Глава 2. Материалы и методы изготовления микросистем

катод (мишень)

О. О

первичный электрон

Оускоренный ион

; напыляемый

Методом ионного распыления можно формировать пленки практически из любых элементов таблицы Менделеева, а также из органических и неорганических смесей. Этим методом несложно напылять пленки из тугоплавких материалов, но в то же время здесь существуют проблемы при распылении веществ с высокой температурой кипения. При использовании нескольких мишеней процесс напыления необходимо проводить одновременно. В этом случае это уже будет метод совместного напыления.

Структура большинства нанесенных покрытий является аморфной, и их механические свойства зависят от условий напыления. Попадание атомов инертного газа в напыленный слой нарушает его механические и структурные характеристики. Поэтому качество и свойства тонких пленок, нанесенных методом ионного напыления, определяются точностью соблюдения технологических условий.

подложка

Рис. 2.2. Схема процесса металлизации методом ионного распыления

2.2. Полупроводники ;

2.2.1. Электрические и химические свойства

Большинство полупроводников являются неорганическими материалами, полученными на основе элементов четвертой группы периодической таблицы. Кремний - главный среди всех этих элементов, поскольку при определенных условиях может менять свои электрические, механические и оптические свойства. С начала семидесятых годов двадцатого века и до настоящего времени кремний все больше расширяет области своего применения в твердотельной технике и микроэлектронике. В четвертой группе периодической таблицы есть еще два широко используемых элемента - германий и углерод. Полупроводниковые материалы могут также состоять из комбинации элементов либо третьей и пятой, либо второй и шестой

2.2. Полупроводники

групп. Примерами таких материалов являются арсенид галлия и теллурид цинка. Такие материалы называются полупроводниками потому, что при определенных температурных режимах они являются хорошими электрическими проводниками, а в других условиях они ведут себя как диэлектрики.

Полупроводниковые кристаллы могут состоять либо из одинаковых элементов, либо быть составными композициями. Первые называются одноэлементными полупроводниками, их можно найти в четвертой группе периодической системы (например, кремний и германий). Другие получили название сложных полупроводников, и, как упоминалось выше, они представляют собой смеси элементов либо третьей и пятой групп, либо второй и шестой. В таблице 2.2 приведены характеристики некоторых одноэлементных и сложных

полу Пр овод НИКОВ.

Таблица 2.2. Структура и характеристика решеток некоторых полупроводников. Постоянные решеток и ширина запрещенных зон приведены для температуры 27° С

Более точная классификация структур использует алфавитную систему, например, A3 означает ромбовидную структуру

Ср.едд одноэлементных полупроводников кремний, без сомнения, является самым широко используемым материалом. Кремний - самый важный материал при производстве почти всех микроэлектронных устройств и интегральных схем. На методах, построенных на использовании кремния, основаны многие нанотехнологии, в том числе и технологии изготовления микросистем. По этой причине в данной книге основные свойства полупроводниковых материалов будут рассматриваться на примере кремния. В таблице 2.3 приведены основные механические, электрические и термические свойства мо-нокристалического кремния. Среди сложных полупроводников наи-

,a.i С'

Многие полупроводники, включая кремний и GaAs, имеют кубическую структуру кристаллов. Алмаз можно рассматривать как полупроводник с большой шириной запрещенной зоны (~ бэВ) и со структурой, состоящей из двух вложенных гранецентрирован-ных кубических конструкций, межатомные расстояния в которых не совпадают. В сложных полупроводниках, таких как GaAs, одна из конструкций состоит полностью из атомов галлия, а вторая - из атомов мышьяка. Такая кристаллическая структура называется сфалеритовой структурой. В алмазоподобной решетке каждый атом имеет четыре ближайших соседа. И в одноэлементных, и в сложных полупроводниках на один атом, как правило, приходится по четыре валентных электрона. Каждый атом удерживается в кристалле четырьмя ковалентными связями, где в каждой связи участвуют по два'электрона. В идеальных полупроводниках при температуре абсолютного нуля нет недостатка в электронах, и их количества хватает, чтобы заполнить внутренние атомные оболочки и ковалент-ные связи. При температурах выше температуры абсолютного нуля энергия некоторых электронов увеличивается и становится достаточной для разрыва ковалентных связей. Таким образом в системе появляются свободные электроны. Именно эти свободные электроны и обеспечивают электропроводность полупроводниковых кри-

сталлов. В таблице 2.3 приведены некоторые физические свойства монокристаллического кремния.

Если в полупроводник вводится некоторое количество примесей, такой полупроводник называют легированным. Предположим, что в кристалле кремния один из атомов кремния заменен на атом фосфора - элемента из пятой группы периодической таблицы. Фосфор имеет пять валентных электронов, в то время как у кремния их только четыре. Атом фосфора распределяет четыре своих электрона по ковалентным связям с четырьмя соседними атомами кремния. Оставшийся пятый валентный электрон становится свободным, ионизируя при этом атом фосфора. Энергию ионизации Еа, требующуюся для внедрения атома примеси массой т в кристалл полупроводника, можно оценить, используя одноэлектронную модель, по формуле:

(2.1)

где £о - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, Sr - диэлектрическая проницаемость полупроводника, т* - эффективная масса полупроводникового материала, а Е^ - орбитальная энергия донорного электрона. Освободившиеся электроны также будут обеспечивать электропроводность полупроводника. Поскольку атом фосфора отдает свободный электрон в кристаллическую систему, он называется донором. Все пяти валентные элементы (из пятой группы периодической таблицы) при присоединении к кристаллу кремния ведут себя аналогичным образом. Однако для каждого элемента количество требуемой энергии Еа будет различным. Все атомы элементов из пятой группы периодической таблицы, замещая атом-хозяин в кристалле одноэлементного полупроводника, принадлежащего четвертой группе, отдают электроны. Поэтому элементы пятой группы, такие как фосфор и мышьяк, называются донорами, а легированные полупроводники относятся к классу полупроводников с примесями. Соответственно, полупроводники без примесей относятся к классу беспримесных (чистых) полупроводников.

Теперь представим себе ситуацию, когда в кремниевую кристаллическую структуру вводится большая концентрация атомов фосфора, например, ~ 10 см~. При комнатной температуре и небольшой приложенной энергии каждый атом фосфора отдаст в кристаллическую структуру по одному электрону, в результате чего в зоне проводимости концентрация электронов станет порядка 10 см .

более распространенным является GaAs. На его основе реализованы многие оптические и быстродействующие приборы.

Таблица 2.3. Электрические, механические и термические свойства моно- кристалического кремния

Это значительно больше концентрации свободных электронов в беспримесных полупроводниках при комнатной температуре, которая равна ~ Ю^см . Таким образом, при введении такой концентрации примесей, концентрация свободных электронов увеличится на пять порядков. Отметим, что в полупроводнике в одном кубическом сантиметре находится порядка 10-10 атомов кремния, поэтому введение примесей в концентрации 10 см~ приведет к тому, что каждый из 10-10 атомов кремния будет заменен на атом фосфора. Очевидно, что такой уровень легирования не вызывает значительного изменения кристаллической структуры, но сильно увеличивает концентрацию свободных электронов. Также отметим, что в кремнии, легированном фосфором, электропроводность обеспечивается за счет электронов. Такие примесные полупроводники (четвертой группы) называются полупроводниками п-типа или кремнием п-типа. Термин п-тип означает, что заряд в данном материале переносится отрицательно заряженными электронами. Рассмотренный вариант легирования кремния атомами фосфора не является единственным. Аналогичным образом могут легироваться практически все одноэлементные полупроводники при помош;и элементов более высоких групп. В таблице 2.4 приведены значения энергий ионизации Ed для некоторых доноров электронов в кремний из пятой группы периодической таблицы, а также для нескольких акцепторов (см. ниже).

Теперь рассмотрим ситуацию легирования полупроводника четвертой группы атомами из третьей группы периодической системы (т.е. атомами, имеюп];ими только три валентных электрона). Для большей определенности возьмем пример легирования кремния атомами бора. В результате такого легирования при замене атома кремния на атом бора в кристаллической структуре появится свободная дырка (недостаток одного электрона в ковалентной связи). Процесс формирования дырки следующий: поскольку бор имеет три валентных электрона, он образует ковалентные связи с тремя соседними атомами кремния, а у четвертого ближайше-о атома кремния одна из четырех ковалентных связей останется не использованной, т. к. в системе бор-четыре атома кремния не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон возможно будет взят из ковалентной связи соседней пары атомов кремния, но при этом недостаток электрона (дырка) образуется уже там. В результате введения бора в кремний в его кристаллической структуре неизбежно появляются свободные дырки. Такой тип примесных полупроводников получил название полупроводников р-типа или кремния р-типа.

Термин р-тип означает, что электропроводность в таких полупроводниках реализуется за счет положительно заряженных свободных дырок. В таблице 2.4 приведены наиболее распространенные атомы-акцепторы для кремния.

Таблица 2.4. Наиболее распространенные атомы доноров и акцепторов для кремния

Диффузия и имплантация ионов являются двумя основными процессами, используемыми для управляемого введения примесей в полупроводники. Эти процессы применяются при выборочном легировании подложки полупроводника для формирования областей п-типа или р-типа.

2.2.2. Выращивание и осаждение

Способы выращивания полупроводников рассмотрим на примере выращивания кремния, поскольку он является наиболее используемым материалом в микроэлектронике и при производстве микросистем.

2.2.2.1. Выращивание кристаллов кремния из расплава Основным способом выращивания кристаллов кремния из расплава является метод Чохральского. По этому методу чистый кварцевый песок (Si02) помещается в печь, где уже находятся углеродосодер-жапще материалы, такие как уголь и кокс. В печи протекают несколько типов реакций, но для нас важна следующая:

SiC + Si02 Si + SiO (газ) + СО (газ).

(2.2)

Кремний, полученный таким образом, называется кремнием металлургического качества (MGS). Он содержит не более 2% примесей. Далее кремний обрабатывается при помощи хлористой кислоты для получения трихлорсилана:

Si + 3HClSiHCl3 {газ) + Из (газ).

(2.3)