Технология микроэлектронных устройств: Справочник
|
Раздел ГРНТИ: Металлургия полупроводников
Готра З.Ю.
Радио и связь, 1991 г.
Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям. |
 |
Материалы для легирования и создания р—n-переходов в полупроводниках методами вплавления. При заданной температуре и времени выдержки в полупроводнике растворяется определенное количество примеси (рис. 1.4, 1.5). Обычно донорные и акцепторные элементы в чистом виде не могут быть вплавлены в полупроводниковые кристаллы. Для этой цели применяют сплавы, содержащие легирующие элементы в определенной концентрации. Основой сплавов являются металлы: свинец, олово, индий, золото, серебро, алюминий и некоторые другие. Такие электродные сплавы используют для получения р — «переходов, омических контактов и соединений.
Ацепторные элементы. Алюминий (AI) в расплавленном состоянии активен, вступает в реакцию с металлами. При температуре выше 1273 К алюминий образует сплавы с графитом и кварцем, а выше 850 К — с кремнием (рис. 1.4,6). Температурные зависимости отношения глубины вплавления х алюминия в кремний к толщине кремния t,а также ширины рекристаллизованного слоя показаны на рис. 1.6 и 1.7.
Галлий (Ga) используют как легирующую примесь для увеличения активности эмиттера и создания омических контактов. Склонен к переохлаждению н кристаллизуется с увеличением объема в виде ромбической решетки.
Вор (В) известен двух разновидностей — аморфный (порошок бурого цвета) и кристаллический (кристаллы белого цвета). В германии и кремнии бор является акцепторной примесью с высокой предельной растворимостью. В жидких германии и кремнии бор хорошо растворяется, его в небольших количествах вводят в состав электродных сплавов. При легировании кремния и электродных сплавов часто используют промежуточные соединения бора (борный ангидрид BзОз, галогениды бора), которые служат источником бора.
Индий (In) и сплавы на его основе служат основными материалами для получения р — л-переходов на германии электронного типа проводимости н не-випримляющих контактов на германии дырочного типа проводимости. С кремнием сплава на основе индия не образуется.
Донорные элементы. Сурьми (Sb) используется для легирования полупроводниковых материалов, а также в качестве легирующей добавки к электродным сплавам для кремния и германия. В твердом германии сурьма
растворима до 1,2-1019 см-3, в твердом кремнии —до 5-1019 см-3. Легирование осуществляют чистой сурьмой либо ее сплавом. Со многими металлами сурьма образует сплавы, однако с увеличением ее содержания хрупкость сплава резко возрастает.
При нагреве до температуры плавления сурьма окисляется слабо, при плавке в открытой атмосфере образуется летучая окись, появление которой можно предотвратить, применив защитную атмосферу. Заметная летучесть сурьмы наблюдается при ее нагреве до 923...973 К в вакууме.
Фосфор (Р), соединяясь с германием и кремнием, может образовывать их фосфиды GePи SiP. Фосфор и его соединения используют для легирования кремния при получении слитков н создания р— n-переходов. Из-за высокой летучести фосфор не вводят непосредственно в расплавы полупроводников, а добавляют в виде сплавов или лигатур. Фосфор имеет несколько аллотропических видов, из которых применяют белый (кристаллы) и красный (порошок) фосфор.
Белый фосфор хранят под водой и по возможности в темноте. В отличие от красного белый фосфор ядовит. Белый фосфор легче вступает в реакции с различными элементами, при низких температурах медленно окисляется на воздухе и воспламеняется при температуре 313 К- Красный фосфор на воздухе почти не окисляется и воспламеняется лишь при температуре 513 К.
Наиболее характерный окисел фосфора — фосфорный ангидрид P2Osэнергично поглощает влагу, применяют его в качестве осушителя газов. Взаимодействие фосфорного ангидрида с водой приводит к образованию метафосфорной кислоты НРОз, пирофосфорной кислоты Н4Р2О7 и ортофосфорной (фосфорной)
КИСЛОТЫ Н3РО4.
Красный фосфор возгоняется без плавления при температуре около 693 К. Понижение температуры во время процесса синтеза ниже 553 К приводит к появлению жидкого белого фосфора, который имеет более высокую упругость паров и в красную исходную модификацию переходит очень медленно. Прерывание начатых процессов плавки крайне нежелательно. Если произошло охлаждение ампулы, содержащей свободный фосфор, последующий нагрев необходимо производить очень медленно для предотвращения взрыва.
Мышьяк (As) — элемент с преобладанием неметаллических свойств, при нагревании на воздухе образует трехокись мышьяка AS2O3. При нагревании выше 883 К при давлении 1 МПа мышьяк возгоняется не плавясь. При быстрой конденсации на поверхности, охлаждаемой жидким воздухом, пары образуют Желтый мышьяк — мягкие, как воск, кристаллы, которые легко окисляются на воздухе, а под действием света и нагрева переходят в серый мышьяк.
Элементарный мышьяк не ядовит, однако многие его соединения, особенно трехвалентного мышьяка, являются сильнейшими ядами. При проведении термических процессов необходимо обеспечить надежную защиту от окислившегося мышьяка.
Висмут (Bi) является донором со слабой растворимостью. Добавка его в электродные сплавы улучшает их смачиваемость. Висмут обладает хрупкостью и обработке давлением не поддается. Для него характерна низкая окисляемость даже при повышенных температурах, что позволяет проводить его плавку с другими элементами на воздухе.
Материалы для электродных сплавов. Олово (Sn)—основной составной материал большинства мягких (низкотемпературных) припоев, электродных сплавов в качестве носителя донорных элементов. С германием олово легко сплавляется. Олово с добавлением сурьмы служит стандартным электродным материалом для получения невыпрямляющих контактов на электронном германии. Является практически единственным носителем фосфора.
Свинец (Pb) используют как составную часть различных припоев: ПОС-40 (60% свинца, 40% олова), ПОС-60 (60% олова, 40% свинца) и др. С кремнием свинец не образует сплавов. При нагревании на воздухе и при длительном нагреве выше температуры плавления свинец полностью окисляется. Промышленные сорта свинца содержат от 0,008 до 0,5% примесей. Примеси в свинце увеличивают его твердость и снижают пластичность.
Золото (Аи)—основной компонент многих электродных сплавов, особенно для кремния. Золото с добавкой сурьмы применяют для получения невыпрямляющих контактов к кремнию электронного типа проводимости. Легко паяется мягкими припоями и хорошо сплавляется с кремнием и германием.
Серебро (Ag) используют как основную часть электродных сплавов для германия и кремния, а также как основу большой группы твердых (высокотемпературных) припоев для пайки металлов, так называемых серебряных припоев. Окись серебра Ag20 разлагается при нагревании выше 723 К, поэтому серебро можно плавить в открытой атмосфере без опасности окисления.
Сплавы для р—л-переходов. Состоят из основы, определяющей геометрические параметры р — л-перехода, активных компонентов, изменяющих электрофизические свойства рекристаллизованного слоя, и легирующих добавок, которые создают р — n-переход.
Сплавы для германия. В их основу входят олово, индий и свинец. Для температур вплавления с 573 до 723 К основой является олово, с 723 до 873 К — индий, а с 973 до 1023 К — свинец. Часто используют сплавы Pb— In, Pb— Sn, Pb— In— Sn, обеспечивающие требуемую температуру вплавления. Для улучшения смачивания германия и равномерного вплавления в электродные сплавы на основе индия вводят цинк (1...3%) нли благородные металлы — золото (1...3%), серебро (0,1...!%).
Требуемый тип проводимости электродного сплава задают введением в основу сплава донорных нлн акцепторных элементов. Акцепторные элементы вводятся в электродный сплав прн создании р — n-перехода на германии n-типа проводимости. Если в основе электродного сплава лежит индий, он сам является акцепторной примесью с максимальной растворимостью в германии 1010 см-3. При создании коллекторных р — n-переходов на германии используют сплавы In — Zn(до l%Zn), In —Au(до 3% Au) и Pb— In (20...50% In). В качестве эмиттерных сплавов применяют In— Ga(0,5% Ga), In— Au—Ga(1% Au, 0,5% Ga), Pb — Ag —Ga(30% Ag, 1% Ga), Pb —In—Ga(30% In, 1% Ga).
Донорные элементы входят в электродный сплав в случае получения р — n-перехода на германии р-типа проводимости. В качестве донорных элементов используют сурьму илн мышьяк, которые легко вводятся в основу электродного сплава или свинца.
Распространение получили электродные сплавы, легированные сурьмой Pb —Sb(1...3% Sb), Sn — Pb — Sb(2% Sb), а также мышьяком Pb— As(до 3% As) и Sn —As(до 4% As).
Сплавы для кремния. Для создания р — n-переходов на кремнии n-типа проводимости применяют алюминий, в который вводят акцепторные примеси— бор или галлнй. Для создания р — n-переходов в кремнии р-типа проводимости в качестве основы электродных сплавов используют золото и олово и сплав золото — серебро. Легирующими донорными элементами являются фосфор, мышьяк и сурьма. Основой сплавов может быть свинец с добавками никеля (1...3%) и серебра (до 15%). Существует несколько разновидностей таких сплавов: Pb— Ag — Sb(15% Ag, 1% Sb), Pb — Ni— In(5% In, 3% Ni) и др.
Сплавы для соединений типа AnBm. Для соединений типа AnBmэлементы II группы периодической системы являются акцепторами, а элементы VI группы — донорами. На материалах р-типа проводимости для образования р— л-переходов применяют сплавы свинца и олова с добавками теллура и селена, а на материалах n-типа проводимости — сплавы цинка и кадмия.
Сплавы для омических контактов. Наиболее часто омические контакты имеют структуру п — n+- илн р— р+-типа, где n- и р-области соответствуют исходным полупроводниковым материалам, а n- и p-области образованы дополнительным легированием исходных материалов вплавлением в них соответствующих электродных сплавов для омических контактов. Для создания структур п — p+-типа в сплавы добавляют донорные, а для структур р — р+-типа— акцепторные элементы. Для получения омических контактов к полупроводниковым приборам используют чистые металлы и сплавы. Температуру плавления сплавов для омических контактов выбирают несколько ниже температуры плавления сплавов для получения р — n-переходов.
Сплавы для омических контактов с германием. Для омических контактов с германием р-типа применяют сплавы Pb— Inс содержанием индия 10...60%. Сплавы с более низким содержанием индия применяют для высокоомного германия. Для германия п-типа используют сплавы Pb— Sn(3...5% Sb) и Pb— As(0,5...3% As). Прн температурах вплавления порядка 573 К используют сплавы на основе олова (например, Sn— Bi, Sn— Pb) с легирующими присадками сурьмы и мышьяка (для германия n-типа проводимости) и индия (для германия р-типа проводимости). При температурах вплавления 773...963К используют сплавы Си —Ag —Sb(27% Ag, 3% Sb).
Сплавы для омических контактов с кремнием. Для омических контактов на кремнии n-тнпа проводимости используют сплавы Au— Sb(до 1% Sb), а на кремнии р-типа проводимости сплавы Au— Ga(до 1% Ga). Иногда для частичной замены золота в них добавляют серебро и применяют, например, сплав Ag —An —Ga(30...70% Ag, до 20...60% Au, до 10% Ga).
Для омических контактов на кремнии применяют также сплавы на основе свинца. На кремнии р-типа проводимости используют сплавы Pb— Ag(15% Ag) н Pb—Ag —Ga(3% Ag, 1% Ga), а на кремнии n-типа проводимости — сплав Pb— Ag— Sb(15% Ag, 1% Sb). Вместо серебра в эти сплавы можно вводить никель: для кремния /г-тнпа проводимости применяют сплавы Pb— Ni— Sb(3% Ni, 1% Sb) н Pb —Ni —As(3% Ni, 1% As), а для кремния р-типа проводимости—сплав Pb —In—Ni(3% Ni, 5% In).