2.3 Материалы имс

2.3.1 Введение

В настоящее время известны и исследованы более ста полупроводниковых материалов, среди которых находятся элементарные неорганические (монокристаллические материалы кремний и германий, поликристаллический селен), сложные (многокомпонентные) неорганические кристаллические и поликристаллические (арсениды, фосфиды, антимониды галлия, индия, алюминия и др.), органические (молекулярные кристаллы, полимерные и т.п.), ферриты (сплавы окиси железа с окислами других металлов), стеклообразные аморфные вещества.

Полупроводниковые ИМС изготавливаются преимущественно на основе кремния, который выделяется в ряду множества материалов благодаря уникальному сочетанию ширины запрещенной зоны, отличных маскирующих свойств и стабильности технологичного окисла SiO₂, больших природных запасов сырья. Тем не менее монополия кремния, установившаяся с начала 60-х годов прошлого столетия в производстве ИМС нарушена арсенидом галлия (GaAs), на основе которого созданы сверхбыстродействующие БИС, функционирующие со временем переключения пикосекундного диапазона. Применение арсенида галлия в производстве ИМС длительное время сдерживалось несовершенством маскирующих литографических структур, применяемых при формировании топологических конфигураций элементов ИМС, и относительно высокой стоимостью материала. В современной микроэлектронике арсенид галлия, благодаря высокой подвижности электронов (в пять раз превышает этот параметр в кремнии), повышенному значению ширины запрещенной зоны (на 30 % превышает показатель для кремния) и технологическим достижениям в области избирательного формирования топологических рисунков слоев ИМС, получает все более широкое распространение у разработчиков сверхбыстродействующих микросхем, функционирующих при повышенных температурах и уровнях облучения.

Далее приводятся основные сведения по двум полупроводниковым материалам: кремнию и арсениду галлия.

2.3.2 Кристаллические материалы имс

Свойства кристаллических нелегированных полупроводников, применяемых в производстве ИМС, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 — Параметры кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs)

Наименование параметра	Si	GaAs
Атомный номер Атомная масса, 1022 см–3 Диэлектрическая проницаемость Постоянная решетки, нм Температурный коэффициент ширины запрещенной зоны, 10–4 эВ/град. Коэффициент изменения ширины запрещенной зоны по гидростатическому сжатию, 10–6, эВ/(атм.) Температура плавления, град. Коэффициент теплопроводности, дж/грамм·град. Коэффициент линейного расширения, 10–6 град.–1 Эффективная масса электронов, отн.ед. Эффективная масса дырок, отн.ед. Сжимаемость, 10–11 Па–1 При 300˚ С Ширина запрещенной зоны, эВ Эффективная плотность состояний Nc, см–3 Э Окончание табл. 2.1 ффективная плотность состояний Nv, см–3 Подвижность электронов, см2/В сек Подвижность дырок, см2/В сек Собственное удельное сопротивление, Омсм Собственная концентрация носителей заряда, см–3	14 28 11,7 54 –4,1 –2,4 1420 1,42 6,9 0,33 0,55 1,02 1,11 2,81019 11019 1400 500 2105 1,51010	144,6 10,9 56 –5,0 +12,6 520 0,37 5,6 0,07 0,50 1,32 1,43 11000 450 1,5106 1,5106

Для управления свойствами кремний легируют акцепторными или донорными примесями. В качестве донорной примеси в кремнии применяются атомы фосфора, мышьяка, сурьмы, а в качестве акцепторной примеси — атомы бора. Предельные уровни легирования кремния ограничены сверху уровнем предельной растворимости примеси в полупроводнике, который зависит от температуры. Максимальные значения предельной растворимости примесей в кремнии от температуры приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Максимальные уровни легирования кремния примесями

Примесь	Мышьяк As	Фосфор P	Бор B	Сурьма Sb
Концентрация примеси см–3	20·1020 1150 С	13·1020 1150 С	5·1020 1200 С	0.6·1020 1300 С

Зависимость удельного объемного сопротивления монокристаллического кремния от концентрации примеси при 300 К приведена на рисунке 2.2.

Кремний в виде круглых пластин диаметром 100...120 мм (в перспективе 150...200 мм), толщиной 200...400 мкм. Шероховатость поверхности кремниевых пластин соответствует 14-му классу (Rz=0,05 мкм) для рабочей стороны и 12-му классу (Rz=0,2 мкм) для нерабочей стороны.

Промышленностью выпускается ряд марок монокристаллического кремния электронного (Э) и дырочного (Д) типов проводимости.

Обозначение марки кремния в слитках состоит из нескольких элементов: первый элемент обозначает метод получения слитка — буква Б указывает на бестигельную зонную плавку, отсутствие буквы определяет метод выращивания из расплава (метод Чохральского); второй элемент обозначает группу по диапазону удельных сопротивлений: группы 1А, 2А — 2Д соответствуют высокоомным маркам диапазона (1–2000) Омсм, группы 3А, 3Б соответствуют низкоомным маркам диапазона (510^–3–1) Ом·см; третий элемент обозначает подгруппу (1–6) по номиналу удельного сопротивления, его разбросу по торцу и слитку, по плотности дислокаций; четвертый элемент определяет такие параметры качества, как диаметр слитка, диапазон диффузионных длин носителей заряда или времени их жизни и индексируется строчными буквами (а – е), м, н, (р – т), ф, ш; пятый элемент определяет материал, тип проводимости, легирующую примесь и состоит из трех букв, первая из которых для кремния есть К, вторая — буква, обозначающая тип проводимости, — Э или Д и третья — начальная буква легирующего элемента (А — алюминий, Б — бор, С — сурьма, М — мышьяк, Ф — фосфор, З — золото); шестой элемент — числовая дробь, числитель которой — удельное объемное сопротивление (Омсм), знаменатель — диффузионная длина неравновесных носителей заряда (мм). Для задания свойств материала обозначение часто ограничивают укороченной формой, представляя в ней только пятый и шестой члены обозначения.

Примеры обозначения:

1) КЭФ 4/0,1 — кремний электронного типа проводимости, легированный фосфором с номиналом удельного сопротивления 4 Омсм, диффузионной длиной неравновесных носителей заряда 0,1 мм;

2) КДБ 10 — кремний дырочного типа проводимости, легированный бором с удельным сопротивлением 10 Омсм, диффузионная длина носителей заряда не регламентирована.

Полное обозначение монокристаллического кремния иллюстрируется примером: 1А 5 б КДБ 7,5/0,1 — 80. Обозначением определен кремниевый высокоомный слиток (группа 1А), с удельным сопротивлением диапазона (1–15) Омсм (подгруппа 5); допустимый диапазон разброса сопротивления ±20 % при плотности дислокаций не более 10 см^–2 (индекс б); кремний дырочный легированный бором (КДБ); номинал удельного сопротивления 7,5 Омсм; диффузионная длина неравновесных носителей 0,1 мм; заказной диаметр слитка, выращенного по методу Чохральского, 80 мм.

На предприятия, выпускающие микросхемы, кремний поставляется в виде монокристаллов соответствующего диаметра (100...200 мм) длиной 500...2000 мм.

Монокристалл кремния разрезают на пластины (подложки) толщиной 0,2...0,5 мм. Поверхность подложки чаще всего ориентирована вдоль кристаллографической плоскости {111}. Однако в ряде случаев целесообразно использовать кремниевые пластины с ориентировкой вдоль плоскостей {100} или {110}. По техническим условиям отклонение плоскости пластины от кристаллографических плоскостей не должно превышать 20.