается принцип получения
изолированной от всего монокристалла области, в которой форми-
руется планарный транзистор. На практике подобным же образом
создаются изолированные обла-
сти1 с диодами и сопротивле-
ниями.
Большим
планарной технологии является
то, что р-тг-переход, образован-
ный диффузией примеси в крем-
ний, оказывается защищенным
от действия окружающей среды
слоем двуокиси кремния. Это
связано с тем, что процесс диф-
фузии примеси идет как в глубь
кремния, так и под слой кремния,
параллельно поверхности. Кроме
того, процесс диффузии сопро-
вождается одновременно про-
цессом окисления поверхности
области, в которой происходит
диффузия примеси. При этом
толщина образующегося окисно-
го слоя достаточна для. защиты поверхности кремния от действия
примесей, диффузию которых проводят на последующих техноло-
гических стадиях. Необходимо отметить, что на рис. 8-12 не выдер-
жан масштаб. В действительности толщина слоя примерно в 200
раз меньше толщины самой пластинки (толщина пластинки по*-
рядка 200 Глубина изолированной области исчисляется
Ю—20 мкм. Толщцна слоя алюминия не превышает 1 мкм.
После проведения' фотолитографии в слоях алюминия произ-
водят следующие технологические операции:
16.	Вплавление алюминия.
17.	Скрайбирование и ломка пластин на отдельные кристаллы
со схемами.
18.	Монтаж схем.
19.	Герметизация.
20.	Испытание интегральных схем.
Готовая полупроводниковая интегральная схема представлена
на рис. 8-13. Рисунок представляет собой фотографию логической
149
схемы фирмы Моторола иа пластинке кремния. Схема содержит
шесть транзисторов, пять сопротивлений. После разделки пластины
такая схема монтируется в корпусе типа ТО-5 или в плоском
металло-керамическом корпусе типов Т-51 или Т-53 фирмы Texas
Instruments.
8-5. Эпитаксиальные методы в технологии интегральных схем
В настоящее время большое количество полупроводниковых
интегральных схем изготовляется с использованием эпитаксиаль-
ных методов выращивания монокристаллических слоев в кремнии
п~ или p-типа с необходимой концентрацией примесей в них.
Под эпитаксиальным процессом понимают такой процесс роста
слоя полупроводника из паровой фазы, в результате которого
выращенный слой полупроводника (в данном случае кремния)
/ является монокристаллическим и продолжает кристаллическую
решетку монокристаллической подложки. В этом случае монокри-
сталлическую подложку в первом приближении можно рассматри-
вать как готовый трехмерный зародыш. Атомы кремния, адсор-
бированные поверхностью, должны обладать достаточной свобо-
дой миграции по поверхности подложки для того,чтобы достройка
кристаллической решетки происходила равномерно по всей поверх-
ности. Миграция же свободных атомов увеличивается с увеличе-
нием температуры подложки, поэтому процессы эпитаксиального
выратцивания слоев, кремния на кремниевую подложку проводят
при высоких температурах (температура подложки примерно
1250° С и выше). Пленки кремния, выращенные при температурах
ниже 1050° С, получаются поликристаллическими. Процесс про-
водят в потоке водорода, который проходит вначале через зону
источника, включающую соединение, содержащее кремний. В про-,
мышленности чаще всего используется тетрахлорид кремния
SiCl4. Затем водород, содержащий пары SiCl4, поступает в зону,
в которую помещена подложка кремния. Здесь происходит процесс
восстановления четыреххлористого кремния водородом по следую-
щей реакции SiCl4 + 2П2 < -- Si + 4ИС1. Чистый кремний кристал-
лизуется на нагретой кремниевой подложке, а образованный
газообразный хлористый водород уносится потоком водорода
из зоны реакции. Реакция восстановления является обратимой.
В зависимости от различных технологических факторов скорость
осаждения может меняться и при определенных условиях дости-
гает максимальной величины. Так, например, вначале увели-
чение скорости потока приводит к повышению скорости роста. При
скорости потока порядка одного литра в минуту и молярной кон-
центрации, равной 0,1, скорость роста пленки достигает максимума.
При большей скорости потока водорода или большей концентрации *
SiCl4 скорость осаждения кремния уменьшается. Изменяя раз-
личные температуру, скорость потока и содержание SiCl4 в потоке, >
можно добиться достаточно точной регулировки процесса выра-
150
Рис. 8-14. Кремниевые планарные транзисторы:
а — неэпитаксиальный; б — эпитаксиальный.
1 — кремний; 2 — окись крехмния; 3 — эпитаксиаль-
ный слой Si; 4 — подложка Si с низким удельным
сопротивлением; 5 — объемный заряд неосновных
носителей; б‘ — сопротивление области коллектора.
щи в алия пленки с разбросом толщины слоев не более одного-двух
микрон. Оптимальное значение скорости роста пленки кремния
1,4—1,5 мкм!мин.
ч Чтобы эпитаксиально выращенные слои кремния можно было
использовать в практических целях, необходимо строго контроли-
ровать их удельное сопротивление. При использовании в качестве
источника тетрахлорида кремния, очищенного адсорбционным.
методом, получают пленки кремния n-типа с удельным сопротивле-
нием 20—100 ом • см. Для получения пленок кремния с более низ-
кими сопротивлениями в процессе выращивания пленки произвол
дят легирование. Соединение, содержащее атомы легирующей
примеси, вводят в поток водорода, обогащенного SiCl4. В зоне
реакции это соединение
разлагается. Атомы при-
меси внедряются в кри-
сталлическую решетку
кремния и легируют
пленку до необходимой
концентрации. В каче-
стве источника акцеп-
торной примеси обычно
используют соединение
бора с бромом (ВВг3).
Для получения элек-
тронной проводимо-
сти источником служит
треххлористый фосфор (РС13). Выбор в качестве источников при-
меси указанных соединений во многом определяется тем, что эти
соединения так же, как и SiCl4, являются жидкостями и имеют
давление паров, близкое к давлению пара SiCl4.
Известно, что существенным недостатком диффузионных тран-
зисторов является относительно высокое падение напряжения на
объемном сопротивлении коллекторной области. Не свободны от
этого недостатка и кремниевые планарные транзисторы, исполь-
зуемые в полупроводниковых интегральных схемах. Использова-
ние для планарных транзисторов пластин низкоомного кремния
с выращенной на них тонкой пленкой кремния с достаточно высо-
ким удельным сопротивлением позволяет значительно снизить
падение напряжения на объемном сопротивлении коллекторной
области. На рис. 8-14 показаны сечения кремниевых планарных
транзисторов на однородном по удельному сопротивлению кремния
и с эпитаксиально выращенным слоем. В случае неэпитаксиального
кремниевого транзистора в объеме материала коллектора накапли-
вается большой объемный заряд, который приводит к увеличению
времени переключения.
Сопротивление материала приводит к появлению большого
объемного сопротивления коллектора и, следовательно, к большим
падениям напряжения на нем.
151
Планарный транзистор, изображенный на рис. 8-14,6, обладает
малым падением напряжения на коллекторной области и большим
быстродействием, так как .в низкоомном материале происходит
быстрая рекомбинация носителей и, следовательно, отсутствует
большой объемный заряд. На рис. 8-15 приведены температурные
зависимости напряжения коллектор — эмиттер эпитаксиального
Рис. 8“ (5. Зависимость напряжения на-
сыщения коллектора эпитаксиального и
неэпитаксиального транзисторов от тем-
пературы.
и неэпитаксиального планар-
ных транзисторов. Как видно
из рисунка, при комнатных
температурах эти напряже-
ния различаются примерно в
два раза. С повышением тем-
пературьр разница увеличи-
вается еще больше.
Использование эпитакси-
альной технологии
ственно упрощает также
технологию изоляции отдель-
in
ных элементов интеграль-
ной схемы, находящихся на
одной пластинке кремния.
Для этого на пизкоомную
подложку кремния одного
знака проводимости нара
вается эпитаксиальная пленка высокоомного кремния противо-
положного знака проводимости толщиной 10—30 мкм. Далее
методами? изложенными в § 11-2, проводят в э
таксиально
 I5J
выращенный слой селективную диффузию примеси в пластинку
кремния на глубину, равную толщине слоя. Примесь выбирается
такой, чтобы электропроводность диффузионной области совпадала
с типом электропроводности низкоомной подложки. В результате
в кристалле кремния образуются области одного знака проводи-
мости, отделенные друг от друга областями кремния с противопо-
.ложной проводимостью.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ПОЛУЧЕНИЕ ОКИСНЫХ ПЛЕНОК НА КРЕМНИИ
а
9-1. Роль окисных пленок в технологии полупроводниковых
интегральных схем
Окисные кремниевые пленки играют значительную роль
в изготовлении и защите полупроводниковых приборов. Значение
их особенно возросло после того, как было обнаружено их маски-.
152	•	'
руюЩеё (защитное) свойство от действия паров раёличйых^диффуй-
дирующих в кремний элементов (бора, фосфора, сурьмы и др.).
В технологии производства полупроводниковых планарных крем-
ниевых приборов и интегральных схем п$|цесс окисления является
одним из основных технологических процессов. Как видно из § 8-4,
термически выращенный слой используется для маскировки
поверхности пластины кремния при проведении изолирующей
диффузии, при диффузии примесей, с помощью которых создаются
базовые и эмиттерные области транзисторов, анодные или катодные
области диодов и ди
кремния является изолирующим основанием для омических
контактов и проводящих металлических соединений, которые
создают на окисленной поверхности пластинки кремния методом
вакуумного напыления и фотолитографии. Кроме того, пленка
двуокиси кремния хорошо защищает р-п-перехбды активных
и пассивных элементов полупроводниковой интегральной схемы
от действия окружающей среды.
В последнее время окисные пленки кремния начали широко
использовать для диэлектрической изоляции элементов (см.

узионные сопротивления.. Слой двуокиси
iilmi
Требования к качеству окисных пленок кремния особенно
возрастают при конструировании интегральных схем, основными
элементами которых являются кремниевые планарные полевые
транзисторы с изолированным затвором. В таких транзисторах для
изоляции затвора от канала используются пленки двуокиси
кремния толщиной 1000 А и даже меньше, к которым предъявля-
ются высокие требования по однородности и отсутствию каких-либо
дефектов структуры.
Все сказанное позволяет заключить, что процесс получения
пленок двуокиси кремния является одним из основных технологи-
ческих процессов при изготовлении Интегральных схем.
Имеется несколько способов получения окисных пленок на
поверхности кремния:
1.	Распыление кремния в окисляющей среде в условиях соответ-
ствующего разрежения.
2.	Анодный электрохимический процесс.
3.	Термическое окисление.
4.	Кислородная плазма при низких температурах подложки.
Ив перечисленных способов в технологии интегральных схем
в настоящее время используется исключительно метод терми-
ческого окисления. При этом имеются две разновидности способа
термического окисления, которые отличаются механизмом и кине-
тикой процесса.
Первый — высокотемпературное окисление в атмосфере сухого
кислорода или увлажненных газов (кислорода, азота, аргона) при
атмосферном давлении; второй — окисление кремния в парах воды
высокого давления (25—500'шплО при сравнительно невысоких тем-
пературах (порядка 500—900° С).
153
состояла из SiO*6. Это указывает на то, что выдержка пленки SiO2,
содержащей один изотоп кислорода, в паре с другим изотопом
приводит не только к росту новой пленки с ноГвым изотопом, но и
к изменению уже существующей пленки вследствие кислородного
обмена.
В данном случае скорость обмена сравнима со скоростью роста
пленки, так как полный обмен имел место при наращивании новой
пленки почти такой же толщины, как первоначальная толщина
пленки.
Если же, например, пленка SiO*0 толщиной 7700° А окислялась
в парах воды, на 90% состоящей из D2O18 при температуре 650° С
и давлении 120 атм, то в результате такого окисления изотоп О18
оказывался однородно распределенным по всей толщине получен-
ного окисла. При этих условиях имело место 30%-е изотопное
замещение, однородно распределенное по толщине, хотя оконча-
тельная толщина пленки была 7900А, т. е. увеличилась всего
о
лишь на 20СМк.
Такой результат можно понять, предположив, что подвижные
кислородные группы, имеющие очень большое значение коэф-
фициента диффузии, диффундируют в пленку окисла от границы
раздела окисел — газ и распределяются в ней равномерно в течение
процесса окисления. Одновременно происходит обмен атомами
кислорода между окислом и указанными кислородными груп-
пами.
Этот обмен показывает, что в процессе роста окисла не происхо-
дит диффузии кремния к границе раздела окисел — окислитель.
Это противоположно механизму окисления для систем металл —
окисел. В таких системах перемещение металлического иона
(или его вакансии) является механизмом, управляющим процессом
роста окисла.
При окислении кислородом замечено, что скорость обмена при
950° С и 1 атм много мены
е, чем для пара при 120 атм и 650° С.
и
Кроме того, скорость кислородного обмена при окислении кислоро-
дом и скорость роста пленки близки по величине. Заметный сдвиг
мог быть получен ли
и
ь при достаточно продолжительном окисле-
нии (30 ч).
Этот результат отличается от случая окисления в паре, где
значительный сдвиг получался при очень малом росте пленки. При-
нимая во внимание такое различие, можно заключить, что диффун-
дирующие группы для двух типов окисления не те же самые.
Изучение механизма кислородного обмена между паром высо-
кого давления и окислом показало, что скорость обмена пропор-
циональна давлению пара. Это исследование позволило заключить,
что диффундирующие кислородные группы, ответственные за
обмен, — это «промежуточная» вода, т. е. вода в пленке окисла,
находящаяся в динамическом равновесии с водой в газовой среде.
Предполагают следующий обмен, включающий две реакции.
Первая представляет быструю -реакцию между молекулой
155
«промежуточной» воды и «мостиком» кремний — кислород с об-
разованием двух групп:
D2O18 + Si — О1® — Si 6—Si — OieD + DO18 — Si. (9-3)
За ней следует медленная реакция конденсации воды из этой пары
с образованием мостика с обменным атомом кислорода
Si — O16D + DO18 — Si мед™ Si — О18 — Si + D2O16. (9-4)
На основан
пленки представляется следующим. При высоких давлениях
и умеренных температурах вода растворяется в окисной пленке
и находится в равновесии с водой в газовой фазе. Сам процесс
окисления — это реакция между молекулами воды, растворенной
в пленке окисла, и Si
кремний, с ^образованием мостика кремний — кислород и
кулы водорода.
Реакция такова:
Н«О (SiO,) -I- Si — Sf-> Si -1—“ Si
[ этих исследовании механизм роста окиснои
Si связью на границе раздела окисел —
моле-
Si —О— Si + H2(SiO2).
Структура окисной пленки может быть представлена в
_ ОН+ — ОН+
(9-6)
интерференционные
tx энергии и гамма-лучах. Получен-
III'.
ЗОН
ЭИ1
Гидроксильные группы, как правило, присутствуют на поверх-
ности.
Изучение структуры пленки двуокиси кремния SiOa дифракцией
рентгеновских лучей и в оптическом микроскопе показало отсутст-
вие кристаллических структур и дало
спектры, схожие со спектрами плавленого SiO2. Изучались также
абсорбционные спектры в ультрафиолетовой, видимой области,
в рентгеновских лучах боль	—
ные , спектры свидетельствуют о высокой чистоте пленок.
Для различных форм некристаллического SiO2 получены
следующие значения коэффициента преломления для термически
выращенных пленок SiO2 на пластинках кремния: 1,452—1,458
для бпала (SiOa НаО), п=1,40—1,46 для природной стекло
видной формы SiO2f п-1,458—1,462 — для термически выращен-
ных слоев SiO2.
Таким образом, можно заключить, что термоокислы имеют
такие же коэффициенты преломления, как и у опала.
9-3- Окисление кремнии в парах воды при повышенном давлении
Процесс окисления кремния в парах воды высокого давление
подробно изучен в работах Лигенза и Шпитцера.
Изучалось окисление кремния в диапазоне температур от 500° О
до 850° С при давлениях пара 25—500 атм.
156
Окисление проводилось «в бомбах», облицованных внутри
золотом. «Бомбы» помещались в печь с соответствующей темпера-
турой. «Бомбы» имели вид цилиндров диаметром 15 мм и длиной
6,5 мм с толщиной стенок 3 мм. Внутренний объем «бомбы» состав-
лял 0,6 см9. «Бомбы» рассчитывались таким образом, чтобы при
комнатной температуре они выдерживали давление 500 атм.
а при Т—850° С — 100 атм. Печь представляла собой нихромовый
куб, нагреваемый с каждой из своих сторон независимо контроли-
руемыми плоскими нагревателями. Куб содержал 10 отверстий,
в которые вставлялись «бомбы». Они нагревались до температуры
печи в течение 5 мин.
За это время вода успевала перейти в газовую фазу и создавала
необходимое давление. Количество воды, вводимое в «бомбу»,
рассчитывалось исходя из величины объема «бомбы» и давления
пара. Точность дозировки воды 0,5%, точность определения давления
пара порядка 1 %. падение давления пара за счет взаимодействия
с кремнием было незначительным и не выходило за пределы
точности определения давления.
Для окисления брались образцы р- и n-типов кремния,
удельное сопротивленце которых изменялось от 0,5 до 10 ом-см.
площадь образцов порядка 1 см2.
Пластины кремния слегка травились в смеси HNOS и HF
в соотношении 10:1 до получения зеркальной поверхности.
Непосредственно перед окислением кремний и «бомбы» от
1Ш1
лись кипячением в азотной кислоте с последующей промывкой
в кипящей дистиллированной воде.
Опыты показали, что рост пленки окисла при высоких давле-
ниях пара происходит линейно во времени. Образующиеся пленки
однородны и аморфны.
Линейная кинетика наблюдалась в диапазоне температур от 500
до 850° С при дав лениях р —25—400 атм для времени окисления
от 0,5 до 8 ч. Было установлено, что скорость роста окисла пропор-
циональна давлению пара.
В табл. 9-1 представлены экспериментальные значения скорости
роста слоя окисла, приведенной к атмосферному давлению
dx 1
• - —
dt р
IT
[К мин1 атм1] при различных температурах.
Таблица 9-1
Темпера-
тура, °C
Диапазон
давления,
атм
dx 1 о
’^7’---{А мин^ атм~-1)
at р
‘ 500
575
650
700
850
100—400
50—400
50—300
25—80
20—60
0,039 ± 0,014
0,19 ± 0,03
0,19 ± 0,04
1,14 ± 0,03
4,00 + 1,10
* I
157
Следует отметить, что при любой данной температуре, начиная
с некоторого достаточно высокого давления, наблюдается уменьше-
ние скорости окисления в процессе роста пленки окисла, а при
достижении некоторого давления, называемого критическим, рост
окисла вообще прекращается. Это объясняется растворимостью
окисла в паре высокого давления.
В табл. 9-2 представлены величины критических давлений для
различных температур.
Таблица 9-2
Температура, !
°C
Критические
давления*,
атпм
Температура,
сС
Критические
давления*,
атпм
500
575
650
500
500
400
750
850
I
200
150
* С точностью -50 атм.
Выло также замечено влияние степени легирования кремния
на скорость роста пленки окисла. Так, на пластине кремния с по-
верхностной концентрацией фосфора 1021 см 3 при 850° С и давлении
пара 120 атм за 1 ч получена пленка окисла толщиной 20 000А,
тогда как при этих же условиях на высокоомном материале вырас-
тала пленка толщиной всего лишь 3500А. МеханизхМ окисления
в парах воды изложен в § 9-2.
Установлено, что скорость окисления равна
AS
Q. 7f ’
(9-7)
где Q — коэффициент преобразования (О—3,673 • 1012); К — пос-
тоянная скорости окисления; &Е — энергия активации окисления;
No — число Авогадро; R — универсальная газовая постоянная;
А5 и ЛЯ — энтропия энергии и энтальпия растворения воды
в окисле, соответственно; р — давление пара; Т — темпера-
тура в °К.
Величина N характеризует влияние ориентации поверхности
на скорость окисления. Эта величина N определяется в основном
плотностью связей по поверхности кремния, особенностью их
конфигурации и тем, что эффективный диаметр .молекулы воды
оказывается достаточно большим, чтобы экранировать соседние
связи в момент реакции. Чем больше плотность связей, тем больше
скорость окисления при прочих равных условиях. Уравнение
(9-7) соответствует экспериментальным данным.
Исследование влияния ориентации поверхности на скорость
окисления в парах высокого давления показало, что скорость
окисления кремния убывает в порядке следования плоскостей
158
(d 10), (111). При этом множители K'N в формуле (9-7) относились
как 1,00 : 1,3, а энергии активации были соответственно равны
28,4 ±0,5; 29,8 ± 0,7 ккал!моль. Исследование проводилось в диа-
пазоне температур 500—800° С при давлениях пара 40—150 атм
на образцах кремния, ориентированных по плоскостям (110), (111).
Скорости окисления кремния для этих плоскостей ориентации
могут быть выражены следующими формулами
dx
di НО)
28,4 J 0,5
= (3,3±l,l).109fe
dx
dt (111)
29,8-1 0,7
= (4,4±l,9)-109Je	,
(9-8)
(9-9)
doD	°
где — скорость окисления, К! мин;
С*
р — давление, атм\
Т — температура, °К.
Следует также отметить большое значение предварительной
очистки пластин кремния от всякого рода загрязнений, которые
вызывают появление различных дефектов в пленке окисла.
Исследование процессов окисления кремния в парах высокого
давления показало, что в процессе такого окисления образуются
однородные аморфные пленки двуокиси кремния с 'плотностью
около 2,2 г 1см3,
При умеренных давлениях рост пленки окисла линеен во
времени, прямо пропорционален давлению пара и экспоненциально
зависит от температуры при энергии активации около 30 ккал!моль.
Скорость окисления зависит от ориентации поверхности крем-
ния значительно больше для сильно легированного материала
(вблизи области вырождения), чем для высоко чистого.
9*4. Термическое окисление кремния в сухом и влажном
кислороде и в парах воды при атмосферном давлении
При окислении кремния в парах воды с давлением от 1 до
16 ммрт. ст, при температурах до 1000° С наблюдается параболи-
ческий закон роста пленки окисла с энергией активации
40 ккал!молъ.
8	_ 1,7q
X2 = 2,5.1013pH*ote	(9-10)
где q — заряд электрона, к; х — толщина окисла, А; р — давле-
ние пара, атм\ t — время окисления, мин.
Процесс окисления кремния в атмосфере кислорода также
описывается параболическим законом:
х^ К1.
(9-11)
где К — постоянная,
зависящая
от
температуры окисления
и давления кислорода.
159
Энергия активации Зга же самая, что и для пара, 40 ккал/молъ\
при давлении кислорода до 1 атм К пропорционально р4'8.
Для пленок с толщиной в пределах от сотен до тысяч ангстрем
процесс окисления может быть описан следующим уравнением:
4
x2-8,4.1010p5^
(9-12)
Единицы измерения те же, что и в уравнении (9-10). Уравнение
(9-12) не справедливо в начальной области процесса (для пленок
толщиной до нескольких сот ангстрем). В этой области кинетика
процесса носит более сложный характер.
На рис. 9-1 представлена экспериментальная кривая, характер-
ная для начального периода роста пленки окисла. В этом случае
Рис. 9-1. Экспериментальная
кривая, характерная для на-
чального периода роста окисла.
окислялась поверхность кремния,
ориентированная в плоскости (100),
при 844° С и давлении кислорода
62 мм рт. ст.^ В начальной стадии
роста пленки окисла при толщине
от 15 до 60 А (5—20 молекулярных
слоев окисла) наблюдается парабо-
лический рост ее толщины^ (я2—#^),
далее до толщины в 100 А следует
линейный участок (x=a2t~\-b2) и, на-
конец, до толщины в 200 А процесс
роста подчиняется квадратичному
уравнению
ж2 -|- с3х —	(9-13)
Пленки окисла были в основном
однородны и непрерывны. Наблюде-
ния дифракции электронов на плен-
ках окисла показали, что окислы имеют аморфную структуру.
Удельное сопротивление, измеренное в поперечном направлении,
оказалось больше, чем 101е ом *см при 25° С, электрическая проч-
ность 5 * 10*—10 ♦ 10е в! см, диэлектрическая постоянная около 4.
Необходимо отметить большое значение предокислительной
о1
г» С
стки пластин кремния от всякого рода загрязнений, из которых
в процессе роста пленки окисла формируются кристаллиты,
хорошо видимые в микроскоп, если выращенная пленка была
достаточно толстой. Кроме того, наблюдается прерывистость
в пленках, обусловленная наличием поверхностных несовершенств,
которые препятствуют однородному росту окисла. Эти несовер*
н
енства хорошо выявляются путем обработки окисленных пластин
в атмосфере хлора при температуре 900° С. При этом наблюдается
быстрое травление кремния на участках, не покрытых окислом
(с окислом хлор не взаимодействует).
Была исследована кинетика окисления в «открытой» системе
при атмосферном давлении и температуре 1200° С. Установка для
1«0
проведения термического окисления кремния и открытой системе
приведена на рис. 9-2. Пластинки кремния помещаются внутрь
кварцевой трубы в зону нагрева с постоянной температурой
(Т7 = 1100 —1200° С). Один конец кварцевой трубы соединен с сосу-
дом-увлажнителем с деионизованной водой, через которую может
пропускаться газ (кислород, азот, аргон). Температура увлажни-
теля 4 стабилизируется нагревателем специальной конструкции.
В случае необходимости увлажнитель может быть отключен и пред-
варительно осушенный кислород может поступать непосредственно
Рис. 9-2. Установка для термического окисло:
я кров
:я в пото-
ке газов.
1 — кварцевая труба; 2 — силитовые стержни; 3 — пластинки кремния;
4 — кассета; 5 — кожух печи; 6 — увлажнитель газов; 1 — ротаметры;
8 — краны.


в кварцевую трубу. Регулировка температуры в зоне окисления
производится с точностью ±1° С. Для регулировки расхода газа
на входе установлены ротаметр и редуктор.	;
В качестве .окисляющих сред использовались: 1) осушенный
кислород, 2) кислород, насыщенный парами воды при температуре
28 и 85? С, 3) аргон, насыщенный парами воды при температуре
28 и 85° С, 4) пары воды.
Для всех случаев, за исключением окисления в паре, скорость
потока газа была равна 1 л/мин. Окислялись пластины кремния
p-типа, ориентированные по плоскости (111) с удельным сопротив-
лением 1—20 ом *см, полированные механически и химически.
Работы по исследованию влияния поверхностной обработки
на скорость окисления кремния показали, что травленая поверх-
ность окисляется в сухом кислороде быстрее, чем механически
полированная. Для всех случаев окисления при 1200° С
6 Р. А. Гаврилов, А. М. Скворцов	161
выполнялся параболический закон роста толщины пленки окисла
=== Kt. Зависимости толщины пленки окисла от времени окисления
даны графически па рис. 9-3 и 9-4.
Рис. 9-3. Зависимость толщины
пленки окисла от времени окисле-
ния в атмосфере сухого и влаж-.
ного кислорода.
1 —кислород, насыщенный паром воды
при t = 4- 85® С; 2 — кислород, насы-
щенный паром воды при t = 4- 28° С;
3 — сухой кислород.
Рис. 9-4. Зависимость толщины окисла
от времени окисления для паров воды
и влажного аргона.
1 — пары воды; 2 — аргон, насыщенный па-
рами воды при t ~ 4- 85° С; з — аргон, на-
сыщенный парами воды при <=*-{- 28° С.
В табл. 9-3 приведены значения постоянной скорости окисления
1см. уравнение (9-11)] для различных условий окисления.
Таблица 9-3
Окисляющая среда
Постоянней скорости
окисления, А 2/сек
Сухой кислород......................
Кислород, насыщенный парами воды:
при 28° С........................
» 85° С.........................
Пары воды...........................
Аргон, насыщенный парами воды:
при 28° С............-...........
> 85е С.........................
7,6 -104
12,2 -104
87,0 -104
130-104
5,8 -104
121•104
I
Рассмотрение картины дифракции электронов показало, что
окислы, полученные различными способами, аморфны. Коэффи-
162
циенты преломления термически выращенных различными спосо-
бами окисных пленок очень близки и понижаются при новы]
и
ении
концентрации воды в окислительной атмосфере (табл. 9-4).
Таблица 9-4
Окисляющая среда
Коэффициент
преломления
Сухой кислород...................
Кислород, насыщенный парами воды:
при 28° С.....................
» 85е С......................
Пары воды........................
Аргон, насыщенный парами воды:
при 28° С.....................
» &5°С........*..............
1,458
1,458
1,455
1,452
1.458
1,455
Для получения более полных данных по окислению монокри-
сталлов кремния проводилось также окисление кремния п-типа
с удельным сопротивлением 1,5—2,5 ом-см. Процесс проводился
в потоке сухого и влажного кислорода, а также в парах воды
в интервале температур 1000-^1200° С. Цластинки кремния
ориентировались в кристаллографической плоскости (111).
Перед окислением пластины очищались в органических раство-
рителях и неорганических кислотах. Затем следовала промывка
в плавиковой кислоте и деионизованной воде. Во всех трех случаях
наблюдалась параболическая зависимость скорости роста пленки
окисла от времени в указанном интервале температур. Скорость
Таблица 9-5
Окисляющая среда
Темпера-
тура
окисления,
сС
Постоянная
окисления,
Л€КЛ€2/Л€НН
Скорость
изменения
веса слоя
окисла,
мТ^см? • мин
Кислород сухой.................
То же...................
Кислород, насыщенный парами воды
при 95° G ....................
То же. ..... *..............	. .
Пары воды......................
То же..........................
1000
1200
1000
1200
1000
1200
1,48 • 10~4
7,64 • 10г4
38,5 • 10~4
117,5-10“4
54,5 • 10“4
159,0 • 1(Г4
0,077 • 10~4
0,351 • 10~*
1,82 • 10~4
5,72 -10~4
2,35 • 10-4^
6,67 -10-4
окисления пара самая боль
для сухого кислорода — самая
низкая. В табл. 9-5 приведены данные для этих трех вариантов
окисления кремния.

6*
163
Таблица
Окисляющая среда
Температура
окисления.
'С
Время получения
толщины, мин
0,5 мкм 1,0 мкм
Кислород сухой......
То же...............
Кислород влажный . . .
То же.... ..........
Пары воды . . ......
То же...............
1000
1200
1000
' 1200
1000
.1200
1800
320 ..
70
22
55
16
1320 .
252
85
195
60
а
В табл. 9-6 представлены экспериментальные результаты иссле-
, дований, которые могут быть легко использованы для практи-
ческих целей.
На рис. 9-5 приведена зависимость роста толщины пленки
окисла от времени окисления при
Рис. 9-5. Зависимость роста толщины
окисла от времени окисления во влаж-
ном кислороде (температура воды +
+ 95° С).
1000 и 1200° С во влажном
кислороде. Разброс значений
толщины слоев окисла для
сухого и влажного кислоро-
да в экспериментах состав-
лял ±4%.
Для случая окисления в
паре разброс по толщинам
получается большим и он
сильно . зависит от условий
эксперимента.
Было обнаружено, что
окислы, полученные во влаж-
ном кислороде, почти не
имеют дефектов, в то время
как на окислах, полученных
в паре, их было сравнительно
много. Оказалось также, что г
окислы, полученные в атмо- *•
сфере сухого кислорода, более чувствительны к очистке по-
верхности перед окислением, и образцы, подвергнутые «хлор-
ному травлению», были или почти свободны от дефектов, или
сильно поражены.
Измерения плотности (табл. 9-7) показали, что плотность
окислов, полученных окислением в паре, несколько ниже, чем
в кислороде. Следует заметить, что никаких изменений в кинетике
или свойствах окисла для п- и р-кремния с удельным сопротивле-
нием 0,001—50 ом-см не было обнаружено.
Наблюдался эффект поверхностной ориентации. Скорость оки-
сления плоскости (100) несколько ниже, чем плоскостей (111) и
(110), особенно при более низких температурах.
164
Таблица 9-7
Окисляющая среда
Температура
окисления, еС
Плотность слоя SiOs,
г 1см9
Кислород сухой..........
То же...................
Кислород влажный........
То же...................
Пары воды...............
То же...................
1000
1200
1000
1200
1000
1200
2$l
2,15
2,18
2,21
2,07 (2,0—2,2)
2,05 (2,0—2,2)
. Теоретический анализ показывает

Следует отметить явление перераспределения примесей, сопро-
вождающее процесс термического окисления кремния.
В процессе роста окисла электрически активные примеси
вблизи границы раздела кремний—окисел перераспределяются
между окислом и полупроводником в соответствии с коэффициен-
тами сегрегации и ди
что при окислении компенсированного кремния вблизи поверх-
ности могут образовываться р-п-переходы.
Необходимо заметить, что окислы, полученные в сухом кислоро-
де, значительно более чувствительны к предокислительной обра-
ботке, так как незначительное загрязнение поверхности приводит
к появлению дефектов.
Процесс окисления в паре менее воспроизводим и получаемые
окисные пленки обычно менее совершенны, хотя скорость роста
окисной пленки в данном случае наибольшая. Этот процесс
может быть улучшен при введении строгого контроля режимов
окисления (температуры источника пара и температуры оки-
сляемой пластинки кремния).
JiTifi
9-6. Маскирующие свойства пленок двуокиси кремния
Важное свойство слоя окиси кремния, выращенного термиче-
ским методом, — маскировка поверхности пластин кремния от попа-
узии легирующих примесей в объем кремния.
Проникновение, атомов, диффуз анта (бора, фосфора, сурьмы и др.)
в кремний определяется глубиной перехода и величиной поверх-
ностного сопротивления. В табл. 9-8 показана способность пленки
SiO2 защищать поверхность кремния от попадания на нее атомов
фосфора при диффузии .фосфора. Для контроля одновременно
проводились диффузии фосфора в неокисленные образцы.
Из таблицы видно, что для полной маскировки необходима
толщина пленки окисла в один микрон, для окисла, полученного
во влажном кислороде (данные таблицы^ соответствуют этому
случаю). Для окисла, полученного в паре, для полной маскировки
необходима толщина 1,15 лекле.
Таблица 9-8
Неонисленные контрольные образцы
Окисленные образцы
Поверх-
ностное
сопротивле-
ние, ом/О
Толщина
диффузион-
ного слоя,
мкм
Поверх-
ностная
концентра-
ция фос-
фора, см~3
Толщина
пленки
окисла,
с
А
Поверх-
ностное
сопротивле-
ние, ом/а
Толщина
диффузион-
ного слоя,
мкм
Поверх-
ностная
концентра-
ция фос-
фора, см 3
0,69 .
0,71
0,69
6,73
6,15
6,15
Приведенные
1,6 • 1021
1,2 • 1021
1,3 • 1021
6 500
9100
12500
5,8
2,0
полная
защита
полная
защита
4,4 • 1020
совпадают с данными рис. 9-6, где
результаты
’ показаны маскирующие свойства пленок двуокиси, кремния при
диффузии фосфора. Диффузия проводилась в одну стадию при
температуре-(-1150° С из источника, содержащего Р2Об и находя-
щегося при температуре -[-260° С. Время ди
Из рисунка, так же как и из таблицы, видно, что для защиты от
узии фосфора достаточна
пленка, полученная в атмосфе-
ре влажного кислорода, тол-
щиной 1 мкм.
При диффузии бора полная
маскировка достигается пленка-
ми окисла толщиной 0,4 мкм.
Для неокисленного же образца
глубина р-п-перехода для про-
эти
Э1Т1Г
узии — 145 мин.
Толщина пленки окисла, мкм
Рис. 9-6. Маскирующее свойство оки-
слов кремния при диффузии фосфора.
Э1Т1£
Э1Т1Г
зии равна 12 мкм. Одной из
возможных причин, объясняю-
щих защитные свойства окис-
ных пленок, являются значи-
тельно менЫпие коэффициенты
узии некоторых примесей в пленке окиси по сравнению с коэф-
фициентом диффузии их в кремнии. В настоящее время нет дан-
ных о непосредственном измерении коэффициентов диффузии в
окисных пленках, однако косвенные данные свидетельствуют
о различных коэффициентах диффузии.
Защитные свойства окисной пленки данной толщины зависят
от температуры диффузии, коэффициента диффузии примеси
в кремнии и пленке двуокиси кремния и времени диффузии.
9-6. Определение толщины окисного слоя на пластинках кремния
Как уже упоминалось в предыдущем параграфе, защитные
свойства пленок двуокиси кремния во многом определяются
толщиной пленки, полученной методом термического окисления.
166
Поэтому естественно, что определение толщины пленки является
важной технологической операцией при изготовлении поллшровхш^
никовых интегральных схем. Для измерения толщины Жёшх
пленок может быть использовано несколько методов, основные
из которых следующие:
1)	метод микробалансного взвешивания;
2)	метод измерения хорды лунки (см. § 11-3);
3)	методыjjgyxлучевой или многолучевой интерференции;
Кроме перечисленных методов, существуют и другие, например,
фотометрический, оптический поляризационный метод, радио-
активный и расчетный. Однако, последние методы в практике
производства полупроводниковых интегральных схем не приме-
няются.
При использова
определяется вес »
(PJ, измеряются диаметр
считыва
вес паяй
в плавиковой
изменение веса при

ся
жадь
юсле i
кислоте
метода микробалансного взвешивали
после чего под-
ем определяете
Р2) и после стравливания теаажЭ
р дает возмож
определить
Точность веса на единицу площади может быть получена±0,5%
для толщины пленки окисла 1 мкм. Плотность окисной пленки
принимается равной 2,2 г 1см?. При использовании этого метода
было установлено, что при окислении в окисел переходит слой
кремния толщиной 0,44 от толщины окисной пленки. Погрешность
при определении толщины пленки SiO2 по этому методу не превы-
шает единиц процентов.
^^Методьц использующие явление интерференции волн, отражен-
ных от различных поверхностей, являются классическими и
широко используемыми в исследовательской практике. Метод
многолучевой интерференции основан на получении интерферен-
ционных линий в белом свете при многократном отражении луча
между двумя - близко расположенными полупосеребре
BCpXHOCTHMH.jm
ности
после чего
о
II
кыми по-
__________________________й поверх-
защищают слоем вр^ка^Дйи фоторезиста,
иного участка
роведения измерений часть р’
методом вакуум-
стравливают
буферном^траси-
юле, годи ртищем пливикиаую пиацну. С участка пластинки,,
на котором сохрани лся^окисел, удаляется защитный слой воска
или фоторезиста. Затем на поверхности
пого испарения наносят непрозрачный слой серебра или алюминия
толщиной более 500 А. На другую плоскопараллельную полиро-
ванную стеклянную пластинку напыляется полупрозрачный слой
серебра или алюминия толщиной до 100 А. Обе штастинки склады-
ваются посеребренными поверхностями внутрь, так чтобы между
ними образовался воздушный зазор. Чаще такие пластинки
167
Склеивают, используя тонкие стеклянные прокладки между йластип-
лами по краям. Затем держатель с пластинками устанавливается на
столик гониометра* Свет от источника проходит в виде узкой щели
через конденсор и падает на пластинки,
вают та
кВеЙШЙ
астинкц устанавли-
:^киЙГЧпюмния —
м образом, чтобы линия раздела
ыла перпендикулярна световой щели, интерференцион-
ная картина, имеющая вид параллельных ломаных линий, наблю-
" дается в отраженном свете, так как один из слоев непрозрачный.
Для смещенных относительно друг друга линий, соответствующих
разной ширине зазора между посеребренными пластинками,
имеют место следующие интерференционные соотношения
mX=2ndcos<p; |
mX1 = 2nd1cos(p1, J
где т — порядок интерференции (т=1,2,3
преломления воздуха; X и Xt — длины волн для m-порядка интер-
ференции соответственно при толщинах зазора d и ф — угол
падения луча на пластины.
Толщина измеряемой пленки
& = Х> (Xi X)
2п (Х2 — X) cos <р
где Xt — X — смещение интерференционных линий, выраженное
в длинах волн; Х2 — X — расстояние между соседними линиями
в длинах волн.
Бели выбирается монохроматический источник света (кварце-
вая .лампа, белый свет со светофильтром) и лучи монохромати-
ческого света направлены перпендикулд
нок, то выражение для толщины
следующий вйд:
п
(9-14)
.); п — показатель
определяется из формулы:
поверхности д^асти-
пленки будет иметь
Дж
(9-15)
где Дж — сдвиг интерференционных линий одного и того же
порядка; х — расстояние меясду соседними интерференционными
линиями; X — длина волны монохроматического света.
пользуя эту формулу, можно рассчитать толщину слоя,
после удаления части окисла и напыления
непрозрачного слоя серебра или алюминия на поверхность плада*
ejjegrjHOHHbix полос в слу*
рыта слоем обрела,
инк
тинки. На рис. 9-7 приведен ,в
чае, когда часть	______
а другая часть свободна от окисла. Вся пластинка покрыта напы*^
ленным непрозрачным слоем А1 или Ag. В этом случае в объектив^
интерференционного микроскопа будет наблюдаться серия паралй
лельных полос, представленных на рис. 9-7, б. Сдвиг иптерферен*
ционных полос Дж обусловливается наличием жна поверхностей
пдастинки грани	__
металла. Расстояние между
75"^°'
окисел кремния — кре
окрытой слоем!
двумя соседними линиями ж опреде^
и
ляется порядком интерференции. Величины Дж и х измеряются
в относительных единицах с помощью окулярного микроскопа.
Нижний предел измерения толщины описанным методом 40—160 А.
Точность измерений до 10 А. **’
Метод двухлучевой интерференции используют в интерферен-
ционном микроскопе Линника. В результате наложения двух
лучей одного, падающего с исследуемого образца, и другого
с эталонного зеркала микроскопа — за
счет разницы хода этих двух лучей в
фокальной плоскости объектива возникает
интерференционная картина.
Подготовка уитастицо кремния с укис-
. щщ/пленкой производится таким же обра-
зом, дак и в предыдущем случае. Вычис-

укис-
ление толщины пленки ведется по той же
формуле* В данном случае смещение интер-
ференционной полосы Дж обусловливается
только изменением толщины воздушной
прослойки до эталонного зеркала.
нриизйодстве дголупроводтах
интегральных схем наиболее шйро- \
*кое применение получил метод цветовых
оттенков Ньютона. Главные достоинства
метода — быстрота определения толщины
окисного слоя и отсутствие потребности
в специальной аппаратуре.
Метод заключается в наблюдении за
Рис. 9-7. Интерференция
монохроматического све-
та на границе окись
кремния—кремний: а —
металлизированная пла-
стинка кремния; б — вид
интерференционной кар-
тины.
появляющимся цветом окисной пленки на
поверхности окисла (наблюдение при нор-
мальном падении света) и определении тол-
щины сравнением с оттенками Ньютона.
При составлении таблицы цветов поль-
зуются формулой
1 — окись кремния; ' а —-
кремний.
S == 2nd cos v,
(9-17)
где б — разность геометрической траектории падающего и отражен*
ного луча; d — толщина окисла; п — показатель преломления
окисла; v — угол отражения.
При нормальном падении света
б == 2nd;
(948)
2п '
При п—1,5 (значение коэффициента преломления для. SiO<>)
d=6/3.
Шкала Ньютона дает б в зависимости от цветов. Поэтому,
определив цвет пленки, находят по таблице б, а затем и толщину
пленки d.	I
>	А
Таблица 9-9
Цвет
Показатель
интерферен-
ции
Разность
хода S,
Л1Л€КЛ1
Толщина
слоя
С
Красно-коричневый темный...........
Темно-фиолетовый...................
Индиго ............................
Голубой............................
Серо-голубой.......................
Голубовато-зеленый.................
Бледно-зеленый.....................
Желтовато-зеленый..................
275
281
306
332
430
505
536
551
6,0916
0,0936
0,1020
0.1106
0,1433
0,1683
0,1786
0,1836
Очень светло-зеленый..............
3 еленовато-же л тый..............
Золотисто-желтый..................
Оранжевый.........................
Коричневато-оранжевый.............
Светло-красный карминовый.........
Пурпурный.........................
Фиолетово-пурпурный ..............
Фиолетовый........................
Индиго............................
Темно-синий.......................
Зеленовато-голубой................
Зеленый...........................
II
565
575
589
664
728
747
826
843
866
910
948
998
1101
0,1883
0,1916
0,1963
0,2216
0,2426
0,2490
0,2753
0,2810
0,2886
0.3033
0,3160
0,3326
0,3670
Желтовато-зеленый.............
Грязно-желтый.................
Телесный......................
Коричнево-красный ........
Фиолетовый....................
Сероватый фиолетово-голубой . .
Зеленовато-голубой............
Зелено-голубой................
Тусклый зеленый х.............
Желтовато-зеленый.............
III
1128
1151
1258
1334
1376
1426
1495
1534
1621
1658
0,3760
0,3836
0,4193
0,4460
0,4526
0,4753
0,4983
0,5113
0,5403
0,5526
Зеленовато-желтый.................
Серо-желтый.......................
Красно-серый сиреневый............
Карминовый........................
Красно-серый......................
Серо-голубой .....................
Зеленый...........................
1682
1711
1744
1611
1927
2007
2048
0,5606
0,5703
0,5813
0,6036
0,6423
0,6690
0,6826
Бледный сине-зеленый................
Светло-красный......................
2338
2668
0,7493
0,8893
170
Все эти факторы могут неблагоприятно сказываться на характери-
стиках изготовляемого кремниевого прибора или интеграль-
ной схемы.
Следовательно, возникает необходимость в такой технологии
окисления, при которой толстые пленки двуокиси кремния вырас-
тали бы при низкой температуре и после очистки поверхность
кремния не подвергалась бы действию окружающей среды непо-
средственно перед окислением. Таким требованиям удовлетворяет
разработанный процесс окисления кремния в плазме кислорода»,
возбужденной СВЧ разрядом. Перед началом процесса окисления
выбором соответствующего режима поверхность пластинки бом-
бардируют ионами кислорода и таким образом производят
ее очистку.
Процесс окисления производят в вакуумной установке, о бес-’
печивающей вакуум 10 е мм рт. ст. Разрядная трубка выполнена^
из кварца. Безэлектродный разряд кислорода (плазма) поддержи-
вается в трубке энергией мощного СВЧ генератора. В плазме
находятся два кремниевых электрода: анод и катод. Анод при
напряжении, недостаточном для пробоя газа, вытягивает отрица-
тельные ионы кислорода к своей поверхности. Катод служит
только коллектором тока. Электроды разнесены на расстояние
25 см и изготовлены из низкоомного кремния (р=0,1 ом * см).
Окисляемая пластинка кремния помещается на анодном
электроде, после чего производится откачка системы до давления
10"6 мм рт. ст. Затем система заполняется кислородом до получе-,
ния давления 0,4—1,5 мм рт. ст. Высокочастотным генератором
мощностью 300—1000 вт создают разряд, который в начальный
период состоит из линий и зон, обусловленных наличием в системе
окиси углерода и воды, а также некоторого количества кислорода.
Возникновение в системе соединен
вследствие йзаимодействия кислородной плазмы с органическими
материалами на поверхности трубки и электродов. Поэтому после
создания плазмы снова производят откачку системы, вновь пускают
кислород и возбуждают разряд. Этот процесс проводят несколько
раз, до тех пор, пока в трубке не будет достигнут разряд только
одного кислорода. В установившемся кислородном разряде слабого
красного свечения вдоль оси трубки наблюдаются области перемен-
ной интенсивности. Расстояние между областями равной интенсив-
ности равно примерно 2 см. Скорость окисления .оказывается
максимальной при данной температуре и давлении, когда область
минимальной интенсивности совпадает с анодной поверхностью.
В этом случае у анодной поверхности на расстоянии 0,5 см от неё
наблюдается яркое белое свечение. Чем больше интенсивность
этого свечения, тем больше скорость окисления.
Предполагают, что ответственными за процесс окисления
являются отрицательные ионы кислорода. Источником таких
отрицательных ионов является плазма, так как известно, что
в плазме средней плотности основным отрицательным ионом
172
CO, CO2, H2O и O2 возможно
является О . В отсутствие внешнего напряжения на электродах
скорость роста пленки окисла не подчиняется параболическому
закону (рис. 9-8). Как видно из рисунка, при этом наблюдается
некоторая предельная толщина пленки, в зависимости от темпера-
туры и условий разряда. Кривая/ представленная на рис. 9-8,
получена при давлении кислорода в системе 0,5 мм рт. ст. на
пластинке кремния толщиной 0,1 см. Мощность генератора СВЧ
равнялась 300 вт. На тонких образцах слой окисла вырастает
медленнее, чем на толстых. Например,
на образцах толщиной
0,05 см и менее слой образуется за 20—30 мин, тогда как на плас-
4000
3000
2000
1000
X г					 г	
		1 1	i 1	
				t
0	10	20	30	40 мин
Рис. 9-8. Зависимость толщины
пленки окисла от времени окисле-
ния в плазме кислорода без по-
стоянного смещения.
Рис. 9-9. Зависимость толщины
пленки окисла от времени окисле-
ния в плазме кислорода с достоян-
ным электрическим смещением.
такой же толщины вырастает
тинках толщиной 0,1 см пленка
менее чем эа 10 мин.
Если же к электродам приложено постоянное напряжение
величиной от 30 до 90 в, окисная пленка растет на аноде по парабо-
лическому закону. Изменение напряжения в этой области напряже-
ний не влияет на скорость роста. На рис. 9-9 представлена кривая
зависимости толщины слоя окисла от времени окисления в плазме
кислорода при температуре подложки^ кремния порядка 270° С
и при давлении кислорода в системе 0,6 мм рт. ст. Кривая
подчиняется зависимости
х2 = 3,4 • 10BZ.
г
Параболический закон роста окисной пленки на кремнии объяс-
няется ограниченной диффузией кислорода к поверхности кремния.
Большие скорости окисления, наблюдаемые при окислении в
плазме, можно объяснить очень боль
ионов О-, способных быстро диффундировать через пленку.
Таким образом происходит «забивка» отрицательными ионами
кислорода окисной пленки. Параболическая скорость роста
173
м градиентом концентрации

зависит от давления кислорода, возрастая при увеличении давле-
ния от 0,5 до 1, 5 мм рт. ст.
При окислении пластин кремния в плазме кислорода, когда
температура подложки равна 270° С и давление 0,5 мм рт. ст.,
пленка окисла толщиной в 7000А вырастает за один час. В случае
термического окисления кремния пленка толщиной 6000А полу-
чается за 90 мин при температуре 1100° С.
Если на поверхность окисляемой пластинки кремния поместить
какой-либо материал, который не реагирует с кремнием и на кото-
рый не воздействует разряд, то происходит маскирование. На
защищенных участках'окисная пленка не образуется.
Как уже упоминалось выше, плазменным методом можно
производить травление слоя окисла. Скорость удаления такйм
способом пленки окисла может достигать нескольких сотен ангст-
рем в минуту.
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ФОТОЛИТОГРАФИЯ
10-1- Роль фотолитографии в технологии полупроводниковых
приборов и интегральных схем
Сущность фотолитографии
— создание на поверхности полу-
проводника защитного рельефа требуемой конфигурации. Рель-
еф образуется в результате нанесения и обработки фоточувстви-
тельного слоя специального состава (фоторезиста), основными
свойствами которого являются светочувствительность и устой-
чивость к воздействию применяемых в полупроводниковой тех-
нике травителей.
В настоящее время в радиоэлектронике и электронной тех-
нике метод фотолитографии находит широкое применение. Ос-
новные области применения метода фотолитографии следующие:
1)	изготовление модульных и микромодульных плат для со-
здания блоков электронной аппаратуры;
2)	получение необходимых профилей на металлических или
полупроводниковых пластинах с использованием химического
или электрохимического травления;
3)	химическое или электрохимическое осаждение и вакуум-
ное напыление металлов на свободные от фоторезиста участки по-
верхности различных материалов, в том числе и полупроводни-
ков;
4)	получение необходимого рисунка в тонких пленках напы-
ленных металлов с целью получения пассивных элементов пле-
ночных интегральных схем;
174
5)	изготовление фотошаблонов с металлическим непрозрач-
ным слоем для производства планарных приборов и полупро-
водниковых интегральных схем;
6)	изготовление масок из металлической фольги с необхо-
димым рисунком отверстий для вакуумного напыления при из-
готовлении пассивных и активных элементов пленочных микро-
схем;
7)	разработка и производство полупроводниковых прибо-
ров и интегральных схем.
Из всех перечисленных областей применения фотолитогра-
фии особое место этот метод занимает в производстве кремниевых
планарных транзисторов и интегральных схем. Как видно из
§ 8-4, при изготовлении простой планарной интегральной схемы
процесс фотолитографии повторяется в общем технологическом
процессе минимум пять раз. Таким образом, метод фотолитогра-
фии является одним из основных технологических методов в про-
изводстве интегральных схем. Его широкое применение в полу-
проводниковой технике обусловлено следующими достоинствами:
1)	гибкость метода, позволяющая легко переходить от одной
конфигурации рисунка к другой, форма рисунка определяется
Только рисунком используемого фотошаблона;
2)	высокая воспроизводимость и разрешающая способность,
позволяющие получать рельефы элементов микронных размеров;
3)	универсальность, т. е. возможность осуществлять различ-
ные технологические процессы изготовления полупроводнико-
вых интегральных схем: травление разнообразных профилей
в кремнии (при проведении диэлектрической изоляции элемен-
тов), вытравливание «окон» в слоях двуокиси кремния (маски-
рование при проведении локальной диффузии), создание оми-
ческих контактов к активным элементам интегральной схемы,
контактных площадок и токопроводящих соединительных шин;
4)	высокая производительность, обеспечивающая одновремен-
ное получение на пластинке кремния сотен идентичных загото-
вок интегралып^ схем.
10-2. Светочувствительные полимеры (фоторезисты)
Основное назначение фоторезистов — создание на поверхно-
сти кремния или слоя двуокиси кремния пленки с необходимым
рельефом для защиты при травлении профилей в кремнии или
«окон» в слое SiO3.
К фоторезистам, используемым для фотолитографии в про-
изводстве интегральных схем, предъявляются следующие тре-
бования:
1. Светочувствительность. Под светочувствительностью по-
нимают чувствительность пленок фоторезиста к световому потоку
определенного интервала длин волн (включая и ультрафиоле-
товую часть спектра). Выбор частотного интервала излучения
175
диктуется многими технологическими факторами. В настоящее
время при использовании стеклянных фотошаблонов чаще поль-
зуются длинноволновой частью ультрафиолетового спектра.
2. Адгезия с поверхностью образца. Фоторезистивный слой
должен иметь хорошее сцепление с поверхностью образца, не
должен отслаиваться при процессах сушки, задубливания, про-
явления, травления.
-3. Высокая разрешающая способность. Критерием этого ка-
чества служит способность светочувствительного слоя давать
различимые изображения определенного количества тонких ли-
ний на миллиметр. Для решения современных технических про-
блем необходимо разрешение 1000—2000 линий на миллиметр
(при толщинах слоев фоторезиста в доли микрона).
4. Кислотоустойчивость. Под кислотоустойчивостью подра-
зумевается способность фоторезистивных слоев выдерживать дли-
тельное воздействие травителей, используемых при работе с по-
лупроводниковыми материалами (смеси плавиковой и азотной
кислот в различных соотношениях, растворы плавиковой ки-
слоты различной концентрации и другие травители).
5. Технологичность. Под технологичностью понимается це-
лый ряд важных для практических целей требований. Например,
удобство и простота при нанесении слоев и последующей их об-
работке, стабильность растворов светочувствительного полимера
при длительном хране
резиста, минимальная токсичность растворителя светочувстви-
тельного полимера и проявляющего раствора и т/д.
Ранее для целей фотолитографии в радиоэлектронной промы-
шленности и даже на ранней стадии развития полупрово
вой техники использовались -светочувствительные составы, дей-
ствие которых основывалось на сенсибилизированных фотохими-
ческих реакциях. . Примером такого светочувствительного со-
става является раствор поливинилового спирта с добавлением
в качестве сенсибилизатора бихрома аммония или других двухро-
мовокислых солей. Широко известны также эмульсии на основе
лпеллака и желатина. Однако в настоящее время все они не име-
ют практического применения в полупроводниковой технике.
.Например, для получения достаточно устойчивой пленки при
травлении кремния или двуокиси кремния необходима толщина
защитного слоя фоторезиста на основе поливинилового спирта
др 10 мкм. Естественно, что получение мелкого рисунка (разме-
ром в десятки микрон) без искажения формы в таком слое невоз-
можно.
Поэтому в производстве полупроводниковых интегральных
схем используют специально синтезированные светочувствитель-
ные полимеры (фоторезисты), в которых происходят прямые
фотохимические реакции. К этому типу фоторезистов относят
такие, как Кодак Фото Резист (США), Кодак Резифакс (Фран-
ция), Кодак Патэ (Франция). Последний фоторезист — разно-
176
и, стабильность нанесенных слоев фото-
ко-
ШГ1
Длина волны Л, А
Рис. 10-1. Кривая спектральной чувст-
вительности пленок фоторезиста марки
Кодак-Фото-Резист.
1—поливинилциннамат несенсибилизованный;
2 —Кодак-Фото-Резист (КФР).
видность американского Кодак Фото Резист (КФР). Кодак. Ре-
зифакс отличается высокой светочувствительностью по сравнению
с КФР и пленки его чувствительны к свету обычной лампы нака-
ливания. Высокой светочувствительностью обладает также фото-
резист фирмы Эастмен Кодак (США) марки Кодак Орфо Резист
(КОР). Фоторезист типа КОР, разбавленный соответствующим ра-
створителем, позволяет использовать для создания микромини-
атюрных деталей проекционную печать.
Все перечисленные фоторезисты имеют максимальную свето-
чувствительность в ультрафиолетовой области спектра. Поэтому
для сокращения времени экспозиции фотошаблоны изготавли-
ваются на стеклах специальных сортов, пропускающих ультра-
фиолетовое излучение. Эти
фоторезисты являются нега-
тивными, т. е. после экспо-
нирования проявляются не-
засвеченные участки. Засве-
ченные части пленок создают
защитный рельеф. Основной
составляющей большей части
этих фоторезистов служат
циннаматы—соединения, све-
точувствительность которых
обусловлена наличием в мо-
лекуле группы хлорапгидри-
да коричной кислоты. Ха-
рактерным соединением клас-
са циннаматов является
поливинилциннамат — слож-
ный эфир поливинилового спирта и коричной кислоты (ЭПК).
Разрешающая способность пленок фоторезиста на основе ЭПК
очень высока.
Однако практически разрешающая способность рисунка в
пленке ЭПК определяется качеством фотошаблонов и толщиной
пленки. Пленки фоторезистов на основе поливинилциннамата
имеют максимальную чувствительность в ультрафиолетовой обла-
сти спектра с длинами волн порядка 2800—3100А.
Светочувствительность пленок ЭПК в области длин волн по-
рядка 3700—4000А настолько мала, что для экспонирования тре-
буется большое время и мощный источник ультрафиолетового
излучения. Кроме того, фотошаблоны должны изготовляться на
кварцевых пластинках. На рис. 10-1 представлена спектральная
чувствительность (поглощательная способность в спектре ультра-
фиолетового излучения) для поливинилциннамата.
С целью повышения чувствительности пленок ЭПК в длинно-
волновой части ультрафиолетового излучения в раствор вводятся
сенсибилизаторы. В качестве сенсибилизатора для ЭПК могут быть
использованы различные нитросоединения: 2, 4, 6 — тринитро-
177
анилин, динитрохлоранилин, пикриновая кислота. Активными
катализаторами являются также тетраэтилдиаминобензофенон (ке-
тон Михлера), краситель паракрасный и некоторые гетероцикли-
ческие соединения. Как видно из рис. 10-1 (кривая 2), введение
сенсибилизатора вызывает появление на кривой поглощения вто-
рого максимума в области длинноволновой части ультрафиоле-
тового излучения. Например, в фоторезисте КФР благодаря
примененшо сенсибилизатора второй максимум находится в об-
ласти 4700А. Введение сенсибилизаторов повышает чувствитель-
ность пленки фоторезиста в длинноволновой части ультрафиоле-
тового излучения более чем на два порядка (иногда в 600 и более
раз). Это дает возможность использовать при экспонировании
фотошаблоны, изготовленные на обычных фотографических сте-
клах.
Для несенсибилизированпого поливинилциннамата большое
значение имеет степень этерификации. Полная этерификация всех
оксигрупп приводит к образованию менее чувствительных слоев.
Наличие большого числа свободных оксигрупп ухудшает раство-
римость полимеров в органических растворителях, что затрудня-
ет процесс нанесения слоев фоторезиста на полупроводниковые
подложки. Наибольшая чувствительность достигается при сте-
пени этерификации порядка 70—90%.
Таким образом, в состав промышленных фоторезистов, выпу-
скаемых зарубежными фирмами, входят растворитель (состоя-
щий иногда из нескольких элементов), светочувствительный по-
лимер и сенсибилизатор. Кроме того,: для придания пленкам
фоторезиста более эластичных свойств в раствор иногда добавля-
ют пластификаторы и другие вещества, которые придают пленкам
фоторезиста другие необходимые качества, например, улучшают
адгезию пленок к подложке, окрашивают пленку фоторезиста
в определенный цвет и т. д.
Фоторезисты на основе поливинилциннамата в настоящее
время, по-видимому, являются наиболее распространенными в за-
рубежной практике для работ по изготовлению полупроводни-
ковых приборов и интегральных схем. Они обладают высокой
разрешающей способностью и достаточной адгезией и светочув-
ствительностью в области ближнего ультрафиолета. Пленки этих
фоторезистов устойчивы к воздействию многих кислот, в том
числе и плавиковой.
Однако необходимость работы с токсичными органическими
растворителями (бензолом, хлорбензолом, толуолом, трихлор-
этиленом) значительно ограничивает возможность широкого при-
менения фоторезистов на основе поливинилциннаматов и делает
более перспективным применение позитивных фоторезистов,
основанных на использовании производных О-нафтохинонди-
азидов.
Поэтому фоторезисты на основе диазосоединений в последнее
время находят широкое применение в фотолитографии на крем-
178
кроме того, полученные негативные
органическом растворителе, а оставшееся на освещенных местах
соединение подвергнуть кратковременному действию относитель-
но высокой температуры, то оно превращается в нерастворимые
продукты. При этом способе обработки получается негативное
изображение. Однако этот способ связан с определенными техни-
ческими трудностями и, кроме того, полученные негативные
слои не обладают достаточной кислотостойкостью. Поэтому при
использовании О-хинондиазидов практическое значение полу-
чил лиТпь позитивный метод обработки.
Существенным недостатком слоев, полученных из чистых
растворов О-хинондиазидов, является их склонность переходить
в кристаллическое состояние в процессе испарения растворителя.
Это приводит к нарушению однородной структуры слоя и умень-
шению его механической йрочности, а также к уменьшению раз-
решающей способности изображения, которая определяется в
этом случае размерами кристаллов диазосоединения. Для умень-
шения склонности О-хинондиазидов к кристаллизации в копи-
ровальном фоторезистивном слое к растворам добавляют высоко-
молекулярные пленкообразующие вещества, повышающие вяз-
кость фоторезистивного слоя, например, фенолоформальдегид-
ные смолы (новолак), сополимеры малеинового’ ангидрида с ви-
пильными соединениями или другие, растворимые в щелочах
полимеры. Конкретным полимером фоторезиста на основе диазо-
соединений может служить следующий состав: О-нафтохинон-
диазид (3 Г), поволак (5 Г), диоксан (100 лы).
Важными положительными свойствами фоторезистов на ос-
нове диазосоединений являются высокая кислотоустойчивость
и разрешающая способность, хорошая светочувствительность
и адгезионная способность к металлическим и полупроводнико-
вым подложкам. Прочность связи пленки фоторезиста на основе
О-хинондиазидов значительно возрастает в случае, когда повер-
хность подложки покрыта окислом. Как уже было сказано, при
использовании 0-нафтохинондиазида для экспонирования могут
быть использованы обычные лампы дневного света. Высокая
адгезионная способность пленки и разрешающая способность по-
зволяют получить «окна» в окисле кремния размером менее де-
сяти микрон при клипе растравливания порядка одного микрона.
10-3. Технология фотогравировки в слое
двуокиси кремния
Как уже упоминалось, метод фотолитографии заключается
в создании на поверхности пластинки кремния пленки фоторе-
зиста нужной конфигурации для защиты отдельных областей
поверхности.
Методы проведения процессов фотолитографии исходя из
различных литературных данных в общем совпадают и заклю-
чаются в следующем:
180
6)
подготовка пластин;
нанесение слоя фоторезиста;
сушка слоя;
экспонирование;
проявление рисунка;
промывка и сушка;
7)	задубливание;
8)	вытравливание профиля;
9)	удаление слоя фоторезиста.
Большое влияние на качество процесса фотолитографии ока-
зывает чистота поверхности, на которую наносится пленка фото-
резиста. Для придания поверхности необходимых свойств про-
изводят предварительную обработку поверхности.
Подготовка поверхности. Подготовка пластинки кремния
к окислению определяет качество выращенного окисла. В § 4-2
приведена технология очистки пластинки перед окислением.
При проведении процесса фотогравировки в слое кремния, кроме
указанной очистки, часто производят обработку пластинки кре-
мния с целью придания поверхности гидрофильных свойств.
Для этого пластинку кремния либо выдерживают в течение 1 —
2 мин при температуре йорядка 1200° С, либо кипятят в концен-
трированной азотной кислоте в течение 5—10 мин. Контроль
гидрофильности поверхности проводят под микроскопом, наблю-
дая процесс образования капель влаги на поверхности предвари-
тельно охлажденной пластинки. Часто изготовители полупровод-
никовых интегральных схем перед нанесением фоторезиста на
пластинку кремния или слой окисла производят обработку по-
верхности в парах растворителя, на основе которого составлен
раствор фоторезиста. ч
Нанесение пленок фоторезиста. Имеется несколько способов
нанесения фоторезиста на поверхность пластинки. Основные из
них следующие: окунание, полив, пульверизация, центрифуги-
рование. В настоящее' время в технологии полупроводниковых
интегральных схем используется чаще всего метод полива с по-
следующим центрифугированием. Этот метод позволяет полу-
чить более однородную по толщине пленку фоторезиста.
Толщина пленки фоторезиста может колебаться для различ-
ных случаев в пределах от 2 до 0,6—0,8 мкм. В отдельных слу-
чаях толщина слоя фоторезиста может иметь еще большую величи-
ну, например, при необходимости получения глубокого профиля
в монокристалле кремния. Толщина слоя зависит от свойств
светочувствительного полимера, концентрации раствора фото-
резиста, качества поверхности, на которую наносят фоторезист,
свойств растворителя, Скорости вращения центрифуги и некото-
рых других факторов. Чаще всего толщину пленки фоторезиста
регулируют изменением скорости вращения центрифуги. Для
нанесения фотор^зистивных пленок используют специальные цен-
трифуги с регулировкой скорости вращения, которая должна
181
достигать максимума в течение нескольких секунд, иначе до до-
стижения максимальной скорости растворитель успеет испарить-
ся из пленки и получится пленка большей толщины, чем требу-
ется. Стандартные центрифуги имеют скорости 3000—8000 об/мин.
Для крепления пластины кремния на поверхности вращаю-
щегося диска (ротора) в центре имеются отверстия, соединенные
с форвакуумной системой. В результате разрежения в системе
пластинка плотно прижимается к поверхности ротора.
Примером такой вакуумной центрифуги может служить цен-
трифуга типа ТМС-1 американской фирмы Чафин Лаб. Для воз-
можности нанесения фоторезиста одновременно на несколько
пластин центрифуга оснащена центральным ротором диаметром
15,8 мм и периферийным ротором диаметром 101 мм. Скорость
вращения ротора регулируется от нуля до 10 000 об/мин.
Центрифуга фирмы Плат инж. Комп. (США) имеет сменные
вакуумные патроны и тем самым позволяет использовать пласти-
ны диаметром от 3,2 до 38 мм. Привод центрифуги обеспечивает
крутящий момент при включении и мгновенную остановку при вы-
ключении центрифуги. Реле времени регулирует рабочий цикл
в пределах от нуля до 15 сек. Мощность двигателя — 0,1 л. с.,
скорость вращения регулируется в пределах 1500—8000 об/мин.
Однако слои фоторезиста, нанесенные на поверхности полу-
проводниковой пластины методом центрифугирования, хотя и
дают удовлетворительные результаты при фотолитографии, но
не являются достаточно равномерными по толщине. Центробеж-
ная сила, возникающая при вращении центрифуги, вызывает
скопление фоторезиста перед препятствием, которым в этих слу-
чаях является шероховатость поверхности подложки, а повер-
хностное натяжение вызывает утолщение слоя фоторезиста по
краям пластинки.
Поэтому в последнее время отдельные изготовители планар-
ных приборов и полупроводниковых интегральных схем полу-
чают на пластинках кремния пленки фоторезиста методом распы-
ления. Таким способом обеспечиваются тонкие и равномерные по
толщине слои фоторезиста. Необходимо заметить, что установки
для распыления раствора фоторезиста имеют довольно сложное
устройство. Американская фирма Цикон Корп. выпустила не-
сколько систем для напыления фоторезиста. Для очистки раствора
фоторезиста от инородных частиц такие установки имеют систему
сменных фильтров первичной очистки (из стеклопластика) и окон-
чательной очистки (из полиэтилена). Кроме раствора фоторези-
ста, в пульверизатор еще отдельно подается растворитель, ко-
торый также проходит через аналогичную систему фильтров.
Отфильтрованный фоторезист приводится в движение и распы-
ляется горячим газом, полученным при перегонке инертного
химиката в установке для распыления. Это обеспечивает вы-
сокое качество слоя фоторезиста и хорошую повторяемость ре-
зультатов.
182
Сушка слоя. Процесс сушки сопровождается испарением ра-
створителя и ориентацией молекул фоторезиста и, следователь-
но, формированием самой пленки. Поэтому процесс сушки дол-
жен проходить с постепенным повышением температуры. Бы-
строе повышение температуры сушки приведет к неравномер-
ному испарению растворителя из толщи слоя, что может приве-
сти к механическим напряжениям в пленке. Это, в свою очередь,
приведет к дефектам при проявлении. Поэтому сушку, как пра-
вило, производят в две стадии. Пластинку с пленкой фоторези-
ста выдерживают при комнатной температуре (в скафандре для
центрифугирования) порядка 10 мин и затем в термостате при
температуре 80—120° С (в зависимости от состава фоторезиста)
в течение примерно 10 мин. Такой сушкой добиваются полного
испарения свободного растворителя; при этом связанный раство-
ритель частично удаляется.
Как уже отмечалось ранее, важно, чтобы в процессе нанесе-
ния слоя фоторезиста и его сушки была полностью исключена
возможность попадания частичек пыли на поверхность пластин-
ки и слоя фоторезиста.
Экспонирование. Так как большая часть фоторезистов имеет ,
максимальную светочувствительность в области ультрафиолето-
вого излучения, то процесс экспонирования производят чаще все-
го в свете кварцевых ламп, например, таких, как ПРК-4, мо
н
щость
которых находится в пределах 250—1000 &п. Время экспониро-
вания зависит от светочувствительности фоторезиста, мощности
источника ультрафиолетового излучения, расстояния от источ-
ника до экспонируемого образца, поглощательной способности
материала подложки фотошаблона, толщины слоя фоторезиста
и других факторов. Поэтому в практике изготовления полупро-
водниковых интегральных схем время экспонирования устана-
вливается экспериментально и чаще всего колеблется в пределах
1—5 мин. Расстояние между пластинкой кремния и источником
излучений выбирается таким, чтобы не происходил существенный
разогрев пластинки и обеспечивалось равномерное освещение
всей поверхности пластинки. Важное значение при экспони-
ровании имеет качество фотошаблона. ,•
В настоящее время для изготовления фотошаблонов старают-
ся выбирать фотопластинки из специального оптического стекла
с хорошей плоскостностью поверхности. Наличие неровности
поверхности приводит к тому, что между фотошаблоном и по-
верхностью кремниевой пластины образуются воздушные зазоры.
В результате в этих местах происходит боковая засветка слоя
фоторезиста и после проявления получается искажение геоме-
трических размеров экспонируемого
рисунка и, следовательно,
брак элементов интегральной схемы на этих участках. Фотошаб-
лоны не должны иметь проколов слоя
эмульсии в темных участ-
ках, а также иметь контрастность, максимально близкую к аб-
солютной.
183
кремния (часто с по-
предусматривается воз-
по координатным осям
пластинки кремния —
Для того чтобы производить повторный й последующие про-
цессы фотолитографии (а следовательно, и экспонирования) с вы-
сокой точностью совмещения фотографических рельефов, исполь-
зуются при проведении экспозиции специальные установки для
совмещения фотошаблона с кремниевой заготовкой. Установки
различных фирм отличаются друг от друга, однако для всех их
имеются одинаковые основные элементы*:
~ 1. Столик для крепления пластинок
мощью вакуумной присоски). На столике
мбжность грубого перемещения негатива
и точного вращательного движения; для
точного перемещения по координатным осям и точного вращатель-
ного движения.
2. Вертикальное перемещение каретки с пластинкой крем-
ния, позволяющее осуществить после совмещения плотный кон-
такт пластинки с негативом.
3. Система, позволяющая переходить от наблюдения и уста-
новки негативов к экспонированию ультрафиолетовым светом.
Часто для целей совмещения и экспонирования используют
стандартные металлографические микроскопы, переделанные со-
ответствующим образом.
Процесс совмещения и экспонирования производится следу-
ющим образом. Пластина кремния закрепляется с помощью ва-
куумного насоса в нижней каретке (пластинодержателе). Затем
включают свет (лампу накаливания) с соответствующим свето-
фильтром (для исключения засветки слоя фоторезиста) и, поль-
зуясь объективом с минимальным увеличением, добиваются того,
чтобы установочные отметки на пластине были бы примерно в цен-
тре поля зрения. Негатив укрепляется эмульсией вниз в верхней
каретке. С помощью микрометрических винтов каретки переме-
щаются до совпадения отметок негатива с отметками пластины.
Отметки на пластине хорошо видны даже сквозь слой фото-
резиста благодаря различию в толщине и, следовательно, интер-
ференционной окраске пленки окисла в тех местах, где вытравли-
вались отметки. После совмещения отметок негатив опускается
на пластинку кремния или наоборот — пластинка кремния под-
нимается к негативу. Пластинка укреплена на подвижном полу-
сферическом основании, поэтому она ориентируется в плоскости
негатива, обеспечивая плотный контакт. Затем лампа накалива-
ния сдвигается в сторону, луч света от дуговой лампы направля-
ется на металлическое зеркало,
сверху негатива, и, отразившись
стинку.
Выдержка при экспозиции
При окончании экспонирования
шторка на пути луча ультрафиолетового света. После экспони-
рования пластинка кремния передается на операцию проявле-
ния.
II
установленное под углом 45°
от зеркала, понадает на пла-
регулируется реле времени,
сигналом от реле закрывается
Проявление рисунка. Процесс проявления заключается в ра-
створении проявляющим веществом неосвещенных участков слоя
фоторезиста, обладающего негативными свойствами, или осве-
щенных участков в случае позитивного фоторезиста. Для нега-
тивных слоев, образованных циннаматами, в качестве прояви-
телей могут использоваться растворители фоторезиста или дру-
гие органические растворители, например диоксан, хлорбензол,
толуол, трихлорэтилен. Иногда используются смеси двух или
более растворителей. Хорошим проявляющим веществом для по-
ливинилциннамата является горячий трихлорэтилен или его пары.
Процесс проявления длится от одной до трех минут. Очень важно
при проявлении следить за тем, чтобы незасвеченные участки
были абсолютно свободны от фоторезиста, поскольку наличие
даже тонкой его пленки влияет на процесс травления. Поэтому
пластинку кремния с проявленными участками прополаскивают
в одной-двух порциях свежего проявителя и, прежде чем прояви-
тель испарится с поверхности, помещают под слабую струю дис-
тиллированной воды.
При работе с фоторезистами на основе О-хинондиазидов в ка-
честве проявителей используютсд растворы, обладающие щелоч-
ными свойствами. Применение находят такие составы;.
Тринатрийфосфат (Na8PO4 • 1ДН2О).................. 2	Г
Вода..................>...........................25	мл
Глицерин..........................................75	мл
Более щелочной
Тринатрийфосфат пятипроцентный....................50	мл
Восьмипроцентный раствор NaOH..................... 2	мл
Следует заметить, что процессы проявления и дальнейшие
манипуляции с проявленными слоями необходимо производить
очень аккуратно, так как в процессе проявления слой фоторези-
ста набухает й может быть легко поврежден. После тщательной
промывки в деионизованной воде пластинки сушатся при темпе-
ратуре 60—100° С. Время сушки существенной роли не играет,
однако не должно быть менее 10 мин.
Задубливание. При экспонировании происходит частичное
задубливание слоя фоторезиста в освещенных местах. Однако
для большей кислотоустойчивости требуется дополнительное за-
дубливание, которое сопровождается полной полимеризацией
оставшегося на поверхности пластинки фоторезистивного слоя.
Процесс окончательного задубливания может осуществляться
двумя способами: облучением ультрафиолетовым светом или тер-
мообработкой. В настоящее время чаще используют второй спо-
соб. При этом часто имеется возможность совместить операцию
сушки после проявления с операцией температурного задубли-
вания. Сначала производят нагрев и сушку при температуре
60—100° С, а затем поднимают температуру до 200—220° С и вы-
держивают пластинки кремния в течение 30—40 мин (для
185
фоторезистов на основе циннаматов). В случае использования фото-
резистов на основе диазосоединений сушку пленки фоторезиста
после проявления производят при температуре 60° С в течение
40—60 мин и затем постепенно повышают температуру до 160—
170° С и выдерживают пластинки при этой температуре 30—
40 мин. В результате такой высокотемпературной обработки
остатки связанного с молекулами фоторезиста растворителя испа-
ряются и происходит окончательная полимеризация светочув-
ствительного полимера, входящего в состав фоторезиста, обеспе-
чивая высокие защитные свойства фоторезистивной пленки.
Вытравливание профиля» После получения необходимого ри-
сунка в пленке фоторезиста производится травление слоя SiO2
на тех участках, которые оказываются незащищенными пленкой
фоторезиста. Травление слоя окисла можно проводить водным
раствором плавиковой кислоты. Однако при травлении в пла-
виковой кислоте в пленке фоторезиста появляются трещины,
и она отслаивается от поверхности SiO2 из-за интенсивного вы-
деления пузырьков SiF4, образующихся в результате следую-
щей реакции:
Поэтому на границе двуокись кремния — пленка фоторезиста
начинается сильное растравливание слоя SiO2, которое происхо-
дит по трещинам фоторезиста. Это явление можно уменьшить,
снизив температуру травления, т. е. уменьшив скорость травления.
Но чаще для уменьшения или полного устранения растравливания
используют так называемые буферные травители, содержащие
смесь плавиковой кислоты с растворам
15
[ солей плавиковой кислоты
(NH4F, KF, NaF). Стандартным буферным травителем для SiO2
при проведении процесса фотогравировки является следующий
состав: 9 мл 48-процентной плавиковой кислоты (HF), 30 г фто-
ристого аммония (NH4F) и 60 мл воды. После приготовления тра-
витель должен быть выдержан при комнатной температуре в те-
чение 1,5—2 ч.
Наличие большого количества ионов фтора в растворах тра-
вителя в результате диссоциации солей фтористоводородной ки-
слоты приводит к тому, что газообразный SiF4 связывает в ус-
тойчивое соединение SiF®":
SiF4 + 2F“. ^SiF|“.
Использование буферного травителя позволяет при хорошей
адгезии слоя фоторезиста к SiO2 получать клин растравли-
вания не более 1—2 мкм при толщине слоя SiO2 0,8 —1 мкм.
Травление профиля в кремнии производится с помощью
стандартных травителей для кремния, состоящих из смеси кон-
центрированных азотной и
плавиковой кислот с добавлением
воды. Иногда в такой раствор добавляют также пропилепгли-
коль и азотнокислое серебро. После травления пластинки про-
186
мываются в деионизованной воде с использованием ультразвука
и высушиваются при температуре порядка 120° С.
Удаление слоя
3L
фоторезиста. Защитные слои фоторезиста на
основе циннаматов после травления удаляются в хлористом ме-
тилене. Слои фоторезистов, содержащих ди азо соединения, сни-
маются ватным тампоном, смоченным в ацетоне, или кипяче-
нием в хромовой смеси с последующей промывкой в деионизо-
ванной воде.
После тщательной очистки, описанной в § 4-2, за исключе-
нием операции промывки в плавиковой кислоте., пластинка пере-
у V
дается на операцию ди
•И»
узии примесей.
А А
10-4. Особенности фотолитографии в слоях алюминия
Для получения омических контактов к легированным обла-
стям кремния широко используются пленки алюминия, которые
обычно наносятся на поверхность пластинок кремния методом
вакуумного напыления. Понижение контактного сопротивления
достигается вплавлением алюминия в легированные области
кремния. По мере совершенствования полупроводниковых при-
боров и полупроводниковых интегральных схем размеры кон-
тактных площадок уменьшаются до 0,002 см2 и менее. Кроме
того, планарная технология предусматривает получение боль-
шого количества (от нескольких сотен до тысячи и более) эле-
ментов на одной кремниевой пластинке.
Наиболее универсальным методом получения омических кон-
тактов и проводящих соединительных шин в полупроводниковых
интегральных схемах является фотолитография. Толщины напы-
ленных слоев лежат в пределах 0,2—1,0 мкм. Затем проводит-
ся процесс фотолитографии, подробное описание которого при-
ведено в предыдущем параграфе.
Выбор фоторезиста для проведения процесса фотолитогра-
фии на слоях алюминия является важной проблемой, во многом
определяющей качество рисунка в слое алюминия. Широко ис-
пользуемые для фотогравировки в слоях двуокиси кремния фо
торезисты на основе поливинилциннаматов при фотогравировке
слоях алюминия не дают достаточно хоро
[их рисунков.
При
в
нанесении на пленку алюминия слоя фоторезиста на основе по-
ливинилциннамата толщиной 0,5 мкм, проявлении ее с после-
дующим травлением алюминия в 10 %-м растворе NaOH проис-
ходит сильное растравливание алюминия на границе защищен-
ных фоторезистом участков. Это, вероятно, связано с тем, что
но мере травления алюминия происходит отслаивание пленки
фоторезиста, вызванное действием пузырьков водорода, обра-
зующегося в результате реакции
6NaOH + 2А1 = 2Na3A103 + ЗН2,
X
и сопровождающееся сильным растравливанием края рисунка.
187
Л
Снижение концентрации раствора щелочи до 2% не дает какого-
либо улучшения получаемого после фотогравировки рисунка*
При травлении алюминия в смеси щелочных агентов КОН и вин-
нокислого калий-натрия KNa(C4H4Oe) отслаивание фоторези-
ста и растравливание границы рисунка проявляются слабее,
однако и в этом случае полностью избежать этого явления не
удается.
Причина указанных явлений заключается в недостаточной
адгезии слоя фоторезиста к поверхности алюминия. Фоторе-
зисты на основе О-нафтохинондиазидов обладают лучшей адге-
зией к различным подложкам. В состав таких фоторезистов обыч-
но входят светочувствительное вещество, например, 1, 2-нафто-
хинондиазид —5-сулъфокислый эфир новолака (продукт № 30)
или идитола (продукт № 20) и пленкообразующее вещество (ча-
ще всего новолак). Устойчивость фоторезистов этого типа к дей-
ствию щелочей низка, и возможность проявления рисунка объ-
ясняется легкой растворимостью образующихся при освещении
инденкарболовых кислот даже в очень разбавленных растворах
щелочей, например, в 1%-м или 2%-м растворах тринатрийфос-
фата.
Повышение устойчивости фоторезиста к действию щелочей
может быть достигнуто введением в него определенных коли-
честв полимеров, нерастворимых или частично растворимых
в щелочах. В качестве примера можно привести следующие со-
ставы растворов фоторезистов:
1)	О-нафтохиновдиазид №	20......................... 3	Г
уцщтпл........................................... 5	Г
эпоксидно-резольно-алкидный	лак	3-30-59........ 10	мл
этилцеллюлозы....................\.............. 50	лл
диоксан......................................... 50	мл
2)	О-нафтохиновдиазид №	20	 ..................... 3	Г
идитол..............;............................ 5	Г
диоксан........................................ 100	мл
3)	О-нафтохинондиаэид №	20,	30	или	50............ 3	Г
новолачно-эпоксидная смола 6Э18Н-50.............. 5	Г
• диоксан'..........................................100	мл
Необходимо заметить, что два первых состава дают фоторе-
зистивные слои, недостаточно устойчивые к типичному прояви-
телю (50 мл 5 %-го раствора тринатрийфосфата и 2 мл 8 % -го
раствора NaOH).
Третий состав, содержащий
'6Э18Н-50, дает пленки фоторезиста с
ностью и механической прочностью и повышенной кислото- и
новолачно-эпоксидную смолу
улучшенной эластич-
щелочеустойчивостью. Экспонирование пленок фоторезиста та-
кого состава может производиться под обычными лампами днев-
ного света. Экспонированное изображение проявляется в 5 %-ом
растворе тринатрийфосфата с добавлением к нему раствора ще-
лочи (50 мл 5%-го NasPO4«12H2O и 2 мЛ 8%-го NaOH). Послед-
ний состав фоторезиста интересен тем, что позволяет совместить
9
188
процесс проявления с процессом травления пленки алюминия
на проявленных участках, так как вышеприведенный состав про-
явителя обеспечивает достаточно быстрое травление алюминия.
Проявление изображения в этом растворе длится 15—25 сек.
Вытравливание слоя алюминия происходит за 2—3 мин при тол-
щине слоя 0,2—0,3 мкм и за 6—8 мин при толщине слоя 0,8—
0,9 мкм.
На рис. 10-2 приведена фотография пластинки кремния с на-
пыленным слоем алюминия, в котором вытравлен рисунок про-
явителем указанного выше состава. Полученные таким спосо-
бом рисунки в слое алюминия точно воспроизводят размерьь фо-,
тошаблона и дают позитив-
ное изображение. Растравли-
вания 'краев рисунка не на-
блюдается.
Важным - является тот
факт, что этот состав фото-
резиста может быть успешно
использован для
Э£
ото лито-
графии на слоях кремния. Это
позволяет использовать один
и тот же раствор фоторезиста
Рис. 10-2. Контактные алюминиевые
площадки, полученные фотолитографией
с использованием хиноидиаэидов, тол»
у Хщина слоя А1 — 0,4 мкм (Х147).
для большинства фотолито-
гра
ЗП1
ческих процессов, при-
меняемых в производстве
кремниевых планарных тран-
зисторов и интегральных схем..
В заключение необходимо остановиться на требованиях, ко-
торые предъявляется к помещениям, где производится процесс
фотолитографии. При необходимости получения активных об-
ластей диодов или транзисторов интегральной схемы размером
несколько десятков или даже единиц микрон особое значение
приобретает обеспыленность среды, в которой производятся
процессы фотолитографии. Попадание частичек пыли, размеры
которых могут быть соизмеримы с размерами областей активных
элементов, на поверхность пластинки кремния до нанесения слоя
фоторезиста или на слой фоторезиста при проведении операций
нанесения й сушки слоя приводит к тому, что в этих местах про-
исходит протравливание защитного слоя окисла. Следовательно,
при проведении последующих операций наличие таких дефектов
приводит к браку отдельных элементов интегральных схем и,
соответственно, самих схем. Поэтому все технологические опе-
рации, входящие в процесс фотолитографии, производят в гер-
метических скафандрах, внутрь которых подается сухой обеспы-
ленный воздух или инертный газ. Обеспыливание воздуха про-
изводится с помощью специальных электростатических фильт-
ров, позволяющих улавливать частички пыли размером в деся-
тые и даже сотые доли микрона. Соединение скафандров друг
189
с другом с целью передачи пластин кремния производят с по-
мощью шлюзов.
Если технологический процесс требует извлечения пластинки
кремния из скафандра, то пластинка помещается в гермети-
ческую тару, которая извлекается из скафандра через защитный
шлюз. Все оборудование для проведения процессов фотолито-
графии устанавливается в помещениях с кондиционированным
воздухом. Такие условия позволяют снизить брак в производ-
стве полупроводниковых интегральных схем до минимума.
in
[•Л!
10-5. Изготовление фотошаблонов
Несмотря на то, что изготовление фотошаблонов (их называ-
ют также микронегативами, фотомасками или трафаретами) не
относится непосредственно к технологии полупроводниковых
интегральных схем, необходимо все же коротко остановиться
на методах их изготовления. Для создания интегральной схемы
на основе кремния необходим комплект высококачественных
фотошаблонов, в состав которого в зависимости от технологии
и сложности интегральной схемы входит от пяти до восьми фото-
аблонов. Без такого комплекта принципиально невозможно
изготовить современную полупроводниковую интегральную схе-
му. Учитывая, что срок службы обычных фотошаблонов неве-
лик, в случае серийного выпуска интегральных схем необходимо
иметь достаточно производительную технологию изготовления
рабочих комплектов фотошаблонов высокого качества.
К фотошаблонам, применяемым в технике полупроводнико-
вых интегральных схем, предъявляются следующие требования:
1.	Высокая разрешающая способность, обеспечивающая полу-
чение резких краев изображения и минимальных радиусов за-
кругления. Она определяется как удвоенная величина размытия
края изображения и не должна превышать 1,5—2 мкм.
2.	Наличие большого количества (от 50 до 1000 шт.) повто-
ряющихся непрозрачных или прозрачных элементов на прозрач-
ной подложке. Минимальные размеры элементов имеют те же
величины, что и разрешающая способность. Для современных
устройств они равны порядка 2—3 мкм. Максимальные размеры
порядка 300 мкм.
3.	Жесткие допуски на размеры элементов и расстояния
между ними не должны превышать одного микрона. При этом
необходимо учитывать, что точность совмещения всех элементов
одного фотошаблона с соответствующими элементами других
фотошаблонов не должна выходить за пределы этих допусков.
4.	Высокая контрастность, т. е. отсутствие вуали на про-
зрачных областях и высокая оптическая плотность непрозрач-
ных элементов.
5.	Эмульсия фотошаблонов должна быть однородной и высо-
кокачественной, чтобы обеспечить отсутствие «проколов» в не-
прозрачных областях и пятен или царапин на прозрачных об-
ластях.
6.	Эмульсия должна быть достаточно жесткой, чтобы обес-
печить устойчивость к истиранию.
7.	Стекло, на котором изготовлен фотошаблон, должно быть
абсолютно плоским и обладать хорошими оптическими свойст-
вами.
Изготовление фото
н
шаблонов с указанными выше свойствами —
трудоемкая и сложная техническая задача.
Процесс изготовления фотошаблонов включает в себя не-
сколько этапов.
Изготовление белка (оригинала). Изготовление точного, чет-
кого, высококачественного белка является первым важным эта-
пом в производстве фотолитографических шаблонов отличного
качества с высокой разрешающей способностью. Производство
белка заключается в создании рисунков требуемых элементов
фотошаблонов одного комплекта. Белок может быть изготовлен
несколькими способами, в зависимости от типа освещения, ис-
пользуемого для начального фотографического репродуцирования,
необходимой степени контрастности и, наконец, от необходимой
точности размера элемента на фото
н
шаблоне.
Простейший способ изготовления белка — чертеж, выполнен-
ный тушью на специальной гладкой бумаге, которая в намочен-
ном виде приклеивается на толстое, гладкое зеркальное стекло.
После высыхания бумага сильно натягивается и прочно держит-
ся на стекле.
Другой способ — надрезание непрозрачного покрытия, ко-
торое предварительно наносится на зеркальное стекло, и удале-
ние надрезанных участков. Таким образом создаются прозрач-
ные участки белка. В качестве непрозрачных покрыт:

могут

использоваться различные черные эмалевые краски или другие
эмульсии. Однако белок, полученный таким путем, часто нужда-
ется в ретуши и в специальной защите. Хранение такого белка
также затруднено из-за его тяжести, а также из-за возможности
разбить стекло или оцарапать эмульсионный слой.
Третий и наиболее прогрессивный способ изготовления бел-
ка — надрезание и снятие специальной пленки из пластика,
которая плотно прикреплена к стеклу, но в то же время способна
от него отслаиваться при приложении определенных усилий. При-
мером может служить метод изготовления белка, используемый
одной из фирм США. В качестве пластика была выбрана пленка
типа Джнаграф Плат Ред.
Надрезание пленки производится с помощью прецизионного
координатографа или чертежного аппарата. Координатограф
снабжен несколькими держателями для лезвий. Последние пред-
ставляют собой лезвия из карбида вольфрама, которые для боль-
шей остроты затачиваются с помощью алмазного бруска. Коорди-
натограф предварительно тщательно выравнивается и выверяется
191
Для любого положения координат. В случае необходимости дл Я
большей точности к индикаторной головке могут быть присоедине-
ны стрелки верньера.
Перед надрезанием пленки регулируют нажим режущего
лезвия. Режущий край лезвия должен быть установлен парал-
лельно линии движения. После проведения необходимой под-
готовки вырезается схема в точном соответствии с техническим
чертежом. Затем производится удаление вырезанных участков.
Вырезанные и удаленные участки при первом фотографическом
репродуцировании получаются черного цвета. Если необходимо,
могут быть сделаны исправления рисунка путем вырезания ку-
сочка пленки с неиспользованного участка и осторожного при-
клеивания его на соответствующее место, после чего повторяется
операция вырезания.
Надо отметить, что изготовленный таким образом белок при
фотографировании в проходящем свете дает репродукции го-^
раздо большей точности и резкости, чем репродукции, получен-
ные с чертежей, выполненных в туши.
Уменьшение белка. Размеры белка определяются исключи-
тельно точностью и допусками, которые требуются для окон-
чательного изображения элементов на фотошаблоне. Соответствен-
но с этим выбирается и степень уменьшения белка. Например,
если размер на негативе (фотошаблоне) должен быть выдержан
с точностью ±2,5 мкм и точность вычерчивания или надрезания
на белке составляет ±50 мкм, то уменьшение в 100 раз будет
более чем достаточным, так как обеспечивает точность ±0,5 мкм.
Однако, учитывая, что приведенные в этом примере требова-
ния являются недостаточно жесткими для современной микро-
электронной техники, увеличение размеров белка по отношению
к окончательному размеру элементов фотошаблона чаще выби-
рают 500 : 1. Количество уменьшений при фотографировании,
необходимых для получения окончательного размера, должно
быть сведено до минимума, так как каждое уменьшение приво-
дит к некоторому ухудшению разрешающей способности.
Обычйо двух уменьшений вполне достаточно для получения
фотошаблонов отличного качества.
В результате уменьшения получают промежуточный негатив,
величина изображения на котором в 10 раз больше окончатель-
ной величины изображения. Для получения промежуточного
негатива могут быть использованы прецизионные фотокамеры
типа ПП-12.
Если для фотографирования используется непрозрачный бе-
лок, то требуется переднее освещение. Однако следует отметить,
что-освещение проходящим светом имеет большое преимущество.
При экспонировании важно, чтобы камера была массивной
и амортизированной для поглощения вибрац
ются причиной ухудшения разрешающей способности. Точная
фокусировка достигается с помощью перемещающегося маломощ-
которые явля-

192
но го микроскопа, который устанавливается за держателем фо-
тографической пластины. Микроскоп первоначально фокусиру-
ется на эмульсионную поверхность пластинки и закрепляется на
месте. Затем при открытом зазоре расстояние от линз до белка
регулируется до тех пор, пака изображение, полученное с помощью
линз, не отобразится с достаточной резкостью в поле фиксиро-
ванного микроскопа.
При экспонировании в качестве источников света стараются
использовать лампы, дающие узкий частотный спектр света.
Это обеспечивает отличное разрешение. Для получения проме-
жуточного негатива используют также фотопластинки с высо-
кой разрешающей способностью, например, пластинки с кол-
лоидной эмульсией, которые обеспечивают разрешающую спо-
собность до 1000—1500 ли-
ний на миллиметр.
Процесс фотоумножения.
Этот процесс иногда назы-
вают мультипликацией. Про-
цесс фотоумножения может
осуществляться двумя мето-
дами: контактным и проек-
ционным. При контактном
методе промежуточный нега-
тив помещают в каретку спе-
циальной репродукционной
установки. Под кареткой на
пневматической раме за-
к репляется фотопластинка.
Каретка может передвигать-
Рпс. 10-3. Схема контактного метода
му л ьтпшгицировапия.
1 — источник света; 2 — промежуточный не-
гатив; 3 — фотопластина; 4 -- каретка, тран-
спортирующая фотопластинку; 5 — пневмо-
привод; 6 — контактный блок; 7 — блок авто-
матического перемещения каретки.
помощью микрометрических вин-
ся по координатным осям с
то в. Негатив ориентируется относительно базовых отметок ка-
ретки, затем каретка прижимается к фотопластинке и произ-
водится экспонирование, т. е. на фотопластинке печатается пер-
вый элемент. Далее каретка отжимается и передвигается вин-
тами на строго определенное расстояние, снова прижимается к
фотопластинке и затем печатается второй элемент. Такой муль-
типликационный процесс позволяет получить на одном негативе
требуемый набор элементов. Имеются устройства, в которых
промежуточный негатив крепится неподвижно, а перемещается
каретка с закрепленной на ней фотопластинкой. Сам же процесс
мультипликации осуществляется описанным выше способом. На
рис. 10-3 представлена схема установки для контактного муль-
типлицирования. Для повышения точности мультиплицирова-
ния здесь используется автоматический пневмопривод, что исклю-
чает возможные ошибки оператора и облегчает рабочий процесс.
Примером репродукционных установок такого типа является авто-
матическая машина Мизонекс, производимая шведской фирмой
Ройаль Ценит. Точность, обеспечиваемая этой машиной, составляет
7 Р. А. Гаврилов, А. М. Скворцов
193
i25 мкм по всему полю изготовленного фотошаблона (вели-
чина рабочего поля порядка 40 X 40 мм). Неудобство этого спо-4
соба заключается в том, что промежуточный негатив должен
быть выполнен абсолютно точно и иметь конечные размеры эле-
ментов фотошаблона.
Второй способ мультипликации основан на проекционной
печати. По этому принципу работает фотоповторитель типа Манн-
тип-971Д, разработанный фирмой Давид Манн Компани.
В состав фотоповторителя входят следующие части:	2
1) два прецизионных
II


Рис. 10-4. Схема установки для
проекционного мультиплицп ро-
вания.
1 — линзы конденсора; 2 — проме-
ж уточный негатив; 3 —
тива;
ротка; € — штурвал для перемещу*
линза объек-
4 — фотопластинка; 5 — ка- ,
ним фотопластинки.
компаратора, которые позволяют сме-
кать фотопластинку в двух взаимно
перпендикулярных направлениях;
2)	мотор, приводящий , в движе-
ние механическую систему;
3)	специальный микроскоп, ис-
пользуемый в качестве печатающего
устройства для микро уменьшения,
это позволяет совмещать операцию
мультипликации с уменьшением до
конечного размера;
4)	прецизионный держатель пла-
стины;
5)	меха, которые позволяют про-
водить экспонирование в освещенном
помещении;
6)	контрольное устройство, кото-
рое ' регулирует и поддерживает по-
стоянным время экспозиции и контро-
лирует перемещение фотопластинки*
На'рис. 10-4 представлена принципиальная схема установки
для проекционного мультиплицирования, позволяющая совме-
стить процессы мультипликации и уменьшения размера элементов»
Той же фирмой разработан более совершенный вариант фото-
повторителя — тип Манн-тип-Ю80. Он отличается от 971Д тем,
что процесс перемещения фотошаблона'производитря не вручную,
как в первом случае, а с помощью оптического кодирующего
сдвигающего устройства. Специальный генератор вырабатывает
импульсы, которые вращают вал каретки. Величина смещения ка-
ретки определяется числом импульсов (100 импульсов на один
оборот вала). Таким образом, один импульс соответствует 1,25 мкм
линейного перемещения каретки. На рис. 10-5 представлена фото*
графия проекционного фотоповторителя, выпускаемого одной из
японских фирм.
Фотопроцесс. После операции фотоумножения (мультиплика-
ций) пластинка проявляется, промывается в проточной воде и
помещается в ванну с фиксажем. После фиксирования для сокра-
щения времени окончательной промывки применяется нейтрали-
зующая ванна. Обработка пластинки завершается десятиминут-
194

отопла-
V
к
X'2

ной промывкой в трижды профильтрованной проточной воде,
погружением на одну минуту в 1 % -ю уксусную кислоту и окон-
чательной промывкой в дистиллированной воде в течение 20 мин.
Затем пластинки сушат и контролируют их качество.
При необходимости, получения фотошаблонов одного типа про-
изводят обычную контактную печать с контрольного фотошаблона
и затем осуществляют описанный процесс проявления
стинок. При изготовлении
методом фотопечати любо-
го вида пластинок приме-
няют вакуумную рамку.
Частички пыли, находя-
щиеся в воздухе, являют-
ся основным источником
дефектов при изготовлении
контактных отпечатков с
высокой разрешающей спо-
собностью. Поэтому вся
фотографическая лабора-
тория должна находиться
в особо чистом помещении.
Наконец, следует осо-
бо остановиться на полу-
чении металлизированных
фотошаблонов. Существен-
ным недостатком эмуль-
сионных фотошаблонов,
используемых в массовом
производстве, является
малый срок службы, так
как эмульсионный слой
легко деформируется и
царапается при совме-
щении фотошаблона с
кремниевыми подложками.
Негативы на стекле с нанесенным металлическим покрытием
являются более прочными. Их получают фотолитографическим
методом с эмульсионных пластин, при этом получается лишь
незначительная потеря в разрешающей способности. Наиболь-
шими преимуществами по сравнению с другими металлическими
покрытиями обладает осажденный на стекло хром. Эти преиму-
щества обусловлены тем, что хром является более прочным и
обладает хорошей адгезией к стеклу.
Перед напылением хрома ла стеклянную пластину последняя
подвергается очистке погружением в хромовую смесь, ополаски-
ванием в разбавленной Плавиковой кислоте и последующей про-
мывкой в деионизованной воде. После этого пластинка быстро
сушится. Напыление хрома на пластины производится в вакуумной
1, Кг’ТТ
Рис. 10-5. Фотоповтрритель проекцион-
ного типа.
195
камере до получения оптически плотной, лишенной точечных
дефектов пленки. Затем пластинки извлекают из камеры, покры-
вают слоем фоторезиста, обладающего высокой разрешающей
способностью. Далее следуют обычные фотолитографические про-
цессы, описанные в предыдущем параграфе. Травление хрома
производится в водном растворе, содержащем КМпО4 и NaOH.
Температура травления 40° С, время травления — от 2 до 3 мин.
После удаления слоя фоторезиста для повышения адгезии слоя
хрома к стеклу и его затвердевания производят сначала отжиг,
а затем пассивирование поверхности с помощью азотно-фосфор-
ной кислоты. Фотошаблоны на основе металлических слоев имеют
большой срок службы и легко подвергаются очистке от различ-
ных загрязнений без опасности повреждения оптически плот-
ного слоя.
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
ВОПРОСЫ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ ПРИ
ИЗГОТОВЛЕНИИ ПЛАНАРНЫХ КРЕМНИЕВЫХ
ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
11-1. Проведение диффузии примесей в кремний
Основные вопросы, связанные с диффузией примесей в крем-
нии, изложены в главе шестой.
Как уже отмечалось, из описанных методов для изготовления
планарных кремниевых приборов и полупроводниковых интеграль-
ных схем наиболее удобен и наиболее часто применяется метЬд
открытой трубы. Преимущества этого метода заключаются в сле-
дующем:	U
1)	исключался необходимость откачки и запайки кварце-
вых ампул;
2)	имеется возможность одновременной и раздельной регу-
лировки температуры источника, пластинок кремния и воды в
увлажнителе;
3)	имеется возможность смены газа-носителя в процессе про-
ведения операций окисления кремния или диффузии примесей;
4)	количество подводимой к поверхности кремниевых пласти-
нок примеси может регулироваться как составом и температурой
источника, так и скоростью потока газа-носителя;
5)	высокая производительность.
Установлено, что при высоких скоростях сухого газа-носи-
теля наблюдается сильная эрозия поверхности кремниевых пласти-
нок. Она резко возрастает с повышением температуры проведе-
ния процесса диффузии. Поверхность меньше всего портится,
когда газы-носители (азот, аргон, гелий) влажные или содержат
196
некоторое количество кислорода. Даже при температуре поряд-
ка 1350° С не наблюдается заметного испарения кремния и ухуд-
шения поверхности пластин кремния. Поверхностная концен-
трация примеси на пластинах кремния зависит от количества
примеси в источнике, температуры источника и скорости течения
(расхода) газа-носителя.
Однако несущий газ не должен иметь в своем составе боль-
шого количества окисляющего агента, чтобы не происходило
сильного окисления поверхности кремниевых пластинок. Пленка
окисла, если она образуется в начале процесса диффузии, мешает
проникновению примеси в глубь пластины кремния. Пластинки
кремния от 5 до 20 штук ставятся вертикально в кварцевый или
кремниевый держатель с прорезями, торцом к потоку газа-носи-
теля. В результате этого газ-носитель равномерно обтекает пла-
стины, поддерживая постоянную концентрацию атомов примеси
вблизи поверхности пластин. Перед началом каждого процесса
диффузии через кварцевую трубу в течение нескольких минут
пропускают поток газа-носителя, затем вводят в низкотемпера-
турную зону печи держатель с пластинками, выдерживают несколь-
ко минут, в течение которых производится обдувка пластин га-
зом-носителем, и только после этого держатель с пластинами
перемещают в рабочую высокотемпературную зону печи,
В качестве диффузантов чаще всего используют борный и
фосфорный ангидриды (В2О3, Р2О5). В отдельных случаях источни-
ками примеси служат боросиликатные или фосфоросиликатные
стекла, состав которых может варьироваться в самых ]
пределах в зависимости от конкретных требований.
сроких
III*
11-2. Особенности процесса селективной диффузии
^Цля получения высококачественных р-п-переходов в пластин-
как кремния, являющихся основой как планарных приборов,
так и полупроводниковых интегральных схем, необходимо иметь
хорошую повторяемость результатов. В этой связи следует заме-
тить, что на процесс легирования кремния фосфором и бором
большое влияние оказывает наличие кислорода, который может
присутствовать в газе-носителе. В этом случае оксидный слой,
возникающий на поверхности кремния, в которую происходит
диффузия примесей, может существенно изменить граничные
условия и препятствовать диффузии примесей в кремний.
В табл. 11-1 и 11-2 показано, как влияет пленка на процесс
легирования поверхностного слоя кремния соответственно бором
и фосфором. Из таблиц видно, что наличие на поверхности кремния
слоя окисла толщиной в 1000А приводит к тому, что бор не про-
никает через него за время диффузии в течение 2 ч даже при темпе-
ратуре 1220° С.
Фосфор при температуре диффузии 1100° С в течение 2 ч не
проникает через пленку окисла толщиной 3000А и
ЗШЕ
лишь
197
Таблица 11-1
Темпера-
тура пла-
стины крем-
ния, еС
Толшина
пленки
окисла
Темпера-
тура источ-
ника, °C
Время
испарения, диффузии
мин	ч
Поверх-
ностная
концентра-
ция, СМ" 8
Глубина
перехода;
мкм
1220
. 1220 .
1000
1000
1200
1200
20
20
19
1018
20
незначительно легирует поверхность при температуре 1120° С за 4 ч
диффузии. Этй примеры говорят о том, что для получения хоро-
йх повторяемых результатов диффузии необходимо строго кон-
тролировать условия диффузии и различные внешние факторы.
11
Таблица 11-2
1100
1120
1200
Темпера-
тура пла-
стины крем-
ния, 'С
Толщина пленки окисла, о А	Темпера- тура источ- ника, СС	Время		Сопротив- линие слоя, ом/и	Поверх- ностная концентра- ция, см~ъ
		испарения, М1Н	диффузии, ч		
3000 3000 3000	220 220 220	10 10 10	2 4 4	1500 0,4	101б 1,3-1021
если требуется окислить поверхность
Установлено также, что
кремния после легирования ее бором, то необходимо это/делать
в присутствии паров бора, так как в противном случае брр будет
переходить из кремния в окисную пленку (растворимость бора
в SiO2 больше, чем в кремнии). Этот вывод можно сделать иа
приведенных в табл. 11-3 результатов.
Однако наряду с этим имеются данные, что для различных
^ффициент распределения* бора между Si и SiO2 ко-
пределах от 10 3 до 103 в зависимости от различных
случаев коз
леблется в Пределах
условий.
Таблица 11-3
Температура, СС		Условия последующего окисления ♦	Поверхностная концентрация, ем-8
пластинок кремния	источника		
1220 1220 1220	1075 1075 1075	1 ч в О2 1 ч в О s + пары воды	1S	W •и	w ООО «ГЧ ЧгЧ • • • ю сч сп
коэффициентом распределения понимается отно-
О	ъ *
♦ В данном случае под
шение концентрации атомов легирующей примеси в кремнии к концентрации.
атомов примеси в пленке SiO2.
2
<
'э
J4
198
В табл. 11-4 представлено изменение сопротивления повер-
хностных слоев кремния, легированных фосфором, после про-,
ведения последующего окисления.
Таблица 11-4
Время
окисле-
ния, мин
Толщина
слоя
окисла,
С оцротив пение
поверхностного
слоя, оде/О
до окис- после
ления окисления
Время
окисле-
ния, мин
Толщина
слоя
окисла,
о
А
Сопротивление
поверхностного
СЛОЯ, <М€/О
 —-  *  '	---Г"""—*
до окис- после
ления окисления
15
30
60
90
2950
4070
5300
6490
1,15
1,14
1,15
1,14
1,13
1,04
1,04
1,08
180
270
360
480
8850
11060
12090
147 750
0,53
0,53
0,54
0,54
0,54
0,51
0,54
0,54
Результаты, 'приведенные в' табл. 11-4, получены при темпе-
ратуре окисления 970° С. Измерение поперечного сопротивления
производилось четырехзондовым методом. Таким образом, после
окисления концентрация фосфора имеет исходный порядок
(1021 cjh~3). Некоторое возрастание поверхностной концентрации
фосфора в диффузионном слое связано с тем, что скорость роста
окисной пленки при температуре 970° С значительно превышает
скорость диффузии фосфора в кремний. Ари окислении в окисел
переходит слой кремния толщиной примерно 0,44 от толщины
окисной пленки. При этом фосфор оттесняется окислом в объем
кремния (коэффициент распределения между Si и SiO2 порядка
10~8), что приводит к созданию поверхностного слоя с повышен-
ной концентрацией примеси (фосфора). В связи с вышеизложен-
ным глубина залегания перехода от поверхности кремния умень-
шается, так как окисел наращивается быстрее, чем идет процесс
диффузии фосфора в глубь пластинки кремния.

11-3. Измерение параметров диффузионных слоев

Основными параметрами диффузионных слоев являются: глу-
бина залегания р-п-перехода средняя проводимость поверх-
ностного слоя (о); поверхностная концентрация атомов примеси
Для точного вычисления значения поверхностной концентра-
ции атомов примеси в диффузионной области пластинки кремния
необходимо также знать закон распределения примеси в глубину
полупроводника. Закон же распределения примеси, как ука-
зывалось ранее, определяется, главным образом, условиями про-
ведения процесса диффузии.
В случае изготовления кремниевых планарных приборов и
интегральных полупроводниковых схем среднее поверхностное
сопротивление диффузионных слоев определяют четырехзондовым
»
199
методом. Погрешность измерения поверхностного сопротивления
для типичных пластинок кремния, используемого в производстве
планарных приборов, при этом не превышает 5—10%.
Для определения толщины диффузионного слоя, имеющего
большую величину (например, в случае изолирующей диффузии),
применяют метод косого шлифа. Однако этот метод находит- огра-
ниченное применение в случае, когда диффузионные слои имеют
малую толщину. Дело в том, что точность определения глубины
залегания р-и-перехода в значительной степени определяется
выбором угла косого
лифа: чем меньше угол, тем точнее изме-
II
рение. Для диффузионных слоев порядка 2—5 мкм рекомендуется
задавать угол менее трех градусов. Это требует специальных пре-
Рис. 11-1. Схема приспособления для
вышлифовывания лупки в образце крем-
цизионных приспособлений,
кроме того, необходима тща-
тельная обработка поверхно-
сти кремниевой пластинки,
так как наличие па поверх-
ности пластинки малейших
царапин и сколов может дать
значительные погрешности в
определении глубины зале-
гания р-тг-перехода. Поэтому
для измерения тонких диф-
фузионных слоев па крем-
ния.	нии чаще всего используют
метод лунки. Этот метод яв-
ляется универсальным и при необходимости может быть исполь-
зован для измерения толщин окисных пленок на кремнии..
Метод основан на получении в пластинке/кремния цилиндри-
ческой или сферической лунки, выявлении Диффузионных слоев
окра
и
иванием или осаждением металла и измерении под микро-
скопом линейных размеров лунки. После проведения этих про-
стейших измерений глубина диффузионного слоя легко рассчи-
тывается.
j Методика получения лунки такова. Исследуемый образецг
(пластинка кремния с диффузионным слоем) устанавливается на
стальной горизонтальный столик установки. Крепление пла-
стинки может производиться либо путем вакуумного присоса,
либо в простейшем случае с помощью приклейки пластины к сто-
лику воском. Столик располагается на специальном установоч-
ном блоке, снабженном механизмом перемещения. Лунка вышли-
фовывается с помощью вращающегося металлического цилиндра
ара. На рис. 11-1 представлена схема установки для полу-
или
и
чения цилиндрической лунки, которая изготовлена на основе
токарного станка. Цилиндр изготовлен из стали, и поверхность
его хорошо отполирована. Он закрепляется в шпинделе и приво-
дится во вращение. На поверхность цилиндра подается абразив,
который находится в масляной суспенз:
« В качестве абразива
Я 5
200
чаще всего используют окись хрома или мелкий алмазный поро
II
ок
(размер зерна порядка одного микрона). При этом в образце
вырезается лунка.
После очистки пластинки кремния от абразивной суспензии
производится окрашивание лунки или высаживание металла.
Затем производится измерение линейных размеров с помощью
микроскопа с микрометриче-
ским отсчетом.
На рис. 11-2 схематически
показано поперечное сечение
лунки в слое кремния. Здесь
R — радиус цилиндра, х и у
измеряемые расстояния при
наблюдении лунки сверху.
Из рисунка 11-2 путем про-
стых геометрических выкла-
док легко получается форму-
ла для расчета xf
Рис. 11-2. Поперечное сечение лунки в
слое пластинки кремния.
Если ось цилиндра распо-
ложена под небольшим углом к поверхности образца, то полу-
чается фигура, изображенная па рис. 11-3.
Луночный метод имеет ряд преимуществ по сравнению с мето-
дом косого шлифа. Выявление диффузионных слоев тем же самым
окрашивающим раствором происходит
легче; так как угол наклона оси ци-
линдра но отношению к образцу не
критичен до нескольких градусов, то
не требуется специальных мер для
установки образца перед шлифовкой.
Особенно заметно преимущество луноч-
ного метода при измерении тонких
диффузионных слоев. Проведенные спе-
циально исследования по оцределению
Рис. 11-3. Вид на лунку погрешности показали, что абсолютная
сверху.	погрешность возрастает с 0,04 мкм при
глубине диффузионного слоя 0,3 мкм до
0,1 мкм при глубине слоя 6 мкм, а относительная погрешность
уменьшается соответственно с 12 до 2%.
Определенные экспериментальным путем глубина расположе-
ния перехода и поверхностное сопротивление используются для
нахождения поверхностной концетгграцихт в случае известного
закона распределения примеси по глубине. Для этого пользуются
графиками зависимости поверхностной концентрации Ns от вели-
1
чины ----- при диффузии акцепторов и доноров соответственно
Ps •
в электронный и дырочный кремний для законов распределения
201
функции ошибок и распредежения
П]
(Шерхностная концентрация Ns, см
*
примесей: дополнительной
Гаусса.
На рис. 11-4 и 11-5 приведены в качестве примера кривые
__—___**__—_________ »г	о
Рис. 11'4. Связь поверхностной концентрации и средней проводимости
слоев n-типа в кремнии с распределением примеси по закону функции
ошибок.
проводимости слоев g для п-и p-типа кремния с распределением
примеси по закону дополнительной функции ошибок.
В обоих случаях выбраны кривые для кремния с концентра-
цией исходной примеси в объеме равной 101& см~3. Таким об-
разом, зная концентрацию примеси исходного кремния No W изме-
рив и поверхностное сопротивление диффузионного слоя, из
графика зависимости поверхностной концентрации Ns от средней
202
проводимости слоя а находят значение поверхностной концентра-
ции, которая является одним из основных параметров диффузион-
ного слоя.
Рис. 11-5. Связь поверхностной концентрации и средней проводимости слоев
p-типа в кремнии с распределением примеси по закону функции ошибок.
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
" МОНТАЖ, КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
И ПАРАМЕТРЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
12-L Создание омических контактов к интегральным схемам
и резка пластин на кристаллы
Для создания омических контактов к соответствующим обла-
стям элементов интегральных схем и соединения различных эле-
ментов между собой проводят вакуумную металлизацию. При
203
использовании для металлизации золота часто не получается
хороших омических контактов. Кремний имеет очень сильное
сродство с кислородом, поэтому он всегда покрывается тонким
слоем окисла. Металлизация золотом часто не дает проникновения
золота в тонкий слой окиси и сплавления его с кремнием. Поэ-
тому в настоящее время в подавляющем большинстве случаев
для металлизации применяют алюминий. Он имеет с кислородом
еще большее сродство, чем кремний. Благодаря этому алюминий
может проникать в топкий окисный слой и быстро вплавляться
в кремний.
Процесс вакуумной металлизации включает в себя следующие
стадии:
1.	Обезгаживание распылителя. Алюминий должен распла-
виться и хорошо смочить вольфрамовую спираль распылителя.
Пластинку кремния в это время закрывают экраном. При этом
температура держателя пластинки комнатная.
2.	Обезгаживание молибденового держателя и пластинки
кремния.
3.	Напыление алюминия. Процесс напыления алюминия произ-
водится на нагретую пластинку кремния в вакууме порядка
10 6 мм рт. ст. Алюминий помещают на вольфрамовую нить
накала (испаритель), которая нагревается при пропускании
через нее тока. Испаряющийся алюминий осаждается на поверх-
ность пластинки кремния в виде тонкого слоя. В вакуумную
камеру можно одновременно помещать несколько пластинок
кремния, содержащих сотни и даже тысячи микрологических
элементов. Длительность процесса напыления от 5 до 30 сек, в за-
висимости от необходимой толщины слоя алюминия и конструк-
ции испарителя.
4.	Охлаждение пластинки кремния до комнатной темпера-
туры. Испаритель и нагреватель подложки, на которую ведется
напыление, выключены. 7
После проведения описанного процесса пластинки оказываются
покрытыми равномерным слоем алюминия толщиной от 0,3 до
1 мкм. Затем пластинки кремния передают на операции фото-
литографии, где производится фотогравировка в слоче алюминия.
На поверхности SiO2 алюминий остается в виде соединитель-
ных дорожек и контактных площадок для контактирования инте-
гральной схемы с выводами корпуса, в который монтируется
готовая интегральная схема. На обнаженных же участках актив-
ных областей элементов схемы создается омический контакт.
Простого механического контакта алюминия с легированными
областями кремния недостаточно. Поэтому после фотолитографии
в слое алюминия и снятия слоя фоторезиста производят вплавле-
ние алюминия в кремний. Для этого пластинку кремния с полу-
ченными на ней схемами помещают в трубчатую печь вплавления
и нагревают до температуры 580—600° С, несколько превы
ающей
и
температуру эвтектики системы кремний — алюминий. Процесс
204
проводят в потоке сухого инертного газа в течение примерно
1—2 мин и затем быстро охлаждают, вынув пластинку из высоко-
температурной зоны. В результате такого нагрева алюминий
смачивает поверхность кремния и вплавляется на небольшую
глубину (десятые доли микрона), создавая хороший омический
контакт.
Необходимо заметить, что разделка пластин кремния на от-
дельные кусочки, каждый из которых включает в себя закончен-
ную интегральную схему, — задача достаточно сложная. Раз-
резку осуществляют чаще всего с помощью алмазных дисков
или скрайбированием. Резку пластины алмазным диском произ-
водят так же, как и резку слитков. Однако пластины разрезают
только дисками с внешней режущей кромкой. Пластины кремния
приклеиваются к стеклу, которое, в свою очередь, устанавливается
на столик станка. Подача столика производится автоматически.
Величина перемещения столика с пластиной после каждого реза
соответствует шагу, с которым расположены схемы на пластине.
После того как пластина разрезана на полосы в одном направле-
нии, стекло с пластиной поворачивается па 90° и снова произво-
дится резка полос на прямоугольники. Затем кусочки (прямо-
угольники) кремния снимаются со стекла, обезжириваются и про-
мываются. Однако эта операция резки не очень технологична,
так как возможны загрязнения пластин при наклейке, которые
не всегда могут быть удалены при обезжиривании. Поэтому чаще
для резки пластин на отдельные прямоугольные кристаллы при-
меняется метод скрайбирования. Этот метод заключается в нане-
сении па поверхность кремниевой пластинки в двух перпенди-
кулярных направлениях царапин алмазным резцом. После этого
производится ломка пластин па отдельные кристаллы. Разламы-
вание происходит по нанесенным на поверхности пластины рис-
кам.
Процесс скрайбирования производится на специальных полу-
автоматах или автоматах, в которых резец перемещается по по-
верхности кристалла механически. Шаг смещения резца для
проведения соседней царапины задается автоматически и выдер-
живается с большой точностью. Для повышения эффективности
скрайбирования кристалл алмаза скалывают по соответствую-
щим граням.
После скрайбирования кремниевые кристаллики со сформи-
рованными на них интегральными схемами передаются па опера-
цию приплавления к основаниям корпусов интегральных схем.
Приплавление производится с помощью специальных сплавов:
в водородных печах или печах с продувкой инертным газом.
Например, применяется сплав золото — никель.
В таком виде интегральные схемы поступают на операцию
монтажа для присоединения проволочных выводов к контактным
площадкам интегральной схемы и приварки этих выводов к вы-
водам корпуса.
205
12-2. Термокомпрессионное присоединение выводов
к интегральным схемам
В настоящее время наиболее распространенным способом
присоединения выводов к полупроводниковым интегральным
схемам является компрессия — сварка металлов между собой и
металлов с полупровод
ж
ками 'под действием нагрева и давления
в твердом состоянии. Характерным для термокомпрессионной
сварки является 'полное исключение из процесса каких-либо
флюсов. Приложение давления к свариваемым поверхностям при-
водит к увеличению площади контакта, а в сочетании с нагре-
вЬм — к пластической деформации свариваемых поверхностей.
Эта пластическая деформация не только увеличивает реальную
контактную площадь, но и дает возможность такого тесного
Контакта, при котором заметную роль начинают играть ^илы
сцепления Ван дер Ваальса. В отдельных случаях возможно^
образование и химических связей. Однако, как правило, для
итого требуются более высокие температуры, чем температуры
термокомпрессии. В отличие от холодной сварки металлов, когда
происходит деформация обоих свариваемых материалов, при термо-
компрессии выводов к полупроводниковым устройствам деформа-
ции полупроводника не допускается. Поэтому для термокомпрес-
сии к твердым схемам используют, как правило, пластические
металлы, такие, например* как алюмин
или золото. Для_хоро-
м

н
его термокомпрессионного контакта этих материалов с чистым
кремнием,4 по данным многих авторов, потребовалась бы темпера-
тура более 650° С. Так как процесс термокомпрессии производят
к тонким слоям алюминия, то температура может быть значи-
тельно ниже (250—450° С). Практический интерес поэтому пред-
ставляют случаи термокомпрессии проволоки из золота и алюми-
ния к пленкам алюминия. При комнатной температуре алюминий
имеет сопротивление деформациц 14 кПмм2, а при повышении
температуры до 450° С сопротивление падает до 0,6 кГ/лмс2.
Поэтому процесс/термокомпрессии к алюминиевым контактам
полупроводниковых интегральных схем проводят при темпера-
туре 350—400° С, в зависимости от того, из какого материала
сделана термокомпрессируемая проволока. Процесс ведут таким
образом, чтобы деформация проволоки достигала примерно 50 %
от ее начального диаметра.
Наилучшая прочность получается при‘термокомпрессии к алю-
миниевому слою алюминиевой и золотой проволоки (см. табл. 12-1).
Эти контакты имеют. также и лучшие электрические свойства
(наименьшие контактные сопротивления). Это утверждение сле-
дует из исследования вольт-амперных зависимостей различных
^ермокомпрессионных контактов.
Как видно из таблицы, при термокомпрессии к алюминиевой
пленке определяющим фактором, который влияет на прочность,
является пластическая деформация алюминиевого слоя подложки»
206
Таблица 12-1
Материал		Параметры термокомпрессионной сварки		
♦		температура,	давление,	прочность,
проволоки	подложки	сс		
	* Алюминиевая пленка	340	9	20
Золото	То же	400	7,7	20
-	Кремний	400	6	7
	Алюминиевая пленка	МО	6	20
Алюминий	То же	400	5	20
*  	Кремний	400	9	22 -
300
400
11
11
Алюминиевая пленка
Тб же
Кремнии
11
нет связи
1
Платина
различных
о
При сварке с алюминиевой пленкой проволоки из
материалов прочность получается одинаковой. Поэтому при произ-
водстве полупроводниковых интегральных схем чаще всего ис-
пользуют для выводов проволоку из алюминия и золота. Диаметр
проволоки выбирают в интервале 20—50 мкм.
Для придания проволоке необходимой пластичности произво-
дят дополнительный отжиг. Реже для термокомпрессии исполь-
зуют платиновую проволоку. Платина предпочтительнее в случае
термокомпрессии к чистому кремнию, однако при этом темпера-
тура должна быть выше 500° С.
Для проведения процессов термокомпрессии используют спе-
циальные установки. Примером могут служить установки, вы-
пускаемые американскими фирмами Кулицке и Соффа и Дэвис
Кори. Фирма Кулицке и Соффа в течение последних лет разрабо-
тала и выпустила целое семейство таких установок различной
сложности. Эти установки используют для термокомпрессии выво-
дов к интегральным схемам, транзисторам и другим полупровод-
никовым приборам. Примером такой универсальной установки
является модель 401 АВ.
Любая установка для термокомпрессии состоит из следу!
узлов:
1)	пантографа для перемещения оптической системы для на-
блюдения за свариваемым контактом;
2)	пневматического устройства для реверсивной подачи тон-
кой иглы с проволокой;
3)	манипулятора, обеспечивающего перемещение обрабаты-
ваемой интегральной схемы;
4)	приспособления для обрезки провода;
5)	нагревательного столика с терморегулятором;
Ин
207
6)	панели управления.
Важное значение для качества термокомпрессионного кон-
такта имеет форма иглы, с помощью которой создается давление
на привариваемую к контактной площадке проволоку. На рис. 12-1
приведены формы электродов для термокомпрессии.
В заключение необходимо особо остановиться па свойствах
термо компрессионного контакта золотой проволоки к алюминие-
вой пленке. В технологии полупроводниковых интегральных
схем предпочтительно в качестве выводов использовать золотую
проволоку, которая хорошо присоединяется с помощью термо-
компрессии к алюминиевым слоям интегральной схемы и в то же
время легко приваривается к металлическим (чаще коваровым)
выводам корпусов, в которые компонуются полупроводниковые
интегральные схемы. Однако изготовителями кремниевых полу-
Рис. 12-1. Формы электродов для термо компрессии: а —
шариковая; б — усеченный конус; в — клин.
проводниковых приборов (в частности, транзисторов) было обна-
ружено понижение надежности приборов вследствие ухудшения
омического контакта золотой проволоки с пленкой алюминия
при длительном хранении приборов при /температуре 300° С.
После такого хранения наблюдается изменение цвета контакта
до темноватого и темно-пурпурного. Многие склонны относить
изменение/цвета к образованию соединения АиА12. Окрашивание
контакта / принято в литературе называть «пурпурной чумой»,
так как соединение АиА12 имеет пурпурный цвет.
Попытки избежать этого явления увеличением толщины слоя
ш
[ем режимов термокомпрессии не дали положитель-
или измене]
ных результатов. Исключение же из технологии золотой прово-
локи или металлизации алюминием представляет довольно слож-
ную проблему и не дает удовлетворительного решения. Так,
например, попытка использовать серебряную проволоку показала,
что при определенных условиях это приводит к возникновению
дендритной структуры соединения Al с Ag и ослаблению соеди-
нения. Лучшие результаты дает контакт алюминиевой проволоки
к пленкам алюминия.

208
Более подробное исследование показало, что золото и алюминий
создают несколько бинарных соединений (рис. 12-2): пурпурный
АиА12, плавящийся при 1060° С и рыжевато-коричневый Ап2А1,
плавящийся при 624° С и, возможно, другие соединения. Эти
соединения возникают не обязательно при указанных темпера-
турах, а могут образовываться и при более низких. Этому во мно-
гом способствует тот факт, что в контакте присутствует также
Рис. 42-2. Бинарная фазовая диаграмма системы алю-
миний — золото.
кремний. Температура плавления тройной системы кремний —
алюминий — золото находится в интервале температур порядка
325—350° С или около этого, т. е. ниже, чем температура плавле-
ния бинарной эвтектической системы кремний — золото (370° С).
На основе этого можно заключить, что процесс образования
«пурпурной чумы» в контакте Al—Au ускоряется наличием крем-
ния. Эти результаты подтверждены многократными эксперимен-
тами. Сравнение результатов механических испытаний приборов
с контактами золото — алюминий и алюминий — алюминий пока-
зывает, что число отказов меньше в случае контакта алюминие-
вой проволоки с алюминиевой пленкой, т. е. контакт алюминий —
алюминий предпочтительнее.
8
Р. А. Гаврилов, А. М. Скворцов
209
-12-3. Конструкции и параметры интегральных схем
В. настоящее время фирмы-изготовители значительно расши-
рили промышленный выпуск интегральных полупроводниковых
схем (ИПС).
выводы Юшт.
075
19
Рис. 12-3. Конструкция корпуса типа ТО-5.
и
Рис. 12-4. Конструкция
корпуса с 14 выводами
фирмы Texas Instru-
ments.
и
ИПС являются основными микроэлектронными уз-
лами, которые разработ-
чики систем, особенно в
США, стремятся приме-
нить для вычислительных
машин.
В последние два года
существенно повысился
процент выхода годной
продукции. Поэтому стои-
мость ИПС непрерывно
уменьшается. Разработан-
ные технологические мето-
ды совершенствуются; стали применяться новые процессы для повы-
ения быстродействия, снижения энергетического уровня работы,
увеличения надежности интегральных полупроводниковых схем.
В настоящее время уже многие фирмы, производящие ИПС,
используют кремниевые пластины с эпитаксиальными слоями.
В частности, фирма Фершильд еще в 1963 г.
применила для своей серии Микрологик
пластины с эпитаксиальным слоем.
Значительные работы проводятся изго-
товителями интегральных схем по замене
стандартных металлических баллонов,
в которые помещаются интегральные по-
лупроводниковые схемы, другими видами
защитных покрытий.
Однако до настоящего времени боль-
инство зарубежных и, в частности, аме-
риканских фирм-изготовителей полупро-
водниковых интегральных схем выпускают
логические интегральные схемы в стан-
дартных корпусах типа ТО-5, герметиза-
ция которых производится сваркой флан-
ца ножки с баллоном. Конструкция
корпуса ТО-5 представлена на рис. 12-3. Ножка корпуса выпол-
няется из ковара. Герметичность выводов достигается спаем ме-
талла - со стеклом. На рис. 12-3 приведена конструкция
корпуса ТО-5 со смонтированной на ней полупроводниковой ин-
тегральной схемой.
Американская фирма Техас Инструменте выпускает ИПС
в керамических корпусах с десятью и четырнадцатью выводами.
Конструкция такого’ корпуса с четырнадцатью выводами приве-
дена на рис. 12-4. Золоченые коваровые выводы дают герметиче-
ж фирм-изготовителей полупро-
12-3 приведена конструкция
210

ский спай со стеклокерамикой самого корпуса.. Верхняя по-
верхность керамического корпуса металлизирована и позоло-
чена, так что металлическая золоченая крышка легко припаи-
Рис. 12-5. Бескорпусная
конструкция интеграль-
ной схемы.
вается к корпусу, надежно герметизируя интегральную схему.
Однако даже в таких плоских керамических корпусах активная
часть полупроводниковой интегральной схемы (кристалл кремния
с активными и пассивными элементами в нем) занимает не более
5—10% всего объема. Поэтому наряду с интегральными схемами
в корпусном оформлении разрабатываются и выпускаются инте-
гральные схемы в бескорпусном оформлении. Такие конструкции
выпускаются, наприМер, американской фирмой Техас Инструменте
и некоторыми английскими фирмами. В основе конструкции —
керамическая пластинка 1 с вваренными в нее металлическими
выводами 2, расположенными перпендикулярно плоскости осно-
вания. На керамическую пластинку мон-
тируют кристалл кремния с полученными
в нем элементами интегральной схемы,
а затем производится заливка полупро-
водникового кристалла герметизирующим
компаундом 3 (см. рис. 12-5).
Другая американская фирма Вестигауз
выпустила полупроводниковую интеграль-
ную схему двоичного триггера в бескор-
пусной эпоксидной упаковке. Предпола-
гается выпуск в таком же оформлении и
других типов логических схем, напри-
мер, серии буферных устройств. Считают,
что кроме уменьшения габаритов будет
достигнуто значительное снижение стоимости интегральных схем
в бескорпусном оформлении, так как значительная часть стои-
мости готовой интегральной схемы приходится на металло-стек-
лянный корпус.
Фирма Сигнетикс сообщила о разработке плоских корпусов
для интегральных схем из тугоплавкового стекла марки 7052
и позолоченного ковара. Корпуса имеют форму куба со стороной
6,3 мм и обеспечивают такую же прочность, надежность и герме-
тичность упаковки, как и стандартные корпуса ТО-5. Размещение
выводов в стеклянных стенках выполнено так же, как и в корпусе
ТО-5, что позволяет применять термокомпрессию и микросварку
для соединения выводов на плате. Внутренние выводы в плоских
корпусах короче, чем в ТО-5, благодаря чему эти корпуса лучше
выдерживают удары и вибрацию.
В последние годы наблюдается бурное развитие полупровод-
никовых интегральных схем. Растут не только число изготови-
телей и объем выпуска различных типов схем, но все более расши-
ряются работы по созданию новых типов интегральных схем,
сове
Ом
енствуются технологические процессы и создаются прин-
ципиально. новые процессы и конструкции, что позволяет
8*
211
Рис. 12-6. Поперечное сечение много-
елейного соединения.
1 — первая пленка проводника (участок с
контактом к активному элементу); 2 —
осажденный диэлектрик; 3 — второй про-
водящий слой; 4 — контакт между первой
и второй проводящими пленками; 5 — кон-
такт к активному элементу; 6 — окисная
пленка па кремнии; 7 — кремниевая под-
ложка.
значительно улучшить качество и электрические параметры моно-
литных интегральных схем.
Например, фирма Фершильд до последнего времени выпускала
несколько серий микрологических элементов, в том числе серию
«рХ» (микрологика), состоящую из девяти логических микросхем,
и серию «Д7рХ» (диодно-транзисторная микрологика), состоящую
из пяти логических микросхем. Быстродействие этих микросхем
составляет 50 нсек, рассеиваемая мощность не более 25 мет.
В настоящее время фирма выпустила новую серию эпитаксиаль-
ных логических элементов. Каждая такая интегральная схема
содержит от 9 до 15 эпитаксиальных транзисторов и до 22 рези-
сторов. Их время срабатывания
составляет в среднем И нсек.
Другой крупный изготови-
тель полупроводниковых инте-
гральных схем — фирма Техас
Инструменте — выпускает че-
тыре серии микросхем: 51, 52,
53, 54. Серии 51 и 53 представ-
ляют собой логические микро-
схемы и состоят каждая из ше-
сти типовых быстродействую-
щих микросхем. Быстродейст-
вие серии 51 не хуже одной
микросекунды. Быстродействие
53-й серии — 25 нсек при мощ-
ности рассеивания на микро-
схему не более 25 мет.
Новая 54-я серия имеет бо-
лее высокие электрические ха-
рактеристики. Задержка на распространение в схемах совпадения
не превышает 15 нсек и в схеме триггера 40 нсек при мощности
рассеяния на один вентиль 10 мет. Микросхемы этой серии могут
4 устойчиво работать в диапазоне температур от —55 до -[-125° С.
Нагрузочная способность по выходу таких микросхем равна
десяти.
Многие изготовители полупроводниковых интегральных схем
начали выпуск сложных интегральных схем в виде универсаль-
ных матриц с большим числом простых схем на одной пластине
кремния. Очевидным преимуществом таких сложных схем яв-
ляется высокая плотность монтажа. В настоящее время выпус-
кают сложные схемы, содержащие от 40 до 200 простых схем.
Основной проблемой, связанной с производством сложных уни-
версальных матриц, является создание в ней соединений. Для
изготовления крупных матриц нельзя применять стандартные
методы соединений,
соединения, которые создают контакты как между металлом и
кремнием, так и между двумя металлами (см. рис. 12-6).
212
этих случаях используются многослойные
Важной проблемой при решении этой задачи является правиль-
ный выбор материала, удовлетворяющего требованиям, предъяв-
ляемым к контактам как активных, так и пассивных элементов.
Эти требования заключаются в следующем:
1.	Материал контакта не должен образовывать химических
соединений с материалом подложки, в нем не должно происходить
фазовых изменений, и он не должен диффундировать со временем
в подложку при работе схемы в диапазоне температур от —50
2.	Контакты должны обладать механической прочностью в
указанном диапазоне температур.
3.	Контакты должны обладать низким электрическим сопро-
тивлением и не изменять со временем своих характеристик в диапа-
зоне температур.
4.	Материал контактов не должен взаимодействовать с окру-
жающей средой.
5.	Материал контакта должен легко осаждаться.
Перечисленным требованиям лучше других удовлетворяют
такие материалы, как молибден, никель, мышьяк, кобальт и же-
лезо. Наиболее предпочтительным из них является молибден,
так как хорошо изучены методы осаждения этого металла из па-
ровой фазы и методы реактивного напыления. Путем термического
восстановления пентахлорида молибдена водородом при тем-
пературе 650—950° С и температуре подложки 180° С выращи-
вались молибденовые пленки толщиной от 500А до 10 мкм.
Молибден создает хороший контакт с кремнием, так как об-
ладает сильным сродством к кислороду, что снижает окисление
кремниевой поверхности. Кроме того, тугоплавкие металлы
создают хорошие омические контакты друг с другом и плохо
растворяются в кремнии.
Недостатками тугоплавких металлов являются их хрупкость и
легкость, с которой они окисляются. Для предотвращения этого
явления молибденовую пленку можно защищать неокисляемым
металлом, например, никелем или золотом.
Примером сложной интегральной матрицы может служить
матрица декадного делителя частоты фирмы Сильвения (США),
заменяющая 40 простых логических интегральных схем. Схема
делителя размещена на пластине кремния размером 1,25 X 2 мм
и состоит из шести каскадов.
Другой пример — интегральная матрица памяти на 16 раз-
рядов, изготовленная американской фирмой IBM. Матрица раз-
мещена на пластинке размером 1,7 х 1,7 мм и состоит из 16 схем,
каждая из которых содержит пять планарных диффузионных
транзисторов типа п-р-п и четыре сопротивления. Таким образом,
с учетом четырех фиксирующих диодов матрица содержит 148 ком-
понентов. Галеты со схемами памяти покрывают защитным слоем
толщиной 1,5 мкм. По периметру галеты располагаются контакт-
ные площадки. Время считывания информации из одной ячейки
213
• памяти составляет 8 нсек, а время записи — 20 нсек. Мощность,
потребляемая одним элементом памяти, равна приблизительно
2 мет.
ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СХЕМЫ
НА ОСНОВЕ ТРАНЗИСТОРОВ ТИПА
МЕТАЛЛ
ОКИСЕЛ — ПОЛУПРОВОДНИК
13-1. Устройство и принцип действия полевого транзистора
типа металл—окисел—полупроводник
Среди большого количества различных 'групп полупроводни-
ковых полевых транзисторов особое место занимают транзисторы,
имеющие структуру металл — диэлектрик — полупроводник.
Наиболее распространенными из этой группы являются кремние-
вые полевые транзисторы типа металл — окись кремния — полу-
проводник или, как их сокращенно называют, МОП-транзисторы.
Особенно быстрое развитие МОП-транзисторов и интегральных
схем на их основе объясняется большими успехами в технологии
изготовления кремниевых планарных приборов и полупроводни-
ковых интегральных схем.
В обычных биполярных транзисторах (сплавных, диффузион--
ных, диффузионно-сплавных и других) перенос зарядов в области
базы осуществляется неосновными носителями. Вследствие инжек-
ции эмиттером неосновных носителей в области базы создается
избыточная (неравновесная) концентрация неосновных носите-
лей, которые затем экстрагируются коллектором. Управление
трком в этих транзисторах осуществляется с помощью изменения
тока базы или эмиттера.
В полевых МОП-транзисторах ток между истоком и стоком
обусловлен прохождением в полупроводнике основных носителей
тока. Управление током стока у таких транзисторов осущест-
вляется с помощью поля, обусловленного приложенным к затвору
напряжением. В этом заключается главное отличие МОП-тран-
зисторов от обычных биполярных транзисторов.
На рис. 13-1 схематически представлено сечение монокристалла
кремния с созданным в нем планарным^гранзисто'ром типа металл—
окисел кремния — кремний. Области истока и стока такого тран-
зистора представляют собой легированные методом диффузии
участки кремния. Эти области имеют проводимость, противопо-
ложную проводимости кремниевой подложки. Тонкий приповерх-
ностный слой полупроводника, расположенный между областями
истока и стока, способный при определенных условиях проводить
ток между истоком и стоком, называют каналом. Этот, участок
214
способен проводить ток в том случае, когда он обладает прово-
димостью того же типа, что и проводимость истока и стока. Уп-
равление токрм канала осуществляется полем, которое обуслов-
ливается напряжением на затворе. Последний представляет собой
тонкий металлический слой, расположенный над каналом и изо-
лированный от полупроводника слоем двуокиси кремния.
'Легирование областей стока и истока производят диффузией
примеси из паровой фазы в «окна», полученные в защитном слое
двуокиси кремния методом фотолитографии. Окисел, изолирую-
ироко исполь-
и
щии участок поверхности кремния между истоком и стоком, полу-
чают методом термического окисления, который
Исток Затвор Сток
9	9	9
IX
Рис. 13-1. Сечение МОП-транзистора.
зуется в планарной технологии и подробно изложен в девятой
главе. Электрод затвора и омические контакты к областям стока
и истока получают методом вакуумного напыления алюминия на
всю поверхность кремниевой пластинки с последующим проведе-
нием процесса фотолитографии в слое алюминия.
Конструкция транзистора, изображенного на рис. 13-1, яв-
ляется симметричной, т. е. исток и сток этого транзистора при
соответствующем включении могут быть взаимозаменяемыми.
При этом электрические параметры транзистора останутся теми
же. Наряду с симметричной конструкцией транзисторов типа
МОП существуют и различные варианты несимметричных кон-
струкций как с прямолинейной, так и с фигурной конструкцией
областей истока и стока.
По принципу работы транзисторы типа МОП можно разделить
на две группы: нормально закрытые и нормально открытые.
Принципиальная особенность нормально закрытых транзи-
сторов заключается в том, что при приложении напряжения
между истоком и стоком ток в цепи стока практически отсутствует.
Это связано с отсутствием токопроводящего канала между исто-
ком и стоком при отсутствии напряжения на затворе.
На рис. 13-2 схематически представлены сечения нормально
закрытых транзисторов с каналами р- и n-типов. Как видно из
рисунка, тип проводящего канала определяется проводимостью
областей истока и стока. В зарубежной периодической литера-
туре транзисторы такого т*ипа часто называют МОП-транзисто-
рами с обогащением.
Схема включения и принцип действия нормально закрытого
транзистора с p-каналом иллюстрируется на рис. 13-3. Между
истоком и стоком прикладывается напряжение такой полярности,
чтобы р-п-переход стока был
р-тип
Рис. 13-2. Нормально закрытые транзи-
сторы (транзисторы с обогащением): а —
с p-каналом; б — с п-каналом.
включен в запорном направ-
лении. При этом образуется
цепь, состоящая из двух
диодов, включенных навстре-
чу ДРУГ ДРУГУ, и области
полупроводника, располо-
женной между диодами исто-
ка и стока. Так как зазор
между истоком и стоком об-
ладает проводимостью проти-
воположного типа по отно-
шению к проводимости обла-
стей истока и стока, то ток
в цепи ограничивается очень
высоким сопротивлением ди-
ода стока, включенного в
ш
обратном направлен:
!, И бу-
дет иметь малую величину.
Дальнейшее увеличение на-
пряжения исток — сток (С7с) при отключенном затворе практиче-
ски не будет вызывать увеличения тока в цепи исток — сток до
значений, равных пробивному напряжению р-п-перехода стока
(t/проб). Вольтамперная характеристика нормально закрытого
МОП-транзистора при нулевом смещении на затворе представлена
на рис. 13-3, а.
Когда к затвору транзистора приложено отрицательное на-
пряжение С73, величина которого недостаточна, чтобы в полупро-
воднике вблизи поверхности появился инверсный слой, ток в цепи
стока не изменится. При достижении напряжения U3 = Un,
называемого пороговым напряжением, в цепи стока появляется
ток, обусловленный наличием канала между истоком и стоком.
Появление канала вызывается тем, что электрическое поле от-
тесняет электроны в глубь полупроводника и на поверхности полу-
проводника образуется положительный заряд.
Дальнейшее увеличение смещения на затворе приводит к уве-
личению глубины канала и соответственно к увеличению тока
216
стока. Па рис. 13-3, б представлен случай, когда С73 > Un и в при-
поверхностном слое полупроводника индуцирован канал.
При заданном напряжении UQ, превышающем значение поро-
гового напряжения затвора, ток стока с ростом напряжения
исток — сток увеличивается. После достижения некоторого на-
пряжения на стоке, близ*
кого к напряжению насы-
щения (С7с. Пас), характер
зависимости тока стока ме-
няется (рис. 13-3, в). Даль-
нейшее увеличение напря-
жения стока не приводит
к увеличению тока стока.
Таким образом, напряже-
нием насыщения называют
напряжение на стоке,
при котором прекращается
рост тока стока. Если Uc
превышает L7C. иас, то ток
стока практически не за-
висит от напряжения на
стоке (рис. 13-3, г). При
увеличении напряжения
на затворе значение С7с. иас
также увеличивается. Од-
новременно увеличивается
и ток стока. На рис. 13-4
представлено семейство
вольт-амперных характе-
ристик для полевого тран-
зистора, работающего в
режиме обогащения.
В связи с тем, что т;ок
в цепи исток — сток воз-
никает вследствие созда-
ния у поверхности полу-
Рис. 13-3. Схема включения и принцип дей-
ствия МОП-транзистора с обогащением.
проводника под окисным
слоем между истоком и
стоком проводящего ин-
версного слоя, обогащенного носителями, говорят о работе транзи-
стора в режиме обогащения. Отсюда и название нормального
закрытого МОП-транзистора — МОП-транзистор с обогащением.
Другой разновидностью МОП-транзистора является нормально
открытый МОП-транзистор или, как его часто называют, МОП-
транзистор с обеднением. В таком транзисторе уже при нулевом
сме
и
;ении на затворе в цепи исток — сток протекает ток, так как
между р-п-переходами истока и стока имеется канал, обладаю-
щий тем же типом проводимости, что и области истока и стока.
217
Сечение такого транзистора схематически показано на рис. 13-5.
Наличие этого канала может бйть
Рис. 13-4. Семейство вольт-амперных
характеристик МОП-транзистора с обо-
гащением.
обусловлено многими факто-
рами. Например, область
между истоком и стоком мо-
жет быть легирована с по-
мощью диффузии той же при-
месью, что исток и сток. Раз-
ница здесь будет заключаться
ли
ь в том, что поверхности
и
Кремнии и-типа
Область р-типа
Рис. 13-5. Схема сечения нор-
мально открытого транзистора
(с обеднением).
и глубина диффузии меньше,
Рис. 13-6. Семейство вольт-амперных
характеристик нормально открытого
транзистора.
ная концентрация примеси в канале
чем в областях истока и стока. В зависимости от типа проводи-
мости канала нормально откры-
тые МОП-транзисторы (транзи-
сторы с обеднением) делятся на
две группы: с n-каналом и
р-каналом.
Когда к затвору нормально
открытого транзистора прило-
жено напряжение того же зна-
ка, что и тип проводимости
канала, поверхностный слой ка-
нала будет обеднен носителями,
и соответственно сопротивление
канала возрастет. Это приведет
к уменьшению тока стока. Та-
кой режим работы транзисторов
с легированным каналом назы-
вают режимом обеднения.
При приложении к затвору
напряжения противоположного
знака ток стока возрастает за
счет возникновения на поверхности полупроводника в области ка-
нала обогащенного слоя. Этот режим работы называется режимом
обогащения. На рис. 13-6 представлены вольт-амперные характе-
ристики нормально открытого МОП-транзистора.
218-
В периодической литературе такие транзисторы часто назы-
вают МОП-транзистор с обеднением. Необходимо заметить, что
такое название не является достаточно строгим, так как нормально
открытый транзистор может хорошо работать также и в режиме
обогащения.
13-Й. Особенности МОП-транзистора й его основные параметры
Быстрое развитие МОП-транзисторов объясняется их хорошими
электрическими характеристиками, относительной простотой из-
готовления, пригодностью использования их в полупроводнико-
вые интегральных схемах^ Важными свойствами МОП-транзи-
сторов являются:
1.	Высокое входное сопротивление. Величина его определя-
ется сопротивлением утечки изолятора и достигает величины
2.	Возможность получения высокой плотности элементов при
использовании МОП-транзисторов в интегральных схемах. На-
пример, фирма Дж. Микро-Электронике изготовила интегральную
схему на основе МОП-транзисторов (МОП ИС) типа PL-500,
в которой 120 полевых транзисторов расположены на пластинке
кремния размером 1,0x1,04 мм.
3.	Возможность эффективного использования нормально за-
крытых МОП-транзисторов в цифровых схемах, поскольку с их
помощью можно осуществить инверсию сигнала при непосредст-
венной связи между каскадами, не прибегая к сдвигу уровня
4.	Высокая устойчивость против воздействия окружающей
среды, обусловленная планарной технологией изготовления и ра-
ботой транзистора на основных носителях тока.
5.	Более высокая устойчивость против радиационного облу-
чения. Нейтронное облучение уменьшает время жизни неоснов-
ных носителей в полупроводниках, поэтому работа обычных би-
полярных транзисторов ухудшается. Полевые транзисторы обычно
могут выдерживать большие дозы облучения, чем биполярные
транзисторы, поскольку для снижения подвижности основных
носителей или изменения концентрации примесей необходим
болёе высокий уровень облучения.
6.	Относительная технологическая простота изготовления и
соответственно высокий процент выхода годных приборов. И хотя
для повышения Стабильности МОП-транзисторов сравнительно
простой процесс необходимо несколько усложнить, увеличив
число операций дйффузии до двух и число операций
ото лито-
графии до четырех-пяти, все же технология производства МОП-
транзисторов и МОП-интегральных схем значительно проще,
чем обычных полупроводниковых интегральных схем;
Таким образом, вышеперечисленные особенности МОП-тран-
зисторов делают их чрезвычайно перспективными для

219
использования в интегральных схемах. Высокое входное сопротив-
ление позволяет зна1
[тельно упростить конструирование схемы на
!15
МОП-транзисторах благодаря использованию схем с непосредст-
венными связями.
На работу полевых транзисторов с изолированными затворами
при использовании их в ключевом режиме относительно слабо
сказывается изменение окружающей температуры. В связи с этим
отпадает необходимость введения температурной компенсации
в схеме.
Из рассмотрения вольт-амперных характеристик, приведенных
в предыдущем параграфе, видно, что МОП-транзисторы с обога-
щением наиболее пригодны для применения в переключающих
схемах. Одним из наиболее важных параметров нормально за-
крытого МОП-транзистора при работе в схемах переключения
является пороговое напряжение (С7П)— напряжение, приложен-
ное к затвору, которое приводит к появлению проводящего ка-
нала между областями истока и стока. Снижение потребляемой
мощности достигается уменьшением пороговых напряжений в
МОП-транзисторах.
13-3. Преимущества интегральных схем на основе транзисторов
типа МОП
Приведенные в предыдущем параграфе особенности МОП-трап-
зисторов обеспечивают возможность широкого их применения
в интегральных схемах (МОП ИС). МОП ИС обладают целым
рядом существенных преимуществ перед обычными планарными
эпитаксиальными схемами.
Главные преимущества следующие:
1.	Возможность получения большой плотности элементов.
Это обусловлено несколькими факторами. Во-первых, в МОП ИС
исключается необходимость изоляции друг от друга отдельных
МОП-транзисторов, находящихся на одной общей подложке.
В обычных интегральных схемах от 40 до 50% площади пла-
стинки кремния, в которой сформирована интегральная схема,
занимают изолирующие участки для изоляции отдельных эле-
ментов схемы.
Во-вторых, диффузионные сопротивления обычных интеграль-
ных схем занимают большую площадь. Например, сопротивление
в 20 000 ом занимает площадь более 0,2 ла2, в то время как в ин-
тегральной схеме на МОП-транзисторах в качестве сопротивления
может быть использован также МОП-транзистор, площадь кото-
рого может быть во много раз меньше площади, занимаемой сопро-
тивлением, и в то же время величина его сопротивления может
составлять порядка 100 000 ом. Для этого на МОП-транзистор,
служащий нагрузочным сопротивлением, необходимо подать сме-
щение, при котором его рабочая точка будет находиться на ли-
нейном участке вольт-амперной характеристики МОП-трапзи-
220
Стора. Наконец, в МОП-интегральной схеме для осуществления
одной и той же логической функции необходимо значительно
меньше элементов, чем для обычной интегральной схемы. На-
пример, для получения регистра сдвига на МОП-транзисторах
необходимо шесть транзисторов, а для той же эквивалентной
схемы, основанной на резистивно-транзисторной логике, необхо-
димо 36 элементов (15 транзисторов, 21 сопротивлений) и для
диодно-транзисторной логики — 38 элементов (12 транзисторов,
14 диодов, 12 сопротивлений).
2.	Низкая потребляемая мощность и высокий к. и. д. Исполь-
зуя МОП ИС можно значительно понизить потребляемую мощ-
ность устройств. Кроме того, для вычислительных устройств,
где в настоящее время чаще всего применяются МОП ИС, тре-
буются высоковольтные малотоковые источники питания (напри-
мер, с напряжением 12 в и током 100 ма)\ к. п. д. источников
питания порядка 75%.
3.	Сравнительная простота технологического процесса. Тех-
нология изготовления МОП ИС значительно прохце и цикл изго-
товления, соответственно, короче, чем в случае изготовления
обычных интегральных схем. При этом сокращается число наибо-
лее сложных технологических операций, связанных с высокотем-
пературной обработкой пластин кремния (диффузия, термическое
окисление), а также с фотогравировкой «окон» в слоях двуокиси
кремния. В табл. 13-1 дан перечень основных технологических
Таблица 13-1
Основные технологические операции изготовления интегральных схем
Обычная
МОП
1.	Маскирование коллектора
2.	Диффузия коллектора
3.	Эпитаксиальное выращивание
4.	Маскирование для проведения
изолирующей диффузии
5.	Диффузия изоляции
6.	Маскирование базы
7.	Диффузия базы
8.	Маскирование эмиттера
9.	Диффузия эмиттера
10.	Маскирование контактов
11.	Напыление металла
12.	Фотогравировка в слое металла
13.	Вплавление металла
1.	Маскирование истока и стока
2.	Диффузия областей истока и стока
3.	Маскирование затвора
4.	Маскирование контактов
5.	Напыление металла
6.	Фотогравировка в слое металла
7.	Вплавление металла
операций изготовления обычных планарных эпитаксиальных
интегральных схем и МОП ИС.
В этой таблице под операцией маскирования понимаются все
-операции, связанные с фотолитографией и вытравливанием «окон»
I
221
идею из таблицы, для изготовления МОП-транзисторов
IC требуется семь основных технологических операций.
в слое двуокиси кремния для защиты поверхности пластинкй
кремния, а именно: нанесение слоя фоторезиста, сушка, экспони-
рование, проявление, вытравливание «окон» в двуокиси кремния,
удаление слоя фоторезиста, очистка пластины.
Как видно из таблицы, для изготовления МОП-транзисторов
и МОП ИС требуется семь основных технологических операций,
а для изготовления обычной планарной эпитаксиальной ИС с двой-
ной диффузией — тринадцать операций. Если же принимать
в расчет все технологические операции для изготовления МОП ИС
и обычных ИС, то число их соответственно равно 38 и 130 опера-
циям. В общей сложности для получения обычных ИС требуется
в среднем 10 высокотемпературных обработок кремниевой под-
ложки, а для'МОП ИС только две. В том числе для обычных
ИС необходимо провезти четыре процесса диффузии, тогда как
для МОП ИС достаточно одного. Диффузия же, как известно,
снижает выход годных изделий, так как при этом могут образо-
вываться точечные отверстия и повреждения в защитном слое
двуокиси кремния. При изготовлении обычных ИС требуется
проведение
МОП ИС не более четырех совмещений.
4.	Более высокий процент выхода и соответственно более низ-
кая стоимость. При изготовлении полупроводниковых интеграль-
ных схем на процент выхода влияют, главным образом, три фак-
тора:	V'
а)	количество технологических операций, требующих высо-
ких температур;
б)	количество процессов диффузии;
в)	количество операций, связанных с совмещением кремниевой
подложки с фотошаблоном.
Как указывалось, при изготовлении МОП ИС число этих
Операций зна
ести-восьми операции совмещения, тогда как для
II
тедьно сокращается. Следовательно, при произ-
водстве МОП ИС может быть достигнут значительно более высо-
кий процент выхода годных схем и, соответственно, более низкая
себестоимость. Низкая стоимость обусловлена также простотой
ремонта изделий на промежуточных операциях, простотой йены-

5. Большая свобода при конструировании. Технология, ос-
нованная на использовании МОП-структур, позволяет получать
разнообразные функциональные схемы, что, в свою очередь, при-
водит к наиболее оптимальному варианту конструкции блоков
систем. Вследствие того, что возможно получение больших вели-
чин сопротивлений, применяя для этого МОП-транзистор, исклю-
чается необходимость создания тонкопленочных сопротивлений
методом вакуумного напыления.
Сравнительно высокий процент выхода и простота технологии
позволяют получать матрицы больших размеров/ значительно
усложнив их функции. Поэтому вследствие сокращения общего
количества интегральных схем разработчик всей системы может
222
сам осуществлять конструирование МОП ИС вплоть до изготов-
ления фотошаблонов. Таким образом, уменьшается зависимость
конструктора систем от изготовителя интегральных схем.
6. Надежность. Достаточных сведений по надежности МОП
ИС еще пока мало$ так как эти изделия новые. Однако уже имею-
щиеся данные говорят о высокой надежности таких систем. Как
известно, на надежность микроэлектронной аппаратуры сущест-
венно влияют число и тип соединений в блоках микроэлектрон-
ной аппаратуры; Это особенно важно, когда имеется большое коли-
чество пересечений соединительных шин. При конструировании
МОП ИС последовательные соединения стоков и истоков отдель-
ных транзисторов осуществляются с помощью легированных
областей таким образом, что область стока предыдущего тран-
зистора является одновременно и областью истока последующего.
Эти соединенные области оказываются в конечном итоге защищен-
ными слоем двуокиси кремния, поверх которого можно создавать
алюминиевые соединения. Кроме того, в МОП ИС вместо сопро-
тивлений могут использоваться МОП транзисторы. Таким обра-
зом исключается необходимость получения соединений пассивных
элементов с контактами активных областей транзисторов.
Необходимо особо остановиться на вопросе влияния состояния
границы раздела кремний — окись кремния на стабильность
электрических параметров МОП-транзисторов и МОП-интеграль-
ных схем.
Если для биполярных транзисторов возникновение поверх-
ностных каналов
зисторов основана на возникновении канала в поверхностном
слое полупроводника и на возможности управления током ка-
нала с помощью изменения напряжения, приложенного к затвору.
Свойства окисленной поверхности кремния во многом опре-
деляются распределением заряда в системе кремний — окисел.
Обычно в процессе термического окисления кремния образуется
обогащенный основными носителями (аккумуляционный) слой
на кремнии n-типа и обедненный или даже инверсионный слой
на р-кремнии. Это позволяет сделать вывод о существовании
такого положительного вбряда в SiO2, который имеет наиболь-
шую плотность близ границы кремний — окисел, что приводит
к существенному увеличению порогового напряжения. Например,
в случае отсутствия поверхностных состояний на кремнии и за-
ряда в окисле для МОП-транзистора, изготовленного на кремнии
n-типа с удельным сопротивлением 4 ом • см, с толщиной слоя
окисла кремния под затвором 2000А пороговое напряжение со-
ставляет порядка одного вольта. При плотности заряда в окисле
приблизительно 1012 ed.sapJcN? пороговое напряжение имеет
величину около 10 в, что часто и получается на практике.
Образующийся в слое окисла объемный заряд может перерас-
пределиться со временем в окисле. Особенно сильно этот процесс
протекает при повышенной температуре окружающей среды#;
явление нежелательное, то работа МОП-тран-
когда к затвору приложено напряжение, вызывающее сильное
электрическое ноле в окисло. Перераспределение заряда приведет
к изменению величины порогового напряжения МОП-транзистора,
т. е. вызовет нестабильность транзистора.
Надо заметить, что в настоящее время разработаны новые
варианты планарной технологии, которые позволяют получать
МОП-транзисторы и МОП-интегральные схемы, с достаточно
низкими значениями пороговых напряжений и высокой стабиль-
ностью электрических параметров МОП-транзисторов и инте-
гральных . схем.
В качестве примера нового варианта технологии можно при-
вести факт использования в качестве маскирующего слоя не
двуокись кремния, а нитрид кремния, толщина слоя которого
в 0,1 мкм полностью защищает поверхность кремния от диффу-
кремний атомов примеси и стабилизирует поверхность
в

кремния.
Использование специальной планарной технологии позволяет
получать МОП-транзисторы и МОП ИС высокой надежности.
Предварительные испытания МОП ИС в блоках электронных
вычислительных машин показали их высокую эксплуатационную
надежность, которая превышает надежность любых электронных
устройств.
ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Развитие полупроводниковой технологии и разработка новых принципов
конструирования микроэлектроппых устройств привели к созданию большого
числа различных типов полупроводниковых интегральных схем. Обращает
на себя внимание тот факт, что в микроэлектронике при разработках инте-
гральных схем стирается грань, разделяющая конструктора электронной
аппаратуры и технолога — разработчика элементов. В настоящее время, на
современном этапе развития интегральной микроэлектроники, трудно оты-
скать границы, где кончается разработка конструкции интегрального устрой-
ства и начинается разработка технологии его изготовления. Но сути дела это
единый творческий процесс разработки интегральной микросхемы.
Эта тенденция в развитии микроэлектроники, хотя и вызывает определен-
ные трудности, связанные с универсализацией специалистов, работавших
ранее в более узких областях своей специальности, в то же время приводит
к новым оригинальным и эффективным решениям при разработке интеграль-
ных микросхем.
Тенденция объединения функций разработчиков привела к тому, что в
настоящее время большое число зарубежных фирм, занимавшихся ранее
разработкой и изготовлением отдельных элементов электронной техники,
приступили к разработкам законченных электронных систем [блоков запо-
минающих устройств (ЗУ), цифровых вычислительных машин (ЦВМ) и т. n.J.
И, наоборот, многие фирмы — разработчики радиоэлектронной аппаратуры
224
создали у себя технологическую базу и занялись разработкой интегральных
микросхем.
Одним из основных направлений развития интегральных схем является
создание больших интегральных систем (БИС) как на основе биполярных
транзисторов, так и на основе полевых транзисторов типа МОП. Разработчи-
кам таких систем прпходится сталкиваться с целым рядом проблем и труд-
ностей.
Во-первых, возникает вопрос, какой сложности должны быть интеграль-
ные схемы, чтобы они позволяли получать максимальную плотпость упаковки
элементов в законченных блоках, и в то же время являлись экономически
выгодными и конкурентоспособными.
По этому поводу имеются различные предложения. Так, например,
в зарубежной литературе высказывается мнение, что границей, до которой
целесообразно проводить интегра л изацию схем, является число элементов в
схеме 300—500 с числом внешних выводов до 100 шт. При этом рекомендуется
иметь отношение числа элементов в схеме к числу внешних выводов (эле-
мент/вывод) равным 5. В настоящее время разделение логической схемы на
отдельные интегральные схемы таково, что это отношение получается меньше
5, так как имеется много выводов для межсоединений.
С другой стороны, увеличение сложности интегральной схемы уменьшает
ее универсальность, то есть сужает область ее применения. Поэтому номен-
клатура таких схем может быть очень большой, и изготовители БИС должны
будут по существу для каждого заказчика разрабатывать свои схемы.
В связи с этим возникает задача облегчить конструирование сложных
интегральных схем и разработку технологии для комплектов фотошаблонов
посредством использования ЦВМ. Зарубежные эксперты предполагают, что
дальнейшее увеличение сложности БИС может привести к тому, что число
элементов на одну схему возрастет до 1000 шт. в 1970 году и до 5000 шт. в
1972 году. Подобные разработки вообще немыслимы без использования вычи-
слительных машин. Поэтому ведущие зарубежные фирмы осуществляют
большие капиталовложения для разработки методов конструирования БИС
с помощью ЦВМ.
Другая причина, требующая применения вычислительной машины в
процессе конструирования БИС, состоит в том, что логическая часть вычисли-
тельной машины, для которой чаще всего проектируются такие интегральные
схемы, должна быть расчленена таким образом, чтобы большая часть меж-
соединений могла быть выполнена в самом кристалле. Одновременно с этим
должны решаться задачи минимизации полного количества кристаллов и
минимизации числа типов кристаллов, чтобы обеспечит!» высокую степень
стандартизации.
Таким образом, важной и естественной тенденцией в развитии интеграль-
ной микроэлектроники является использование ЦВМ для целей конструиро-
вания БИС.
Важным методом, облегчающим конструирование БИС, является созда-
ние на полупроводниковой пластине большого числа электрически изолиро-
ванных друг от друга типовых элементов, составленных из элементарных
логических вентилей. Эти отдельные элементарные логические вентили
соединяются затем друг с другом в логические ячейки с помощью проводни-
ков, получаемых травлением топких металлических пленок, используя описан-
ный ранее метод фотолитографии. Различные функциональные блоки полу-
чают, накладывая па ячейки различные группы масок, в результате чего
получают более сложные (по сравнению с ячейками) функциональные элемен-
ты. Затем всю пластину кремния покрывают изолирующим слоем из неорга-
нического материала и создают на нем второй слой межсоединений, связыва-
ющий образованные ранее функциональные элементы. В результате образу-
ется так называемая «микроматрица».
Используя этот метод, фирма Фершпльд, Семикондукторс (США) раз-
работала интегральную микроматрицу, в которой находится 20 ячеек, и в
каждой ячейке содержится 20 транзисторов. В каждой такой ячейке могут
быть сформированы четыре логических вентиля или два триггера. Используя
225
такую матрицу, путем объединения между собой отдельных, годных по пара-
метрам ячеек, можно получить большую интегральную схему высокой слож-
ности. В указанной микроматрице (тип 4001) ячейки расположены в 5 рядов
по 4 ячейки в каждом ряду на кристалле^кремния размером 2x2 мм. Микро-
матрица имеет 40 контактных площадок для входных и выходных сигналов и
подачи питания. В зазоре между активной областью и контактными площадка-
ми выполнено 40 диффузионных сопротивлений, которые могут использовать-
ся для защиты от перегрузок по напряжению от входных и выходных сигналов.
'Очень важным направлением, которое четко выражено в конструирова-
нии и "технологии интегральных схем, является повышение их стабильности
и надежности.
Поскольку надежность полупроводниковых интегральных схем зависит
от большого числа различных факторов, то этот вопрос требует отдельного
более подробного изложения. В настоящей же главе представляется целесо-
образным коротко остановиться на. этой проблеме для МОП интегральных
схем. Это можно оправдать тем, что в настоящее время наблюдается стреми-
тельное развитие интегральных схем этого типа, а также и тем,.что интеграль-
ным схемам на основе транзисторов типа металл — окисел полупроводник
посвящена отдельная глава в этой книге.
• В этой связи следует отметить, что не все прогнозы, которые высказы-
вались экспертами о путях дальнейшего развития стабильности и надежности
МОП ИС, оказались справедливыми. Например, предполагалось, что МОП —
устройства должны устойчиво работать в условиях радиационного облучения,
так как протекание тока от истока к стоку в транзисторах типа МОП опреде-
ляется переносом основных носителей заряда. Однако последующие исследо-
вания МОП — устройств показали, что радиационное облучение МОИ — тран-
зисторов приводит к сильному изменению их электрических параметров и в
первую очередь порогового напряжения. Это изменение порогового напряже-
ния связано с возникновением в слое двуокиси кремния, изолирующем затвор
транзистора, положительного нескомпенсированного заряда.
Не выяснены до конца причины возникновения нестабильноеги МОП —
. устройств при испытании их в режиме электрического смещения при повышен-
ных температурах.
Значительно влияет на надежность МОИ интегральных схем возможность
пробоя окисла затвора вследствие накопления на алюминиевом электроде
затвора электростатического заряда.
Эти и некоторые другие проблемы заставляют разработчиков интеграль-
ных схем на МОП,— транзисторах вести интенсивные поиски путей повыше-
ния стабильности и надежности таких интегральных* схем.
Одним из таких решений является новая, конструкция полевого транзи-
стора с изолированным затвором, у которого часть затвора, находящаяся над
легированными областями истока и стока, имеет толстый,слой двуокиси крем-
ния. Эта структура транзистора в зарубежной литературе называется струк-
турой типа металл — толстый окисел — полупроводник и обозначается МТОП.
Применение структуры типа МТОП позволяет устранить короткие замы-
кания металлического затвора на подложку в тех областях изолятора затвора,
где дефекты окисла наиболее вероятны (над легированными областями истока
и стока).
На рис. 14-1 приведена схема технологического процесса изготовления
МТОП — транзистора. Из сравнения этого технологического процесса с
процессом изготовления обычного МОП — транзистора видно, что для изго-
товления МТОП — транзистора не требуется существенного изменения тех-
нологии (в число основных технологических процессов введено дополнитель-
ное окисление кремния).
Вместе с тем, такое изменение технологии приводит к значительному
повышению надежности МОП — интегральных схем. В настоящее время
отдельные зарубежные фирмы изготовляют МОП — интегральные схемы,
используя исключительно структуру транзисторов типа МТОП. Одновремен-
но это приводит к значительному повышению процента выхода годных
интегральных схем.
226
N~mun
ШЗГШПШГПЗШНЩ
1

r-- —-
1^1
Y77Z77.
I

J
zzzx/z'
WZeVZ

*- 	Г I
Примером успешного использования Новой конструкции транзисторов
могут служить работы фирмы Дженераль Инструменте. Фирмой разработана
большая группа МОП — устройств, включающая в
себя 15 типов интегральных схем серии МЕМ. Напри-
мер! ©Дна из схем этой серии — схема МЕМ-5021
располагается на участке кремниевой пластины раз-
мером 1,8 X 2 мм и содержит 244 МТОП — тран-
зистора.
Серьезной проблемой для разработчиков МОП —
интегральных схем является отыскание методов по-
вышения их стабильности. В настоящее время про-
водятся исследования влияний различных техноло-
гических факторов на образование центров захвата
на границе раздела кремний — двуокись кремния
в результате чего найдены некоторые причины, вы-
зывающие увеличение плотности поверхностных
состояний на поверхности кремния.
Один из факторов — образование нескомпенси-
рованных подвижных зарядов в слое двуокиси
кремния . вследствие загрязнения образцов ионами
щелочных металлов.
С целью устранения загрязнения изготавливае-
мых образцов МОП — устройств разрабатываются
методы специальных технологических обработок
типа геттерирования и последующего удаления гет-
терирующих слоев< При этом-используются особо
чистые материалы (химические реактивы и газы) и
высокоэффективные промывки с использованием
ультразвука на технологических операциях.
Примером такого типа технологического про-
цесса является технология, называемая в зарубеж-
ной литературе «Планар — II». Подробности этого
процесса не опубликованы. Сообщается только, что
благодаря его осуществлению пространственный за-
ряд в оМиСле оказывается связанным, и отсутствует
движение ионов даже при очень сильных электри-
ческих полях (около 1 000 000 в/см) при темпера-
туре до ' 200° С. Указывается, что в результате
использования такого процесса получают повышение
стабильности примерно на три порядка величины
выше, чем для обычных МОП — устройств.
Следует однако заметить, что несмотря на до-
стигнутые успехи в отношении повышения стабиль-
ности и надежности МОП — интегральных схем,
решение этой проблемы остается одной из важней-
ших задач, стоящих перед разработчиками интег-
ральных схем, на ближайшие годы.
Следующее важное направление, которое це-
лесообразно выделить из общего комплекса работ
во полупроводниковым интегральным схемам, —
повышение быстродействия И снижение потребляе-
мой мощности. Это общая тенденция в разработках
как интегральных схем на основе биполярных тран-
зисторов, так и МОП — интегральных схем.
Повышение быстродействия интегральных схем
в первую очередь связано с уменьшением геометри-
ческих . размеров отдельных элементов интегральной
паразитных связей между этими элементами. А это в
вляет очень жесткие требования к точности технологического оборудова-
ния для изготовления комплектов фотошаблонов, проведения процессов.
\тл 	 rsjjMt.
T
lb
Ряс. 14-1. Сдома тех-
нологического про-
цесса изготовления
полевого транзистора
типа МТОП.
1 — полировка, 2 — оки-
сление, з — фотограви-
ровка, 4 — диффузия бо-
ра, б — окисление, 6 —*
фотогравировка, 7—оки-
сление, 6 — фотограви-
ровка, 0 — напыление А1,
10 — фотогравировка.
pei
Щ*’
схемы и устранением
свою очередь предъя-
фотолитографии и диффузии примесей в кремний. Изготовление же фотошаб-
лонов с микронными размерами их отдельных участков и проведение про-
цессов фотолитографии с точностью в доли микрона связано с принципи-
альными трудностями.
Поэтому в настоящее время параллельно с совершенствованием планарной
технологии производятся поиски новых технологических методов и новых
материалов, использование которых позволило бы решить эту задачу. К
числу таких методов можно отнести следующие: получение микрорисунков
в слое фоторезиста с помощью электронного луча, управление которым
может быть автоматизировано, получение микрорисупков в Слоях металлов,
фоторезиста и двуокиси кремния с помощью лазера, легирование полупровод-
никовых материалов с помощью ионного пучка.
В последнее время возникла существенная потребность в разработке
полупроводниковых интегральных элементов для запоминающих устройств
на ферромагнитных элементах. Особенность таких интегральных устройств
заключается в том, что они должны рассеивать сравнительно большие мощ-
ности, достаточные для перемагничивания запоминающих элементов в магнит-
ных накопителях. Примером такого устройства является планарная интеграль-
ная диодная сборка типа ИДС, которая включает в себя 16 планарных диодов
с обидим катодом и может применяться в дешифраторах запоминающих
устройств.
К числу таких интегральных схем могут быть также отнесены различные
типы дешифраторов как на диодах, так и па транзисторах, интегральные
транзисторные сборки, специальные интегральные схемы формирования им-
пульсов в блоках управления магнитными накопителями и другие.
Стремление к увеличению сложности интегральных схем и переходу
к большим интегральным системам выдвигает новую важную и трудную
проблему — проблему испытаний больших интегральных схем. Руководитель
разработок логических систем фирмы IBM Лог указал, что для проверки
всех возможных комбинаций в схеме с 38 входами потребуется 238 испытаний,
не считая измерений па переменном токе. Чтобы проверить подобную логи-
ческую интегральную схему, испытательное устройство должно иметь запо-
минающее устройство, так как испытание необходимо проводить в строго
определенном порядке и каждый результат зависит от предыдущего.
Имеются предложения не делать всех возможных испытаний, а опре-
делить наиболее важные испытания и осуществить их, встроив систему в
вычислительную машину. Вычислительная машина может выполнить несколь-
ко программ, с помощью которых система будет полностью проверена. В
таком случае предполагается, что для проверки системы со 100 входами
потребуется 200—300 испытаний.
В заключение кажется целесообразным рассмотреть такой естественный
вопрос: до каких пределов целесообразно проводить интегра лизацию микро-
электронных устройств, как долго можно будет продолжать «интегрировать
интегральное» (по меткому выражению американского конструктора Филип-
са). Дело в том, что чем больше компонентов заключают конструкторы в
один корпус, тем ближе полученное изделие к системе, выполняемой по специ-
альному заказу. И хотя имеется распространенное мнение, что повышение
степени интегрализации устройства приводит к повышению его надежности,
следует учитывать, что создание нескольких слоев соединений, схема развод-
ки которых каждый раз разрабатывается для новой БИС, закладывает опре-
деленную ненадежность.
С другой стороны, нельзя рассчитывать на существенное снижение сто-
имости больших интегральных систем, так как вследствие их малой универ-
сальности изготовитель каждый раз должен заново проектировать такую
систему. Очевидно, что снижение стоимости БИС возможно в случае унифи-
кации и стандартизации таких систем, т. е. тогда, когда большая интеграль-
ная система будет компоноваться из типовых матричных интегральных
устройств с помощью совершенных производительных методов соединения
их в единую схему.
ЛИТЕРАТУРА
К главе первой
Ансельм А. И., Введение в теорию полупроводников, Физматгиз,
1962.
Гаврилов Р. А., Скворцов А. М., Основы физики полу- •
проводников, «Машиностроение», 1966.
П и к у с Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, «Наука»,
1965.
Смит Р., Полупроводники, Изд-во Иностр, лит. 1962.
К главе второй
Б а г р я н и ц к и й Ю. А., К о л оицо в а Е. В., Определение
ориентировки крупных монокристаллов, «Заводская лаборатория», 1949,
т. XV, № 9, стр. 1062.
К о п о в с к и й Г. Ф., Воскресенская Л. А., Применение
установки УРС-50И для контроля ориентировки монокристаллов германия,
«Заводская лаборатория», 1960, т. XXVI, стр. 362.
Уманский М. М., Аппаратура рентгено-структурных исследова-
нии, Физматгиз, 1960.
Французский патент № 1194484 от 10 ноября 1959 г.
Faust J. W., Sagar A., John Н. F., J. Electrochem, Soc.,
1962, 109, pp. 824—828.
Wolf G. A., Wilbyr J. M., Clark J. C., Zeitschrift fiir
Electrochemic, 1957, fd. ’61, № 1, s. 101—106.
К главе третьей
Тихонов IO. Н., Технология изготовления германиевых и крем-
ниевых диодов и триодов, «Энергия», 1964.
Файгыптейн С. М., Обработка поверхности полупроводниковых
приборов, «Энергия», 1966.
Hassett W. А., И е с h 1 е г W. В., Semicond, Prod, 1963, oct.,
р. 27.
J da J., Arai J., Review of the electrical Communicat. lab., 1962,
v. 10, № 9—10, pp. 433—446.
Mendel E., Jacobsen H. R., Semiconductors Product, 1965,
v. 8, «№ 2, p. 38.
Pugh E. N., Samuels L. E., J. Electrochem. Soc., 1964, v. Ill,
№ 12, p.p. 1429—1431.
К главе четвертой
~	•	I
Ефимов E. A., Ерусалимчик И. Г., Электрохимия гер-
мания и кремния, Госхимиздат, М., 1963.
Кадмав Я. А., Полупроводниковые плоскостные маломощные три-
оды, Госэнергоиздат, 1960.	✓
229
М ям л ин В. А., П л 6 с К о в К). В., Электрохимия полупровод-
ников, «Наука», М., 1965.
Шашков IO. М. и др.. Вопросы металлургий
., 1965.
Вопросы металлургии и физики полупроводников,
и физики полупроводников, изд-во АН СССР, 1959, стр. 69—77.
Травление полупроводников, «Мир», М., 1965.
Элькин Б. Н.,
1957, стр. 142—151.
' Faust J. W., Sagar A., J. Appl. Phys., 1960, v. 31, № 2, p. 331;
имеется русский перевод: сб. «Новые полупроводниковые материалы», Метал-
лу ргиздат, 1964, стр. 149—152.
HanemanD.., J. Phys. Chem. Solids, 1960, v. 14, p.p. 162—168.
Gatos H. C., Lavine М/С., J. Phys. Chem. Solids, 1960, v. 14,
p.p. 169—174..
G аЧ (ks H. C., La vine M. C., J. Electrochem. Soc. 1960, v. 107,
Ws 5, p.p.’427—436.
Gatos H. C., Lavine M. C., J. Appl. Phys, 1960, v. 31, p.p. 743—
. 744; имеется русский перевод: сб. «Несовершенства в кристаллах полупро-
водников», Металлургиздат, 1964, стр. 82—85.
Klein D. L., Stefan D. J., J. Electrochem. Soc. 1962, v. 109,
№ 1, p. 39__44.
Maringer R. E., J. Appl. Phys., 1958, v. 29, № 8, p. 1261; имеется
русский перевод: сб. «Несовершенства в кристаллах полупроводников», Мета-
лургиздат, 1964, стр. 56—58.
McKeown Р. J. A., J. Electrochemical Soc., 1962, v. 109, № 3,
p.p. 269—270.
Richards W- H., Dibble H. D., Electrochem. Technology,
1964, I—II, v. 2, № 1—2, p.p. 51-52.
.Schwartz B., Robbins H., J. Electrochem. Soc., 1964, 111,
№ 2, Part 1, p.p. 196—201.
Venables J. D., Broudy R. M., J. Appl. Phys. 1958, v. 29,
p.p. 1025—1028; имеется русский перевод: сб. «Несовершенства в кристаллах
полупроводников», Мателлургиздат, 1964, стр. 46—55.
Verner Н. G., Haynes W. В., Semicond. Products and Solid
State Technolog., 1964, VII, v. 7, № 7, p.p. 13—17.
Willardson R. K., Goering H. L. (редакторы), Compound
Semiconductors, vol. 1, 1962, Reinhold Publ. Corp., New York.
Williams F. V., Ruehrwein R. A., J. Am. Chem. Soc..
1960, v. 82, p.p. 1330—1332.
К главе пятой
гцания по полупроводниковым материалам, Изд-во АН СССР, М
иностр, дит., 1955.
Зеликман Г. А. и др.,
и триоды, технология. производства, «Энергия», 1964.
И в ан о в О. С., ।
металлургии им. Байкова, Изд-во АН СССР, 1960, вып. 4.
иностр, лит., М
. К у р но C	,х.,
проводниковых приборов, «Судостроение», 1965.
М адоян С. Г.,	——”7" —
трические характеристики триодов, Сб. «Полупроводниковые приборы и их
Вопросы металлургии и физики полупроводников, Труды второго сове-
'	1957.
«Германий», Сборник переводов под ред. проф. Д. А. Петрова, Изд-во
А. и др., «Полупроводниковые кремниевые диоды
Способы расчета диаграмм состояния, Труды инстит.
Ка’цмап Я. А., Полупроводниковые плоскостные маломощные трио-
ды, М.—Л., Госэнергоиздат, 1960.
«Кремний», Сборник переводов под ред. проф. Д. А. Петрова, Изд-во
1960.
Технология производства полу-
М адоян С. Г., Влияние структуры сплавных переходов на элек- *
применение»,"под ред. Я. А. Федотова, вып. 6, «Советское радио», М., 1960.
230
и
изд. «Советское радио», 1956.
6, «Ns 3, Р’Р* 23—27.
solid solubility and dis-
«Новое в получении монокристаллов полупроводников», сб. переводов
под ред. проф. Д. А. Петрова, Изд-во иностр, лит. М., 1962.
Петров Д. А., Вопросы растворимости и состояния примесейв полу-
проводниках, Труды инет, металлургии им. Байкова, изд. АН СССР, 1960,
вып. 5, стр. 174—177.
Технология полупроводниковых материалов, Перевод с английского
под ред. М. И. Иглицина, Оборонгиз, М., 1961.
Тихонов Ю. Н=, Технология изготовления германиевых и крем-
ниевых диодов и триодов, изд. «Энергия», М.—Ж, 1964.
а ш к о в Ю. М., Металлургия полупроводников, Металлургиздат,
М., 1960.
Электрофизические свойства германия и кремния, сб. переводов под ре-
дакцией Ржанова А. В., изд. «Советское радио», 1956.
Bernstein L., Surface wetting and alloying in Semiconductor device
fabrication, Papt I, Semiconductor Product, 1963, v. 6, № 2,'p.p4 15—18.
Bernstein L., Surface wetting and alloying in Semiconductor device
fabricaiton, Part II, Semiconductor Product, 1963, v. 6, № 3, p.p. 23—27.
F i s chi er. S., Correlation between maximum solid solubility and dis-
tribution coefficient for impurities in Ge and Si, J. Appl. Phys., 1962, v. -33,
№ 4, p. 1615.
Fischer E. Zur Einschaltrung der Wirksamkeit technologischer Masnah-
men in der Feinwerkfertingung, «Feinwerktechnik», 1965, Ig, 69, № 9, ss. 119—
129. ‘
Thedieck R., Beitrag zur Kenntnis des Lotvorganges Zeitschrift fur
Metallkunde, 1963, Bd. 54, X, H. 10, ss. 601—605.
Trumbore F. A., Solid Solubilities of impurity elements in germa-
nium and silicon, Bell Syst. Tech. J. 1960, v. 39, № 1.
Изд-во иностр, лит
D’A s s a
method» Solid
К главе шестой
Болтакс Б. И., Диффузия в полупроводниках, Физматгиз, 1961.
ГавриловР. А., Скворцов А. М., Основы физики полупро-
водников, «Машиностроение», М., 1966.
3 е л и к м а н Г. А., Мазель Е. 3. и др., Полупроводниковые
кремниевые диоды и триоды, «Энергия», 1964.
Роуз-ИнсА., Полупроводники типа AHIRV,
1963. -
A., Diffusion and oxide masking in silicon by the box
State Electronics, 1960, v. 1, № 1, p.p. 3—10.
I. J., Les procedes d’alliage dans la technologie du-silicium,
Acta electron, 1960, IV, № 4, p. 493—507.
В u s e n К. M., Shim G. A., The average conductivity of diffusend
layers in semiconductors, Solid — State Electronics, 1964, v. 7, № 1, p.p. 49—58.
Iles P. А., С о p p.e n P. J., Location of p—n and 1—h juuctiones
in semiconductors, Brit. Jonrn. of Appl. Phys, 1960, v. 11, № 5.
Goldstein B., Diffusion in compound semiconductors, Phys; Rev.,
1961, 121, № 5, p.p. 1305—1311.
Irvin J. O., Resistivity of Bulk Silicon and of Diffused Layers in si-,
licon, The Bell System Technical Journal, 1962, v. XLI, № 2, p.p. 387—411.
Jatsko, Kesperis, A modifid clossed box system for the diffu-
sion of boron in silicon, J. Electrochem. Soc. 1960, v. 107, № 11, p.p. 911—915.
Knopp A. N., Staining of Diffused Р-Layers in N-Tipe silicon with
View to Its Applications for Evaluation of Impurity Profiles, Electrochemical
Technology, 1964, v. 2, № 5—6, p.p. 156—160.
Knopp A. N., Surface Concentrations of Gallium — Diffused Silicon
as Functions of Gallium Temperature and Diffusion System, Electrochemical
Technology, 1965, v. 3, № 1—2, p.p. 60—62.
К r e n J. G., Masters B. J., W a j d a E. S., Effect of surface
imperfections on gallium diffusion in silicon, Applied Physics Letters, 19Й4,
Technology, 1965, v. 3, № 1—2, p.p. 60—62.
Keen J. G., Masters B. J., Wa
2M
Kuby J. S., Silicon F E 13 Techniques, Solid State design, 1964, v. 5,
№ 7, p.p. 32—37.
Mackintosh J. M., The diffusion of phosphorus in silicon, J. Elec-
trochem. Soc., 1962, 109, № 5, p.p. 392—401.
Meyer N. J., Guldbrandsen., Метод измерения распределе-
ния примеси в полупроводниковых кристаллах (русский перевод), 1963,
№11, стр. 1606—1611.
Nassihian Л*. G., Whiting G., SiO2 masking against phos-
phorus diffusion using a P205 source, Solid — State Electronics, 1964, v. 7,
№12, p. p. 873—878.
Smith A. M., Donovan R. P., Impuritus of diffusion in silicon,
Electronics (русский перевод), 1964, № 17, стр. 89.
Washburn J., Thomas G., Queisser II. J., Diffusion —
Induced Dislocations in Silicon, J. of Applied Physics, 1964, v. 35, № 6, p.p.
1909—1914.
Wilcox W. A., Generation of phosphorus pentoxide direty in diffu-
sion furnaces, Solid — State Electronics, 1964, v. 7, № 8, p.p. 632—633.
К главе седьмой
Ефимов Е. Л., Ерусалимчик И. Г., Электрохимия герма-
ния и кремния, Госхимиздат, Москва, 1963.
Маслов Л. А., Электронные полупроводниковые приборы, Гос-
энергоиздат, М -Л., 1960.
Мямлим В. Л., Плесков Ю. В., Электрохимия полупровод-
ников, «Паука», Москва, 1965.
Hi liegas W. J., Schnable G. L., Electrochem. Technology,
1, 228, 1963.
Luce R. L., Mol otter J. D., Sluss J. A., Torn ton C.G.,
IRE International Convention Record, № T-3, p.p. 3—16, 1962.
Pankove J. J., Electrochemistry of Semiconductors (ed. by P. J. Hol-
mes), London — N. Y., Academic Press, p. 290, 1962.
Plummer A. R., Electrochemistry of Semiconductors (ed. by P. J. Hol-
mes), London — N. Y., Academic Press, p. 61, 1962.
Schnable G. L., Lil k el W. M., Electrochem. Technology,
1, 202, 1963.
К главе восьмой
Aarones M. W., Integrated Circuit Device and Fabrication Techno-
logy, SCP and Solid State Technology, v. 8, № 3, p.p. 42—45.
Albert M., Combs I., Thickness Measurement of Spitaxial Films
by the Infrared Interference Method, J. Electrochem. Soc., 1962, v. 109, № 8,
p.p. 709—713.
Allison D. F., Dielectric Isolation for Integrated Circnits, SSD/
CDE, 1965, v. 6, № 1, p.p. 29—34.
В hoi a S. R., Mayer A., Epitaxial Deposition of Silicon by Thermal
Decomposition of Silane, RCA Review, 1963, XII, v. XXIV, № 4, p.p. 511—522.
Black T. W., Molecular electronics, Tool and Manufact. Engr. 1963,
51, № 6, p.p. 79—84.
Bradshaw G., Taylor С. II., Fabrication Techniques for a
Diffused Planar P-A-P-Transistor, British Communs and Electronics, 1964,
v. 11, № 4, p.p. 248—251.
Breitschwerdt K. G., Characteristics of diffused p—n junctions
in epitaxial layers, IEEE Transactions on Electron Devices, 1965, v. ED—12,
№ 1, p.p. 13—19.
Epitaxial micrologic elements, Industrial Electronics, 1964, v. 2, № 3,
p. 127.
G 1 a n g R., Kippenhan B. W., Impurity Introduction Durning
Epitaxial Growth of Silicon, IBMJ, 1960, v. 4, № 3, p.p. 299—301.
Ivesdai T. A., Basics of Integrated Circuit Components, Electronic
design, 1964, v. 12, № 8, p.p. 50—55.
232
Jaeger D., Mucropower microelectronic goals detailed at Simposium,
Electron. News, 1964, 9, № 429, p. 37.
John G., Albert J., Analysis of epitaxially grown semiconductor
layers by means of light figupes, Rev. Scient. Instrum., 1963, 34, № 1, p.p. 108—
109.
Joyce B. A., Bradley R. R., Epitaxial Growth of Silicon from
the Pyrolysis of Monosilane on Silicon Substrates, J. of the Electrochem. Soc.,
1963, XII, v. 110, № 12, p.p. 1235—1240.
Kendall J. T., The Impact, of the Epitaxial Technique on Semi-
conductor devices, Direct Current, 1968, № 8, p.p. 220—221.
King D., Stern L., Designing Monolithic Integrated Circuits,
SCP and Solid State Technology, 1965, ,v. 8, № 3, p.p. 21—32.
Kleinmack I. I., Epitaxy and Transistor Fabrication, Bell Labs.
Rec., 1962, v. 40, № 9, p.p. 289—292.
Kohler Б., Die halbleiterblocktechnic, ein Weg zur Realisirung elek-
tronlscher Mikrosysteme, Nachrichtentechnik, 1964, 14, № 12, s. 441—446.
Lathrop I. W., Semiconductor-network technology — 1964, Procc.
IEEE, 1964, 52, № 12, p.p. 1430—1444.
Liben William, Microelectronics unlocking the treasure chest,
Astronaut, and Aeronaut, 1964, 2, № 4, p.p. 20—28.
Mautukure J., Minra J., Dislocations in epitaxially grown
silicon, Japane J. Appl. Phys., 1963, № 8.
Maye’y S. E., Shea D. E., Epitaxial deposition of silicon layers
by pyrolysis of Silane, J. Electrochem. Soc., 1964, v. VIII, № 5, p.p. 550—556.
M a xjw e 11 D. A., Beeson R. H., Allison D. F., The mini-
mization of Parasitics in integrated circnits by dielectric isolation, 1964, Wescon,
Part 2, Circuit theory, p.p. 1—6.
Maxwell D. A., Beeson R. H., The Minimization of Porasitics
in Integrated Circuits by Dielectric Isolation, IEEE Transactions on Electron
Divices, 1965, v. ED—12, № 1, p.p. 20—25.
Miller K., Epitaxial silicon thin-film, J. of the Electrochem. Soc.,
1962, v. 109, VII, Xs 7, p. 673-695.
Miller К. I. and other, Epitaxial Silicon Thin Films, J. Electrochem.
Soc., 1962, v. 109, p. 643—645.
Microcircuits, Electronic Industries, 1964, v. 23, № 7, p. 78.
Nielsen S. and other, Preparation of epitaxial layers of silicon, Micro-
electronic and Realiability, 1964, v. 3, № 3, p. 165—170, 171—173, 1964, v. 3,
№ 4, p. 233—237.
Ollison R. G., Microelectronic Strucrures, EDN Microelectronics,
1964, v. 37, № 1, p. 26—28.
Pritchard R. L., Путеводитель по современным р-п-переходам,
Electronics (русский перевод), 1962, т. 35, № 33, стр. 24—28.
Rosenblatt Л., Microelectronic makers extend power, frequency
limits, Electron. Design., 1964, 12, № 8, p. 58—59.
Russell, Epitaxial growth of Germanium and Silicon single crista!
film from vapor phase, Electronics and Communic., 1961, v. 9, № 8, p. 28—50.
Sisaki J., A silicon simmetrical transistor utilizing an epitaxailly
grown base region, IEEE Transactions on Electron Devices, 1964, III, v. ED-11,
JNs 3, p. 115—121.
Schepherd A. A., Epitaxial silicon devices, Industrial Electronics,
1963, v. /, № 4, p. 198—201.
Schnegraf К. K., Integrierte microelectronische Schaltungen, In-
ternal. electron. Rundschau, 1964, 18, № 5, s. 277—280, 282, 284.
Semiconductor Integrated Circuits for Di git a Applications, Electronic
applications, 1963—1964, v. 24, № 1, p. 7—23.
Steinmaier W., В 1 о e m J., Surfacise growth of Si and SiO2
in epitaxial apparatus, J. Electrochem. Soc., 1964^ v. Ill, № 2, p. 206—209.
Spitzer W., Tanenbaum M., Interference Method for Mea;
suring the Thickness of Epitaxially Grown Films, J. Appl. Phys., 1961, v. 32,
p. 744.	,
233
J. Electrochem. Soc., 1961, 108, Ms 7
of SiCl
Spraque I.E., Integrated Circuits, Science and Technology, 1964,
Ms 28, p. 43—50, 52 102.
T_h e n e r e r H. C., Epitaxial silicon films by the hydrogen reduction
-----.	- —	-	~ )Cм 1961\ 108, Ms 7, p. 649—653.
Automatic processes deposits crystal silicon epi-
taxially, Electron News, 1963, 8, Ms 392, p. 23.
U n v a 1 a B. A., Epitaxial growth reserch for circuit functions slated,
«Electron Design», 1961, 9, Ms 16, p. 32.
B. A., Epitaxial growth of silicon by vacuum evaprotion,
194; MS *4832, p. 966—967.
B. A., The impact of the Epitaxial Technique on Semicon-
«Direct Current», 1962, № 8, p. £20— 221.
M., Haymond, Epitaxial growth and Devices, Elecronics,
«Nature», 1'962
ductor Devices,
Warner
1962, Ks 20, p. 49—53.
Werner S., Shal telemen te der Zukunft: Festkorper — Schaltkreise,
Funkschau, 1964, 36, № 9, s. 212—213.
К главе девятой
Ц ве л ых И. Г., Измерение толщины тонкослойных покрытий, изд.
Киевского Университета, 1962.
A.talla М. М., Tannenbaum Е., Schebner Е. J., Sta-
bilisation of Silicon Surfaces by Thermally Grown Oxides, Bell System Techni-
cal Journal, 1959, v. 38, Ms 3» p. 749—783.
A t a 11 a M. M., Semiconductor Surfaces and Films, The Silicon — Si-
licon Dioxide System, Properties elemental and compound semiconductors
interscience publischer, 1960, p. 163—182.
A t a 11 a M. M., Tannenbaum E., Impurity Redistribution and
Junction Formation in Silicon by Thermal Oxidation, Bell System Technical
. Journal, 1960, v. 39, № 4, p. 433—946.
Beck J. W., Boiling Water Oxidition Rates on Silicon. J. of Applied
Physies, .1962, v. 33, Mis 7, p. 2391.
Booker G. R., Beniamin С. E, Measurment of thickness arid re-
fractive index of oxide film on silicon, J. Electrochem. Soc., 1962, v. 109, № 12,
p. 1206—1212.
Carasso J. I., Oxidation reactions and potentials of germanium and
silicon, Electrochemistry of semiconductors, London — New-York Acad. Press,
1962, p. 205-255.
D a c u r Le s К. E., P a tt'er s on H. J., Oxide Macking, Bell Labs
Record, 1960, v. 38, № 11, p. 417—420.
Deal В. E., The oxidation of silicon in dry oxigen, wet oxigen -and
steam; J. Elestrochem. Soc., 1963, v. 110, Ms 6, p. 527—533.
. Eisinger J., Law J. T., Adsorbtron of oxygen on silicon, J. of
chemical physics, 1959, v. 30, Ms 2, p. 410—412.
Evitts H. C., Cooper Й. W., Flaschen S. S., Rates of
Formation of Thermal Oxides of Silicon, J. Electrochem. Soc., 1964, v. Ill,
MS 6, p. 688—690?
Hagstrum H. D., Oxigen absorbtion on Si and Ge, J. of Applied
Physies, 1961, v. 32, Ms 6, p. 1020—1022.
"Hall T. C., Surface passivation as applied to micro — components,
IRE — Wescon convention Rec., 1960, V. 4, pt. 3 (Microminiaturization semi- .
corid. devices and tubes), p. 129—132.
Jet T. H., Thermal oxidation of silicon, J. of applied physics, 1962,
v. 33, Ms 9, p. 2849—2850.
Jorgensen P., Effect of electric field on silicon oxidation, J. of che-
mical physics, 1962, v. 37, № 4, p. 874—877.
Joseph R., Ligenza J. R., Silicon Dioxide Films Grown at Low
Temperatures, Bell Laboratories record, 1964, v. 42, Ms 6, p. 205.
Kabure N., J a m a n i о t о К., К a m i j a m a M., Termal oxi-
dation of silicon, Japan Journal of applies physics, 1963, v. 2, MS 1, p. 11—18.
234
f

silicium, (Франция), Le vide, 1963, № 104, p. 162—172.
К l.erer J., ‘ --------*	’ '	‘	~~
J. Electrochem. Soc
Ill
Rechetches
sur les pellicules de bioxyde de silicium obtenues par oxidation termique du
ethod for the deposition of SiO2 at low temperatures
1961, v. 108, № 11, p. 1070—1071.
r F., Boron redistribution in silicon by thermal oxi-
dation, J. of applied physics, 1962, v. 33, «Ns 9, p. 2911.
. 1070—1071.
ution in silicon by thermal oxi-
Ligenza J. R./ Пат. США 2930722, март, 1960.
L i g e n z a J. R., Spitzer W. G., The machanisms for' silicon
oxidation in steam and oxygen, J. Phys. Chem. Solids, Pergamon Press, 1960,
v. 14, p. 131—136.	v
Ligenza J. R., Oxidation of Silicon by high — pressure steem, J. Elec-
trochem. Soc., 1962, v. 109, № 2, Pt. — 1, p. 73—76. .
Ligenza J. RC, Silicon Oxidation in an Oxigen Plasma Excited by
Microwaves, J. Appl. Physics, 1965, v. 36, № 9, p.p. 2703—2707.
Quetsser H. J., Loon P. G., Growth of Lattice Defects in Silicon
during Oxidation, J. Applies physics, 1964, v. 35, n. 10, p. 3066—3067.
Robertson H. M., Nam ar a J. E., Warner R. M., A note
on silicon oxide film thickness measurment, J. of applied physics, 1962, v. 33,
№ 9, p. 2909.
Schmidt P. F., Owen A. E., Anodic Oxide Films for Device
Fabrication in Silicon, J. Electrochem. Soc., 1964, v. Ill, № 6, p. 682—688.
Socolovsky A., Oxigin Plasma Grows SiO2 at Low Tempera-
ture, EDN Microelectronics, 1964, v. 9, № 6, p. 30—31.
Vright P., A survey "of methods of measuring thin film thick — nesses
and surface irregulari ties, Electron Relibility and Micro — miniaturization,
Pergamon Press, 1963, v. 2, p. 227—233.
К гласе десятой
II
[Я и их при-
Фотоэмульсия на ос-
1964.
ftp e с с Ф. П
изводстве ди “ _
сер. II, полупроводниковые приборы, вып. 1, 1961.
Рупп Э., Хим
1957.
д о р о в 10. И., Применение светочувствительного состава на основе нафто-
хинондиазида для получения микрорельефов на кремнии и окисленном крем-
нии, Вопросы радиоэлектроники, 1964, сер. IV, вып. 7, стр. 50—71.
-Бурмистров Р. Л., Аппаратура и приспособления для изготов-
ления и. контроля шкал, растров, мир и разнообразных сложных фигур,
«Оптическая промышленность», 1962, ►№ 1, стр. 6—16.
В а т т е р О., Световое дубление в теории и практике изготовления
печатных форм, «Искусство», Москва, 1958.
Джемс Г., Хиггинс Д., Основы теории фотографического про-
цесса.. Изд-во иностр, лит., 1954.
Динабург М. С., Светочувствительные диазосоедине
менение, «Химия», М.—Л
Кочегаров В. №
нова полиамидной смолы, Вопросы радиоэлектроники, сер. III, вып. 3.
., Использование фотолитографического метода в про-
узионных кремниевых приборов,. Вопросы радиоэлектроники,
Химия и физика плоской печати, «Искусство», Москва,
**
• »
Д. Ё., Полиамиды, Госхимиздат, Москва, 1960.
J. W.j Gioda I. С», Травление прецизионных масок
для тонкопленочных схем, Electronics (русский перевод), z1962, т. 35, № 19,
стр. 67—70.
Electronics, 1965, № 14, р. 164.
teller D. S., Applied microphotography in electronics, IRE coast
conference on derospace and navigational electronics — Tech. Paper З.1.З.
for Mating, oct. 23—25, 1961, p. 1—6.
H e 11 m e r s T. C.,' Microphotographs for. electronics, SCP and Solid
State Technology, 1961, y. 4, № 1, p. 37—42.
Lull с

Longo T. A., Selikson В., Aluminium Wire Bonding of Silicon
Transistors, SCP and Solid Technology, 1963, v. 6, № 11, p. 27—31.
Microwelding equipment, Electronic Equipment News, 1965, v. 6, № 11,
p. 70—73.
Motocola Integrated Circuits, SCP and Solid State Technology, 1963, v. 6,
№ 7, p. 25—31.
New Semiconductors All — glass flat packs house Micrologic, Electronics,
1964, v. 37, № 21, p. 123.
Ring D., Установка, упрощающая термокомпрессионную сварку,
Electronics (русский перевод), 1963, № 5, стр. 41—44.
Socolovsky A., Flatpack with Hard-Glass Seated Lid, EDN Micro-
electronics, 1964, v. 9, № 9, p. 30—31.
William O. Hamlin, Microelectronics, Part 1, SCP and Solid
State Technology, 1962, v. 5, № 11, p. 33—36.
К главе тринадцатой
В ar us J. R., RCA Rev.., 1964, v. 25, № 4, p. 627—661.
Chang L. L., Ju H.N., Proc. IEEE, 1965, v. 53, № 3, p. 316—317.
Evans L. L., Solid State Design, 1965, v. 6, № 1, p. 26—28.
Grove A. S., Deal В. E., Snow E. H., Solid State Electronics,
1965, v. 8, № 2, p. 145—163.
Heiman F., Hotstein S. R., Electronics, 1964, v. 35, № 30,
p. 50—61.
Hibbourne R. A., Miles J. F., Electronic Engeniring, 1965,
v. 37, № 445, p. 156—160.
Hotstein S. R., H e i n e m a n F. P., Proc. IEEE, 1963, v. 51,
№ 9, p. 1190—1202.
Luettgenan G. G., Barnes S. H., Electronics, 1964, v. 37,
№ 31, p. 53—58.
Medwin A. IL, Z u k B., Electronic Design, 1964, v. 12, № 24,
p. 74—79.
S a h С. T., IEEE Trans, on. el. der., 1964, v. E.D. — 11, № 7, p. 324—345.
Schmidt J. D., Solid State Design, 1965, v. 6, № 1, p. 21—25.
Statz H., Phys. Rev., v. 90, p. 766—769, 1963.
Wallmark J. T., RCA Rev., 1963, v. 24, № 4, p. 641—660.
Weimer P. K., Shalleross F. V., В or k an N., RCA Rev.,
1963, v. 24, № 4, p. 661—675.
К главе четырнадцатой
Скворцов Л. М., Кайдановская М. И., Цветков В. В.,
Известия высших учебных заведений, Приборостроение, 1968, том XI,
№ 2, стр. 70—75.
Электроника (русский перевод), 1967, том 40, № 2, стр. 57—59.
Электроника (русский перевод), 1967, том 40, № 8, стр. 51.
В оу sei L., Electronics, 1967, v. 40, № 3, р. 93—97.
Electronic News, 1964, v. 9, № 455, p. 20—21.
Seely I. L., Semiconductor Products and Solid-State Technology,
1967, v. 10, № 3, p. 59—62.
Sid er is G., Electronics, 1966, v. 39, № 6, p. 144—154.
The Electronic Engineer, 1967, v. 26, № 4, p. 140—143.
Weber S., Electronics, 1967, v. 40, № 4, p. 123—129.
Предисловие
ОГЛАВЛЕНИЕ
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

 ТЕХНОЛОГИЯ ДИОДОВ И ТРАНЗИСТОРОВ
Глава первая. Германий и кремний.........................  .	5
1-1. Структуры кристаллических твердых тел...............
1-2. Плотность упаковки атомов...........................
1-3. Основные свойства кремния и германия................
1-4. Марки кремния и германия............................
Глава вторая. Ориентация монокристаллических полупроводниковых
слитков.......................................................
2-1. Роль ориентации монокристаллических слитков в произ-
водстве полупроводниковых приборов . .............. . .. .
2-2. Ориентация рентгеновским способом ..................
2-3. Ориентация с помощью метода световых фигур..........
Глава третья. Механическая обработка полупроводниковых монокри-
сталлов ......................................................
11
16
19
25
26
29
33
3-1.
3-2.
3-3.
Резка полупроводниковых слитков на пластины и кристаллы
Шлифовка полупроводниковых пластин..............
Механические методы полировки полупроводниковых мате-
риалов ............................................
37
44
Глава четвертая.
Химическая обработка герма
нений ДОДИ........*. . . .
я, кремния и соеди-
4-1.
4-2.
4-3.
4-4.
4-5.
4-6.
4-7.
4-8.
Влия
® механической обработки на качество поверхности
кристаллов.......ч..................................
Очистка кристаллов от органических загрязнений . . . .
Химическая полировка полупроводниковых материалов
Травление германия в перекиси водорода .4...........
Травление германия в кислотных травителях...........
Химическая полировка кремния........................
Электрохимическая теория саморастворения германия и
* III
46
48
51
58
кремния ...........................................
Травление полупроводниковых соединений типа AniBV.
61
63
Глава пятая.
51
зготовление электронно-дырочные переходов методом
сплавления........................................
65


5-1. Сущность метода вплавления-кристаллизации.........
5-2. Выбор сплавов для изготовления р-п-переходов в гермах
Г II
й кремнии................-...................... .
69
238
5-3. Диаграммы состоянии некоторых двойных сйс1см.......	73
5-4. Процессы вплавления-кристалдизации.................. 77
5-5. Влияние ориентации полупроводниковых монокристаллов
на свойства р-п-переходов .	................... 82
5-6. Влияние скорости нагревания и охлаждения на свойства,
р-п-переходов....................................... 84
Глава шестая. Изготовление электронно-дырочных переходов методом
диффузии.................................................  90
6-1.
6-2.
6-3.
6-4.
6-5.
6-6.
6-7.
6-8.
6-9.
6-10.
6-11.
6-12.
Особенности метода диффузии.........................
Диффузия примесей в полупроводниках*................
Получение диффузионных электронно-дырочных переходов
в кремнии...........................................
Методы получения диффузионных электронно-дырочных ие-
реходов в германии................................
Диффузия из паровой фазы в германий . . . . ......
Диффузия из расплава в германий............... . .
Диффузия из рекристаллизованного слоя в германий . . .
Технология изготовления диффузионно-сплавных герма-
110
Гт
ниевых транзисторов.................................
Изготовление дрейфовых транзисторов методом вплавления
после диффузии......................................
Изготовление дрейфовых транзисторов методами диффузии
при вплавлении и диффузии после вплавления..........
Изготовление диффузионно-сплавных германиевых меза-
транзисторов . .....................................
Диффузия в полупроводниковых соединениях типа AHIBV
91
96
103
106
108
110
112
113
115
124
125
Глава седьмая. Изготовлениеэлектронно-дырочных переходов методом
электрохимического травления и осаждения.....................
7-1. Образование />-п-перехода в приповерхностных слоях полу-
проводника одного типа проводимости..................  .
7-2. Конструкция /ьп-р-структур германиевых поверхностно-
барьерных транзисторов и схема технологического процесса
их изготовления..........................................
J-З. Получение тонкой перемычки методом струйного электрохи-
мического или фотоэлектрохимического травления . . .
7-4. Получение выпрямляющих контактов методом струйного
электрохимического осаждения..............................
128

130
133
135
- ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Глава восьмая. Общие вопросы конструкции и технологии полупро-
водниковых интегральных схем .................................
8-1. Активные элементы в полупроводниковых интегральных
схемах..................................................
. 8-2. Пассивные элементы в полупроводниковых интегральных
схемах................................................
8-3. Изоляция элементов интегральной схемы..............
8-4. Планарный технологический процесс изготовления инте-
гральных схем...................................... . . .
8-5. Эпитаксиальные методы в технологии интегральных схем
141.
144
-еш
с'
147
150
Глава девятая. Получение окисных пленок на кремнии
9-1. Роль окисных пленок в технологии полупроводниковых ин-
тегральных схем.......................................
9-2. Окисление кремния. Структура окисла.......  .	. . .
9-3. Окисление кремния в парах воды при повышенном давлении
154
156-
9-4. Термическое окисление кремния в сухом и влажном кисло-
роде и в парах воды при атмосферном давлении..........
9-5. Маскирующие свойства пленок двуокиси кремния.....
9-6. Определение толщины окисного слоя на пластинках кремния
9-7. Окисление кремния в плазме кислорода.............
Глава десятая. Фотолитография..............................
159
166
171
174
10-1. Роль фотолитографии в технологии полупроводниковых
приборов и интегральных схем...........................
10-2. Светочувствительные полимеры (фоторезисты)......... 175
10-3. Технология фотогравировки в слое двуокиси кремния . 180
10-4. Особенности фотолитографии в слоях алюминия.........187
10-5. Изготовление фотошаблонов.......................... 190
Глава одиннадцатая. Вопросы дифф
LI 1.1С
узии примесей при изготовлении
планарных кремниевых приборов и интеграль-
ных схем...................................
196
11-1.	Проведение диффузии примесей в кремний.............. —
11-2.	Особенности процесса селективной диффузии......... 197
11-3.	Измерение параметров диффузионных слоев........... 199
Глава двенадцатая. Монтаж, конструктивные особенности и параметры
интегральных схем............................................203
12-1. Создание омических контактов к интегральным схемам
12-2. Термокомпрессиопное присоединение выводов к интеграль-
ным схемам.......................................... 206
12-3. Конструкции и параметры интегральных схем..........210
Глава тринадцатая. Интегральные полупроводниковые схемы на основе
транзисторов типа металл — окисел — полупро-
водник ........................................................214
13-1. Устройство и принцип действия полевого транзистора типа
металл — окисел — полупроводник..................... —
13-2. Особенности МОП-транзистора и его основные параметры 219
13-3. Преимущества интегральных схем на основе транзисторов
типа МОП...........................................220
Глава четырнадцатая. Основные тенденции развития полупроводни-
ковых интегральных схем..................224
Литература ...................................................229
ГАВРИЛОВ РОМАН АЛЕКСАНДРОВИЧ
СКВОРЦОВ АЛЬБЕРТ МАТВЕЕВИЧ
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Редактор Ю. Л. Тимаев
Художественный редактор Г. А. Гудков
Технический редактор Е. М. Соболева
Корректор Л. Н. Горбачева
Сдано в производство 7/VI 1968 г. Подписано к печати 29/Х 1968 г. М17748. Печ. л. 15.
Уч.-изд. л. 16,5. Бум. л. 7,5. Бумага типографская № 3 60Х90’/-!в- Тираж 25 000.
Цена 1 р. 03 к. Заказ 1919.
♦
Ленинградское отделение издательства «Энергия», Марсово поле, 1.
Ордена Трудового Красного Знамени Ленинградская типография N° 1 «Печатный Двор»
им. А. М. Горького Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР,
г. Ленинград, Гатчинская ул., 26.