Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

s- и р-орбитах. При этом основную роль в образовании ковалент­ ной связи играют р-электроны.

У элементов III группы в p-состоянии находится только по од­ ному электрону, а у элементов V группы — по три. Поэтому раст­ воримость Р, As и Sb в кремнии по сравнению с Al, Ga и In выше.

Отметим общие закономерности поведения атомов примеси в по­ лупроводниках:

а) в твердых растворах внедрения примесные атомы металлов являются донорами, а атомы металлоидов — акцепторами;

б) в растворах замещения в атомарных полупроводниках типа германия и кремния примеси III группы создают акцепторные энергетические уровни, а примеси V группы—донорные;

в) если различие в валентности полупроводника и примеси больше единицы, то возникают глубокие уровни, обладающие боль­ шой энергией ионизации. Эти уровни определяют процесс рекомби­ нации (типичные из них — золото, никель, серебро, медь).

Наличие донорных примесей в полупроводнике способствует возрастанию растворимости акцепторных и наоборот. Например, растворимость мышьяка в германии, содержащем достаточно боль­ шое количество алюминия, на порядок выше, чем в чистом гер­ мании.

Добавление алюминия приводит к значительному увеличению растворимости фосфора как в германии, так и в кремнии. При 7’ = 800°С растворимость фосфора в кремнии при равном атомном

типом фазовых диаграмм, встречающихся при сплавлении металла с полупроводником в полупроводниковом производстве. Диаграмма А1—Si типична для компонентов, обладающих полной раствори­ мостью в жидком состоянии и ограниченной в твердом (рис. 4.4). На диаграмме имеется эвтектическая точка, соответствующая тем­ пературе плавления и затвердевания эвтектики — сплава эвтекти­ ческого состава.

Эвтектикой называют структуру сплава, состоящего из одно­ родной механической смеси кристаллитов двух или нескольких ве­ ществ, которая обладает минимальной температурой плавления. Структура эвтектического сплава такова, что атомные и молеку­ лярные связи в нем менее прочные, чем в порознь взятых веществах, и разрываются под действием меньшей тепловой энергии.

100

кристалла. При 577° С формирование p-области заканчивается, и весь оставшийся расплав затвердевает в мелкокристаллическую эвтектическую смесь aAl + pSi. Данная эвтектика не является од­ нородной. Она состоит из довольно крупных дендритов твердого раствора pSi и окружающего их'аА1. Дисперсность эвтектики опре­ деляется скоростью охлаждения. Для получения более однородной мелкокристаллической структуры необходима большая скорость охлаждения.

Вес.%Si

10 20 JО ЬО 50 ВО 70 80 90

Если провести охлаждение раньше, чем система достигнет рав­ новесного состояния, когда состав L находится еще в доэвтектической зоне (0 < % Si < 11,7), то в расплаве кристаллизуется aAl, а при охлаждении до 577° С — эвтектическая смесь aAl-i-pSi. Кри­ сталлы pSi в эвтектике ориентированы произвольно, и р-п-переход не образуется.

101

§ 4 .2 . Т ехнология получения сплавны х структур

Способы сплавления. Полупроводниковые приборы в зависи­ мости от назначения изготавливают различными способами сплав­ ления.

По характеру проведения технологических операций способы сплавления подразделяют на индивидуальные и групповые.

При индивидуальных способах электродный материал сплав­ ляется с кристаллом полупроводника, являющегося основой одно­ го прибора. Каждый полупроводниковый прибор проходит все ста­ дии изготовления, и из одного кристалла получается один прибор. Этот способ распространен в производстве маломощных диодов

итранзисторов и преобладает в производстве мощных приборов. При групповых способах сплавления на одной пластине полу­

проводникового материала получают несколько десятков, сотен или тысяч идентичных р-н-переходов. После сплавления или созда­ ния омических контактов пластину механически или химически режут на кристаллы определенных размеров, число которых равно количеству созданных р-н-переходов. Этот способ распространен в производстве сплавных диодов различной мощности, сплавно­ диффузионных транзисторов и четырехслойных диодов.

Мощность, рассеиваемая в приборе, определяется в первую оче­ редь площадью р-н-переходов. В связи с этим выделяют два спо­ соба сплавления: на малой (не более 1 мм2) и большой площади. При сплавлении на большой площади заметное влияние на каче­ ство сплавления оказывает состояние поверхности полупроводника и металла, в том числе однородность поверхностных свойств. Наи­ большее распространение способ сплавления на большой площади получил при изготовлении кремниевых выпрямительных диодов ма­ лой и средней мощности, кремниевых стабилитронов, а также мощ­ ных диодов и транзисторов на кремнии и германии при индиви­ дуальном изготовлении.

По способу введения электрически активной примеси существу­ ет деление на сплавление непосредственно с легирующим элемен­ том, сплавление с нейтральным сплавом, содержащим легирующий элемент, и сплавление с композицией элементов, каждый из кото­ рых служит определенным целям.

Электродный сплав должен удовлетворять следующим требо­ ваниям:

1)должен равномерно смачивать полупроводник при темпера­ турах сплавления;

2)должен быть твердым при всех температурах во время по­ следующих процессов изготовления прибора, а также быть механи­ чески и химически стабильным во время хранения и работы при повышенных температурах (100—200°С);

3)должен обладать низким давлением паров при всех темпе­ ратурах процесса сплавления. Несоблюдение этого требования ведет к тому, что легирующая примесь будет испаряться из спла­ ва и, осаждаясь на чистой поверхности пластины полупроводника,

102

изменит тип электропроводности в тех участках, где это нежела­ тельно;

4)не должен содержать примесей, ухудшающих электрофизи­ ческие свойства полупроводника и параметры прибора;

5)должен обладать хорошей теплопроводностью, чтобы обес­ печить отвод тепла, выделяемого в приборе;

6)после затвердевания не должны появляться чрезмерные на­ пряжения в кристаллах полупроводника.

Свойства некоторых элементов, применяемых для электродных сплавов, приведены в табл. 4.2.

Т а б л и ц а 4.2

** При давлении 93 от.

Если чистый элемент удовлетворяет всем требованиям, предъяв­ ляемым к электродному материалу, то он сплавляется с полупро­ водником без каких-либо добавок. Примером этого может служить

163

стый элемент не удовлетворяет ряду требований, то готовится сплав, состоящий из электрически нейтрального компонента, како­ выми для германия и кремния являются элементы IV группы и ряд элементов других групп (например, с некоторыми допущениями, золото и серебро), и легирующих элементов. Для улучшения сма- ■чивания или увеличения пластичности в двойные сплавы могут добавляться дополнительные компоненты.

Способы формовки и нанесения электродных материалов. В за­ висимости от назначения прибора электродному сплаву придают различные размеры и форму. Чаще всего электродный материал формуется в шарики, цилиндры и кольца.

Вначале слиток сплава протягивают в проволоку нужного диа­ метра (обычно от 100 мкм до 1 мм), затем специальным ножом с фиксатором размера проволоку разрезают на цилиндрики оди­ наковой длины. Если электрод одновременно является контактным выводом, то цилиндрики имеют длину 10—20 мм, если же кон­ тактный вывод будет изготовлен в дальнейшем из другого мате­ риала, то длина цилиндрика составляет 0,5—2 мм. Если при сплавлении требуется сохранить цилиндрическую форму электро­ да, например для удобства последующих операций присоединения вывода, то применяют кассеты, удерживающие цилиндр в верти­ кальном положении так, чтобы он касался поверхности полупро­ водника только торцом.

При производстве высокочастотных триодов, где неизменность ширины базовой области и площади р-п-перехода имеют решаю­ щее значение, у каждого шарика необходима повторяемость не только веса и размеров, но и формы. В таком случае проволочные цилиндры предварительно оплавляют на кварцевой или керамиче­ ской подложке в вакууме или инертной атмосфере, что придает им сферическую форму. Полученные шарики просеивают через сита с заданными размерами отверстий. Обычно это два сита — одно отделяет шарики большего размера, другое — меньшего. Оп­ лавление для придания сферической формы производят также в нейтральной жидкости, например в глицерине. Если требования к форме электрода не столь важны, то используют цилиндрики с высотой, равной диаметру основания, так как при плавлении они образуют каплю, близкую к сферичной.

Коллекторный электрод или базовый контакт часто выгодно иметь кольцевым, окружающим эмиттер. Кольца вырубают при­ способленными для этого штампами из тонкого листового сплава.

С увеличением мощности прибора увеличивается площадь электрода. Применение шариков больших размеров (свыше 2 мм) нецелесообразно ввиду образования сферического фронта при сплавлении, поэтому электр'одный’ материал формуется в виде та­ блеток. Слиток сплава раскатывают на вальцах в фольгу толщи­ ной от 50 до 500 мкм, и из нее вырубают таблетки диаметром

2—10 мм.

104