Номенклатура, классификация и общие требования к материалам микро- опто- и наноэлектроники

nanoelektronika

Номенклатура и классификация материалов микро- опто- и наноэлектроники

Число материалов, используемых в современной микроэлектронике, вряд ли можно точно определить. Оно постоянно растет. Общее состояние микроэлектроники зависит от уровня развития почти всех отраслей промышленности, так как предъявляет высокие требования к их продукции. Требования к качеству материалов, методы его достижения позволяют выделить проблему электронного материаловедения в отдельную дисциплину, называемую «Технологией материалов электронной техники» (ТМЭТ).

Свойства изделия микроэлектроники определяются свойствами материалов, используемых при его изготовлении, и в свою очередь зависят от технологии их получения.

Таким образом, основная задача электронного материаловедения сводится к созданию технологии получения материала с заданными свойствами. Набор необходимых параметров материала зависит от его конкретного применения. Создание конкретной технологической схемы получения такого материала определяется многими факторами. Однако некоторые общие требования к материалам и технологии могут быть сформулированы.

Основные попытки классификации материалов выделяют какой-то критерий, важный для ориентации в огромном числе материалов. Так, функциональная классификация все материалы подразделяет на три класса по их роли в ИС: 1) материалы для активных элементов схем; 2) материалы для пассивных элементов схем; 3) вспомогательные материалы.

К первому классу относятся материалы, в которых происходит преобразование сигнала (германий, кремний, арсенид галлия, нитрид галлия, фосфид галлия, ферритгранат, пьезокерамика и т. п.); ко второму — материалы ИС, не преобразующие сигнал (золото, медь, алюминий, керамика, сапфир, стекла и т. п.); к третьему — — материалы, не входящие в состав схемы, но участвующие при ее изготовлении (вода, кислоты, щелочи, растворители, абразивы, газы, тигельные материалы, графит, кварцевое стекло и т. п.).

Классификация по областям применения делит материалы на следующие группы:

1) материалы микроэлектроники;

2) материалы оптоэлектроники;

3) материалы акустоэлектроники;

4) материалы магнитоэлектроники;

5) материалы сверхпроводимости;

6) материалы СВЧ-техники и т.д.

Наиболее часто используется классификация по поведению материала в электрическом поле. С этой точки зрения все материалы делят на три группы:

1) металлы;

2) полупроводники;

3) диэлектрики.

В металлах и полупроводниках под действием внешнего электрического поля возникает электрический ток, обусловленный движением зарядов (электронов, дырок, ионов). В диэлектриках же внешнее электрическое поле приводит к явлению поляризации, т. е. возникновению внутреннего электрического поля, направленного навстречу внешнему. При этом проводимость металлов составляет 103— 105 Ом-1 см-1, диэлектриков — 10 -20-10 -10 Ом-1см-1, а полупроводников — промежуточные значения. Полупроводники и диэлектрики имеют сходную зонную структуру, причем условно принято считать диэлектриками такие материалы, ширина запрещенной зоны которых превышает 3 эВ.

Общие требования к материалам электронной техники

Технология полупроводникового материала должна быть построена таким образом, чтобы обеспечивалось выполнение следующих общих требований: 1) высокая чистота; 2) высокое совершенство кристаллической структуры; 3) дозированное легирование определенной примесью.

Понятие высокой чистоты для каждого материала свое, однако суммарное содержание остаточных примесей в полупроводнике должно быть не выше концентрации собственных носителей. Например, для германия она ≤ 2∙1013 см-3.

Высокое совершенство кристаллической структуры предполагает сведение к минимуму или полное исключение в монокристалле таких дефектов, как вакансии, междоузельные атомы, дислокации, малоугловые границы, двойники, включение второй фазы, дефекты упаковки, поры, трещины и т. д. Между тем, из термодинамики известно, что при каждой температуре в реальном кристалле присутствуют вакансии и междоузельные атомы, причем их концентрации будут соответствовать термодинамически равновесным. В реальных условиях кристаллы выращиваются и охлаждаются с достаточно большими скоростями, и концентрация таких дефектов может даже превышать равновесную.

Проблема легирования сводится к введению в кристаллическую решетку полупроводника примесных атомов в определенное место, в заданной концентрации, по определенному закону распределения в объеме.

Могут возникать и дополнительные требования, например гарантия определенного стехиометрического состава соединения и т. д.

Создание технологии, обеспечивающей выполнение всех этих требований к материалу, стало возможно после появления таких кристаллизационных методов очистки, как зонная плавка и направленная кристаллизация, применяемых для глубокой финишной очистки.

Для получения совершенных монокристаллов используются методы выращивания из расплава, раствора, газовой фазы. Выбор метода для каждого материала обусловливается его физико-химическими свойствами.

Проблема легирования решается с привлечением теории бинарных взаимодействий и квазихимических реакций.

При выборе и разработке технологической схемы получения конкретного материала, помимо указанных требований, следует обеспечить экономичность, экологическую безопасность, личную безопасность персонала, доступность сырья и т. п.

Следует отметить важность проблемы контроля (входного, промежуточного, выходного) параметров материала, однако в рамках данного пособия эта проблема не рассматривается.