§ 2.5. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Рассмотрим некоторые технологические процессы, применяемые при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Сплавление полупроводника с металлами или их сплавами — это технологический процесс, который состоит в том, что в пластину полупроводника вплавляют металл или сплав металла, содержащий примеси, необходимые для образования зоны с электропроводностью требуемого типа. Для сплавления полупроводника с металлами на пластину полупроводника помещают таблетку примеси. Затем систему нагревают до температуры, при которой примесь расплавится и начнется частичное растворение материала полупроводника в примесном материале. После охлаждения в полупроводнике образуется область с электропроводностью требуемого типа.

Сплавные -переходы относятся к числу резких (ступенчатых). Они имеют высокую надежность, работоспособность при больших обратных напряжениях, малое собственное сопротивление -областей, что при прямом смещении -перехода обеспечивает малое падение напряжения на них. Этот технологический процесс широко применяют при массовом изготовлении сплавных диодов и транзисторов.

Электрохимические методы получения -переходов применяют, когда необходимы малые расстояния между и -областями (например, в транзисторе можно получать расстояние между эмиттером и коллектором порядка 3—4 мкм). Сущность метода состоит в электрохимическом осаждении металла на поверхность полупроводника. В результате реакции образуется контакт металл — полупроводник, свойства которого зависят от физических характеристик материалов.

В редких случаях применяют комбинирование электрохимического осаждения и сплавления. Для этого полупроводник, в лунках которого произведено осаждение металла, нагревают до температуры, необходимой для вплавления последнего в полупроводник. Такую технологию создания -переходов называют микросплавной.

-переходы, полученные электрохимическим осаждением и сплавлением, обычно используют при производстве высокочастотных полупроводниковых приборов.

Диффузия — это процесс, с помощью которого на поверхности или внутри пластины полупроводника получают или -области путем введения акцепторных или донорных примесей. Проникновение примесей внутрь пластины полупроводника происходит за счет диффузии атомов, находящихся в составе паров, в атмосферу которых помещена нагретая до высокой температуры полупроводниковая пластина.

Так как атомы примеси диффундируют из области высокой концентрации со скоростью, определяемой коэффициентом диффузии, то наибольшая концентрация примесей наблюдается у поверхности полупроводника. С увеличением расстояния от поверхности вглубь полупроводника концентрация примесей монотонно убывает.

Переход возникает в области, где концентрация носителей заряда близка к той, которая имеется у материала без примеси (при собственной электропроводности). Ввиду неравномерного распределения примеси по толщине в области, полученной диффузией, имеется собственное электрическое поле.

Разница в значениях коэффициентов диффузии у разных материалов использована для одновременного получения двух областей с разным типом электропроводности. Так, для германия коэффициент диффузии донорных примесей на несколько порядков выше коэффициента диффузии акцепторных примесей, а в кремнии наблюдается обратная картина.

Поэтому, если пластину полупроводника поместить в высокотемпературную среду газа, содержащего пары как донорных, так и акцепторных примесей, атомы примесей с большим коэффициентом диффузии проникнут глубже внутрь полупроводника и создадут область с соответствующей электропроводностью. Атомы примесей с меньшим коэффициентом диффузии образуют вблизи поверхности полупроводника область с противоположным типом электропроводности. При этом необходимо, чтобы концентрация примесей с малым коэффициентом диффузии была значительно больше концентрации примеси с большим коэффициентом диффузии. Качество процесса диффузионного получения переходов во многом зависит от точности поддержания требуемой температуры. Например, при температуре 1000—1200 С изменение ее на несколько градусов может в два раза изменить коэффициент диффузии.

Двухстадийную (двухэтапную) диффузию применяют для уменьшения влияния изменения температуры на качество полупроводниковых приборов, получаемых методом диффузии. В первой стадии на поверхности полупроводниковой пластины при сравнительно низкой температуре получают стеклообразный слой, содержащий легирующие примеси. Во второй — полупроводниковую пластину помещают в печь с более высокой температурой, при которой диффузия примесей происходит из стеклообразного слоя в глубь пластины, а на поверхности полупроводника остается диэлектрическая пленка оксида. Двухстадийный процесс диффузии часто используют при введении примесей бора в кремний. В качестве источника примесей используется борный ангидрид . Нагревая пластину и борный ангидрид в атмосфере водорода, на поверхности ее получают слой боросиликатного стекла. Нагрев пластины до более высокой температуры обеспечивает диффузию бора из слоя стекла внутрь пластины. При этом поверхность оказывается покрытой оксидом , который является диэлектриком. Таким образом, при двухстадийной диффузии осуществляется дозированно введение примесей из стеклообразного слоя в полупроводник.

Эпитаксией называют процесс выращивания одного монокристалла на грани другого. Полупроводниковые эпитаксиальные пленки могут быть получены различными способами: термическим испарением в вакууме, осаждением из парообразной фазы, распылением в газовом промежутке. Изменяя тип примеси и условия выращивания можно в широких пределах изменять электрические свойства эпитаксиальной пленки. Следует отметить, что процесс эпитаксии при изготовлении полупроводниковых элементов может заменить процесс диффузии.

Ионное легирование сводится к бомбардировке в вакууме нагретой полупроводниковой пластины ионами примеси, ускоренными до определенной скорости.

Ионы, внедрившиеся в полупроводниковую пластину, играют роль донорных или акцепторных примесей. Это позволяет, не прибегая к процессу диффузии, получать зоны, имеющие определенный тип электропроводности. Такую технологию называют элионной.

В настоящее время в производстве полупроводниковых приборов используют ионную имплантацию — легирование примесями одного из изотопов бора. При этом для маскирования используют или тонкий слой алюминия, или толстый слой диоксида кремния.

Вакуумное напыление заключается в следующем. Напыляемый металл нагревают в вакууме до температуры испарения. Затем его осаждают на покрываемую поверхность, имеющую сравнительную низкую температуру. Для получения требуемого «рисунка» напыление производят через металлические маски, имеющие соответствующие прорези.

Катодное распыление применяют для осаждения тугоплавких соединений. Процесс основан на явлении разрушения катода при бомбардировке его ионизированными атомами разреженного газа. Инертный газ, например аргон, вводят в испарительную камеру под давлением Па. В системе создают тлеющий разряд. Ионы газа интенсивно бомбардируют катод, в результате чего его атомы приобретают необходимую энергию и вылетают с поверхности катода. Затем они попадают на полупроводниковые пластины и, оседая на них, покрывают полупроводник слоем металла.

Электролитические и химическое осаждение применяют при наличии электропроводной подложки из инертного по отношению к электролиту материала. На нее электролитическим или химическим путем осаждается пленка из водного раствора солей металлов (электролита).

Оксидное маскирование используют для того, чтобы обеспечить диффузию только в определенные участки пластины, а остальную поверхность защитить от проникновения атомов примеси. Хорошей маской, ограничивающей области, диффузии, является диоксид кремния . Это объясняется тем, что скорость диффузии примесей в диоксиде кремния значительно меньше, чем в чистом кремнии. Кроме того, диоксид кремния является хорошим диэлектриком. Поэтому окисление — неотъемлемый этап технологического процесса изготовления интегральных микросхем. Для получения оксида пластину нагревают до температуры 900—1200 С в атмосфере влажного кислорода. В полученной пленке оксида согласно схеме в последующем вытравливают окна. Этот процесс обычно применяют при изготовлении кремниевых интегральных микросхем.

Фотолитография — это процесс получения на поверхности пластины требуемого рисунка.

Поверхность полупроводника, маскированного оксидной пленкой, покрывают фоторезистором (светочувствительным слоем). Затем для обеспечения равномерности покрытия пластину помещают на центрифугу и сушат. После этого экспонируют поверхности ультрафиолетовым излучением через маску, на которой выполнен требуемый рисунок в виде прозрачных и непрозрачных участков. Участки фоторезистора, оказавшиеся освещенными, будут задублены, а с неосвещенных (незадубленных) участков фоторезист удаляют специальным составом.

Травление используют для того, чтобы с участков, не защищенных задубленным фоторезистором плавиковой кислотой, стравить диоксид кремния. В результате в оксидной пленке образуются окна, через которые и производится диффузия.