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 г., первая интег­ральная микросхема - в 1958 г.) твердотельная интегральная электроника стала ведущим направлением, определяющим про­гресс в развитии радиоэлектронных средств и устройств вычис­лительной техники.

Интегральная электроника (микроэлектроника) — это но­вое научно-техническое направление твердотельной электроники, которое посредством технологических (физических, химических и схемотехнических) методов и приемов решает проблему созда­ния высоконадежных микроминиатюрных электронных устройств.

В качестве основных конструкционных материалов в интег­ральной электронике используются полупроводники, металлы и диэлектрики. Исторически различие 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 ее по величине соизмеримой с про­водимостью металлов, но при этом они не станут металлами. От металлов полупроводники отличаются не величиной, а ха-

рактером зависимости удельной электрической проводимос­ти, прежде всего, от температуры. В природе существует два типа полупроводниковых веществ: ионные полупроводники и электронные полупроводники. При производстве изделий ин-тегральной электроники в основном, используются электрон-

ные полупроводники.

Сегодня ионные полупроводники не получили широкого 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 В, углерод С, кремний Si, фосфор Р, сера S, герма­ний Ge, мышьяк As, серое олово Sn, сурьма Sb, висмут Bi, селен Se, теллур Те, йод J. К ним относятся и ряд бинарных соедине­ний типа A^XB^VIII-X, где А - элемент группы X, а В - элемент груп­пы VIII-X (см. рис. 1.1). Такие соединения, как AgCl, CuBr, KВг, LiF и др. типа A^IB^VII еще не нашли широкого применения.

Элементы П группы

Элементы VI группы

Элементы Ш группы

Рис.-1.1. Схема образования двухкомпонентных полупроводников 16

В настоящее время используются соединения типа A^IIB^VI, 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 A^IIIB^V. Эти элементы уже сегодня являются одними из важнейших полупроводниковых материалов. Полупровод­никовыми свойствами обладают SiC и SiGe, относящиеся к типу A^IVB^IV. Полупроводниковые свойства обнаружены у соединений типа A^IVB^IV, среди которых PbS, PbSe, PbТе, а также соедине­ний типа A^IB^VI, среди которых CuS, CuO, Cu₂0 и др.

Перспективными представляются сложные соединения и твердые растворы, среди которых A^XB₁^VIII-XB₂^VIII-X; А₁^XА₂^XВ^VIII-X; А₁^XА₂^XВ₁^VIII-XB₂^VIII-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, коро-нен и целый ряд других, которые находят использование в из­делиях наноэлектроники.

В науке и технике ведется целенаправленный поиск мате­риалов, обладающих новыми свойствами. В последние годы уче­ными 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 запрещенной зоны. Эти материалы отно­сят к бесщелевым полупроводникам. Запрещенная зона в них отсутствует при любых воздействиях, не меняющих симметрию кристаллической решетки: 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 запрещенной зоны. В не­которых сплавах системы висмут-сурьма под действием мощно­го магнитного поля образуются экситонные фазы, которые пред­ставляют собой электроны и дырки, объединенные в устойчи-