1.4.3 Технологические методы изготовления переходов разных типов

Широко распространены следующие технологические методы получения переходов [3]:

- формовка;

- вплавление (сплавление);

- электрохимический;

- диффузия;

- эпитаксия;

- ионное легирование;

- вакуумное напыление;

- оксидное маскирование;

- фотолитография;

- травление.

Метод формовки состоит в том, что тонкую заостренную проволочку (иглу), с нанесенной на нее примесью приваривают при помощи импульса тока к пластине полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундирует примесь, которая создает область с другим типом электропроводности. Образуется миниатюрный, малой площади точечный n-p переход полусферической формы.

Вплавление (сплавление) – это технологический процесс, который состоит в том, что в пластину полупроводника вплавляют металл или сплав металла, содержащий примеси, т.е. вплавляют примесный материал (таблетку примеси). Затем систему нагревают до температуры, при которой примесь расплавиться и начнется частичное растворение материала полупроводника в примесном материале. После охлаждения в полупроводнике образуется область с электропроводностью требуемого типа. Сплавные p-n переходы имеют высокую надежность, работают при больших обратных напряжениях, имеют малое собственное сопротивление p и n областей, что при прямом смещении p-n перехода обеспечивается малое падение напряжения на них.

Сущность электрохимического метода состоит в электрохимическом осаждении металла на поверхность полупроводника. В результате реакции образуется контакт металл-полупроводник, свойства которого зависят от физических характеристик материалов.

Применяют также комбинирование электрохимического осаждения и сплавления. Для этого полупроводник, в лунках которого произведено осаждение металла примеси нагревают до температуры, необходимой для вплавления последнего в полупроводник. Такую технологию создания p-n переходов называют микросплавной.

Диффузия это процесс с помощью которого на поверхности или внутри пластины полупроводника получают p- или n-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, определенной коэффициентом диффузии, то наибольшая концентрация примесей наблюдается у поверхности полупроводника. С увеличением расстояния от поверхности вглубь полупроводника концентрация примесей монотонно убывает.

Переход p-n возникает в области, где концентрация носителей заряда близка к той, которая имеется у материалов 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 используется 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, содержащею 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 электропроводимости. 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 ⁰С изменение ее на несколько градусов может в два раза изменить коэффициент диффузии.

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, растлением в газовом промежутке. Изменяя тип примеси и условия выращивания можно в широких пределах изменить 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.

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

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 8Ю₂- Это объясняется тем, что скорость диффузии примесей, является диоксид кремния. В диоксиде кремния диффузия примесей 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 фоторезистом (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 фото­резиста, оказавшиеся освещенными, будут задублены, а с не­освещенных (незадубленных) участков фоторезист удаляют специальным составом.

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