21. Транзисторы (биполярные и униполярные ). Назначение. Технология изготовления.

Основным прибором в микроэлектронике и основной структурой в микротехнологии является транзистор. Транзисторы используются для регулирования тока в цепи с помощью относительно небольшого тока или напряжения, приложенного в биполярных транзисторах к вспомогательному электроду- базе (Б) .

Биполярный транзистор состоит из двух включенных навстречу друг другу p-n переходов, разделенных общей тонкой областью Б. Внешние области коллектор (К) и эмиттер (Э) имеют одинаковый тип проводимости.

Полевой (униполярный) транзистор состоит из 2-х небольших высоколегированных областей одного типа проводимости, называемых истоком (И) и стоком (С). Область, прилегающая к поверхности подложки между И и С, называется каналом. Канал покрыт тонким слоем изолирующего материала (если окисла, то говорят о МОП-транзисторе, если другого диэлектрика – МДП-транзисторе), на который наносится металлический электрод- затвор (З).

Особенности производства полупроводниковых ИМС

Технология изготовления включает 3 группы процессов:

1.Заготовительные: а) получение монокристаллических пластин Si

б) изготовление отдельных деталей и узлов корпуса ИМС.

2. Обрабатывающие:

а) окисление Si

б) эпитаксия – наращивание монокристалла

в) диффузия – движение атомов в направлении уменьшения концентрации

г) ионная имплантация – внедрение примесей

д) вакуумная металлизация – ТВИ, ИПР

е) литография

3. Сборочно-монтажные процессы.

В зависимости от корпуса мс и других различных факторов число этих операций доходит до 200.

Общие характеристики полупроводникового процесса

Элементы

5гр 3гр

А том становится носителем заряда, если занимает место в узле кристаллической решетки Si, т.е. занимает вакансию. Плотность атомов Si 5∙10²² 1/см², а количество вакансий при комнатной температуре только 10⁷ 1/см³, т.е. одна вакансия на 10³ атомов. При t=900-1000 °C концентрация вакансий становится ~10²¹ 1/см³, т.е. одна вакансия на 50 атомов Si. Отсюда: отличительной особенностью процессов полупроводниковой технологии является то, что: 1) это высокотемпературные процессы; 2) все формируемые слои - монокристаллические; 3) все процессы многократно повторяющиеся.

22. Эпитаксия. Методы получения эпитаксиальных слоев.

Эпитаксия – процесс наращивания на монокристаллической полупроводниковой пластине атомов упорядоченных также в монокристаллическую структуру. Эта наращиваемая структура является продолжением ориентации атомов подложки. Ориентировано - выращенные слои нового вещества называются эпитаксиальными слоями. Основное достоинство техники эпитаксии состоит в возможности получения чистых пленок совершенной структуры. При этом сохраняется возможность регулирования концентрации примесей. Эпитаксиальный слой может иметь проводимость и n- типа и p- типа независимо от типа проводимости подложки.

На поверхности монокристаллической пластины в результате кислотного травления непрерывность кристаллической решетки нарушается.

Появляется избыток свободных связей. Этот избыток действует ориентирующим образом на атомы из газовой фазы. Распределение свободных связей в плоскости эпитаксиального роста зависит от кристаллического строения и ориентации плоскости пластины. Кристаллическая решетка Si это решетка типа «алмаза» и представляет собой гранецентрированный куб, внутри которого находятся 4 атома.

Характер связи тетраэдрический, т.е. каждый атом связан ковалентно с 4-мя соседними атомами ( а ≈ 0,5 мкм) Вероятность того, что атом наращиваемого слоя займет энергетически наивыгодное положение (в узле КР), возрастает с повышением подвижности атомов, т.е. повышением t°, а с другой стороны. эта вероятность д остаточно велика, если плотность адсорбируемых атомов не слишком велика, т.е. скорость роста эпитаксиального слоя должна быть не высокой. Совершенство структуры зависит от наличия дефектов кристаллической структуры. Существенный вклад в несовершенство структуры эпитаксиального слоя вносят дефекты структуры подложки: дислокации, дефекты упаковки атомов и др. По ГОСТу плотность дефектов должна быть . В эпитаксиальный слоях это величина не превышает . Таким образом, основными условиями, обеспечивающими совершенство эпитаксиальной структуры, являются следующие:

1. Подложка должна иметь max возможную t°, для обеспечения max подвижности атомов. Обычно .

2. Поверхность подложки должна быть без дефектов. Это обеспечивается тщательной механической обработкой: полированием, шлифовкой с последующим кислотным травлением и промывкой.

3. Химические реакции выделения атомов Si и атомов примеси должны быть гетерогенными, т.е. выделение должно происходить на пластине, а не в газовой фазе. Это необходимо, чтобы исключить образование агломератов атомов, т.е. чтобы каждый атом занимал свое место.

Методы получения эпитаксиальных слоев

В зависимости от исходного состояния рабочих материалов различают:

- газовую, жидкостную и твердофазную эпитаксию.

По типу химической реакции выделения Si используют метод восстановления Si и метод пиролитического разложения силана.

Для восстановления Si используется SiCl₄, SiBr₄. Эти реакции – обратимые. Если молекул SiCl₄ больше чем 0,4 от общего числа молекул в смеси газов, то идет реакция травления кремневой пластины. Поэтому их проводят в атмосфере водорода.

Реакция пиролитического разложения силана:

Особенность силана – воспламеняемость на воздухе. Поэтому силан в реакцию подается обогащенным (95% H₂ и 5% SiH₄). Для получения Si с заданным содержанием примеси используют в качестве источника донорных примесей фосфин РН₃ ,а акцепторных примесей – диборан В₂Н₆,

Схема установки для эпитаксиального наращивания кремния с вертикальным реактором

1– вертикальная реакционная камера с открытым выходом; 2– держатель подложек из графита, покрытого нитридом кремния Si₃N₄; 3-водяное охлаждение стенок камеры.

Держатель подложек подогревается индуктором или резистивным методом и с определенной скоростью вращается, чтобы все пластины были в одинаковых условиях.

Основные стадии реакции, протекающей на границе газовой и твердой фаз:

1. Перенос веществ, участвующих в реакции на поверхность пластин.

2. Адсорбция поверхностью реагирующих веществ.

3. Реакции на поверхности пластины.

4. Десорбция молекул побочных продуктов.

5. Перенос побочных продуктов в основной поток газа.

6. Занятие атомами узлов кристаллической решетки.

Цикл работы установки:

1. Загрузка пластин .

2. Продувка реактора азотом, потом водородом для вытеснения атмосферного воздуха.

3. Нагрев пластин и выдержка в атмосфере Н₂ с целью восстановления окислов.

4. Газовое травление пластин с помощью 1% HCl в атмосфере Н₂ на глубину 1-2 мкм с целью удаление наружного слоя. Продувка Н₂.

5. Подача Н₂, тетрохлорида кремния и, например, бромида бора, т.е. наращивание эпитаксиального слоя. По окончании - снова продувка водородом.

6. Подача CO₂ для осаждения окисной пленки SiO₂. Снова продувка H₂.

7. Плавное охлаждение пластин в потоке H₂.

Использование эпитаксии

- сокращает длительность процесса получения транзисторных структур, так как скорость роста эпитаксиальных пленок достаточно высокая от 0,1 до нескольких мкм /мин.,

-позволяет получать Si с меньшим удельным сопротивлением на подложке ( с нужной проводимостью) из высокоомного Si.