Самостійна робота 15

Особливості виготовлення інтегральних мікросхем

Технології виготовлення ІМС

Технологія виготовлення ІМС базується на виконанні складних фізично-хімічних процесів: нанесення на пластину тонких плівок з різних матеріалів та дифузії атомів домішок в напівпровідник. Для цього застосовують масковий метод, метод фотолітографії, електронно-променеву, ультразвукову обробку, епітаксіальну дифузію, іонну імплантацію тощо.

За технологією виготовлення ІМС розділяють на:

• напівпровідникові (НПІМС);

• плівкові (ПІМС);

• гібридні (ГІМС).

В напівпровідниковій ІМС всі елементи виготовляють в об'ємі напівпровідникового кристалу, а міжз'єднання – на його поверхні.

В плівковій ІМС всі елементи і міжз'єднання виконують в виді плівок на поверхні діелектричної пластини.

Комбінація двох методів виготовлення напівпровідникової і плівкової ІМС призвела до появи гібридної ІМС (ГІМС), де застосовують плівкові пасивні елементи (R, L, С) та активні мініатюрні безкорпусні компоненти - транзистори й діоди.

ІМС виготовляють на пластині напівпровідника (для напівпровідникової ІМС) або на діелектричній пластині (для плівкової і гібридної ІМС).

Перевагою ГІМС є більш великий процент виходу пригодних ІМС (60…80 % відносно 5…30 % НП ІМС).

Проте, головне місце в мікроелектроніці займають напівпровідникові ІМС. Вони забезпечують найбільшу щільність упаковки, мають невелику вартість, більш технологічні і економічні, мають широкі функціональні можливості.

Технологію виробництва напівпровідникових ІМС основано на дифузійному або іонному легуванні напівпровідникових (силіцієвих) пластин для утворення областей різного типа електропроводності, між якими розміщується р-n перехід. Якщо розглядати пластину НП ІМС мікроскопом, то зверху видно тільки верхній шар структури - шар з'єднань і контактних площадок та діелектричний шар SіO₂, який захищає поверхню кристалу.

Застосовують два різновида напівпровідникових ІМС - біполярні та польові ІМС.

Основою біполярних ІМС є структура п-р-п біполярного транзистора, основою польових ІМС - структури р- та п- канальних МДН - транзисторів.

Недоліком напівпровідникових ІМС є неможливість виготовляти індуктивності.

Формування структури ГІМС здійснюють нанесенням плівок різних матеріалів, які відповідають етапам технологічного процесу її виготовлення. Гібридні ІМС зручні для застосування в прецезійних та потужних ІМС і дозволяють виготовляти індуктивності.

Самостійна робота 16

Формування контактів напівпровідників

Формування контакту напівпровідник – напівпровідник

Всі електричні контакти можна розділити на три основні групи: омічні, нелінійні і інжектуючі. У залежності від призначення контакту до нього пред'являються різні вимоги. Так, омічний контакт повинний мати дуже малий перехідний опір, не спотворювати форму переданого сигналу, не створювати шумів, мати лінійну вольт - амперну характеристику. Подібні контакти необхідні для з'єднання елементів схеми один з одним, із джерелами харчування і т.д.

Нелінійні контакти використовуються для перетворення електричних сигналів (випрямлення, детектування, генерування і т. д.). Вони мають різко нелінійну вольт - амперну характеристику, форма якої визначається конкретним призначенням відповідного приладу. Інжектуючі контакти мають здатність направляти носії зарядів тільки в одну сторону. Цей тип контактів широко використовується в напівпровідникових приладах, наприклад, у біполярних транзисторах.

Найбільше поширення в напівпровідниковій техніці і мікроелектроніці одержали контакти типу напівпровідник — напівпровідник, а фізичні явища, що відбуваються в зоні цих контактів, лежать в основі роботи більшості напівпровідникових приладів.

Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна із яких має електропровідність n - типа, а інша р – типа, називають електронно – дірковим, чи р-n переходом (рисунок 1).

Рисунок 1 – Електронно – дірковий перехід

Електронно – дірковий перехід не можна створити простим дотиканням пластин n- і р - типа, тому що при цьому неминучий проміжний шар повітря, окислів чи поверхневих забруднень. Ці переходи одержують вплавленням чи дифузією відповідних домішок у пластинки монокристала напівпровідника, а також шляхом вирощування р-n переходу з розплаву напівпровідника з регульованою кількістю домішок. У залежності від способу виготовлення р-n переходи бувають сплавними, дифузійними та інші.

Розглянемо явища, що виникають при електричному контакті між напівпровідниками n- і р - типа з однаковою концентрацією донорних і акцепторних домішок (рисунок 2, а). Допустимо, що на межі розділу (перетин х0) тип домішок різко змінюється (рисунок 2, б).

Рисунок 2 – Формування p–n переходу і потоки носіїв заряду (а); розподілення концентрації донорів і акцепторів (б); розподілення концентрації електронів і дірок (в).

Існування електронно – діркового переходу обумовлено відмінностями в концентрації рухливих носіїв заряду електронної і діркової областей. В електронній частині напівпровідника концентрація електронів n_n = N_д, а концентрація дірок  . В дірковій частині p_p = N_a > p_n,  .

Внаслідок того що концентрація електронів в n- області вище, ніж в р- області, а концентрація дірок в р- області вище, ніж в n- області, на границі цих областей існує градієнт концентрацій носіїв, що викликає дифузійний струм електронів з n- області в р- область (потік 1 на рисунок 2, а) і дифузійний струм дірок з р- області в n- область (потік 2 на рисунок 2, а). Крім струму, обумовленого рухом основних носіїв заряду, через границю розділу напівпровідників можливий струм неосновних носіїв (електронів з р- області в n- область і дірок з n- області в р- область). Потоки неосновних носіїв на рисунку 2, а позначені відповідно 3 і 4. Внаслідок істотного розходження в концентраціях основних і неосновних носіїв струм, обумовлений основними носіями заряду, буде переважати над струмом неосновних носіїв. Якби електрони і дірки були нейтральними, то дифузія в остаточному підсумку привела до повного вирівнювання їхньої концентрації по всьому об'єму кристала. Насправді ж дифузійні струми через р-n перехід не приводить до вирівнювання концентрації носіїв в обох частинах напівпровідника. З рисунку 2, в видно, що відхід електронів із приконтактної n- області приводить до того, що їхня концентрація (n_n) тут зменшується і виникає не скомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки. Точно так само в р- області унаслідок відходу дірок їхня концентрацій (р_р) у приконтактному шарі знижується (рисунок 2, в) і тут виникає не скомпенсований негативний заряд іонів акцепторної домішки. Таким чином, на границі областей n- і р - типа утворяться два шари протилежних за знаком зарядів. Область просторових зарядів, що утворилися, являє собою р-n перехід. Його ширина (Δ = х_р - х_n) звичайно не перевищує десятих часток мікрометра.

Просторові заряди в переході утворюють електричне поле, спрямоване від позитивно заряджених іонів донорів до негативно заряджених іонів акцепторів. Схема утворення електричного поля в р-n переході показана на рисунку 3, а і б. Це поле є гальмуючим для основних носіїв заряду і прискорюючим для неосновних. Тепер будь-який електрон, що проходить з електронної області в діркову, попадає в електричне поле, що прагне повернути його назад в електронну область. Точно так само і дірки, потрапляючи з області р в електричне поле р-n переходу, будуть повернуті цим полем назад у р-область.

Рисунок 3- Утворення електричного поля і контактної різниці потенціалів в р-n переході: а – розподілення електричних зарядів; б – напрямок електричного поля; в – розподілення напруженості поля Е; г – потенціальна діаграма.

Що ж стосується неосновних носіїв заряду, то вони, роблячи хаотичний тепловий рух (дрейфуючи), можуть потрапити в зону р-n переходу. У цьому випадку поле переходу, що прискорює, виштовхне їх за межі переходу.

На рисунку 3, в показаний розподіл напруженості поля і в р-n переході. Найбільша величина напруженості Е спостерігається в перетині х0, оскільки через цей перетин проходять усі силові лінії, що починаються на позитивних зарядах, розташованих лівіше x0. В міру відділення від х0 вліво кількість не скомпенсованих позитивних зарядів буде зменшуватися, значить, і напруженість поля буде зменшуватися. Аналогічна картина спостерігається і при відділенні вправо від перетину х0. Якщо вважати, що поле створюється тільки зарядами донорів і акцепторів, то зменшення напруженості відбувається по лінійному закону.

Потенційна діаграма р-n переходу показана на рисунку 3,г. За нульовий потенціал умовно прийнятий потенціал шару х0. При переміщенні від х0 до перетину хп потенціал підвищується, а при переміщенні від х0 до хр — знижується. За межами переходу поле відсутнє і φ(х) = const. Перепад потенціалу в переході дорівнює контактній різниці потенціалів UК. Цей перепад звичайно називають потенційним бар'єром, тому що він перешкоджає переміщенню основних носіїв заряду.

Слід зазначити, що при кімнатній температурі деяка кількість основних носіїв зарядів у кожній з областей напівпровідника має енергію, достатню для подолання потенційного бар'єра. Це приводить до того, що через р-n перехід дифундує незначна кількість електронів і дірок, утворюючи відповідно електронну (J_{n диф}) і діркову (J_{р диф}) складові дифузійного струму. Крім того, через p-n перехід безперешкодно проходять неосновні носії заряду (тобто дірки з n- області й електрони з р- області), для яких електричне поле р-n переходу що прискорюючим. Ці заряди утворюють відповідно електронну (J_{n др}) і діркову (J_{р др}) складові дрейфового струму. Напрямок дрейфового струму неосновних носіїв протилежно напрямку дифузійного струму основних носіїв. Оскільки в ізольованому напівпровіднику щільність струму повинна дорівнювати нулю, то зрештою встановлюється динамічна рівновага, коли дифузійний і дрейфовий потоки зарядів через р-n перехід компенсують один одного, тобто

J_{n диф} – J_{n др} + J_{р диф} – J_{р др} = 0, (1)