2.2 Полупроводниковые материалы

Монокристаллы кремния имеют структуру типа алмаза. Положение атомов в кристаллической решетке можно представить в виде двух частично перекрывающихся гранецентрированных кубов, смещенных друг относительно друга на четверть главной диагонали. Каждый атом кремния окружен четырьмя соседними атомами, симметрично расположенными в пространстве.

Арсенид галлия (как и большинство других соединений А₃В₅) кристаллизуется со структурой цинковой обманки. Решетка цинковой обманки отличается от решетки алмаза тем, что в ее узлах атомы одного компонента соединения чередуются с атомами другого компонента. Структуру арсенида галлия можно представить как взаимно проникающие гранецентрированные кубические подрешетки атомов галлия и мышьяка, сдвинутые на четверть главной диагонали.

М онокристаллические материалы обладают, как известно, анизотропией физических, электрических и механических свойств, т. е. различием этих свойств в различных кристаллографических плоскостях и направлениях. Узлы, плоскости и направления в кристаллической решетке обозначаются индексами Миллера – коэффициентами при элементарных базисных векторах, не имеющими общего целого делителя. Для кристаллографических направлений индексы Миллера записываются в квадратных скобках (например, [111]), совокупностей эквивалентных направлений – в угловых скобках (например, <111>), для семейств эквивалентных плоскостей - в фигурных скобках (например, {100}). Одноименные направления и плоскости в кубической системе взаимно перпендикулярны (см. рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Схематическое представление плоскостей с различными

индексами Миллера в кубической решетке

Оси роста монокристаллов кремния обычно совпадают с направлением [111]. Из такого слитка можно вырезать пластины с любой плоскостью ориентации. Пластины ориентации (111) имеют форму круга, (110) - прямоугольника или эллипса⁴, (100) - эллиптическую форму⁵ [2]. Каждые плоскость или направление ориентации характеризуются определенной плотностью упаковки атомов, оказывающей влияние на электрофизические, физико-химические и механические свойства материала.

В монокристаллах арсенида галлия прилегающие плоскости {111} образованы разными атомами, а ближайшие эквивалентные атомы расположены в направлении <110>. Направление от атома галлия к ближайшему атому мышьяка обычно обозначается [111], а обратное направление - [ ]. Плоскость (111) называется галлиевой. Она состоит либо из атомов галлия, имеющих по три связи с кристаллом, либо из атомов мышьяка, имеющих только по одной такой связи. Для мышьяковой плоскости [ ] - ситуация обратная. Различие между этими двумя плоскостями проявляется при химическом травлении, ионной имплантации, пассивации кристаллов диэлектрическим слоем и др. процессах. Так, например, из-за указанного различия параметры полевых транзисторов, изготовленных на пластине арсенида галлия с ориентацией (100), существенно зависят от ориентации затвора на поверхности подложки [10].

Основной объем монокристаллического кремния (80 ÷ 90 ), потребляемого электронной промышленностью, выращивается из расплава по методу Чохральского [3, 4]. Исходный технический кремний получают восстановлением диоксида кремния электрической дугой, создаваемой между графитовыми электродами. Технический кремний превращают в легколетучее соединение, которое затем очищают и восстанавливают до чистого поликристаллического кремния. Поликристаллический кремний дополнительно очищают тигельным или бестигельным методами зонной плавки.

Арсенид галлия и др. полупроводниковые соединения А₃В₅ получают сплавлением особо чистых исходных веществ. Монокристаллические слитки выращивают из расплава (под слоем флюса) или получают направленной кристаллизацией, а также бестигельной зонной плавкой [4, 10].

Первой операцией механической обработки слитков является отрезание затравочной, хвостовой и других частей, удельное сопротивление которых выходит за рамки существующих допусков. На следующем этапе производится обдирка боковой поверхности до требуемого стандартного диаметра. После обдирки слитков, вдоль образующей кристалла шлифуют один или несколько базовых срезов (граней), используемых во всех последующих процессах обработки пластин при совмещении рисунков отдельных слоев и проведении электрических измерений.

Специальная маркировка в паспорте слитка характеризует его по типу проводимости, значению и разбросу удельного сопротивления, виду легирующей примеси и некоторым др. параметрам [2].

Перед резкой слитка на пластины необходимо произвести его ориентацию, т. е. установить величину и направление отклонения его торца от заданной кристаллографической плоскости. Проверяется также ориентация поверхности пластин после резки, шлифовки или полировки. Для ориентации слитков и пластин используют, преимущественно, два метода: рентгеновский (дифрактометрический или Лауэ) и оптический (метод световых фигур) [2-4]. Рентгеновский дифрактометрический метод основан на особенности рассеяния рентгеновских лучей атомами кристаллической решетки. Оптический метод ориентации, более простой и приемлемый в производственных условиях, основан на различии скоростей травления полупроводниковых материалов в различных кристаллографических направлениях.