Введение. Блочный принцип построения технологии СБИС

- выдувание и прессвыдувание на прессвыдувочных машинах (тарная и химическая посуда, колбы электроламп);

- прессование на автоматических прессах (линзы, стеклянные блоки, бытовые изделия);

- отливка в формы (архитектурно-строительные детали, художественные изделия);

- прокат с одновременным отжигом для снятия напряжений и шлифовкой (толстое листовое стекло).

Перспективы развития производства силикатных материалов

Силикатные материалы и изделия из них по объему производства и потребления в народном хозяйстве занимают первое место среди традиционных твердофазных материалов. В значительной степени это объясняется меньшей энергоемкостью и, следовательно, большей экономичностью их производства по сравнению с металлами и полимерными материалами и простотой и неограниченностью сырьевой базы. Так, если на производство стали затрачивается около 9 • 10¹¹ кДж/м³, то на производство цемента всего 3 • 10¹⁰ кДж/м³, то есть в тридцать раз меньше.

Поэтому развитие и совершенствование всех отраслей промышленности силикатных материалов имеет первостепенное значение.

Анализ прогнозируемых потребностей позволяет выделить следующие направления развития производства строительных, конструкционных и специальных материалов.

1. Количественное увеличение масштабов производства и организация массового выпуска таких, относительно новых материалов и изделий, как асбоцементные детали, ячеистый бетон, быстротвердеющий, напрягающий и декоративный сорта цемента, жаропрочное стекло и др.

2. Разработка и внедрение новых энергосберегающих технологий, например, производство цемента сухим способом, высокотемпературная плавка стекломассы, двухстадийное формование стеклянной ленты, получение порошков для керамических изделий из твердых растворов и т. д.

3. Создание новых материалов, отвечающих потребностям таких отраслей промышленности как радиоэлектроника, авиационная, ракетная и космическая техника, атомная энергетика, химическое производство высокоактивных веществ, например, фтора, концентрированной перекиси водорода и подобных соединений.

В этом направлении ведущая роль принадлежит керамике и композиционным материалам (композитам) на основе керамических матриц. Перспективность керамики, как материала будущего, объясняется не только отмеченными выше доступностью сырья и низкими затратами на производства, но, также, ее многофункциональностью, безопасностью в эксплуатации и экологическими преимуществами производства.

В применении керамических материалов перспективными являются:

—разработка пластичной керамики на основе чистых тугоплавких оксидов металлов; для создания бронепокрытий, защитных покрытий ракет и других летательных аппаратов, которые обеспечивают защиту от коррозии в экстремальных условиях и от радиолокационного обнаружения;

—использование графитопластов в химической промышленности для изготовления теплообменной и иной аппаратуры, работающей в агрессивных средах;

—применение корундовой керамики с высокой, по сравнению с другими видами, теплопроводностью в ядерной технике;

—создание специальных видов керамики, таких как материалы на основе ферритов, используемых в технике высоких энергий, пьезо-керамические изделия для радиотехники, акустики и вычислительной техники, керамические твердые электролиты с различной проводимостью.

Создание композиционных материалов или композитов — важнейшее направление в разработке новых силикатных материалов. Композитами (от латинского compositio — сочетание) называются материалы, образованные в результате объемного сочетания химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. В результате этого, в композитах появляются свойства, которыми не обладает ни один из входящих в композит компонентов. Это позволяет получать материалы, сочетающие лучшие свойства составляющих их фаз: прочность, пластичность, износостойкость, малая плотность и т.п.

Композиты состоят из пластичной основы — матрицы, служащей связующим материалом, и различных компонентов в таком виде, который может обеспечить их совмещение с матрицей и последующее формование изделия.

По материалу матрицы композиты делятся на три группы: металлические, керамические и органические. Композиционные материалы с керамической матрицей или керметы синтезируют методом порошковой металлургии на основе тугоплавких оксидов, боридов, карбидов и нитридов различных элементов и содержат такие тугоплавкие металлы как хром, молибден, вольфрам, тантал.

Керметы представляют собой гетерофазные композиции и обладают высокой износостойкостью, механической прочностью и термостойкостью. Введение в керметы армирующих волокон из прочных тугоплавких материалов повышает их механическую прочность.

Сочетание в керметах различных, часто противоположных, качеств обусловило использование их в качестве конструкционных материалов для ракетных двигателей, тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и регулирующих стержней ядерных реакторов, деталей насосов и сопел аппаратов, работающих в агрессивных средах, теплозащитных элементов космической техники.

[1] Полнокристаллическая мелкозернистая вулканическая горная порода, химически и по минеральному составу близок к базальту (SiO₂ колеблется от 45 до 52-53%, суммы щелочей Na₂+K₂ до 5%, в щелочных базальтах до 7%. Прочие оксиды могут распределяться так: TiO₂=1.8-2.3%; Al₂O₃=14.5-17.9%; Fe₂O₃=2.8-5.1%; FeO=7.3-8.1%; MnO=0.1-0.2%; MgO = 7.1-9.3%; CaO=9.1-10.1%; P₂O₅=0.2-0.5%;). Диабаз характеризуется сравнительно малым содержанием кремнезёма (45—52 %).

 

[2] Вулканическая горная порода среднего состава, нормальной щелочности. Содержание кремнезема (SiO₂) составляет 52-65 %.

Введение. Блочный принцип построения технологии СБИС

Сверхбыстродействующие биполярные БИС являются элементной базой высокопроизводительных вычислительных систем. Они характеризуются сложностью технологии производства и высокой стоимостью. Определяющий параметр сверхбыстродействующих БИС - время задержки логического элемента, которое должно быть менее I не как во внутренних цепях, так и в цепях связи между БИС.

Биполярные транзисторы имеют экспоненциальные характеристики, благодаря чему превосходят полевые по крутизне передаточной характеристики на единицу площади, что позволяет им лучше функционировать при больших емкостных нагрузках. Высокое быстродействие при неопределенных и больших емкостных нагрузках обусловливает почти исключительное преобладание биполярных схем в классе сверхбыстродействующих БИС. Проектирование электронных схем БИС этого класса основано на использовании ненасыщенных логических элементов, например, эмиттерно-связанной логики, непороговой логики.

Основными составными частями микросхемы являются полупроводниковый кристалл и герметичный корпус с внешними выводами. Электронная схема, реализованная на полупроводниковом кристалле, выполнена на основе конструктивных элементов: биполярных транзисторов, резисторов и металлизированных межсоединений. Требование достижения субнаносекундного быстродействия логических элементов обусловливает и специфические требования к конструкции элементов БИС, включая и корпуса.

Современный этап развития полупроводниковой микроэлектроники отличается обширной номенклатурой и массовым выпуском микросхем с быстрорастущей степенью интеграции.

Повышение требований к элементной базе вычислительной техники, электронных устройств автоматики и измерительной техники, радиоэлектронного аппаратостроения вызывает необходимость создания БИС и СБИС со степенью интеграции более 50 тыс. вентилей на кристалле, потребляющих мощность менее 100 мВт, с рабочими частотами 100 МГц и выше, с питающими напряжениями, сниженными до 1-3 В. Для таких схем инжекционные структуры являются перспективными базовыми элементами, т.к. позволяют обеспечить требуемые энергетические, конструктивные и технологические характеристики. Стандартная биполярная технология, с помощью которой изготавливались И²Л-схемы первого поколения, не в состоянии обеспечить такие параметры. Эта задача решается созданием нового поколения инжекционных структур, использующих достижения микронной и субмикронной технологии, в частности, рентгеновскую и элект ронно-лучевую литографию, новые технологические процессы легирования и изоляции компонентов, материалы с более высокими характеристиками, новые полупроводниковых приборов (с барьером Шотки, с полевым эффектом и др.).

Благодаря значительному уменьшению площади структур в сочетании с применением тонких (1-2 мкм) эпитаксиальных слоев и переходов с малой (0, 1-0, 2 мкм) глубиной залегания за последнее время достигнуто существенное улучшение характеристик элементов И²Л. Так, по сравнению с элементами первого поколения плотность упаковки увеличилась в 10 раз (с 200-400 до 3000-500и вентилей/мм), задержка распространения сигнала уменьшилась более чем в 10 раз (с 10-20 до 1 нс) энергия переключения снизалась почти на два порядка (с 1 пДж до нескольких десятков фемтоджоулей) (один фемтоджоуль равен 10^-15 Дж).

Значительный прогресс в создании элементной базы И²Л достигнут не только в цифровых и запоминающих БИС. Элементы И²Л завоевали новую область применения, в которой практически не имеют конкурентов. Речь идет об аналого-цифровых и цифро-аналоговых БИС, выделившихся в последние годы в самостоятельное технологическое и схемотехническое направление. Цифровая часть кристалла аналого-цифровых БИС, реализованная в И²Л-базисе, практически полностью изготавливается по стандартной технологии аналоговых ИС и характеризуется чрезвычайно малой энергией потребления. В результате удается создать на одном кристалле высококачественные аналого-цифровые БИС с повышенным быстродействием.

Большие интегральные схемы относятся к новому классу схем, которые отличаются от ИС средней степени интеграции не только высокой плотностью упаковки и более совершенными техническими характеристиками, но и принципиально новыми методами проектирования, изготовления и контроля. Очевидно, что успешная реализация возможностей технологии биполярных БИС и СБИС, в том числе и на основе И²Л-структур, немыслима без широкого применения методов и средств автоматизации проектирования как на элементном, так и на схемо- и системотехническом уровнях.

Важная роль в этом направлении принадлежит математическим моделям И²Л-элементов, т.к. от их точности и степени разработанности в первую очередь зависит достоверность окончательных результатов схемотехнического проектирования БИС. Комплексное решение схемотехнических и топологических вопросов проектирования И²Л БИС различных типов требует создания машинно-ориентированных методов и алгоритмов их анализа и синтеза, позволяющих формализовать процедуру разработки схем, повысить качество, сократить сроки и снизить трудоемкость проектирования. Основной путь повышения электрических и эксплуатационных характеристик электронной аппаратуры - это увеличение интеграции используемых микросхем, увеличение степени интеграции БИС позволяет:

повысить быстродействие аппаратуры за счет уменьшения числа и длины линий связи между микросхемами;

снизить габариты, вес и потребляемую мощность изделий при сокращении числа используемых микросхем;

повысить надежность аппаратуры путем уменьшения числа паяных соединений и связей между микросхемами.

Увеличение степени интеграции БИС достигается уменьшением топологических размеров конструктивных элементов и наращиванием площади кристалла. Рост площади снижает выход годных БИС в производстве и число кристаллов на полупроводниковой пластине, а главное, не улучшает характеристик логических элементов. Поэтому основной способ увеличения степени интеграции БИС - это уменьшение площади элементов за счет снижения топологических размеров и совершенствования технологии. Улучшение электрических характеристик также требует уменьшения размеров.

При разработке конструкций элементов и технологии БИС используется принцип пропорциональной миниатюризации, согласно которому для получения оптимальной структуры приборов необходимо, чтобы уменьшение литографических размеров сопровождалось соответствующим уменьшением толщины металлических, диэлектрических и полупроводниковых легированных слоев. Толщина слоев, формирующих структуру приборов, определяет рельеф поверхности кристалла, разрешающую способность процессов травления, размеры периферийных и разделительных областей, а также паразитные инфекционные эффекты, связанные с периферийными областями. Принцип пропорциональней миниатюризации предполагает сохранение основных физических процессов в активных приборах БИС и соотношений размеров между активными и пассивными приборами.

Эффективным средством уменьшения топологических размеров биполярных транзисторов БИС является использование боковой диэлектрической изоляции, которая позволяет значительно уменьшить площадь прибора за счет формирования «пристеночных» переходов. " Пристеночным" называется р-n-переход, выходящий на границу с боковой диэлектрической изоляцией, которая позволяет осуществить самосовмещение областей базы, эмиттера и контактов с изолированной меза-областью транзистора. Самосовмещение исключает зазоры между областями изоляции, базы и эмиттера. Площади изолирующего и коллекторного переходов сокращаются в несколько раз, соответственно уменьшаются и емкости переходов.

Кроме снижения паразитных емкостей, улучшение динамических характеристик логических элементов за счет параметров транзистора достигается уменьшением сопротивления базы и времени пролета неосновных носителей в базе, увеличением концентрации легирующей примеси в коллекторе при соответствующем повышении плотности эмиттерного тока. Эти эффекты проявляются при повышении концентрации носителей во всех областях структуры и снижении глубины залегания р-n-переходов.

Характеристики БИС в большой мере зависят от конструкции используемых резисторов. Увеличение степени интеграции неизбежно приводит к уменьшению токов логических элементов и возрастанию номиналов нагрузочных резисторов. Слоевое сопротивление легированных областей транзисторной структуры не превышает 0, 5-0, 7 кОм/кв.

Ионнолегированные высокоомные резисторы с монолитной структурой имеют существенный недостаток - их сопротивление модулируется приложенным напряжением. Паразитная емкость их также значительна. В любом случае для каждого монолитного резистора необходимо формировать изолированную меза-область, при этом площадь изоляции обычно превышает площадь резистивного слоя. Тенденция к использованию монолитных полупроводниковых резисторов приводит к тому, что площадь и динамические характеристики БИС будут определяться параметрами используемых резисторов. Кардинальным решением вопроса является применение пленочных высокоомных резисторов на диэлектрической подложке.

Слоевое сопротивление резистивной пленки не связано с параметрами транзисторной структуры и может быть выбрано оптимально для каждой БИС. Ширина резисторов и зазоры между ними определяются только возможностями литографической техники и травления пленки.

В современной микроэлектронике более распространенным материалом остается по-прежнему кремний, за исключением таких классов полупроводниковых приборов, в которых необходимо использовать арсенид галлия из-за его специфических свойств.

Развитие микротехнологии обеспечил так называемый планарный процесс, или планарная технология. Идея заключается в последовательном изготовлении слоев с заданным рисунком, расположенных друг над другом и состоящих из материалов с различными электрическими свойствами, используя такой сэндвич со слоями заданной структуры, изготавливают различные схемные элементы, такие, как транзисторы, конденсаторы и диоды. Эти элементы затем соединяют друг с другом поверхностным токопроводящим слоем заданного рисунка, создавая интегральную микросхему (ИМС).

Слои с различными электрическими свойствами можно получать, изменяя свойства подложки, например, путем ее легирования или окисления, или же осаждения на ее поверхность слоя с помощью внешнего источника посредством испарения или распыления в вакууме. Заданный рисунок получается в процессе фотолитографии. При этом рисунок с фотографического трафарета проецируется на поверхность подложки, предварительно покрытой слоем фоторезиста. Фоторезистивные материалы обладают двумя свойствами. Одно из них заключается в том, что под действием света способность фоторезиста растворяться в определенном классе растворителей изменяется. После проявления в таком растворителе спроецированный рисунок остается на поверхности подложки. Другое свойство заключается в том, что нерастворенные области фоторезиста совершенно не взаимодействуют (резистивные) с другим классом растворителей, которые способны травить или изменять каким-либо образом нижележащий слой материала.

Если один и тот же материал не обладает одновременно этими двумя свойствами, то для получения заданного рисунка необходимо добавить промежуточный слой, имеющей требуемые резистивные свойства для проведения процесса травления подложки или другого изменения ее свойств. Например, примеси, взаимодействующие с органическим резистом могут диффундировать в кремниевую подложку через окна в предварительно нанесенном слое SiO₂, который для примесей является непроницаемым. Такая окисная маска позволяет легировать примесями кремниевую подложку по заданному рисунку. Некоторые основные этапы планарного процесса показаны в таблице 1. Для изготовления микроэлектронных приборов и схем требуется многократное применение этого процесса.

Таблица 1

" Д IKC"

ЭР 4-551
1.	Формирование КДБ-0, 3	49.	Внедрение В Д=6, 5, Е=100
2.	х/о	50.	ПХУФ
3.	Окисление 1000°С h=0, 29 мкм	51.	Доснятие ф/р
4.	ф/л «СС» (сл.1/3)	52.	х/о
5.	л/о	53.	Отжиг 900°С, 30¢
6.	Окисление 900°С, 20¢, О2+HCl	54.	ВАХ-1
7.	Внедрение Sb D=250, Е=60	55.	х/о+ГМДС
8.	х/о	56.	ф/л «эмиттер» (сл.7/3)
9.	Разгонка 1220°С, 40¢, О2	57.	Внедрение Р Д=500, Е=30
10.	Снятие О2	58.	ПХУФ
11.	Контроль	59.	Доснятие ф/р
12.	х/о	60.	х/о
13.	Окисление 1000°С h=0, 29±0, 02	61.	Отжиг 1000°С, 10¢
14.	ф/л подлегирования (сл.2-3)	62.	ВАХ-2
15.	Внедрение В Д=40, Е=100	63.	х/о
16.	ПХУФ	64.	ф/л «инжектор» (сл.35, рз 5-290)
17.	Доснятие ф/р	65.	Внедрение В Д=300, Е=20
18.	х/о	66.	ПХУФ
19.	Отжиг 1150°С, 60¢, N2	67.	Доснятие ф/р
20.	Контроль	68.	х/о
21.	Снятие О2	69.	Отжиг 900°С, 20¢
22.	х/о	70.	ВАХ-3
23.	Эпитаксия 1, 5 кэф 0, 5	71.	х/о (полная)
24.	Контроль эпитаксии	72.	Напыление 1 Ме=0, 55
25.	х/о	73.	ф/л «1 Ме» (сл. 8/3)
26.	Окисление 1000°С h=0, 05	74.	Вжигание 510°С, 10¢, N2
27.	Нанесение Si3N4=0, 22	75.	ВАХ-4
28.	Контроль	76.	х/о
29.	х/о+ГМДС	77.	ПХО h=0, 65
30.	ф/л «разделение» (сл.3/3)	78.	Напыление V=0, 1 мкм
31.	ПХТ	79.	ф/л «диэлектрик» (сл. 9/3) тр
32.	ПХТ Si=0, 8 мкм	80.	ПХТ ПХО
33.	ПХУФ	81.	ПХУФ
34.	Доснятие ф/р	82.	Доснятие ф/р
35.	х/о	83.	Травление V
36.	ДТО h=1, 6 мкм	84.	х/о
37.	Снятие Si3N4 (химическое)	85.	Напыление 2 Ме (сл. 10/3)
38.	х/о	86.	ф/л «2 Ме» (сл. 10/3)
39.	Окисление 1000°С h=0, 29 мкм	87.	ПХТ
40.	ф/л «контакты» (сл.4/3)	88.	Контроль ф/р
41.	х/о ГМДС	89.	ПХУФ
42.	ф/л гл.кол. n+ (сл. 6/3)	90.	Доснятие ф/р
43.	Внедрение Р=300, Е=30	91.	х/о
44.	ПХУФ	92.	Вжигание 510°С, 15¢, N2
45.	Доснятие ф/р	93.	ВАХ-5
46.	х/о	94.	х/о
47.	Отжиг 1150°С, 15¢	95.	Пассивация
48.	ГМДС ф/л «база» (сл.5/3)

Блок эпитаксии (подготовка исход)

1. Влияние структурного несовершенства исходного полупроводникового материала на параметры полупроводниковых структур.

Значительную роль при создании интегральных микросхем играет подготовка поверхности исходной подложки, на которой происходит наращивание, эпитаксиального слоя, поскольку именно она определяет совершенство кристаллообразования во время роста. В результате механической шлифовки и полировки на поверхности пластины образуется нарушенный слой (d=1-2 мкм), состоящий из сколов, трещин, абразивных частиц, дислокации, царапин, примеси адсорбированные поверхностью, Перечисленные дефекты носят локальный характер, причем, вокруг них существует поле деформаций, изменяющее как равновесную плотность точечных дефектов, так и высоту активационного барьера для их миграции.

При высокотемпературной обработке пластин, имеющей место при термическом окислении, отжиге ионнолегированных слоев, эпитаксии, может происходить образование дислокаций и повышение роста других дефектов за счет локализованной повышенной диффузионной способности атомов в области дефектов.

Образование структурных дефектов приводит к релаксации напряжений, вызванных локальными дефектами. В общем случае, процессы релаксации напряжений протекают по трем механизмам:

1) начальная релаксация напряжений за счет малых смещений атомов из-за ослабления химических связей при повышении температуры;

2) упрочнение структуры без пластического течения в результате диффузии точечных дефектов;

3) интенсивная релаксация из-за пластических деформаций.

Для Si:

1) стадия релаксации начинается при температуре 250-300°С;

2) при 700-800°С;

3) при 900-950°С.

Степень активации периферийной поверхности и гетерогенных внутренних источников дислокаций в пластине определяется температурой процесса термообработки, так как пластическая деформация проявляется лишь в том случае, когда локализованное напряжение превышает напряжение пластического течения при температуре термообработки.

При использовании пластин кремния диаметром 100 мм и выше в ней при термообработке возникает большой градиент температуры по поверхности за счет изгиба, а, следовательно, и неплотного прилегания пластины к нагревателю; наличие таких градиентов в свою очередь вызывает температурное напряжение, величина которого может быть достаточной для протекания процессов деформации пластины. Таким образом, напряжения, возникающие за счет температурных градиентов, столь велики, что даже минимальная концентрация напряжений является источником дислокаций, а активация поверхностных периферийных источников дислокаций вызывает появление линий скольжения.

Распределение дефектов в эпитаксиальном слое возможно следующим путем:

1) образование дислокаций и линий скольжения за счет возникновения градиента температур по поверхности пластины;

2) распределение дислокаций, имеющийся в подложке, в эпитаксиальный слой, в том числе и линии скольжения;

3) зарождение дислокаций в приповерхностном слое за счет локальных деформаций от механических повреждений и загрязнений;

4) образование дислокаций несоответствия из-за различия кристаллической подложки решетки и растущего эпитаксиального слоя.

При этом было установлено, что дислокационные сетки несоответствия, возникающие в пределах областей с высокий легированием, не распространяются в эпитаксиальный слой, в то же время внеконтурные дислокации, генерируемые у границ окон, скользят но наклонным плоскостям < 111> и под действием скачка упругих напряжений выходят на поверхность эпитаксиального слоя.

Исследование влияния механических повреждений на дефектность эпитаксиальных слоев, проведенное методом микротвердости, показало, что чем выше температура предварительной термообработки перед эпитаксией, то есть, чем больше степень предварительной релаксации упругих напряжений, тем слабее развитие дислокаций после эпитаксии.

Процесс возникновения дислокаций несоответствия во многом определяется толщиной эпитаксиальной пленки. В начальный момент роста, когда толщина пленки меньше некоторого критического значения, то есть пленка когерентна с подложкой и находится в состоянии однородной деформации, дислокации несоответствия не образуются. Так, для эпитаксиального слоя, сильно легированного бором, эта критическая толщина составляет 2, 4-2, 9 мкм. При этом, чем сильнее различаются модули сдвига и параметры решетки, пленки и подложки, тем меньше критическая толщина эпитаксиального слоя.

Возникновение дефектов упаковки в эпитаксиальных слоях вызывается главным образом структурными дефектами или механическими повреждениями поверхности подложки, наличием на ней посторонних примесей или локальными напряжениями, возникающими в процессе роста. Так, в случае, когда подложка перед эпитаксией проходила лишь механическую обработку, концентрация дефектов упаковки достигает 10⁷, в то же время проведение предварительного отжига в водороде (травления поверхности подложки в HCl) позволяет понизить их плотность до 10².

В настоящее время существует несколько предположений о причинах возникновения дефектов упаковок. Так, в некоторых исследованиях высказывается предположение, что основной причиной возникновения дефектов упаковок является расщепление дислокаций и наличие примесей (кислорода) на поверхности раздела. Однако, по-видимому, образованию дефектов упаковки в значительной степени способствует наличие на подложках локальных областей сегрегации примесей, линий скольжений и микроцарапин. На необходимость учета данных факторов указывают также исследования структурных дефектов в эпитаксиальных слоях германия и арсенида галлия.

Таким образом, одной из главных причин образования структурных дефектов в эпитаксиальных слоях является наличие на поверхности исходных подложек локальных механических повреждений, возникающих в процессе подготовки планарной поверхности полупроводниковых пластин.

Наличие структурных дефектов в эпитаксиальных слоях оказывает существенное влияние на электрические и физические параметры ИМС. Так, при сравнении расположения на пластике бракованных приборов или приборов с ухудшенными характеристиками, с рентгеновскими голограммами таких пластин было установлено, что такие приборы находятся, в основном, в области с линией скольжения. При этом приборы с наиболее высокими уровнями обратных токов и низкими значениями пробивных напряжений располагаются, как правило, в области с большим числом пересечений линий скольжения. Сравнение обратных токов для приборов, находящихся в деформированной области, с приборами, расположенными в области свободной от линий скольжения, показывает, что деформированной области приборы имеют токи утечки на 2-3 порядка выше. Было также установлено, что в таких приборах имеет место аномальная связь между эмиттером и коллектором (ток коллектор-эмиттер больше, чем коллектор-база). Причиной данных явлений является ускоренная диффузия легирующей или посторонней, примесей при проведении «эпитаксиальной» диффузии в условиях наличия и распространения линий скольжения. Подтверждением наличия ускоренной диффузии по дефектам является исследование коэффициента диффузии сурьмы и фосфора при 1000°С, которое показало, что в эпитаксиальных слоях он в 10-15 раз больше, чем в объемных образцах кремния.

Исследование диффузии сурьмы по дефектам упаковки эпитаксиального кремния в интервале температур 950-1200°С показало наличие ускоренной диффузии по дефектам упаковки, что обусловлено тем, что диффузия осуществляется по границе «дефект – объем эпитаксиального слоя».

Другой причиной ускоренной диффузии является генерация точечных дефектов за счет движения порогов, образующихся при пересечении дислокации. Хотя существует вывод о том, что число дислокаций, пересекающих активную область ИМС, определяет величины обратных токов, однако годные приборы и в области сильно развитого скольжения.

Это означает, что не все дефекты, а только их часть проявляют электрическую активность и влияют на электрические параметры приборов, Наличие аномально высокой диффузии в области со структурными дефектами нередко приводит к пониженной толщине базы из-за неравномерности фронта диффузии эмиттерной примеси, что приводит к увеличению выделяемой мощности в этих областях. Это, в свою очередь, вызывает появление «горячих точек» в области эмиттера, температура которых на 100-200°С выше температуры на остальной части эмиттера. Следовательно, появление вторичного пробоя, заключающегося в резком уменьшении напряжения между эмиттером и коллектором с одновременным ростом коллекторного тока.

Если транзистор находится достаточно долго (порядка 1 мс) в состоянии вторичного пробоя, то происходит расплавление эмиттерной и базовой металлизации, проплавление сквозь базу, что вызывает короткое замыкание в цепях эмиттер-база.

Известно также нежелательное влияние дислокаций на пробой p-n перехода, заключающееся в образовании неравномерностей поля и снижении пробивных напряжений вследствие аномальных выбросов напряженностей поля в районе скопления дислокационных дефектов. Это приводит к тому, что пробивное напряжение p-n перехода на практике, как правило, ниже теоретического, но наиболее сложные по своей структуре дефекты образуются при взаимодействии их друг с другом и примесями. Так дислокации могут действовать как центры осаждения инородных атомов и примесей, которые присутствуют в решетке кремния. Это связано с тем, что движение примеси в дислокациях происходит за счет действия поля напряжения, имеющегося вокруг дислокации. В результате чего наблюдается уменьшение деформации решетки вокруг дислокации.

С помощью методов сканирующей электронной микроскопии и электронного зондового микроанализа было показано, что электрически активные дислокации связаны с наличием на них примесей в форме сульфидов меди и железа, так и самих ионов меди и железа.

Количество примеси на дислокациях зависит от поля деформации дислокаций, а также от типов дислокаций, размерного и модульного эффектов взаимодействия атомов примеси и дислокаций. В любом случае, концентрация точечных дефектов, в частности примесей, в области дислокаций будет выше, чем вдали от нее.

Если концентрация примесей на дислокациях при термообработке превышает равновесную, то происходит образование преципитатов (выделение из твердого тела примесей превышающих предел растворимости для заданной температуры). Так исследование обратного напряжения между коллектором и базой при токе через p-n переход 1 мкм показало, что если до отжига напряжение коллектор-база больше 45 В, то после отжига напряжение коллектор-база составляет 5-20 В. И установлено, что уменьшение напряжения после отжига вызвано образованием проводящих шунтов за счет осаждения ионов железа и меди на дефектах кристаллической решетки, замыкающих базовый слой p-типа с коллекторным слоем n-типа. В некоторых случаях такие шунты могут соединять даже эмиттер с коллектором и переходить в проводящее состояние при напряжениях коллектор-база и коллектор-эмиттер не более 3-5 В.

Количество же выделенных примесей растет с температурой термообработки, что приводит к увеличению размеров шунта и уменьшению напряжения коллектор-база.

Электрическая же активность дефектов упаковки обусловлена в основном наличием вершинных дислокаций, связанных с присутствием дефектов упаковки. Причем их активность зависит от количества преципитатов, образующихся па этих дислокациях.

Электрическая активность того или иного дефекта зависит от его расположения по отношению к активный областям ИМС или от того, пересекает или нет этот дефект область обеднения (область, обедненная основными электрическими носителями). В закрытом состоянии область обеднения широкая, а в открытом - узкая (в транзисторе).

При этом различие в технологических особенностях изготовления ИМС и их функционального назначения будет приводить к тому, что наличие однотипных дефектов в разных приборах будет неодинаковым. Таким образом, электрическая активность дефектов определяется:

1) типом дефекта

2) размером поля деформации

3) взаимодействием дефектов друг с другом и примесью

4) расположение дефекта по отношению к активной области ИМС

5) типом ИМС и технологическими особенностями их изготовления.

Следует отметить, что одним из основных путей улучшения параметров ИМС является уменьшение плотности дефектов в исходной подложке и подавление их генерации в процессе изготовления ИМ. Возможности этого не исчерпаны. В настоящее время он представляется достаточно перспективным, особенно в связи с использованием для этих целей лазерного излучения. Так, исследование возможности использования для очистки поверхности кремниевых пластин излучения рубинового лазера показало их высокую эффективность. Такая обработка позволяет сильно снизить концентрацию О₂ и С на поверхности пластины. Так, после лазерной обработки пятью лазерными импульсами интенсивность сигналов О₂ и Св спектре также оже-электронов оказывается на уровне фона. При этом происходит также совершенствование структуры поверхностного слоя.

Таким образом, необходимы дальнейшие исследования для изучения возможности использования лазерной обработки поверхности исходных кремниевых пластин с целью уменьшения структурных дефектов, образование которых связано с совершенством структуры поверхностного слоя. Решение данной проблемы позволит значительно улучшить параметры создаваемых ИМС, а также даст возможность создавать тонкие эпитаксиальные слои с низкой плотностью структурных дефектов, что весьма важно для создания сверхбольших и сверхскоростных ИМС.