3.6.4 Кремний

Кремний в отличие от Ge является одним из самых распростра­ненных элементов в земной коре (29,5%), занимая второе место по­сле кислорода. Кремний, как и Ge , темно-серого цвета, с метал­лическим блеском, твердый, хрупкий, хорошо шлифуется, полируется, но в отличие от Ge является легким веществом (плотность 2,33 г/см³).

Атомы в кристалле кремния расположены так просторно, а объем междоузельных пустот настолько велик (~75%), что при плавлении происходит не увеличение объема, как у всех металлов, а значительное, на 9%, его уменьшение.

Рыхлая, открытая структура и достаточно сильная ковалентная связь - особенности строения кремния, которые объясняют многие его физико-химические свойства, приведенные ниже.

1. Оптимальное значение ширины запрещенной зоны, которая обусловила достаточно низкую концентрацию собственных носителей и высокую рабочую температуру.

2. Большой диапазон реально достижимых удельных сопротивлений в пределах от 10^-3 Ом∙см (вырожденный) до 1x 10⁵ (близкий к собственному).

3. Высокое значение модуля упругости, значительная жесткость (большая, чем, например, у стали).

4. Оптимально высокая температура плавления, следующая из высокого значения модуля упругости и энергии связи (Т_ПЛ = 1412°С).

5. Малая плотность (2,3 г/см³) и низкий ТКЛР 3 10^-6 К^-1.

6. Высокая теплопроводность (до 80 Вт/К∙м, что близко к коэффициенту теплопроводности железа) .

7. Тензочувствительность - существенное изменение удельного сопротивления при упругой деформации.

8. Высокая растворимость примесей, причем примеси несильно искажают решетку кристалла.

В химическом отношении Si при комнатной температуре относи­тельно инертный материал. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами, а хорошо растворяется в смеси HN0₃ и НF и в кипящих щелочах. При нагревании на воздухе Si интенсивно окисляется с образованием SiO₂ при температурах выше 900°С, а при Т = (1100-1300)°С соединяется с азотом с образованием ни­трида кремния Si₃N₄ .

Соединения кремния SiO₂ и Si₃N₄ обладают маскирующими свойствами, что используется при проведении локальных процессов диффузии и эпитаксии при изготовлении ИМС. Слой SiO₂ толщиной 0,6 мкм может защищать Si при 1100°С в течение I ч от диффу­зии фосфора, а при диффузии бора достаточен слой SiO₂ толщи­ной 0,1 мкм. Такие же тонкие слои Si₃N₄ при (1100-1200)°С ока­зываются непроницаемыми для донорных и акцепторных примесей при диффузионном легировании Si .

Слои SiO2 могут выполнять функции пассивирующего покрытия, т.е. защищать поверхность полупроводника, р-n -перехода от воз­действия окружающей среды.

Двуокись Si, выращенная в атмосфере чистого сухого кисло­рода, обладает совершенной структурой, высокой электрической прочностью и может использоваться в качестве диэлектрика в МДП-структурах, а также в тонкопленочных конденсаторах гибридных ИМС.

Слои SiO₂, травятся в водных растворах плавиковой кислоты НF.

Методами фотолитографии довольно просто можно в SiO₂ вскрывать окна для локальной диффузии, эпитаксии, омических контактов (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13

а) на монокристаллической подложке n-Si (I) выращен слой SiO2 (2), в котором вскрыто окно (3);

б) через окно проведена локальная диффузия акцепторной примеси (p-область-4) и сформирован тонкопленочный омический кон­такт (5) из Al.

В производстве больших интегральных схем (БИС) и сверхболь­ших (СБИС) все большее распространение получает поликристалли­ческий Si , слои которого в зависимости от степени легирования, т.е. концентрации примесей, могут выполнять функции резистора, межсоединений (токопроводящих шин), контактов к эмиттеру и коллектору транзистора и быть надежной изоляцией между элементами ИМС.

Аморфный кремний пока удается получать лишь в виде тонких пленок при очень медленном распаде моносилана в тлеющем ВЧ-разряде, т. е. намного сложнее, чем монокристаллы. Однако необычные свойства его: большая ширина запрещенной зоны - до 2 эВ и высокое удельное сопротивление - до 10¹² Ом∙см - обеспечивают этой модификации кремния длительные перспективы, особенно в связи с разработкой многоуровневых, объемных БИС и солнечных батарей.

Основной акцепторной примесью для Si является бор, так как обладает относительно малым коэффициентом диффузии в SiO₂; гал­лий, алюминий примерно в 400 раз большим. Основной донорной при­месью является фосфор, хотя SiO₂ маскирует Si и от проникно­вения мышьяка As , сурьмы Sb. Но фосфор имеет в Si более вы­сокий коэффициент диффузии, чем As и Sb и более высокую пре­дельную растворимость, чем Sb.

Применение Si: ПП ИМС, выпрямительные, импульсные и СВЧ-диоды, НЧ и ВЧ, мощные и маломощные биполярные и полевые транзисторы с рабочей частотой до 10 ГГц (температурный диапазон выше, чем у Ge-приборов (см. таблицу 3.1), стабилитроны (U стабилизации = 3-400 В), тиристоры, фотодиоды, солнечные батареи (основные источники энергии космических аппаратов), датчики Холла, тензодатчики, детекторы ядерных излучений.

Кремний образует многие соединения с ценными свойствами, что используется в технологии полупроводниковых приборов и ИС.

Широко применяется диоксид кремния SiO₂, в виде плавленого кварца - нагревостойкого и высокочистого материала. Из кварца изготавливаются тигли для плавки кремния, трубы для термообработки кремния, различные контейнеры, химическая посуда.

Карбид кремния SiC образуется при высокотемпературном взаимодействии кремния с углеродом. Это также термостойкое химическое соединение, которое используется главным образом для покрытий графитовых деталей, находящихся в рабочей камере, где обрабатывается кремний. Благодаря такому покрытию исключается загрязнение кремния углеродом, повышается срок службы графитовых деталей при высокой температуре.

Марки монокристаллического кремния в слитках по ГОСТ 19658-81.

ЭКДБ-2-1в - кремний, полученный по методу Чохральского (ЭК), дырочного (Д) типа проводимости, легированный бором (Б), номинал удельного электрического сопротивления 2 Ом∙см с отклонением по I группе (35%), номинал диаметра слитка по подгруппе "в" (102,5 мм), кристаллографическая ориентация плоскости торцевого слитка (III), так как отсутствует в обозначении индекс "м" (для ориента­ции (100) или "э" - для ориентации (013).

Обозначение приборов на основе Si начинается с буквы "К" (КД503 - диод, КСI39 - стабилитрон) или с цифры 2 (2Т605 - тран­зистор).

Для производства ИМС могут быть использованы готовые эпитаксиальные структуры, т.е. на монокристаллических подложках выращены методами эпитаксии эпитаксиальные слои, повторяющие структуру подложки, в которых в дальнейшем формируются все элементы ИМС (рисунок 3.14, а). Пример записи эпитаксиальной структуры:

100 (8КДБ-0,5)/(200 КЭС-0,01),

где 100 - диметр ПП пластины в мм; 8-толщина Si эпитаксиального слоя в мкм; КДБ-0,5 - кремний дырочной проводимости, ле­гированный бором, удельное электрическое сопротивление 0,5 Ом/□; 200 - толщина монокристаллической Si пластины в мкм; КЭС-0,01 -кремний электронной проводимости, легированный сурьмой, удельное электрическое сопротивление 0,01 Ом/□.

Кремний - единственный материал, который удается наращивать эпитаксиально также и на инородные подложки (гетероэпитаксия), Структуры кремний на сапфире - КНС - обладают значительными преимуществами как основа ИС на комплементарных транзисторах - КМОП КНС, наименее энергоемких, самых быстродействующих и радиационностойких среди МОП ИС (рисунок 3.14, б).

Рисунок 3.14 – Эпитаксиальные структуры кремния

а – автоэпитаксиальная структура со скрытым слоем – АСС;

б – гетероэпитаксиальная структура кремния на сапфире - КНС