Системы критериев оценки качества полупроводниковых материалов и
структур
Для оценки качества полупроводниковых материалов и структур, как и любого другого вида продукции, применяется совокупность тех или иных критериев и методик, т.е. определенная система. От полноты этой системы и значимости входящих в неё критериев по существу зависит конечный результат, а именно – показатели качества, технологичности и функционирования изготовляемых на их основе приборов и ИС.
Вся история и практика полупроводникового материаловедения, а также сложившиеся в ней тенденции, свидетельствуют о том, что представление о кристаллах высокого качества основывается на одновременном достижении заданных значений электрофизических значений, электрофизических параметров, степени структурного совершенства, геометрических размеров и формы. При решении такой триединой задачи приходится учитывать, что эти параметры не являются независимыми, т.е. они по-разному зависят от условий изготовления кристаллов и структур. Например, получение цилиндрических кристаллов с минимальной степенью огранки требует радиальных температурных градиентов, что ухудшает дислокационную структуру и однородность распределения примеси. Поэтому приходиться, по существу, искать оптимальное значение технологических факторов, обеспечивающих наиболее подходящее (не всегда наилучшие) значения параметров качества.
Следовательно, система критериев оценки качества полупроводниковых материалов и структур, включающая в себя электрофизические, структурные геометрические (а иногда и механические) параметры, может быть принята лишь в качестве базовой, обеспечивающей первое приближение к некоей системе критериев, обладающей абсолютной (в идеале) полнотой.
Иными словами, получение кристаллов и структур, удовлетворяющих требованиям базовой системы, есть необходимое, но далеко не достаточное условие гарантированного высокого уровня показателей качества и технологичности приборов.
Схематически такой подход представлен на рис. 4.1.
Имеющийся богатый подход по установлению корреляции между параметрами полупроводниковых материалов и приборов позволяет утверждать, что вероятно вторым приближением должна быть система критериев, включающая в себя некие "малые", т.е. специфичные для каждого вида полупроводниковых приборов и ИС, параметры.
Иногда, чтобы предлагать поведение материала в приборе, строят упрощённую, но работоспособную (по основным показателям) модель этого прибора и определяют, в конечном итоге, пригодность испытуемого материала. Достоинством такого "тестового" подхода является экспрессность и интегральность, но он не всегда желателен по экономичным соображениям, так как является разрушающим. Однако эта система уже ближе к n-му приближению и, возможно, когда такое тестирование приобретёт характер виртуального математического моделирования с использованием ЭВМ, оптимальная система критериев оценки качества будет почти достигнутым.
4.6 Адаптационный подход к управлению качеством полупроводников
Неполнота базовой системы критериев оценки качества полупроводников проявляется в том, что кристаллы и структуры, полученные в одинаковых условиях и имеющие нормативные значения выходных параметров, в общем случае могут достаточно сильно отличаться по проценту выхода в годные приборы.
С другой стороны, имеются веские основания считать, что улучшение очистки и степени совершенства структуры полупроводниковых материалов иногда даже приводит к отрицательным последствиям.
Здесь уместно вспомнить несколько классических примеров из истории германия, который был первым технически освоенным полупроводником и как модельный материал не утратил своего значения и поныне.
Известно, что первые германиевые транзисторы отличались большой температурной нестабильностью стабильностью параметров. Это легко объясняется тем, что стремление использовать, как можно более чистый германий предопределяло преобладание собственной проводимости.
Как только стали применять легированный германий, термостабильность параметров транзистора существенно улучшилась ввиду доминирования примесной составляющей проводимости, энергия активации которой значительно меньше собственной.
Примеси являются дефектами кристаллического строения, поэтому данный пример можно трактовать как преднамеренную "порчу" исходного германия с целью его приспособления к специфике прибора.
Похожая ситуация возникла, когда научились получать бездислокационный германий и из самых общих соображений ожидали определённого улучшения показателей качества и технологичности приборов. Однако, оказалось, что при изготовлении электронно-дырочных переходов по сплавной и диффузионно-сплавной технологии резко ухудшилась смачиваемость поверхности германия электродными сплавами, более выраженной стала неоднородность фронта вплавления, произошло "смягчение" вольтамперных характеристик и проч. со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями.
Сейчас "полезная" в ряде случаев роль дислокаций стала более понятной и общепризнанной. Дело в том, что бездислокационные кристаллы германия и кремния всегда перенасыщены вакансиями и микродефектами, которые в свою очередь могут отрицательно влиять на параметры прибора. К тому же, дислокации действуют как геттеризующие центры, "отсасывая" на себя подвижные фоновые примеси и тем самым повышая эффективную глубину очистки материала.
Общеизвестно также, что в целом примесь кислорода в германии и кремнии является нежелательной, так как её присутствие в большинстве случаев ухудшает характеристики приборов. Опыты по использованию малокислородного германия в сплавах среднемощных и конверсионных германиевых транзисторах показали, что такой материал больше склонен к хрупкому расширению и даёт отрицательный результат в приборах (ухудшение вольтамперных характеристик, теплоустойчивости и основных параметров, радиационной стойкости и проч.). Было показано, что для каждого типа прибора существует своя оптимальная концентрация кислорода, при которой показатели его качества и технологичности являются лучшими, поэтому иногда следует даже специально "подлегировать" материал кислородом. Механизм действия кислорода заключается в том, что он в силу своего высокого сродства к быстродиффундирующим фоновым примесям, наиболее опасной из которых для германия является медь, связывает эти примеси в нейтральные комплексы, блокируя их проникновение в активную область электронно-дырочного перехода. При концентрации кислорода меньше оптимальной, отрицательную роль играет избыток этих фоновых примесей.
Приведенные примеры лишь иллюстрируют сложившиеся в современном полупроводниковом приборостроении мнение о необходимости контроля исходных полупроводниковых материалов по неким дополнительным к базовой системе оценки качества параметрам (которые иногда называют "малыми") с целью учёта возможного влияния фона дефектов и примесей, неизбежно вносимого самим технологическим процессом изготовления приборов и микросхем. Недооценка последствий взаимодействия, с одной стороны, и дефектов структуры и примесей "приборного" происхождения, с другой стороны, может привести к тому, что более быстрый или более совершенный в структурном отношении материал даст худшие результаты в приборах.
Обобщая, можно утверждать, что исходный материал должен содержать вполне определённое количество известных дефектов, участие которых в комплексообразовании с дефектами, создающими и приборы и условия функционирования прибора.
Иными словами, материал следует приспособлять, адаптировать к специфике прибора.
Пусть Wм – выход материала с заданными параметрами, а Wмт – его теоретически возможное максимальное значение. В условиях полной адаптации материала к производству приборов должно соблюдаться условие:
Wм= Wмт=Wпт, (4.9)
где Wп – доля использования материала в приборах реальных условиях, которая всегда меньше теоретически ожидаемой величины Wпт. Это объясняется, главным образом, двумя причинами: объёмным несовершенством исходного материала и несоответствием его геометрической формы и размеров требования конструкции прибора. Вводя в рассмотрение коэффициент реализации выхода технологического процесса получения материала
r= Wм /Wмт1 и коэффициент адаптации A=Wп/Wпт1, нетрудно сформулировать принцип оптимизации качественных параметров материала с учётом особенностей конструкции и технологичности изготовления приборов
(4.10)
Адаптационный подход позволяет реализовывать второе приближение к конечной цели, т.е. к получению приборов с оптимальными показателями качества и технологичности.
Получение высокочистого, структурного совершенного и однородного материала рассматривается как обязательный исходный этап в общей технологической цепи, поскольку все последующие адаптационные процессы должны осуществляться на фоне известного и контролируемого содержания дефектов и примесей. Таким образом, адаптационный подход не вступает в противоречие с традиционными классическими тенденциями управления качеством в материаловедении и приборостроении полупроводников.