.

Кристаллическая структура и свойства полупроводника

 Под кристаллической структурой понимают твердую фазу вещества, расположение атомов и молекул которой проявляет определенную закономерность, хотя бы на микроскопических участках. При этом атомы образуют кристаллическую решетку, а определенное сочетание атомов или элементарных ячеек повторяется в любом направлении. Кристалл полупроводника образуется в результате группировки большого количества атомов в определенных узлах кристаллической решетке, которую можно считать крупной молекулой. Свойства кристаллической решетки определяют все свойства полупроводников.

Монокристалл – единичный кристалл, его выращивают искусственно из расплавов, растворов.

Поликристалл – твердое тело, состоящее из множества кристаллов (зерен), кристаллические решетки соседних зерен обычно разориентированы на углы, измеряемые в градусах и десятках градусов. Большинство свойств полупроводников, связано с возможностью изменять свою электрическую проводимость под воздействием различных факторов. Проводимостью полупроводников можно управлять путем контролирования введения небольшого количества примесных атомов.

Факторами, оказывающими влияние на электрофизические свойства проводников является воздействие термической обработки в атмосфере различных газов, структуры материала, а также состояния поверхности полупроводника, изменение его свойств под воздействием электрических и магнитных полей. Для Германия и Кремния характерны решетки типа алмаза. Элементарная кристаллическая решетка алмазного типа обладает кубической симметрией, таким образом за основу можно выбрать прямоугольную систему координат (x y z). В технологии изготовления ИМС обычно пользуются индексами Миллера, определяющими положение кристаллических плоскостей или кристаллографических направлений, перпендикулярных соответствующим плоскостям. Для кубических кристаллов индексы Миллера представляют собой 3 цифры, относящиеся к прямоугольной системе координат. Как видно, цифра "1" означает, что рассматриваемая плоскость проходит через точку, соответствующую оси с координатой = "1". Цифра "0" означает, что кристаллографическая плоскость параллельна оси. Соответственно кристаллографическая плоскость (1 0 0) проходит через точку х=1 и параллельна осям y и z. Ведение коэффициента Миллера необходимо для оценки важного свойства кристаллической решетки, а именно анизотропии, то есть необходимость механических и электрофизических свойств в различных направлениях.

Основные определения технических процессов :

Эпитаксия – процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллические кремниевые пластины, при котором получают пленку, которая является продолжением структуры. Эпитаксия позволяет создать монокристаллическую пленку полупроводника с заданной кристаллографической ориентацией плотности поверхности.

Для создания в полупроводнике слоев с различным типом проводимости и p-n переходов используют 2 метода введения примесей – термическая диффузия и ионная имплантация (легирования).

 Диффузия – это направленное движение атомов, возникающее под действием градиента концентрации или температуры.

Ионная имплантация – метод легирования пластины или эпитаксиального слоя путем бомбардировки ионами примеси, ускоренными до энергии, достаточной для их внедрения в глубь твердого тела.

Термическое окисление диэлектрика – получение при этом пленки SiO2 , выполняет несколько важных функций :

защиты (как диэлектрик)

-функция маски (через которую вводятся необходимые примеси)

Литография – процесс создания защитной маски, необходимой для локальной обработки при формировании структуры ИМС. Маска содержит совокупность заранее спроектированных отверстий – окон.

Травление – немеханический способ изменения рельефа поверхности твердого тела. При травлении используют растворы для общего и локального удаления поверхностного слоя твердого тела на определенную глубину.

Заготовительный процесс : монокристаллические слитки кремния получают зонной плавкой и путем кристаллизации из расплава метода Чохральского. 

В методе стержни с затравкой виде монокристаллического кремния после соприкасания с расплавом полупроводника медленно поднимают с одновременным вращением. При этом вслед за затравкой вытягивается нарастающий и застывающий слиток. Кристаллографическая ориентация слитка (поперечное сечение) определяет кристаллографическую ориентацию затравки. Типовой диаметр слитка 10-15см, длина слитка до метра. Слитки кремния разрезают на множество тонких пластин – 400-500 микрон, на которых потом изготовляют ИМС и приборы.

Зонная плавка – в изложении слиток поликристаллического кремния и нагревания в конце зоны. Расплавленная зона перемещается и преобразует поликристаллический кремний в монокристаллический. При этом также происходит процесс очистки.