РОЗДІЛ 2
ОБ'ЄКТИ, ПРИЛАДИ І
МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ
В даному розділі коротко описані методи, що були застосовані при дослідженнях радіаційних дефектів та властивостей шаруватих структур. Розглянуто питання виготовлення пристроїв, зразків та шаруватих структур на основі напівпровідників, які необхідні для проведення експериментальних досліджень. При цьому використані можливості традиційних технологій та стандартного заводського обладнання [80,81].
Основою більшості напівпровідникових і мікроелектронних приладів є комбінація монокристалу напівпровідника, шари якого мають різні електрофізичні характеристики, з шарами діелектрику і металу.
Процеси радіаційного дефектоутворення в шаруватих структурах відрізняються від процесів у однорідному напівпровіднику. Це пов'язано з різницею у розподілі домішок, структурних дефектах, полях механічних напружень, а також у різниці динамічних умов теплообміну при впливі іонізуючого випромінювання [83, 84].
Особливу зацікавленість викликають шаруваті структури напівпровідників на основі кремнію, який як у наш час, так і у найближчі десятиліття, буде найбільш поширеним матеріалом напівпровідникової техніки і мікроелектроніки.
Водночас кремній - типовий напівпровідник, в якому фізичні явища при їх поглибленому вивченні, систематизації і узагальненні виявляються корисними при дослідженні подібних явищ в інших напівпровідниках, таких, як германій та сполуки типу A3B5, A2B6 та інші.
Найбільш поширеними структурами на основі кремнію є діодні та транзисторні. Вони не тільки використовуються окремо, але і служать основою інтегральних мікросхем, і в першу чергу схем транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ), які застосовуються у системах автоматики, обчислювальної, ракетної і космічної техніки.
З іншого боку, найбільш чутливі до впливу радіації кремнієві прилади і мікросхеми, що ґрунтуються на польовому ефекті, в яких межа окисел-напівпровідник служить основною робочою областю. Ця межа є ефективним стоком для радіаційних (і нерадіаційних) дефектів і визначає радіаційну стійкість структури.
Оскільки в цій роботі досліджуються процеси радіаційного дефектоутворення і взаємодії радіаційних дефектів з початковими дефектами в основному кремнію, то за об'єкт дослідження поряд зі структурами метал-напівпровідник, метал-діелектрик, електронно-дірчатий (пробійний) перехід обрано:
- біполярні планарні транзисторні n-p-n структури на основі монокристалічного бездислокаційного кремнію, виготовленого методом Чохральського; питомий опір ? = 4,5 Ом?см, концентрація кисню
см-3;
- біполярні планарні транзисторні n-p-n структури на основі епітаксіально вирощених плівок кремнію 15КЕФ 4,0/40 КЕС 0,01, вміст кисню в плівці КЕФ см-3; - уніполярні інтегральні МОН (метал - окисел- напівпровідник) структури на основі бездислокаційного монокристалічного кремнію з питомим опором 4,5 Ом?см, вміст кисню см-3;
- біполярні інтегральні структурі ТТЛ з ізоляцією елементів окислом на основі бездислокаційного монокристалічного кремнію, виготовленого за методом Чохральського: ? = 0,35 Ом?см, щільність дислокацій близько
103 см-2, см-3;
Транзисторні біполярні структури і структури ІС ТТЛ на відміну від МОН ІС чутливі не тільки до поверхневих і приповерхневих пошкоджень, але і до радіаційних пошкоджень об'єму напівпровідника.
2.1. Технологічні питання
2.1.1. Механічна і хімічна обробка злитків
і пластин кремнію
Злитки кремнію, які були вирощені методом Чохральського, орієнтувалися з точністю ?300 на рентгенівському дифрактометрі "Дрон-2". Пластини зі злитку вирізалися перпендикулярно кристалографічному напрямку (ІІІ) на станку "Алмаз - 6". Товщина пластинки 510 ? 20 мкм.
Після розрізки пластини шліфували зв'язаним абразивом, потім полірували алмазною пастою АСМ 3/2. Клас чистоти поверхні кремнію після обробки --12. Далі робочий бік пластини полірували алмазною пастою АСМ 1/0. Порушений шар після обробки не перевищував 4 - 6 мкм.
Видалення порушеного шару з поверхні пластини проводили хіміко-механічною поліровкою на основі суспензії аеросила (дрібнодисперсний кварцевий порошок) і етилендіаміну. РН полірувального розчину в межах
10 - 11 одиниць, швидкість видалення складала 4 - 5 мкм/год. Товщина видаленого шару 6 - 10 мкм.
Оцінка якості пластин проводилася за наявністю на поверхні зникаючих і незникаючих рисок алмазного фону після хімічної обробки за допомогою травника Сіртла [81] (100 мл Н2О - 100 мл HF + 50 мл Cr2J3). Травлення тривало 15 - 20 с.
Одержані пластини мали дзеркальну поверхню 14 класу чистоти.
2.1.2. Кремнієві планарні транзисторні структури
Геометрія структур наведена на рис. 2.1. Перед проведенням термічних операцій кремнієві епітаксиальні структури 15 КЕФ4, 0/40 КЕС 0,01 оброблялися кипятінням 5 хв у розчині № 1 (4 ч Н2О + 1 ч Н2ОН + 1 ч Н2О2) і розчині № 2 (4 ч Н2О + 1 ч НСl + 1 ч Н2О2).
Якість обробки оцінювалась за кількістю точок, що світилися (їх не повинно бути більше 5 у полі зору мікроскопу при збільшенні х270). Потім
Рис. 2.1 Геометрія кремнієвих транзисторних структур:
1 - емітер; 2 - база; 3 - колектор.
проводили окислення зразка у печі СДО 125/4 при Т = 1200 ?30С і витраті кисню 60 л/год (точка роси становила 700С) за схемою: "сухий" - "вологий" - "сухий" кисень. Температура бідистильованої води в барбатері 980С. Часовий режим: 601 - 601 - 601. Товщина вирощеного SiO2 була 0,6 мкм.
В подальшому цей шар SiO2 служив маскою при дифузії бору.
Після створення окисної маскувальної плівки проводилась фотолітографія для дифузії бору (базова область транзисторної структури). Фотолітографія проводилась за стандартною технологією по лінії фотолітографії "Таран 3М". Фоторезист - позитивний, типу РН-7. В місцях майбутньої бази фоторезист стравлювався, оголюючи окисел SiO2, який теж стравлювався у спеціальних травниках для чистого кремнію. Після фотолітографії зразки оброблялися у розчинах № 1 та № 2 за вказа