книги из ГПНТБ / Брук В.А. Производство полупроводниковых приборов учебник для подготовки рабочих на пр-ве

ления, по которым ведется дальнейшая доработка этих методов. Применяют алюминий, легированный кремнием, что улучшает сма­ чиваемость кремния и фронт вплавления и снижает механические напряжения. В некоторых новых приборах вместо вплавления столбика применяют вплавление силуминовых шариков, что улуч­ шает структуру перехода. В слоистой структуре вместо алюминие­ вой фольги используют напыление алюминия на одну сторону пластинок р- и n-типов, а затем, накладывая их одну на другую таким образом, чтобы напыленная пленка алюминия оказалась внутри «пирога», сплавляют. Это дает возможность сократить до •минимума толщину алюминия в «пироге», улучшает фронт вплав­ ления и снижает механические напряжения в структуре.

Для получения триодных структур на кремнии я-типа приме­ няют, как правило, двух- и трехкомпонентные сплавы на основе олова с добавками небольшого количества индия или галлия. Процесс образования р—я-переходов практически не отличается от описанного.

Следует отметить, что почти во всех случаях, когда одного •компонента в сплаве содержится намного больше, чем другого (1—5%), для определения состава сплава, получаемого в про­ цессе сплавления, можно пользоваться диаграммой двойного сплава: полупроводник — преобладающий в электродном сплаве элемент. В качестве электродных сплавов для создания невыпрямляющих контактов к кремнию л-типа проводимости наиболее часто применяют сплавы на основе золота (реже серебра) с добавлением 0,01—0,2% сурьмы (реже с добавлением мышьяка или фосфора).

Сплав золота с сурьмой обладает хорошей химической стойко­ стью, низкой температурой эвтектики (370° С) с кремнием, доста­ точно высокой пластичностью, хорошей токо- и теплопроводностью и обеспечивает простое и надежное присоединение выводов при­

Сплавы серебра с сурьмой или мышьяком достаточно плас­ тичны даже при сравнительно высоком содержании этих элемен­ тов (4—7%) в серебре. Хорошие результаты получают при

контакты к области кремния с р-типом проводимости, применяют сплавы олово — галлий или свинец — индий — никель.

Приборы со сплавным р—л-переходом на кремнии р-типа про­ водимости встречаются очень редко, поэтому в пособии не описаны электродные сплавы для кремния р-типа.

Для получения р—л-перехода на германии л-типа применяют

с высокой эффективностью эмиттера. Увеличение эффективности эмиттера в этом случае получается из-за снижения сопротивле-

ния эмиттерного р-слоя, так как галлий имеет в 100 раз большую предельную растворимость в германии, чем индий.

Невыпрямляющие контакты к германию п-типа обычно выпол­ няются вплавлением чистого олова; иногда для получения слоя п+- применяют сплав олова с небольшой добавкой сурьмы или мышьяка.

Хороший невыпрямляющий контакт можно получить на сплавесвинца с добавкой 3—7% сурьмы.

Выпрямляющие контакты (р—«-переходы) к германию р-типа проводимости получают вплавлением сплавов на основе нейтраль­

ка. Эти сплавы успешно применяют как при изготовлении эмиттерных, так и коллекторных р — «-переходов.

Для получения выпрямляющих контактов с германием р-типа

ления увеличивается с ростом температуры; образующаяся на материале окисная пленка препятствует получению качественных сплавных контактов.

Поэтому перед проведением процесса сплавляемые материалы подвергают химической обработке для удаления с их поверхности окисных пленок и других загрязнений. Обработанные детали посту­ пают на операцию сборки в кассетах перед сплавлением, во время которой при помощи специальных кассет сплавляемые детали ориентируют относительно друг друга и временно механически за­ крепляют их в этом положении.

Загруженные кассеты передают на операцию сплавления. Как уже отмечалось, сплавные кремниевые диодные структуры полу­ чают обычно, вплавляя в кремний чистый алюминий или силу­ мин. Сплавление кремния с алюминием для получения р— п-

•Сплавление при разрежении 10~3 мм рт. ст., как правило, дает плохие результаты.

Последнее время на некоторых предприятиях сплавление алю­ миния с кремнием проводят в среде очищенного водорода, что дает возможность повысить производительность процесса и открывает пути к его автоматизации — позволяет применять загрузочные ав­ томаты и конвейерные водородные печи.

Для получения триодных структур на кремнии применяют сплав­ ление в восстановительной (водородной) и нейтральной (аргонной или азотной) среде. Сплавление в нейтральной среде обеспечивает сохранение чистоты исходных материалов только при условии, что нейтральный газ очень хорошо очищен от кислорода и влаги. При использовании водородной среды при температурах сплавле­ ния до 700—1100°С происходит даже незначительное восстановле­ ние окисных пленок, что способствует улучшению смачиваемости электродным сплавом полупроводникового материала. Несмотря на восстановительные свойства водорода, к нему, как к любой среде,

используемой для процесса сплавления, предъявляют столь же вы­ сокие требования по чистоте.

Выпрямляющие и невыпрямляющие контакты на германии по­ лучают обычно в среде водорода. Использование газовой среды и высокопроизводительных конвейерных печей позволяет получать хорошие результаты.

Выполнение всех требований к чистоте материалов и газовых сред при использовании идеальных кассет не гарантирует полу­ чения качественных сплавных р — «-переходов, если не будет пра­ вильно подобран режим сплавления. Режим сплавления характе­ ризуется температурой и временем процесса. Для квалифицирован­ ного подбора режимов сплавления необходимо знать зависимость растворимости сплавляемых материалов в полупроводнике от тем­ пературы, а также диаграммы состояний: сплавляемый материал — полупроводник. Параметрами режима сплавления являются:

максимальная температура нагрева; скорость подъема температуры;

длительность выдержки при определенной температуре; скорость охлаждения.

Режим сплавления устанавливают экспериментально для каж­ дого конкретного прибора, а его параметры записывают в соответ­ ствующую техническую документацию (маршрутную карту техно­ логического процесса).

Максимальную температуру нагрева выбирают из условий достаточной растворимости сплавляемых элементов по соответ­ ствующей диаграмме состояний. На рис. 79 показаны диаграммы

влияет на изменение равновесной концентрации сплавляемых эле­ ментов в жидкой фазе. Например, для диаграммы состояний крем­

Для улучшения смачиваемости поверхности полупроводнико­ вого материала электродным сплавом желательно, чтобы макси­ мальная температура сплавления была высокой. Максимальную температуру сплавления в производственных условиях подбирают опытным путем. При выборе режима сплавления стремятся создать ровный и плоский фронт вплавления электродного сплава. При плоском фронте у диодов значительно выше прямые токи, а у трио­ дов — коэффициент усиления по току.

Форма фронта вплавления очень сильно зависит от скорости

обычно сферическим, так как температура изменяется от центра электрода к краям. При быстром подъеме температуры фронт вплавления получается неровным из-за недостаточно хорошего' смачивания сплавом отдельных участков кристалла, а это при­ водит к тому, что на хорошо смоченных участках сплав вплав­ ляется глубже, чем на плохо смоченных. Поэтому применяют ступенчатый подъем температуры.

Температуру поднимают до точки, незначительно превышаю­ щей температуру плавления электродного сплава (или соответ­ ствующей эвтектики). Затем дают выдержку (3—5 мин), во время которой происходит равномерное смачивание поверхности кристалла сплавов. При выдержке проплавлення практически не происходит, поскольку низка температура. После выдержки тем­ пературу быстро поднимают до максимальной и снова делают

водника из расплава на основе исходной кристаллической решетки. При быстром охлаждении содержание примесей в рекристаллизованном слое может превосходить значение предельной раство­

Но так как коэффициенты термического расширения электродных сплавов плохо согласуются с коэффициентом термического расши­ рения кремния, что приводит при резком охлаждении к большим внутренним механическим напряжениям и даже к растрескиванию кристалла, охлаждение кремниевых структур желательно проводить медленно.

Так как температурный режим сильно влияет на качество получаемых контактов, необходимо для получения хороших и воспроизводимых результатов тщательно следить за точным его соблюдением. Для этого кассету помещают в зону с температурой,

близости от нее (в конвейерных печах). Необходимо также точно' соблюдать временные параметры процесса, что не представляет технических трудностей.

Следует отметить, что параметры режима вплавления при про­ ведении его на двух одинаковых печах могут незначительно отли­ чаться для каждой из печей, так как нет двух установок с совер­ шенно одинаковыми термическими характеристиками.

Корректируют режим сплавления только при участии техно­ лога.

глубже, а градиент концентрации примеси вблизи р — «-перехода будет меньше. Чем меньше градиент концентрации примеси, тем слабее напряженность поля и выше пробивное напряжение данно­ го перехода.

Пробивное напряжение сплавного р — «-перехода определяется удельным сопротивлением исходного материала, в то время как диффузионный метод дает возможность, варьируя режимами диф­

рядом трудностей. Диффузионные процессы часто требуют при­ менения высокоочищенных газов, значительно возрастают тре­ бования и к чистоте применяемых материалов. Кроме того, при термообработке изменяется удельное сопротивление полупровод­

пользуют комбинацию диффузионных методов, позволяющую получить р — «-переходы заданной геометрии и с требуемыми параметрами.

Диффузия в кварцевой ампуле. В кварцевую ампулу помещают свежепротравленные пластины полупроводника и небольшое коли­ чество примесного элемента или его солей. После этого воздух из ампулы откачивают до давления Ю - 4 мм рт. ст. или ампулу запол­ няют инертным газом, запаивают в пламени газовой горелки и помещают в печь с заданной температурой. В печи примесь перехо­ дит из твердого состояния в газообразное. В процессе диффузии пластины полупроводника не окисляются, так как они находятся в вакууме или инертной среде.

К достоинствам этого метода можно отнести чистоту процесса, а также возможность управления им. Меняя концентрацию приме­ сей в газовой фазе, можно менять в широких пределах поверхност-

ную концентрацию — количество атомов примесного элемента, находящихся на поверхности образца. Высокая поверхностная концентрация упрощает технологию создания невыпрямляющих контактов, так как при этом полупроводник обладает почти метал­ лическими свойствами, что резко снижает сопротивление контакта.

ной диффузии в ампуле кремниевые пластины извлекают из ампу­ лы и помещают в печь с заданной температурой. Дальнейшая диффузия происходит на воздухе и называется разгонкой. Во время разгонки атомы примеси, внедрившиеся в полупроводник при диф­ фузии в ампуле, проникают в глубь материала и р — п-переход образуется на большей глубине (чем при предварительной диффу­ зии), что значительно повышает величину пробивного напряжения.

Этот метод используют для получения высоких пробивных напряжений, если не очень важна поверхностная концентрация примеси. Поверхностная концентрация в этом случае получается меньше, чем при диффузии в ампуле, так как происходит обрат­

кращено, поэтому ряд недостатков исключается, например тем­

ности кремния; плотная пленка окиси кремния, образующаяся при разгонке, частично препятствует обратной диффузии примеси. Кроме того, значительно увеличивается число пластин, одновре­ менно проходящих термообработку.

Диффузия из стекловидных слоев. Диффузия из стекловидных слоев не требует дорогого технологического оборудования, позво-

ляет получать сложные структуры и ровный фронт р — /г-перехода. Этот метод используют для диффузии бора в кремний /г-типа.

При диффузии бора в качестве источника — диффузанта — и стеклообразующего вещества используют буру (Na2B4 07 ). На пла­ стинки кремния после травления наносят тонкий слой водного раствора буры (причем только на одну сторону). После этого пла­ стинки помещают в печь для диффузии. Процесс ведется на воз­ духе. При высоких температурах бура реагирует с пленкой окиси кремния и образует стекловидный слой, из которого бор диффун­ дирует в кремний.

При диффузии из стекловидных слоев происходит взаимное растворение буры и окиси кремния, образовавшейся в процессе

получать р — /г-переход только с одной стороны пластины. Этот ме­

также для получения приборов с малой толщиной базы, что особен­

ности полупроводника создают расплав, из которого происходит диффузия. Этот метод используют для диффузии алюминия в крем­ ний двумя способами.

По первому способу алюминий напыляют в вакууме на горячую пластинку кремния. Пленка алюминия расплавляется и в ней рас­ творяется часть кремния. После охлаждения пластины кремния на поверхности образуется рекристаллизованный слой, содержащий значительное количество атомов алюминия. Пластину кремния по­