«Учреждение образования БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Филиал кафедры электронной техники и технологии на НПО Интеграл ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ для студентов ...»

1

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Филиал кафедры электронной техники и технологии на НПО «Интеграл»

ТЕХНОЛОГИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

для студентов специальностей:

“Проектирование и производство РЭС”, “Электронно-оптические системы и технологии” Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для студентов учреждений, обеспечивающих получение высшего образования по специальностям “Проектирование и производство РЭС”, “Электронно-оптические системы и технологии” Минск «Интегралполиграф»

УДК 621.3.049. ББК 32.844.1 я Т Р е ц е н з е н т ы:

чл-кор. НАН Беларуси, д. т. н., профессор Ф.П. Коршунов;

кафедра микро- и нанотехники БНТУ (зав. кафедрой чл-кор.

НАН Беларуси, д. т. н., профессор Ю.М. Плескачевский) А в т о р ы:

Л.П. Ануфриев, С.В. Бордусов, Л.И. Гурский, А.П. Достанко, А.Ф. Керенцев, Н.С. Ковальчук, А. О. Коробко, В.Л. Ланин, А.А. Осипов, Л.Я. Портнов, И.И. Рубцевич, Я.А. Соловьев, В.А. Солодуха, В.В. Становский Под редакцией академика НАН Беларуси А.П. Достанко и членакорреспондента НАН Беларуси Л.И. Гурского Технология интегральной электроники: учебное пособие по Т дисциплине «Конструирование и технология изделий интегральной электроники» для студентов специальностей “Проектирование и производство РЭС”, ”Электронно-оптические системы и технологии” / Л.П. Ануфриев, С.В. Бордусов, Л.И. Гурский [и др.]; / Под общ. ред.

А.П. Достанко и Л.И. Гурского. – Минск: «Интегралполиграф», 2009. – с.:

ил.

ISBN Учебное пособие включает базовые технологические процессы и оборудование для производства изделий интегральной электроники. Предназначено для закрепления и углубления теоретических знаний, ознакомления с современными технологическими процессами и автоматизированным технологическим оборудованием для изготовления изделий интегральной электроники.

Для студентов специальностей “Проектирование и производство РЭС”, ”Электронно-оптические системы и технологии”.

УДК 621. 3.049. ББК 32.844.1 я © Коллектив авторов, © УП «Интегралполиграф», ISBN

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И

ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Основные материалы изделий интегральной электроники

1.2. Фазовые диаграммы и твердые растворы

1.3. Основные двойные диаграммы состояния широко используемых материалов в изделиях интегральной электроники

1.4. Твердая растворимость

1.5. Диаграммы состояния тройных систем

1.6. Основные понятия и определения

1.7. Основные типы структур интегральных микросхем

1.8 Процесс изготовления биполярных ИМС……………………………………………...… 1.9 Процесс изготовления КМОП ИМС

1.10. Технологический маршрут изготовления мощных диодов Шоттки

1.11. Технологический маршрут изготовления мощных MOSFET-транзисторов................ 1.12. Технологический маршрут изготовления мощных тиристоров

Глава 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПОДЛОЖКИ, ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ ИХ ПОВЕРХНОСТИ, РАЗНОВИДНОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ.......... 2.1. Основные характеристики полупроводниковых подложек

2.2. Физико-химические особенности подготовки гладких поверхностей подложек........ 2.3. Разновидности загрязнений и их влияние на технологические характеристики полупроводниковых подложек, источники и механизмы загрязнения поверхности подложек

2.4. Процессы удаления загрязнений с поверхности твердых тел

2.5. Чистые производственные помещения

2.6. Контроль дефектности технологического процесса

Глава 3. ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН В

ЖИДКИХ СРЕДАХ

3.1. Классификация типов обработки поверхности

3.2. Кинетика процесса химического травления

3.3. Механизмы травления полупроводников

соединений

3.5. Особенности жидкостного травления функциональных слоёв

3.6. Электрохимическая обработка поверхности

3.7. Парогазовое травление

Глава 4. ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН

4.1. Классификация процессов ионно-плазменного травления

4.2. Механизмы процессов ионно-плазменного травления

4.3. Методы плазменного травления

4.4. Факторы, определяющие технологические параметры процесса плазменного травления

Глава 5. ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ...... 5.1. Эпитаксиальные процессы

5.2. Кинетика и механизмы процессов эпитаксии

5.3. Автоэпитаксия кремния

5.4. Гетероэпитаксия кремния

5.5. Эпитаксия соединений типа A3B5 и твердых растворов на их основе

5.6. Дефекты эпитаксиальных слоев

Глава 6. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЛОИ И МЕТОДЫ ИХ НАНЕСЕНИЯ

6.1. Стабилизация и защита поверхности ИМС и полупроводниковых приборов............. 6.2. Процессы окисления и свойства диэлектрических слоев

6.3. Формирование тонких слоев методами химического осаждения из газовой фазы..... 6.4. Формирование тонких слоев низкотемпературным плазмохимическим осаждением из газовой фазы

6.5. Атомно-слоeвое осаждение (ALD)

6.6. Пленки, получаемые центрифугованием из растворов из кремнийорганических соединений (НЦР – пленки)

Глава 7. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

7.1. Термическое испарение материалов в вакууме

7.2. Краткая характеристика испарителей

7.3. Индукционные испарители

7.4. Электронно-лучевое испарение

7.5. Метод ионного распыления

7.6. Катодное распыление

7.7. Магнетронное распыление

7.8. Лазерно-плазменное распыление

7.9. Вакуумное оборудование для формирования пленок

7.10. Установки лазерного распыления

Глава 8. ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

8.1. Процессы в фоторезистах

8.2. Фотошаблоны

8.3. Методы литографии

8.4. Методы повышения качества формирования изображения

8.5. Метод самосовмещения

Глава 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ МЕТОДОМ

ДИФФУЗИИ

9.1. Основы диффузионной технологии

9.2. Легирующие примеси и источники диффузии

9.3. Технология проведения процессов диффузии

9.4. Контроль параметров диффузионных слоев

9.5. Ионная имплантация

9.6. Геттерирование

9.7. Эффекты, используемые в технологии СБИС

9.8. Дефекты ионного легирования и способы их устранения

9.9. Отжиг легированных структур

9.10. Диффузия

9.11. Одномерное уравнение Фика

9.12. Постоянные коэффициенты диффузии

9.13. Механизмы диффузии в твердом теле

9.14. Диффузия из бесконечного источника

9.15. Диффузия из ограниченного источника

9.16. Концентрационно-зависимые коэффициенты диффузии

9.17. Атомные механизмы диффузии

9.18. Факторы, влияющие на процессы диффузии

9.19. Способы контроля процессов диффузии

Глава 10. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОРПУСОВ ДЛЯ КОРПУСИРОВАННЫХ

ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

10.1. Типы интегральных микросхем

10.2. Корпуса ИМС и их конструкции

10.3. Требования к конструкции корпусов

10.4. Металлокерамические корпуса

10.5. Металлостеклянные корпуса

10.6. Пластмассовые корпуса

10.7. Корпуса чашечного типа

Глава 11. СБОРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

11.1. Разделение пластин на кристаллы

11.2. Монтаж кристаллов в корпусах эвтектическими припоями и клеями

11.3. Монтаж кристаллов в корпусах легкоплавкими припоями

11.4. Автоматизированный монтаж кристаллов в корпусах вибрационной пайкой.......... 11.5. Контроль качества сборочных операций

Глава 12. МИКРОМОНТАЖ ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ....... 12.1. Проволочный микромонтаж изделий интегральной электроники

12.2. Процессы термокомпрессионной микросварки

12.3. Ультразвуковая и термозвуковая микросварка

12.4. Автоматическое оборудование и инструмент

12.5. Монтаж жесткими объемными выводами

12.6. Монтаж кристаллов на плате

Глава 13. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И КОНТРОЛЬ ГЕРМЕТИЧНОСТИ

13.1. Герметизация корпусов сваркой

13.2. Герметизация корпусов пайкой

13.3. Герметизация пластмассами

13.4. Бескорпусная герметизация

13.5. Контроль герметичности изделий

13.6. Основные причины снижения влагоустойчивости приборов

Глава 14. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

14.1. Качество и надежность приборов электронной техники

14.2. Конструктивно–технологические особенности ИС, влияющие на их надежность... 14.3. Статистические методы управления качеством в производстве интегральных микросхем

14.4. Система контроля технологического процесса

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………… В 1948 г. весь потенциал твёрдотельной электроники состоял из одного экспериментального образца транзистора, принцип функционирования которого не был полностью понятен даже его создателям. Через 10 лет твёрдотельные приборы начали широко использоваться вместо вакуумных ламп в радио технике и вычислительной технике, и через некоторое время явились основой создания объекта нового поколения, состоящего из организованного расположения диодов, транзисторов и пассивных электрокомпонентов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей) на одном кристалле, который получил название интегральная микросхема, или на одной подложке при производстве гибридных микросхем. Способ создания этих новых твердотельных устройств получил название – микроэлектроника.

Современный кристалл интегральной микросхемы размером в несколько квадратных сантиметров и массой в несколько миллиграммов обладает значительно большей вычислительной производительностью, чем первые ЭВМ на вакуумных электронных лампах с массой в десятки тонн.

Микроэлектроника создает малогабаритные твердотельные приборы, способ организации электронных процессов в которых позволяет за очень короткие промежутки времени обрабатывать в малы объёмах твёрдого тела большие объемы информации. Идеальной задачей микроэлектроники является создание твердотельных приборов, сочетающих совершенство организа–ции мозга человека с быстродействием изделий интегральной электроники.

Современная технология производства изделий интегральной электроники основана на двух основополагающих принципах:

последовательном формировании тонких слоёв или плёнок при определённых режимах и создании топологических рисунков с помощью процессов литографии.

Основная тенденция развития и совершенствования изделий интегральной электроники, устойчиво сохраняющаяся уже почти 60 лет – постоянное увеличение в несколько раз из года в год степени интеграции.

Перспективность этой тенденции обусловлена тем, что при отлаженном производстве стоимость изделий практически не зависит от их сложности и определяется в основном производительностью оборудования. Повышение степени интеграции реализуется как за счет уменьшения размеров элементов и компонентов, так и за счет увеличения размера кристалла микросхемы. Оба эти способа успешно реализуются на практике.

Кремний на протяжении 60 лет был основным материалом, раскрывшим потенциал твердотельной интегральной электроники, и он, на настоящее время, остаётся практически единственным материалом, являющимся основой планарной технологии, несмотря на многообразие созданных новых материалов с полупроводниковыми свойствами.

Среди полупроводников у кремния есть единственный серьёзный соперник – арсенид галлия. Обладая более высокой подвижностью носителей, GaAs позволяет достичь в 5 раз более высоких пределов быстродействия. Арсенид галлия открывает путь к эффективной внутрисхемной изоляции, и как следствие – к более низкой мощности рассеяния, чем у кремния. Кремний не позволяет реализовать излучающие диоды с высокой эффективностью излучения, он обеспечивает фотоприёмными системами весь видимый и близкий ИК–диапазоны.

Наконец, существует ещё два сильных фактора: доступность материала и его безвредность для человека. Кремний полностью удовлетворяет обоим критериям. Приведём данные распространённости в земной коре наиболее часто используемых материалов микроэлектроники: Si – 26,0%, Al – 7,45%, C – 0,35%, P – 0,12%, Gd – 7,5·10–4 %, As – 5·10–4%, Ge – 4·10–4%, Ga – 1·10– 4%.

Итак, сегодня монокристаллический кремний – основа активных элементов изделий интегральной электроники, поликристаллический кремний – основа токоведущих дорожек (межсоединений) и резистивных слоев, диоксид и нитрид кремния – хорошие диэлектрики, а также материалы для оптических волноводов в изделиях опто– и квантовой электроники.

Кремний используется для чувствительных датчиков разного функционального назначения.

Кремний и углерод находятся в 4 группе Периодической системы химических элементов. Углерод служит основой жизни биосистем, а кремний основой “жизни” кристаллических информационных систем. Таким образом мыслящие C–системы дополняют себя быстродействующими Si– системами.

Роль микроэлектроники в современной науке и технике трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором научно– технического прогресса. Спектр ее задач простирается от фундаментальных исследований до прикладного использования. Микроэлектроника влияет на все народное хозяйство, но не непосредственно, а через целый ряд специфических отраслей, таких как вычислительная техника, информационно–измерительные системы, робототехника, микропроцессоры.

Микроэлектроника, очередной исторически обусловленный этап развития электроники и одно из ее основных направлений, обеспечивает принципиально новые пути решения назревших задач.

Первым стартовым шагом к микроэлектронике, несомненно, был переход от электронных вакуумных ламп, в которых применялся принцип управления электронными потоками в вакууме, к твердотельным приборам, где использовалось управление движением подвижных носителей в полупроводнике. Этот шаг был сделан в лаборатории Bell Telephone Laboratories в 1948 г. и заключался в изобретении транзистора.

Первые транзисторы были точечными и, в дополнение к указанным выше недостаткам, обладали высоким уровнем шумов. Материалом для их изготовления был германий. Переход от точечных транзисторов к плоскостным по времени совпал с переходом от германия к кремнию и был осуществлен в 1953 г. на фирме Texas Instrument Incorporation. Кремниевый транзистор с диффузионными p–n–переходами позволил увеличить мощность транзистора. Позднее процесс изготовления транзистора, основанный на диффузии, позволил наладить групповое производство транзисторов, что немедленно сказалось на уменьшении стоимости этих приборов. В 1956г. трем американским ученым, Шокли, Бардину и Браттейну, была присуждена Нобелевская премия по физике за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта. К этому времени уже стало ясно, что во многих отраслях применение транзисторов сильно потеснит или даже заменит электронную лампу.

Второй, решающий шаг – появление интегральных микросхем.

Миниатюризация и повышение надежности транзисторных устройств явились большим шагом вперед на пути совершенствования изделии электронной техники. Но вот в 1959 г. Дж. Килби и Р. Ноис независимо друг от друга подали заявки на изобретения, согласно которым на одном кристалле кремния строилась целая электронная микросхема. Первая интегральная (биполярная) микросхема была изготовлена в 1961 г. на фирме Fairchild Semiconductor и представляла собой триггер, состоящий из четырех биполярных транзисторов и двух резисторов. Уже в 1963 г. фирмой RCA была выпущена первая МОП интегральная логическая микросхема, в которой было 16 МОП–транзисторов. Быстрому распространению интегральных микросхем способствовала хорошо отработанная технологическая база при групповом производстве транзисторов.

Таким образом, создание интегральных микросхем привело не только к техническому развитию электронных устройств в направлении их миниатюризации и уменьшения веса, но и явилось началом тех больших социальных изменении, которые обусловлены современной революцией в микроэлектронике. Так, появление электронных наручных часов произвело переворот в структуре часовой промышленности. Наручные часы из продукции точного машиностроения перешли в сферу изделий электронной промышленности. Предприятия, которые в недалеком прошлом полностью занимались производством механических наручных часов, изменили структуру производства в пользу электронных часов.

Аналогичным образом исчезли бытовые механические арифмометры, отошли на задний план такие простейшие вычислительные устройства как счеты и логарифмические линейки. Бытовые вычислительные устройства приобрели способность вычисления функций, программирования вычислений, памяти, что побудило называть их скорее не калькуляторами, а электронно–вычислительными машинами (ЭВМ). Благодаря появлению портативных бытовых ЭВМ мы перестали пользоваться таблицами элементарных функций, такими, как таблицы квадратных корней, логарифмов, тригонометрических функций. Таким образом, микроэлектроника в определенном смысле способствует и изменению нашего культурного уровня.

Сильное влияние оказали ИМС на большие ЭВМ и промышленную электронную аппаратуру. На начальном этапе, когда технология сборки и изготовления ИМС была еще несовершенной, интеграция не приводила к значительному улучшению характеристик изделий, изготовленных по этой технологии. Например, быстродействие ИМС уменьшилось в результате интеграции. Однако по мере повышения быстродействия ИМС длительность задержки сигнала во многих случаях стала определяться не столько самими изделиями, сколько их монтажом. Время задержки в монтажных проводах или межсоединениях складывается из времени распространения по ним со скоростью света электрического сигнала и времени на заряд и разряд паразитных емкостей проводов, достигающих существенных значений.

Вторая составляющая оказывает наибольшее воздействие на время задержки сигнала в электронной схемой. Таким образом, для повышения быстродействия ИМС необходима их миниатюризация и интеграция. Этот факт в корне изменил отношение к ИМС и способствовал совершенствованию технологии их изготовления.

усовершенствование уже сложившихся принципов создания ИМС, на улучшение их электрических и эксплуатационных характеристик. Работы ведутся, главным образом, в направлении повышения быстродействия микросхем (уменьшения энергии, расходуемой внешним источником на одно переключение логического устройства) и их степени интеграции. Решение этих проблем связывают с усовершенствованием технологии получения микроэлектронных структур минимально возможных размеров.

Современная микроэлектроника получила необычайно быстрое развитие благодаря разработке и широкому при–менению сверхбольших интегральных схем (так называемых СБИС). Электронные изделия, выполненные на СБИС, обладают широкими функциональными возможностями, имеют крайне малые габариты, высокую надежность и низкую стоимость.

Дальнейшее развитие микроэлектроники связано с принципиально новым подходом, позволяющим реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя различные физические эффекты в твердом теле. Функциональная электроника охватывает вопросы получения континуальных (непрерывных) комбинированных сред с заданными свойствами и создания различных электронных устройств методом физической интеграции, т. е. использования таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить компоненты со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением (в отличие от технологической интеграции – конструирования ИМС на основе функционально простых элементов типа транзисторов, диодов, резисторов и т.д.).

Такое направление получило название "функциональная микроэлектроника". Используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника), (магнетоэлектроника), электрические неоднородности в однородных полупроводниках, явление холодной эмиссии в пленочных структурах, явления живой природы на молекулярном уровне (бионика, биоэлектроника, нейристорная электроника) и др.

Глава 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

1.1.Основные материалы изделий интегральной электроники За сравнительно короткий исторический отрезок времени (первый транзистор был изготовлен в 1948 году, первая интегральная микросхема – в 1958 году) твердотельная интегральная электроника стала ведущим направлением, определяющим прогресс в развитии радиоэлектронных средств и устройств вычислительной техники.

Интегральная электроника (микроэлектроника) – это новое научнотехническое направление твердотельной электроники, которое посредством технологических (физических, химических и схемотехнических) методов и приёмов решает проблему создания высоконадёжных микроминиатюрных электронных устройств.

В качестве основных конструкционных материалов в интегральной электронике используются полупроводники, металлы и диэлектрики.

Исторически различия между металлами, полупроводниками и диэлектриками связывалось с особенностями электропроводности этих тел. К металлам относили вещества, имеющие удельную проводимость, измеряемую величинами порядка 104 (Ом·см) –1. Вещества, имеющие удельную проводимость в пределах 10–7 (Ом·см) –1 и меньшую, относили к диэлектрикам. Все материалы, которые имели удельную проводимость в пределах 104 10–7 (Ом·см) –1, считались полупроводниками. С физической точки зрения такое определение не является достаточно точным. Например, с помощью введения примесей можно увеличить электропроводимость полупроводников на несколько порядков, сделав её по величине соизмеримой с проводимостью металлов, но при этом они не станут металлами. От металлов полупроводники отличаются не величиной, а характером зависимости удельной электрической проводимости, прежде всего, от температуры. В природе существует два типа полупроводниковых веществ: ионные полупроводники и электронные полупроводники. При производстве изделий интегральной электроники, в основном, используются электронные полупроводники.

распространения в технике, так как при прохождении через них электрического тока имеет место перенос массы и изменяется их состав, структура и форма.

К электронным полупроводникам относятся огромное количество самых различных веществ. Так как в этих веществах ток переносится электронами, то при прохождении не происходит переноса вещества и приборы могут эксплуатироваться длительное время. К числу этих полупроводников относятся 13 простых веществ: бор B, углерод C, кремний Si, фосфор P, сера S, германий Ge, мышьяк As, серое олово Sn, сурьма Sb, висмут Bi, селен Se, теллур Te, йод J. К ним относятся и ряд бинарных соединений типа AXBVIII-X, где A – элемент группы X, а B – элемент группы VIII-X (рис. 1.1). Такие соединения как AgCl, CuBr, KBr, LiF и др. типа AIBVII ещё не нашли широкого применения.

Рис. 1.1. Схема образования двухкомпонентных полупроводников В настоящее время используются соединения типа AIIBVI, среди которых в первую очередь CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, ZnSe, HgTe, HgSe. Их свойства сейчас достаточно хорошо изучены.

Наряду с сульфатами, теллуридами и селенидами очень перспективными материалами являются антимониды, арсениды, фосфиды, нитриды алюминия, галлия, индия, бора, относящиеся к типу AIIIBV. Эти элементы уже сегодня являются одними из важнейших полупроводниковых материалов.

Полупроводниковыми свойствами обладают SiC и SiGe, относящиеся к типу AIVBIV. Полупроводниковые свойства обнаружены у соединений типа AIVBVI, среди которых PbS, PbSe, PbTe, а также соединений типа AIBVI, среди которых CuS, CuO, Cu2O и др.

Перспективными представляются сложные соединения и твердые растворы, среди которых AXB1VIII-XB2VIII-X; A1XA2XBVIII-X; A1XA2XB1VIII-XB2VIII-X, например, GaAsP, JnGaSb, ZnCdSeTe. Кроме этих соединений полупроводниковыми свойствами обладает большое количество более сложных соединений. Наряду с неорганическими материалами к полупроводникам относятся и органические материалы, такие как антрацен, фталоцианин, коронен и целый рад других, которые находят использование в изделиях наноэлектроники.

В науке и технике ведётся целенаправленный поиск материалов, обладающих новыми свойствами. В последние годы учёными интенсивно изучались структура и свойства таких материалов как серое олово, теллурид ртути, сплав висмута с сурьмой. Наиболее интересные свойства серого олова и теллурида ртути – это отсутствие запрещённой зоны. Эти материалы относят к бесщелевым полупроводникам. Запрещённая зона в них отсутствует при любых воздействиях, не меняющих симметрию кристаллической решётки: нагрев и охлаждение в определенном температурном интервале, всестороннее сжатие, введение примесей. Сплавы висмута с сурьмой, наоборот, приобретают новые свойства при различных внешних воздействиях. Так, например, под действием всестороннего сжатия, магнитного поля, при изменении стехиометрического состава этот материал может перейти в состояние, не имеющее запрещённой зоны. В некоторых сплавах системы висмут-сурьма под действием мощного магнитного поля образуются экситонные фазы, которые представляют собой электроны и дырки, объединенные в устойчивые комплексы, напоминающие атомы водорода и обладающие исключительно интересными свойствами. Эти свойства сейчас интенсивно изучаются с целью практического использования.

1.2.Фазовые диаграммы и твердые растворы термодинамической системы при различных значениях параметров (температуры Т, давления Р, концентрации компонентов xi, мольного объёма V и др.) называется диаграммой состояния. Диаграмма состояния даёт информацию о фазовом составе системы в зависимости от параметров.

Равновесные состояния физически однородной системы и совершаемые ею равновесные процессы можно изображать графически соответственно точками и кривыми на плоскости с прямоугольными декартовыми координатами, вдоль осей которых откладываются параметры состояния системы, или однозначно связанные с ними функции состояния. Наиболее распространённые диаграммы xi – Т, где i – конкретный компонент (для двойных диаграмм А и В, для тройных А, В, С и т. д.), V – P, S – T, S – H (первый символ – ось абсцисс, второй – ось ординат).

Фазовые диаграммы состояний являются неотъемлемой частью любого анализа свойств материалов в тех случаях, когда речь идет о взаимодействии различных материалов. Особенно фазовые диаграммы состояния важны в интегральной электронике, т.к. для изготовления функциональных слоев на кристаллах микросхем, монтаже кристаллов в корпуса, присоединении выводов приходится использовать большой набор различных материалов.

Учитывая тот факт, что в производстве изделий интегральной электроники в тесном контакте с различными металлами находится кремний, особое внимание необходимо уделять фазовым диаграммам, в которых в качестве одного из компонентов фигурирует именно кремний.

Однако прежде, чем приступить к рассмотрению фазовых диаграмм состояния рассмотрим отдельные положения термодинамики.

1.2.1. Функции состояний. Функцией состояния называется такая физическая характеристика системы, изменение которой при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от вида термодинамического процесса, соответствующего этому переходу, а полностью определяется значениями параметров начального и конечного состояний.

Приведем важнейшие функции состояний:

Внутренняя энергия E. Внутренней энергией E называется энергия системы, зависящая только от её термодинамического состояния E = W- (Wk +WП ), Здесь W – полная энергия системы; Wk – кинетическая энергия макроскопического движения системы; WП – потенциальная энергия, связанная с действием на систему внешних силовых полей.

Первый закон термодинамики выражается соотношением: Q = E+A, здесь Q – количество теплоты, сообщенное системе, расходуемое на изменение её внутренней энергии E и на совершение системой работы A против внешних сил.

Второй закон термодинамики формулируется следующим образом: а) невоможен процесс, единственным результатом которого является совершение работы А, эквивалентной количеству теплоты Q, полученной от нагревателя; или б) невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты Q от холодного тела к горячему.

Энтропия S. Энтропией называется функция S состояния системы, дифференциал которой в элементарном обратимом процессе равен отношению бесконечно малого количества теплоты, сообщённого системе, к абсолютной температуре системы: dS = Q/Т. Для изолированной системы, находящейся в равновесии, энтропия S должна быть минимальной Smin = Q/Т.

Для неизолированной системы при постоянной температуре (изотермический процесс) S Q/Т.

Напомним, что свободная энергия Гельмгольца (F): F = E – TS; F – свободная энергия Гельмгольца, или изохорно-изотермический потенциал.

Свободная энергия Гиббса (G): G = F + PV = E – TS; G – свободная энергия Гиббса, или избарно-изотермический потенциал.

Энтальпия H (теплосодержание, тепловая функция) – это функция состояния термодинамической системы, равная сумме её внутренней энергии и произведения давления на объём системы: H = E + PV.

Изобарно-изотерический потенциал или свободную энергию Гиббса G можно представить с использованием энтальпии H: G = F + PV = E – TS =H – TS.

1.2.2.Однофазовая диаграмма состояния (диаграмма равновесия, фазовая диаграмма). Любая термодинамическая система может в зависимости от условий находится в 4-х агрегатных состояниях или фазах:

газ, плазма, жидкость, твёрдое тело. В термодинамике обычно плазму не выделяют в отдельное агрегатное состояние, ее относят к газообразному состоянию и рассматривают три основные агрегатные состояния – газообразное, жидкое и твердое. Однофазовые диаграммы состояний – это графики, на которых в зависимости от давления, объема и температуры изображают фазовые состояния только одного материала. Обычно не принято рисовать трехмерный график на двухмерной плоскости. Такой график изображают в виде его проекции на плоскость температура–давление.

Пример однофазной диаграммы состояний приведен на рис. 1.2. На диаграмме четко разграничены области, в которых материал может существовать только в одном агрегатном (фазовом) состоянии – как твердое тело, жидкость или газ. Вдоль разграничительных линий вещество может иметь два агрегатных состояния (две фазы), находящихся в равновесии друг с другом. Возможна любая из комбинаций агрегатных состояний: твердое тело–жидкость, твердое тело–газ, жидкость–газ.

Рис. 1.2. Однофазная диаграмма состояний(диаграмма равновесия, фазовая В точке пересечения линий диаграммы, так называемой тройной точке (точка О на рисунке), могут одновременно существовать все три фазы.

Причем это возможно при одной-единственной температуре, поэтому тройная точка служит хорошей точкой отсчета температур. Обычно в качестве одной из точек отсчета выступает тройная точка воды (например, в прецизионных измерениях с использованием термопар, где спай термопары контактирует с системой лед – вода – пар).

O – равновесие трёх фаз, тройная точка; ОК – кривая испарения; OB – кривая плавления; А, K, B – критические точки, в точке К исчезает различие агрегатных состояний газ – жидкость (G – L); в точке В – агрегатных состояний жидкость – твердое тело (L – S); в точке А – агрегатных состояний твердое тело – газ (S – G) Полиморфные превращения, например, алмаз – графит усложняют фазовую диаграмму. Еще более сложная фазовая диаграмма у диоксида кремния SiO2, у которого может быть 11 полиморфных превращений в температурном интервале, в котором происходит синтез изделий интегральной электроники. Необходимо отметить, что при полиморфных превращениях изменяется не только тип кристаллической решётки, но и мольный объём V. Особенности этих процессов будут рассмотрены в следующем разделе.

1.2.3. Фазовые переходы. Фазовые переходы – это переходы из одного фазового состояния в другое при изменении параметров системы.

Полиморфные превращения также относятся к фазовым переходам. Общая классификация фазовых переходов, была предложена в 1933 г. Эренфестом.

Согласно этой классификации фазовые переходы подразделяются на переходы (превращения) первого и второго родов.

Фазовые переходы первого рода (испарение, конденсация, плавление, кристаллизация, переходы из одной кристаллической модификации в другую рис.1.3.

Рис. 1.3. Фазовые переходы первого рода в координатах:

давление – температура (Р–Т) и энтальпия – температура (Н–Т) Напомним, что кристаллическое состояние вещества классифицируется по семи сингониям (триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная или ромбоэдрическая, гексагональная, кубическая) при этом расположение атомов в этих сингониях характеризуется 14 типами решеток (решетки Браве). Степень упаковки атомов в этих семи сингониях и решетках различна, различны и объемы f, занимаемые атомами, в этих сингониях и решетках. Например, для простой кубической решетки занимаемый атомами объем f составляет f = 0,52; объемно центрированной кубической – f = 0,68; гранецентрированной кубической – f = 0,74;

гексагональной с плотной упаковкой – f = 0,74.

Из этих данных следует очень важный вывод, при фазовых переходах (превращениях с изменением типа кристаллической решетки) происходит изменение объема и следовательно физико-химических свойств материалов.

Изменения объема при фазовых переходах приводят к возникновению остаточных напряжений в материале, что служит причиной нежелательных деформаций, приводящих к короблению материала, а в отдельных случаях и к его разрушению.

Термодинамический (химический) потенциал µ – функция состояния, определяющая изменение термодинамических потенциалов при изменении числа частиц в системе. Другими словами µ – есть функция, которая определяет направление и предел самопроизвольного перехода компонента из одной фазы в другую при соответствующих превращениях и условиях, определяемых параметрами T, P, V, S, хi.

Термодинамические потенциалы связаны с друг другом соотношением:

где µ уд – количество вещества в граммах; µ моль – количества вещества в молях; М – молекулярный вес соответствующего вещества.

Для теории твердых растворов, которые широко используются при создании изделий интегральной электроники, особенно изделий опто- и квантовой электроники огромное значение имеет развитый Гиббсом метод термодинамических или химических потенциалов. Химическое равновесие можно определить с помощью метода термодинамических или химических потенциалов.

Термодинамический (химический) потенциал µ характеризуется энергией, приходящейся на 1 атом:

где G – энергия Гиббса; No – число Авогадро, No = 6,0222 1023моль–1.

При переходах первого рода в точке перехода сосуществует две фазы:

например, и, рис.1.3. Переход осуществляется при определенной температуре Tпер.. При переходе изменяются скачком первые производные термодинамического потенциала µ по температуре и давлению: энтальпия, энтропия, объем, а следовательно и плотность.

здесь S – энтропия, V – объем.

Так как термодинамический потенциал µ при фазовых переходах первого рода меняется скачкообразно и определяется выражением:

то и энергия Е также должна изменяться скачком. При этом разность значений термодинамических потенциалов для первой и второй фаз определяется выражением:

а теплота перехода выражением Она равна произведению температуры на разность энтропии фаз, т.е.

имеет место скачкообразное изменение или поглощение теплоты.

Функция µ1 (Р,Т) и µ2 (Р,Т) характеризует особенности изменения термодинамического потенциала вблизи точки фазового перехода, при этом с термодинамического потенциала. Этой особенностью объясняется возможность перегрева или переохлаждения фаз в случае фазовых переходов первого рода в системе.

Определим взаимосвязи между скачками термодинамических функций S и V при фазовых переходах. После дифференцирования по температуре соотношения µ1 (Р,Т) = µ2 (Р,Т) с учетом выражения для S, V и Q получим:

Эта известная формула Клайперона-Клаузиса. Она позволяет определить изменение давлений, находящихся в равновесии фаз при изменении температуры либо изменения температуры перехода между двумя фазами при изменении давления. Скачкообразное изменение объема приводит к отсутствию определенной связи между структурой и системой фаз, преобразующихся при фазовом переходе первого рода, которые при переходе изменяются скачком.

Типичными для фазовых переходов первого рода являются переходы между агрегатными состояниями вещества, полиморфными (аллотропическими) превращениями, а также многие фазовые превращения в многокомпонентных материалах.

Принципиальное отличие фазовых переходов второго рода от фазовых переходов первого рода заключается в следующем: переходы второго рода характеризуются как непрерывностью изменения термодинамического потенциала µ, так и непрерывностью изменения его производных. При переходах второго рода первые производные свободной энергии: энтальпия, энтропия, объем, плотность изменяются монотонно, рис. 1.4.

Обе кривые на рис. 1.4 характеризуют монотонное убывание µ с температурой, определяя значение энтропии фаз S и S :

Рис. 1.4. Изменение химических потенциалов и при фазовом переходе при этом значения µ при изменении температуры убывают быстрее, чем значения µ, а в точке перехода Тпер: µ (Р,Т) = µ (Р,Т) 1.2.4. Типы диаграмм состояния двойных систем. Прежде, чем перейти к рассмотрению диаграмм состояния приведем некоторые определения. В термодинамике фаза, не путать с радиотехникой, – это совокупность частей системы, тождественных по химическому составу и термодинамическим свойствам; эти части системы находятся между собой в термодинамическом равновесии.

Гомогенная система однофазна, в ней отсутствуют внутренние границы раздела. Гетерогенная система содержит как минимум две фазы. Вода в тройной точке содержит три фазы: лед, жидкость, пар, рис.1.2. Фазы отделены друг от друга поверхностями раздела. Вещество может существовать в виде различных фаз (например, агрегатных состояний, полиморфных модификаций т. д.).

В общем виде правило фаз определяется соотношением Гиббса в виде:

где – число фаз; – число степеней свободы, т.е. число независимых способов, которыми можно изменить состояние системы, при изменении параметров системы; k – число компонентов в системе, в качестве компонентов системы могут выступать не только химические элементы, но и различные химические соединения; n– число параметров, определяющих равновесие.

Иногда используется для определения термином вариантность системы. Обычно состояние системы определяется двумя параметрами T и P.

В этом случае правило фаз определяется следующим соотношением:

при k = 2, = 0 и систему называют нонвариантной или инвариантной;

при k = 1, = 1 и систему называют моновариантной; при k = 0, = 2 и систему называют дивариантной и т.д.

Многие вещества при постоянном давлении имеют конкретную температуру плавления. При этом жидкая и твердая фазы таких веществ в определенном температурном интервале находятся в равновесии, т.е. в этом температурном интервале система является двухфазной.

Для двойных сплавов (A, B), например, таких как приведенные на рис.1.1 свободная энергия на 1 моль фазы при постоянном давлении P = const, полностью определяется температурой системы Т и свойствами ее компонентов А и В.

Зависимость молярной свободной энергии от состава можно изобразить графически, рис. 1.5. Значения свободной энергии сплава АВ составов NB(1) и NB(3) лежат на пунктирной линии S–L, зависимости свободной энергии Гиббса и или Гельмгольца G(F) от концентрации компонента В, NB, рис.

1.5(б).

Рис 1.5. Зависимость молярной свободной энергии жидкой и твердой фаз от атомных долей компонента B NB((1), NB(2), NB(3) для температур T1(а), Т2(б), Т3(в), Т4(г), и построенная на таком принципе двойная диаграмма (д) Для жидкой фазы значение свободной энергии выше, чем для твердой фазы при температуре T, при которой система находится в двухфазном состоянии независимо от концентраций NА и NВ компонентов A, B. Если система состоит из твердой и жидкой фазы в точке с концентрацией компонентов NА (2) и NB(2) свободная энергия системы может быть понижена превращением системы в твердую фазу состава NB(1) при понижении температуры или жидкую фазу состава NВ(3) при повышении температуры, рис. 1.5 (б).

Для жидкой фазы сплава АВ ниже температур плавления соответственно компонентов А и В при одинаковом соотношении компонентов значение свободной энергии выше, чем для твердой фазы при всех температурах. На рис.1.5(а) приведены значения свободной энергии G(F) при температуре плавления компонента А G(F)А и их зависимости при увеличении концентрации NB компонента В.

Двойная диаграмма состояния рис.1.5(д) показывает, что при температуре выше T1 сплавы всех составов будут представлять собой равновесную жидкую фазу, обозначаемую буквой L. Сплав NВ(3) при температуре T2 находится только в жидком состоянии, при T3 – только в твердом состоянии. В промежутке от T2 до T3 сплав АВ с концентрацией NB(2) будет находиться в обоих состояниях (фазах): жидкость + твердое тело.

Большинство веществ и химических элементов при постоянном давлении имеют определенную температуру плавления, рис.1.5(а). В точке плавления конкретного вещества (химического элемента, на рисунке компонента А) значения свободной энергии G(F)А для твердой и жидкой фаз одинаковы. Концентрация компонента А (рис. 1.5) в точке А – 100%, NА =100%, а концентрация компонента В, NВ = 0%), концентрация компонента В в точке В – 100%, NВ =100%, а концентрация компонента А, NА = 0%), При этом в зависимости от концентраций элементов А и В в сплаве AB с концентрациями по мере увеличения компонента В: NB((1), NB(2), NB(3)) жидкая и твердая фаза таких веществ в определенном температурном интервале будут находиться в равновесии (между точками S и L для конкретных температур Т1, Т2, Т3, Т4, n – соответственно 1, 2, 3, 4 т. д.), рис.

1.5(б, в, г, д).

Твердые растворы двойных сплавов AB могут иметь в зависимости от конкретных компонентов и их концентрации разные кристаллические решетки, т.е. разные фазы, так при одинаковой 50% концентрации компонентов A и B решетка сплава АВ может быть, например, гексагональной, а при составе компонентов, соответствующих формуле A3B – кубической и т. д.

Рис. 1.6. Равновесная диаграмма состояния при неограниченной растворимости компонентов А и В в жидком и твердом состояниях:

L + –область, в которой в равновесии находятся жидкая фаза L и твердая фаза S в виде твердого раствора модификации Термодинамический потенциал или свободная энергия Гиббса дается соотношением при стремлении произведения PV 0, соотношение приобретает вид F = E TS, которое известно, как соотношение для свободной энергии Гельмгольца, F – свободная энергия Гельмгольца.

Кривые свободной энергии для жидких и твердых растворов в системе с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии. На рис. 1.5 показано равновесие жидкой и твердой фаз при температурах T1, T2, T3, T4. В результате может быть построена равновесная диаграмма состояния, соответствующая кривым свободной энергии при температурах T1, T2, T3, T4, и т. д., т. е. при изменениях температуры от температуры плавления ТА компонента А до температуры плавления ТВ компонента В. Типичная диаграмма состояния при неограниченном растворении компонентов как в жидком, так и в твердом состояниях показана на рис.1.6. Составы твердой и жидкой фаз находящихся в равновесии друг с другом, определяются точками касания общей касательной к обеим кривым свободной энергии, рис. 1.5 (б, в, г). Если использовать свободную энергию Гельмгольца, то условие равновесия имеет вид в точке X:

При температуре TА для компонента A твердая и жидкая фаза имеют одно и то же значение свободной энергии Гиббса (Гельмгольца) G(F)А, рис 1.6, а при температуре TВ для компонента B твердая и жидкая фаза будут иметь также одно и то же, но другое по величине, значение свободной энергии G(F)В Состав твердой и жидкой фаз, находящихся в равновесии друг с другом при различных температурах, можно нанести на диаграмму в координатах температура – состав. При таком построении получается фазовая, или равновесная, диаграмма состояния, которая обобщает все сведения, вытекающие из проведенного анализа кривых свободной энергии. На рис.1. эти построения показаны для температур Т3 и Т4 и конкретных составов сплавов от NB((1) до NB(2) и от NB(3) до NB((4), которые, как это принято в материаловедении обозначены соответственно, как от p до q и от р2 до q2.

При температурах выше кривой TА N TВ, называемой кривой ликвидуса, сплавы различного состава находятся только в жидком состоянии.

При температурах ниже кривой TА P TВ, называемой кривой солидуса, все сплавы находятся только в твердом состоянии и представляют собой твердые растворы, на данной диаграмме модификации.

В области между кривыми TА N TВ и TА P TВ система представляет собой смесь жидкой и твердой фаз, находящихся в равновесии друг с другом. В этой области система характеризуется одной термодинамической степенью свободы. В областях выше кривой TА N TВ и ниже кривой TА P TВ система характеризуется двумя термодинамическими степенями свободы.

Компоненты A и B могут иметь различные кристаллические решетки, и, естественно, различные физико-химические свойства. Такие компоненты неограниченно растворяются друг в друге в жидком состоянии и ограничено в твердом.

На рис.1.7 приведены кривые свободной энергии при температурах T для двух тиров систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Как видно для случая а) минимум для кривой свободной:

Рис. 1.7. Кривые свободной энергии при температурах T1 для систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии:

а) минимум для кривой свободной энергии жидкой фазы находится между минимумами свободной энергии для твердых фаз A и B; б) интервалы для минимумов свободной энергии в твердом и жидком состояниях не Энергия Гельмгольца жидкой фазы находится между минимумами свободной энергии для твердых фаз A и B. Для случая б) интервалы для минимумов свободной энергии в твердом и жидком состояниях не совпадают.

В результате построения свободных энергий для различных температур для случая а) получим равновесную диаграмму состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии эвтектического типа, рис 1.8. А для случая б) получим равновесную диаграмму состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии перитектического типа, рис 1.9.

Рис. 1.8. Равновесная диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии эвтектического типа Сплав состава точки E называют эвтектическим. Жидкость этого состава кристаллизуется при эвтектической температуре TE, образуя смесь кристаллов двух твердых растворов составов p2 и t2. Отношение весовых количеств этих твердых фаз измеряется отношением отрезков e t2 p2 e.на оси А – В.

Для диаграмм перитектического типа, в которых минимум для свободной энергии жидкой фазы находится за пределами интервала для минимумов свободной энергии для твердых фаз имеется особая температура Tp, при которой в равновесии находятся три фазы: жидкая, состава p0 и твердые растворы - и -состава p2 и t2 соответственно.

Рис.1.9. Равновесная диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии перитектического типа Точку Р называют перитектикой. Значение этой диаграммы состояния заключается в том, что при температуре Tp жидкость состава p0 реагирует с кристаллами -твердого раствора состава p2, в результате чего образуются кристаллы -твердого раствора состава t2.

В равновесных условиях температура остается постоянной и равной Tp до тех пор, пока не закончится перитектическая реакция; такая система является нонвариантной (три фазы находятся в равновесии и нет степеней свободы).

Рассмотрим двойные диаграммы состояния (диаграммы состояния двойных систем) представляют состояния систем с двумя компонентами. На таких диаграммах по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – процентное соотношение компонентов смеси (обычно это или процент от общей массы (вес. %), или процент от общего числа атомов (ат. %)).

Давление обычно полагается равным 1 атм. Если рассматривается жидкая и твердая фазы, измерением объема пренебрегают. На рис. 1.10. представлена типичная двухфазная диаграмма состояний эвтектического типа для компонентов A и B с использованием весового или атомного процента.

Рис. 1.10. Двухфазная диаграмма состояний эвтектического типа Буквой обозначена фаза вещества A с растворенным веществом B, означает фазу вещества B с растворенным в нем веществом A, а + означает смесь этих фаз. Буква L (от liquid – жидкий) означает жидкую фазу, а L+ и L+ означают жидкую фазу плюс твердую фазу или соответственно. Линии, разделяющие фазы, т. е. линии, на которых могут существовать различные фазы вещества, имеют следующие названия:

солидус – линия, на которой одновременно существуют фазы или с фазами L+ и L+ соответственно; сольвус – линия, на которой одновременно сосуществуют фазы и + или и +, и ликвидус – линия, на которой одновременно существует фаза L с фазой L+ или L+.

Точка пересечения двух линий ликвидуса часто является точкой наименьшей температуры плавления для всех возможных комбинаций веществ A и B и называется эвтектической точкой. Смесь с соотношением компонентов в эвтектической точке называется эвтектической смесью (или просто эвтектикой).

Целесообразно будет рассмотреть, как происходит переход смеси из жидкого состояния (расплава) в твердое и как фазовая диаграмма помогает предсказать равновесную композицию всех фаз, существующих при данной температуре. Обратимся к рис. 1.11.

Рис. 1.11. Двухфазная диаграмма состояний, на которой показаны процессы Предположим, что вначале смесь имела состав CM при температуре T1, при температуре от T1 до T2 существует жидкая фаза, а при температуре T одновременно существуют фазы L и. Состав присутствующей фазы L есть CМ, состав фазы есть C 1. При дальнейшем снижении температуры до T состав жидкой фазы меняется вдоль кривой ликвидуса, а состав фазы – вдоль кривой солидуса до пересечения с изотермой (горизонтальной линией) T3. Теперь состав фазы L будет CL, а состав твердой фазы – C 2. Следует отметить, что состав C 2. будет иметь не только вещество, состава CL перешедшее в фазу при температуре T3, но и все вещество, перешедшее в фазу при более высокой температуре. Это выравнивание составов должно произойти путем твердотельной диффузии компонента A в образовавшеюся фазу, так что к моменту достижения температуры T3 все вещество, находящееся в фазе, будет иметь состав C 2.

Дальнейшее снижение температуры приводит нас в эвтектическую точку. В ней фазы и существуют одновременно с жидкой фазой L. При более низких температурах существуют только фазы и. Образуется смесь фаз и состава CE с агрегатами с начальным составом C 3. Затем, выдерживая эту смесь длительное время при температуре ниже эвтектической, можно получить твердое тело. Образовавшееся твердое тело будет состоять из двух фаз и. Состав каждой из фаз можно определить в точке пересечения изотермы с соответствующей линией сольвуса.

Только что было показано, как определить состав каждой из присутствующих фаз. Теперь рассмотрим задачу определения количества вещества в каждой фазе. Во избежание путаницы на рис. 1.12 еще раз приводится простая двухфазная диаграмма. Предположим, что при температуре T1 состав расплава есть CM (имеется в виду компонент B), тогда при T2 фаза L имеет состав CL, а фаза будет иметь состав CS. Пусть ML – масса вещества, находящегося в жидком состоянии, а MS – масса вещества, находящегося в твердом состоянии. Условие сохранения суммарной массы приводит к следующему уравнению В этом уравнении нашел отражение тот факт, что общая масса вещества при температуре T1, умноженная на процент компонента B, – есть общая масса вещества B. Она равна сумме масс вещества B, существующего в жидкой и в твердой фазах при температуре T2. Решая это уравнение, получаем

MS CM CL L

ML CS CM S

Это выражение известно как “правило уровня”. С помощью этого правила, зная начальный состав расплава и общую его массу, можно определить массы обеих фаз и количество компонента B в любой фазе для любого участка двухфазной диаграммы. Точно так же можно вычислить и и количество компонента А в любой фазе для любого участка двухфазной диаграммы.

На рис. 1.13. приведен еще одни пример отвердения расплава. Снижение температуры от T1 до T2 приводит к смешиванию фаз L и с составом соответственно CM и C. По мере дальнейшего охлаждения состав L меняется вдоль линии ликвидуса, а состав – вдоль линии солидуса, как было описано ранее. При достижении температуры T3 состав станет равным CМ, и, как следует из правила уровня, при температуре, меньшей T3, жидкая фаза существовать не может. При температуре, меньшей T4, фазы и существуют как агрегаты фаз и. Например, при температуре T5 агрегаты фазы будут иметь состав, определяемый пересечением изотермы T5 и сольвуса. Состав определяется аналогично – пересечением изотермы и сольвуса.

Рис. 1.13 Двухфазная диаграмма и процесс отвердевания количество Участки двухфазной диаграммы, называемые до сих пор и, – это участки твердой растворимости: в области растворен компонент B в компоненте A, а в области растворен компонент А в компоненте В.

Максимальные количества компонента A, которое может быть растворено в B и компонента В, которое может быть растворено в А при данной температуре, находятся в зависимости от температуры. При эвтектической или более высокой температуре может иметь место быстрое сплавливание A и B. Если полученный при этом сплав резко охладить, то атомы A могут быть захвачены в решетку компонента B. Но если твердая растворимость при комнатной температуре намного ниже (это говорит о том, что при этой температуре рассматриваемый подход не слишком пригоден), то в сплаве могут возникнуть большие остаточные напряжения, существенно влияющие на его свойства (при наличии значительных остаточных напряжений возникают пересыщенные твердые растворы, и система не находится в равновесном состоянии, а диаграмма дает информацию только о равновесных состояниях). Иногда, такой эффект является желательным, например при упрочнении стали закалкой с получением мартенсита. Но в изделиях интегральной электроники возникновение больших по величине остаточных напряжений обычно приводит к разрушению изделий или к несоответствию заданным параметрам. Поэтому легирование, т. е. внесение добавок в кремний во время диффузии, проводится при повышенных температурах с таким расчетом, чтобы предупредить повреждение поверхности из-за избыточного сплавления. Если же количество легирующей примеси в подложке окажется выше предела твердой растворимости при любой температуре, то выделяется вторая фаза, что приводит к нежелательным деформациям изделий.

1.4. Основные двойные диаграммы состояния широко используемых материалов в изделиях интегральной электроники Существует большое количество веществ, которые неограниченно растворяются друг в друге как в жидком, так и в твердом состояниях.

Примером может служить система их двух таких важных для интегральной электроники веществ, как кремний и германий. Система кремний – германий показана на рис. 1.14.

Диаграмму с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях часто называют изоморфной. Для того чтобы два элемента считались изоморфными, они должны подчиняться правилам Юма – Розери, т.е. иметь различие в значениях атомных радиусов не превышающее 15%, одинаковую валентность, одинаковую кристаллическую электроотрицательность (электроотрицательность атома характеризуется способностью захватывать электроны при ковалентном типе химической связи или притягивать их, например, при металлическом типе связи).

Примерами могут быть системы Si – Ge, Cu – Ni, Au – Pt и Ag – Pd, которые характеризуются неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состоянии, соответствуют правилам Юма – Розери и, следовательно, являются изоморфными.

Система Pb – Sn служит хорошим примером простой бинарной системы со значительной, хотя и ограниченной твердой растворимостью. Фазовая диаграмма состояний этой системы приведена на рис. 1.15. Точка пересечения солидуса и сольвуса называется точкой граничной растворимости, значения граничной растворимости как олова в свинце, так и свинца в олове достаточно большие. Данная система в прошлом широко использовалась при производстве изделий интегральной электроники благодаря широкому применению оловянно–свинцовых припоев, использование которых в настоящее время по экологическим соображениям резко сокращено. Из двухфазной диаграммы этой системы видно, как изменение соотношения компонентов, изменяет температуру плавления сплавов. Когда при изготовлении изделия требуется провести несколько последовательных паек, то для каждой следующей пайки применяется припой с более низкой температурой плавления. Это делается для того, чтобы не плавились пайки, сделанные раньше.

Рис. 1.15. Фазовая диаграмма состояний системы свинец – олово Для производства изделий интегральной электроники не менее важны свойства системы Au – Si, поскольку эвтектическая температура этой системы 370 С крайне мала по сравнению с температурами плавления чистого золота – 1063 С или чистого кремния – 1412 С (рис 1.16).

Растворимости золота в кремнии и кремния в золоте слишком малы, чтобы их отобразить на обычной фазовой диаграмме состояний. Из–за низкой эвтектической температуры оказывается выгодно монтировать кристаллы микросхем на или покрытые золотом подложки, держатели или платы с золотыми контактными площадками, пользуясь эвтектической реакцией Au – Si в качестве основного механизма сварки (или пайки). Для монтажа кремниевых кристаллов в корпуса также используются сплавы золота. Но в этом случае вторым компонентом является германий.

Рис. 1.16. Система золото – кремний Особое значение для производства изделий интегральной электроники имеет система Al – Si, так как подавляющее большинство токоведущих дорожек на кремниевых кристаллах интегральных микросхем выполняется из алюминия. Данная диаграмма приведена на рис.1. Данная диаграмма является эвтектической. В точке эвтектики при эвтектической температуре 577 С содержание кремния в весовых и атомных процентах составляет соответственно 11,3% и 11,7%, при этом важным является максимальная растворимость кремния в алюминии. Особенности этого процесса в увеличенном масштабе показаны в левом верхнем угле диаграммы. Эти особенности заключаются в следующем: при увеличении температуры в диапазоне от 300 С до температуры эвтектики 577 С растворимость кремния медленно увеличивается от нуля до 1,59%, 1,65% в атомных и весовых процентах соответственно. Эта особенность растворимости кремния в алюминии учитывается в производственных процессах производства изделий интегральной электроники. Так например, в процессах нанесения металлического слоя для формирования токоведущих дорожек применяются сплавы алюминия, содержащие порядка одного процента кремния,что предотвращает или сводит к минимуму процессы вертикальной диффузии компонентов на границе кремний – сплав алюминия, например, состава (Al+4,0 %Cu+1,0 – 1,5%).

Диаграмма системы Au – Al, показанная на рис. 1.18, имеет в производстве изделий интегральной электроники также важное значение, поскольку обычно золотые провода соединяются с алюминиевыми токоведущими дорожками, расположенными на поверхности кремниевого кристалла микросхемы, или наоборот алюминиевая проволока присоединяется к контактным площадкам на кристалле микросхемы, выполненным из золота. Комбинации элементов, образующих химические соединения в системе Au – Al, имеют более сложные диаграммы состояний.

Их можно разбить на несколько более простых диаграмм, каждая из которых относится к определенной паре соединений или соединений и отдельных компонентов. Например, AuAl2 образуется, если количество золота в сплаве с алюминием составляет 33 атомных процента при температуре менее 1060о (рис. 1.18). Слева от этой линии сосуществуют фаза чистого алюминия и интерметаллическими и образуются при соответствующем стехиометрическом соотношении элементов. Интерметаллические соединения характеризуются высокой температурой плавления, сложной кристаллической решеткой и, кроме того, отличаются твердостью и хрупкостью. Таким образом, фазовая диаграмма состояний Au – Al может быть разбита на две или больше диаграмм, например на диаграмму Al – AuAl2 и диаграмму AuAl2 – Au и т.д..

На диаграмме указаны несколько важных интерметаллических соединений: AuAl2, Au2Al, Au5Al2 и Au4Al. При образовании контактов в системе Au – Al могут присутствовать все эти интерметаллические соединения. Проблемы, связанные с образованием этих соединений, называют пурпурной или рыжей чумой. Эти проблемы обсуждаются в следующих главах.

Граничная растворимость большинства легирующих примесей в кремнии крайне мала и в действительности не является максимальной растворимостью. На рис. 1.19 а представлена типичная кривая солидуса для примесей в кремнии. Необходимо отметить, что растворимость растет с температурой до определенного значения, а затем убывает до нуля при температурах приближающихся к температуре плавления кремния. Такая кривая называется ретроградной кривой растворимости. Уточненная версия такой диаграммы в окрестности точки плавления кремния показана на рис.

1.19 б.

Рис. 1.19 Ретроградная растворимость кремния (а) и тпичная фазовая диаграмма в окрестности точки плавления кремния (б) Если состав расплава кремния равен CM в процентах массы растворенного вещества, то кремний будет застывать с содержанием растворенного вещества kCM, где k – коэффициент сегрегации (k=CS/CL).

Когда концентрация в твердом теле достигнет значения CM при замораживании, в то время как концентрация в жидком растворе будет равна CM/k, поскольку соотношение концентраций в жидком и твердом растрах должна быть равна k.

Рис. 1.20. Важнейшие типы диаграмм состояния бинарных систем Наклон линии солидуса, следовательно, равен а наклон ликвидуса будет Отношение наклонов ликвидуса и солидуса оказывается равным коэффициенту сегрегации k На рис. 1.20. приведены важнейшие типы диаграмм состояния по В.А.

Немилову. На этом же рисунке показано, как взаимосвязаны на примере изменений твердости, электросопротивления и температурного коэффициента сопротивления физико–химческие свойства материалов, имеющих определенные типы диаграмм состояния, с их составом и определяемым соотношением компонентов в сплавах.

Диаграммы состояния непрерывных твердых растворов (тип VI) могут иметь не только максимум, но и минимум (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Диаграмма состояния непрерывных твердых растворов с 1.6. Диаграммы состояния тройных систем В настоящее время в различных областях современной техники, в том числе и в интегральной электронике, все шире начинают использоваться различные многокомпонентные материалы, обладающие уникальными физико–химическими свойствами, механическими, электрическими, магнитными, теплофизическими и т.д. При этом наиболее изученными являются диаграммы состояния для материалов, состоящих из трех компонентов. Для построения диаграмм тройных систем A – B – C обычно используются треугольные диаграммы Гиббса (рис. 1.22). Для определения фигуративной точки Ф опускают перпендикуляры на стороны диаграммы (рис. 1.22, а). Высота перпендикуляра в долях высоты треугольника показывает концентрацию компонента, символ которого помещен в вершине треугольника. Значение свойства задается двумя способами: 1) высотой перпендикуляра (например, Е0Е5 на рис. 1.22, б) к данной точке; и 2) кривыми, отражающими на диаграмме геометрические места точек с равными свойствами (так, например, на географической карте изображаются изогипсы). На рис. 1.22, в показана диаграмма состояния системы Bi – Pb – Sn.

На рис. 1.22, б компоненты B и C образуют дистектическую диаграмму с эвтектиками Е3 и Е4. Компоненты А и В, а также А и С образуют эвтектические диаграммы с эвтектиками Е1 и Е2 и, наконец, возникают тройные эвтектики Е5 и Е6.

В случае, когда компоненты диаграммы А – В – С простые соединения, несимметричная диаграмма (рис. 1.23) никаких преимуществ перед симметричной диаграммой не имеет. Но если в качестве компонентов выступают сложные соединения, то введение несимметричной диаграммы дает существенное преимущества. На сторонах диаграммы отложено содержание каждого простого оксида в процентах. Поясним сказанное на примере системы альбит – анортит – диопсид (соответственно Ab – An – Di, на рис. 1.23). Состав альбита: Na2O–Al2O3–6SiO2; анортита: CaO– Al2O3– 2SiO2; диопсида: MgO–CaO–2SiO2.

Рис. 1.22. Симметричная тройная диаграмма состояния по Гиббсу:

а – нахождение фигуральной точки Ф; б – диаграмма состояния в трех измерениях с построением поверхности свойств; в – диаграмма состояния для системы Bi – Pb – Sn с нанесенными на ней изотермами и Таким образом, система слагается из пяти оксидов: Na2O, MgO, CaO, Al2O3, и SiO2. Химический анализ показывает содержание в системе именно простых оксидов, а не сложных соединений альбита, анортита, диопсида – компонентов тройной диаграммы. Поэтому, определив химический состав, приходится делать сложные пересчеты для нахождения фигуративной точки.

Положение значительно упрощается с использованием метода несимметричной диаграммы по Ормонту (рис. 1.23, а).

Математический анализ показал, что концентрация любого простого оксида может быть представлена эквиконцентрационными углами к сторонам диаграммы (рис. 1.23, а). Отложив на сторонах последней концентрационный масштаб и используя шаблоны, стороны которых направлены под углами, отвечающими эквиконцентрационным линиям (рис.

1.24, а), можно без всякого расчета найти по положению точки состав многокомпонентного вещества в простых оксидах. А по химическому составу можно найти и фигуративную точку (рис. 1.24, б). Для этой цели нужно знать содержание не всех (в нашем примере пять), а только некоторых (двух, для надежности трех) простых оксидов, ибо в идеальном случае все прямые должны пересечься в точке S. Можно установить надежность химического анализа и графическим путем.

Применительно к технологии производства изделий интегральной электроники такие подходы с использованием шаблонов для нахождения фигуративной точки по содержанию простых оксидов и определение содержания простых оксидов по положению фигуративной точки очень важны при разработке, например, систем для электрической изоляции компонентов и элементов микросхемы на кристалле или изоляции микросхемы от воздействия окружающей среды (пассивирующие покрытия).

Так как в производстве диэлектриков часто используются сложные составы, применение несимметричной диаграммы может облегчить работу и исследователя, и технолога. Возникает возможность непосредственно связать химический и фазовый состав с ходом температур плавления, механических, оптических, электрических и магнитных и значительно сократить количество аналитических определений при разработке технологических процессов изделий интегральной электроники.

Рис. 1.23. Несимметричная тройная диаграмма состояния для системы альбит – анортит – диопсид: a – общий вид диаграммы; б – эквиконцентрационные линии на пяти простых оксидов Рис. 1.24. Построение и применение шаблонов для нахождения фигуративной точки по содержанию простых оксидов и определение содержания простых оксидов по положению фигуративной точки: а – построение шаблонов;б – применение шаблонов для расчетных цепей.

В процессе производства методами планарной технологии интегральных микросхем (ИМС) в приповерхностном слое полупроводниковой пластины и на ее поверхности формируются активные и пассивные элементы (диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы), которые затем объединяются на отдельных участках пластины в определенного типа функциональные микросхемы пленочными проводниками (межсоединениями), получаемыми в процессах металлизации и последующего травления. Участки пластины со сформированными определенного типа функциональными интегральными микросхемами после разрезания пластины по границам этих участков будут называться кристаллами.

Для характеристики особенностей применяемых в ИМС элементов и компонентов, а также технологических процессов их изготовления используют понятие – структура ИМС. Конкретная структура ИМС определяет последовательность формирования микросхемы по нормали к поверхности кристалла, т.е. включает процессы последовательного формирования функциональных и технологических слоев из различных материалов с определенной толщиной и электрофизическими свойствами.

При производстве ИМС используют структуры диффузионно–планарные, эпитаксиально–планарные структуры ИЛ и др. на биполярных транзисторах, а также структуры на МДП–приборах, и т. д. Заданная структура ИМС позволяет определить количество и последовательность применения технологических процессов формирования активных и пассивных элементов в приповерхностных слоях и на поверхности пластины и определить технологические режимы каждого технологического процесса.

На рис. 1.25 представлен разрез участка ИМС с диффузионно– планарной структурой, включающий биполярный транзистор и диффузионный резистор. Для одновременного формирования активного и пассивного элементов необходимо, чтобы р–область резистора и изолирующая его n–область имели глубину и электрофизические свойства, одинаковые или близкие к свойствам областей соответственно базы и коллектора транзистора. Аналогичное соответствие должно обеспечиваться и для других элементов, входящих в состав ИМС. Соответствие технологических параметров всех активных и пассивных элементов и компонентов ИМС является главным признаком и непременным условием применения интегральной технологии и позволяет минимизировать число технологических операций при производстве данного изделия интегральной электроники.

Таким образом, технология изделий интегральной электроники является совокупностью технологических процессов, обеспечивающих при наличии структурного подобия (технологической совместимости) различных элементов и компонентов ИМС формировать их одновременно или последовательно в едином технологическом процессе.

Достоинством планарной технологии при производстве серий ИМС различного функционального назначения является их единая структура, а следовательно и одинаковая технологическая последовательность обработки и определенный комплект оборудования, работающий по заданной программе т. е. обеспечивающий заданные технологические режимы. Такая планарная технология называется базовой и обеспечивает экономичность и эффективность производства ИМС. Базовая технология не зависит от размеров элементов в плане, их взаимного расположения и формы токоведущих дорожек. Эти свойства конкретной ИМС определяются в процессе топологического проектирования, и обеспечиваются фотолитографией – процессом создания с помощью фоторезистов защитной фотомаски на поверхности пластины, функциональное назначение которой – обеспечить возможность избирательного травления поверхностных слоев на Рис.1.25. Разрез участка ИМС с диффузионно–планарной структурой T – Процесс топологического проектирования начинается с создания топологии микросхемы – чертежа определяющего форму, размеры и взаимное расположение элементов и токоведущих дорожек (соединений) ИМС в плоскости, параллельной плоскости кристалла. Элементы и соединения создаются путем последовательного формирования или нанесения отдельных слоев (коллекторный слой, базовый слой, металлический слой и т. д.). При этом различают общую и послойную топологию (рис.1.26 в соответствии с рис. 1.25). По топологическому чертежу базового слоя, например, может быть разработан чертеж фотошаблона, с помощью которого создают оксидную маску для избирательной диффузии примеси р–типа.

При заданном наборе элементов топология ИМС (точнее, чертеж токоведущих дорожек) определяет ее функциональные свойства. Можно представить себе кристалл, содержащий некоторый универсальный набор элементов (очевидно, с некоторой избыточностью) и сплошной слой металла, покрывающий все кристаллы на пластине. Такие кристаллы в составе общей пластины могут быть «доработаны» по желанию заказчика до конкретных функциональных ИМС в зависимости от формы токоведущих дорожек, полученной с помощью соответствующего фотошаблона.

Описанная универсальная пластина–заготовка, получившая название базового кристалла, позволяет обеспечить экономичность производства ИМС более узкого, специального применения, выпускаемых в небольших количествах.

Рис. 1.26. Участки чертежей общей топологии ИМС (а) и базового слоя (б) – дефекты, возникшие при нанесении металлического слоя; 2 – дефекты, При классификации изделий интегральной электроники кроме твердотельных интегральных микросхем (ИМС), о которых речь шла выше, различают еще гибридные и совмещенные интегральные микросхемы.

Применение твердотельных интегральных микросхем ограничено по ряду причин. Одна из них заключается в том, что производство твердотельных ИМС оказывается целесообразным лишь в крупносерийном и массовом производстве, когда становятся экономически оправданными значительные затраты на подготовку производства (главным образом на проектирование и изготовление комплекта фотошаблонов). Другая причина лежит в ряде ограничений на параметры элементов и ИМС в целом: невысокая точность диффузионных резисторов (±10%) и отсутствие возможности корректировки их сопротивления, невозможность получать конденсаторы достаточно больших емкостей, температурные ограничения, ограничения по мощности и др.

комбинированные гибридные интегральные микросхемы (ГИС).

Технологической основой ГИС являются процессы нанесения резисторов, конденсаторов, проводников и контактов в виде тонких или толстых пленок из соответствующих материалов на диэлектрическую пассивную подложку.

Транзисторы, диоды, индуктивности, а иногда и резисторы и конденсаторы, изготовленные в виде отдельных дискретных электрокомпонентов, монтируются на общей подложке, образуя ГИС (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Участок ГИС (разрез) R – тонкопленочный резистор, С – конденсатор, ПП – полупроводниковый прибор (диод, транзистор, кристалл твердотельной интегральной микросхемы) Гибридная пленочная интегральная микросхема ГИПС, наряду с пленочными элементами, полученными с помощью интегральной технологии, содержит дискретные электрокомпоненты, имеющие самостоятельное конструктивное оформление. В зависимости от метода нанесения пленочных элементов на подложку ГИС различают тонкопленочные (напыление в вакууме) и толстопленочные (трафаретная печать) ГИПС.

ГИС имеют худшие технические показатели (размеры, массу, быстродействие, надежность), чем твердотельные ИМС. В то же время они позволяют реализовать широкий класс функциональных электронных изделий, являясь при этом экономически целесообразными в условиях серийного и даже мелкосерийного производства. Экономическая обоснованность использования ГИС объясняется менее жесткими требованиями к фотошаблонам и трафаретам, с помощью которых формируют пленочные элементы, а также применением менее дорогостоящего оборудования. В составе пленочных ГИС возможно получить резисторы с точностью ±5%, конденсаторы ±10%, а с применением методов подгонки параметров – до десятых долей процента. Гибридно– пленочная технология позволяет реализовать практически любые по сложности функциональные изделия.

Стремление расширить область применения твердотельных ИМС привело к созданию другого типа комбинированных микросхем – совмещенных интегральных микросхем (рис.1.28). При их изготовлении наряду с твердотельной технологией производства ИМС используют и тонкопленочную технологию производства ГИС, обеспечивающую более качественное создание некоторых пассивных элементов, к которым предъявляются повышенные требования по точности и температурной стабильности.

Совмещенная интегральная микросхема – это комбинированное изделие интегральной электроники, в которой некоторые элементы (обычно пассивные) наносят на поверхность пластины (кристалла) методами пленочной технологии. Однако совмещенные интегральные микросхемы в отдельный класс изделий интегральной электроники не выделяются, так как планарная технология производства твердотельных интегральных микросхем включает и процессы формирования тонких пленок различного функционального назначения.

Рис. 1.28. Фрагмент совмещенной ИМС: Т транзистор (Э эмиттер, Б база, Известно, что твердотельные интегральные микросхемы по сравнению с изделиями с навесными элементами имеют лучшие технико–экономические показатели: размеры и массу, надежность, быстродействие, стоимость.

Известно также, что эти показатели улучшаются с повышением функциональной сложности ИМС, т. е. с увеличением числа элементов, полученных с помощью интегральной технологии. Для обозначения числа элементов, полученных с помощью интегральной технологии на кристалле используют термин степень интеграции. Степень интеграции – это показатель степени сложности ИМС, характеризуемой числом элементов на общем кристалле. Для характеристики степени интеграции используют показатель К = lgN, где N – число элементов ИМС. В зависимости от значения К условно различают ИМС малой степени интеграции (МИС), средней степени интеграции (СИС), большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие (СБИС).

Повышение степени интеграции ИМС является важнейшей задачей микроэлектроники, в значительной мере определяющей основные тенденции схемотехнических и конструкторско–технологических разработок. Среди факторов, ограничивающих степень интеграции, важное место занимает технологический фактор. В полупроводниковой интегральной микросхеме нельзя заменить или даже исправить дефектный элемент. При наличии хотя бы одного дефектного элемента ИМС целиком бракуется. Плотность дефектов, в свою очередь, определяется качеством технологического процесса и прежде всего процесса фотолитографии.

Качество защиты пластины оксидной пленкой, с помощью которой избирательно вводят примеси для получения р– и n–областей (рис. 1.29), зависит от ее однородности, сплошности. При наличии в слое диоксида кремния микроотверстий («проколов») примесь проникает через них, образуя в полупроводнике незапланированные легированные микро–области, которые (в зависимости от их расположения) могут вывести соответствующий активный элемент из строя.

Причинами образования «проколов» являются неоднородности в светочувствительном слое и на его поверхности (пузырьки, инородные включения, частицы пыли, и т. п.), а также дефекты фотошаблона (царапины и «проколы» на непрозрачных участках или светонепроницаемые дефекты на прозрачных участках). Элемент (а следовательно, и вся микросхема) выходит из строя при попадании дефекта в некоторую критическую зону.

Рис. 1.29. Формирование маски из диоксида кремния а –окисление поверхности пластины; б – нанесение фотослоя (1 – «прокол» в фотослое); в – экспонирование через фотошаблон (2 – непрозрачный дефект на фотошаблоне); г – проявление и образование фотомаски (3 – «проколы» в фотомаске); д – травление диоксида кремния и снятие фотомаски (4 – Например, в процессе эмиттерной диффузии примесей через проколы в окисной маске могут образоваться высоколегированные микрообласти n+– типа. Такие области, если они приходятся на граничную зону коллекторных и базовых областей, приводят к возникновению токов утечки через р–n– переход и пробою перехода (дефекты 2, см. рис. 1.29). Проколы в диоксиде кремния, образующиеся при вытравливании окон под металлические контакты, приводят на этапе нанесения металла к образованию паразитных контактов (дефекты 1, см. рис. 1.29) и к коротким замыканиям областей эмиттер – база, база – коллектор, резистор изолирующая область и т. д.

Повышение степени интеграции уменьшает процент выхода годных ИМС, если площади элементов и качество процесса фотолитографии остаются на неизменном уровне. Таким образом, повышение степени интеграции ИМС должно сопровождаться уменьшением размеров элементов и совершенствованием процесса литографии. Высокое качество фотолитографии предполагает прежде всего отсутствие в фотослое пылевидных частиц, газовых (воздушных) включений, остатков растворителя, а также высокое качество фотошаблонов (низкая плотность дефектов). В свою очередь, при изготовлении фотошаблонов также используются фотомаски, к которым предъявляются еще более жесткие требования.

Для повышения качества фотолитографических процессов в производственных помещениях создают обеспыленную атмосферу, а для производственного персонала устанавливают определенные правила производственной гигиены.

С другой стороны, повышение степени интеграции при неизменном качестве технологического процесса возможно за счет уменьшения площади, занимаемой элементами ИМС, и, следовательно, площади критических зон.

К этому же результату приводит и сокращение числа циклов фотолитографии. Этот второй путь реализуется разработкой новых типов структур либо с уменьшенной площадью, либо таких, для производства которых требуется меньшее число фотолитографических циклов обработки (либо то и другое одновременно).

Для создания устройств более узкого функционального класса могут быть использованы специальные структуры, позволяющие достичь высокой степени интеграции ИМС. Примером могут служить структуры на приборах с зарядовой связью (ПЗС), на которых могут быть построены сдвиговые регистры, запоминающие устройства и некоторые логические элементы.

Для выбранной структуры ИМС минимальные размеры элементов зависят от возможностей фотолитографического процесса, который характеризуются тремя основными параметрами: 1) минимальным размером элемента, надежно воспроизводимым на полупроводниковой пластине, которым оценивается разрешающая способность процесса; 2) предельными отклонениями размеров элементов одного топологического слоя от номинальных; 3) предельным смещением последующего топологического слоя относительно предыдущего (например, базового слоя относительно коллекторного, эмиттерного относительно базового и т. д.). Эти параметры имеют характер технологических ограничений и учитываются при определении размеров областей в плане, т. е. при топологических чертежей.

Основной тенденцией развития литографических процессов является повышение разрешающей способности этапа экспонирования рисунка.

Важнейшей причиной, ограничивающей минимальные размеры элементов при экспонировании через фотошаблон, является дифракция света.

Поэтому стремятся использовать электро–магнитное излучение с более короткими, чем световые длинами волн (электронные, рентгеновские). В связи с этим все большее развитие получают электроно– и рентгенолитография. Детально процессы литографии рассматриваются в следующих главах.

Прежде, чем рассмотреть конкретные структуры интегральных микросхем, используемых при производстве различных изделий интегральной электроники, рассмотрим кратко общую характеристику основных процессов планарной технологии производства изделий интегральной электроники.

В зависимости от структуры ИМС и конструкции корпуса общее количество операций технологического процесса изготовления изделия может достигать 300 и более. Планарная технология охватывает разнообразные по физическим принципам, технологическому оснащению и методам контроля процессы обработки, направленные на создание изделий интегральной электроники, причем характер связей между отдельными операциями во времени и пространстве также весьма различен. Таким образом, процесс производства ИМС представляет собой систему, оптимальная организация которой имеет первостепенное значение для изготовления качественных изделий. Изменения в процессе производства, связанные, например, с изменением структуры ИМС, с изменением проектной нормы, увеличением диаметра полупроводниковых пластин, увеличением процента выхода годных ИМС, изменением объема выпуска ИМС и т. д., различным образом влияют на отдельные стадии производства ИМС. При этом с учетом непрерывного прогресса микроэлектроники организация производства ИМС по предметно–замкнутому принципу не является эффективной даже в условиях массового производства.

По своему назначению и месту, занимаемому в общем процессе производства ИМС, все операции объединяются в самостоятельные (частные) технологические процессы, которые, в свою очередь, могут быть подразделены на три большие группы.

Первая группа включает заготовительные процессы, имеющие целью получение монокристаллических полупроводниковых слитков определенного типа электропроводности и заданного удельного сопротивления, резку слитков на пластины, обработку поверхностей пластин с заданной микро– и макрогеометрией, а также качеством поверхностного слоя, изготовление отдельных деталей и узлов корпуса ИМС, сборка узлов корпуса.

Вторая группа процессов – обрабатывающая – объединяет все операции, необходимые для формирования структур ИМС в групповых процессах и их контроля на функционирование. Сюда входят процессы фотолитографии, эпитаксии, окисления, термической диффузии примесей, ионной имплантации, формирования функциональных слоев (металлических, диэлектрических, полупроводниковых, изолирующих и т.д.), технохимической обработки.

В третью группу процессов, которую называют сборочно–контрольной, входят разделение пластины на отдельные кристаллы, монтаж кристаллов в корпуса, разварка выводов, герметизация, контроль и классификация, механические и климатические испытания, окраска, маркировка и упаковка.

Первая группа процессов является обеспечивающей для процессов второй и третьей групп и по своему характеру близка к приборостроительному производству. Специфичность методов обработки и оборудования этой группы, а также независимость их от конкретной структуры ИМС обычно организуется на специализированных предприятиях, связанных с предприятиями, составляющими вторую и третью группы процессов, договорами на поставку продукции.

Третья группа процессов также характеризуется специфическими методами обработки и оборудованием, но имеет более тесную связь с процессами второй группы. В большинстве случаев целесообразной формой организации процессов третьей группы является создание специализированных цехов или участков (в зависимости от масштабов производства) в пределах одного предприятия.

Наиболее полно особенности структуры ИМС и главные черты планарной технологии отражаются второй группой процессов. Несмотря на разнообразие физико–химических принципов, лежащих в основе процессов этой группы, их объединяет ряд характерных признаков, требующих концентрации этих процессов на различных участках одного предприятия.

Важнейшие из этих признаков следующие:

взаимосвязь производственных участков, обусловленная цикличностью технологического процесса (пластины многократно возвращаются на определенные участки для формирования очередного функционального слоя и для подготовки поверхности пластины или поверхности предыдущего функционального слоя к последующим технологическим операциям);

2) ограниченное время межоперационного хранения партии пластин;

3) высокие требования к производственной гигиене (1–2–й классы помещений по климатическим параметрам и 1–2–й классы по запыленности воздушной среды).

Характер и последовательность операций, составляющих процессы второй группы, полностью определяются типом структуры ИМС. Режимы обработки на отдельных операциях зависят от толщины и.

электрофизических свойств слоев и отдельных областей структуры.

1.8. Основные типы структур интегральных микросхем При сравнительной оценке различных типов структур ИМС обычно рассматривают ряд конструктивно–технологических показателей:

1) качество межэлементной изоляции, которое определяется удельной емкостью (пФ/мкм2);

2) площадь, занимаемую типичным функциональным элементом ИМС– вентилем;

3) количество циклов легирования;

4) количество циклов фотолитографии.

Среди планарных структур, в которых использованы биполярные транзисторы, исторически более ранней является диффузионно–планарная структура (см. рис. 1.30). Функции межэлементной изоляции в ней выполняют р–n–переходы, смещенные в обратном направлении и ограничивающие области отдельных активных элементов. Для получения обратно смещенного р–n–перехода в области подложки, разделяющей элементы, формируется омический контакт, связанный с наиболее низким потенциалом источника питания, а к изолирующим областям резисторов с помощью контактов подводится высокий потенциал.

монокристаллического кремния, равномерно легированную акцепторной примесью (дырочная электропроводность). После того как на заготовку нанесен слой оксида кремния SiO2, (рис. 1.6) в этом слое с использованием фотолитографии избирательно вытравливают участки прямоугольной формы, которые называют –окнами, и через эти окна путем термической диффузии вводят атомы примеси–донора (рис. 1.6. а, б, в). Процесс диффузии совмещают с термическим окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплошной слой SiO2.

Рис. 1.30. Последовательность формирования диффузионно–планарной структуры: а – исходная пластина; б, г, е – вскрытие окон в окисле перед диффузией примеси в коллекторные, базовые и эмиттерные области соответственно; в, д, ж – диффузия примеси в коллекторные, базовые и эмиттерные области соответственно и окисление поверхности; з – вскрытие окон под контакты к диффузионным областям; и – металлизация поверхности; к – избирательное травление металлической пленки и Таким образом, одновременно создаются коллекторные области всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов партии пластин. Затем вновь вскрывают окна меньших размеров в оксиде и последующей диффузией акцепторной примеси создают базовые области транзисторов р–типа проводимости, а также области р–типа проводимости анодов диодов и резисторов. В результате очередного (третьего) цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катодов диодов, а также высоколегированные области для последующего создания омических контактов к высокоомным коллекторным и изолирующим областям.

Для создания межэлементных связей в слое SiO2 вновь вскрывают окна и на пластину наносят металлическую пленку (обычно алюминиевую). При этом в местах, свободных от SiO2, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии (по пленке алюминия) позволяет создать систему токоведущих дорожек (межсоединений), а также контакты по периферии кристаллов. Эти контакты будут использованы для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.

Планарный транзистор (независимо от типа структуры) имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Вследствие этого коллекторный ток преодолевает протяженный горизонтальный участок дна коллекторной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.

В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси распределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверхности и равна нулю – на дне коллектора, – поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора.

Равномерное распределение примеси по толщине коллектора может быть получено с помощью процесса эпитаксиального наращивания кремния с дозированным количеством донорной примеси. Такой процесс применяют при создании эпитаксиально– планарной структуры.