6.1.3. Производство планарного биполярного транзистора

Упрощенное представление этапов процесса производства кремниевого планарного биполярного p-n-p-транзистора, формируемого на поверхности кристаллической подложки кремния, показана на рис. 6.1, 6.2.

Рис. 6.1. Структура поперечного сечения пластины (а-е) и УГО транзистора (ж)

Из слитков кремния (рис. 6.1, а) изготавливают тонкие пластины (подложки), одна их поверхностей которых полируется, а затем окисляется во влажной среде. Вследствие этого на подложке образуется изоляционный слой двуокиси кремния (SiO₂). Поверх окисла наносится слой светочувствительного полимерного материала – фоторезиста, который под действием облучения светом изменяет свои химические свойства. Например, негативный фоторезист под действием ультрафиолета так полимеризуется, что не растворяется и не удаляется специальными растворителями с засвеченных участков подложки. Напротив, позитивный фоторезист – растворяется и удаляется после облучения, а на необлученных участках не удаляется химикатами, для этой цели используют другие травители (ультразвук и т. п.).

К покрытой фоторезистом подложке прижимается контактным способом стеклянный фотошаблон (фотомаска), на котором имеются прозрачные и непрозрачные участки в зависимости от топологии микросхемы и свойств выбранного фоторезиста.

При фотолитографии фоторезист облучается ультрафиолетом, при ретнгенолучевой литографии – рентгеновским излучением, при электронографии – потоком электронов, что, как отмечено выше, позволяет уменьшить минимальные размеры элементов структуры и, соответственно, увеличить степень интеграции K.

Следует отметить, что с помощью стеклянного фотошаблона на поверхности плоской подложки одновременно формируются сотни одинаковых структур будущих транзисторов, количество которых ограничивается диаметром подложки кремния (диаметром исходного слитка) и размерами одной микросхемы.

Пластина (рис. 6.1, б) с засвеченным, например, позитивным фоторезистом погружается в травитель, который растворяет участки фоторезиста, на которые попадали кванты света, а также слои окисла под засвеченными участками. В результате травления (проявления фоторезиста) на подложке образуются участки чистой поверхности кремния  окна. Затем в другом травителе, растворяющем незасвеченный фоторезист, но не растворяющим пленку SiO₂, удаляется оставшийся фоторезист. В результате этой операции на подложке имеются многочисленные открытые окна, разделенные слоями окисла.

Через маску (специальную пластину с необходимыми отверстиями) в подложку через окна вводят ионы, например, бора (диффузией, облучением ионными пучками и т. п.), вследствие чего под окном образуется карман – р-область (рис. 6.1, в).

Путем последующих итераций технологического процесса (рис. 6.1, г, д) на пластине формируется n-область в р-кармане (например, диффузией донорной примеси в объем) и, наконец, р-область, выступающая в качестве будущего эмиттера биполярного транзистора p-n-p-типа.

После формирования базы, эмиттера и коллектора транзистора (рис. 6.1, е) на поверхности создаются металлические контакты (например, из алюминия). Для устранения дополнительных p-n-переходов, непосредственно примыкающих к металлическим контактам, на соответствующих контактах создаются так называемые сильно легированные области n⁺– и p⁺ –типа.

При современных технологиях размеры микротранзистора (интегральный транзистор), включая эмиттер, базу, коллектор, составляют не более 5–10 мкм.

Топология микросхем – определенная конфигурация и расположение элементов на поверхности кристалла (рис. 6.2, 6.3). Первоначально топология создается специальной программой ЭВМ, на основе которой конструируются специальные фотошаблоны. Впоследствии методами фотолитографии разработанная топология воплощается в кристалле.

Рис. 6.2. Топология планарного биполярного транзистора: а – вид сбоку; б – вид сверху

Минимальные поверхностные размеры отдельного эмиттера, базы, коллектора, очевидно, ограничивает суммарное количество транзисторов (степени интеграции) в конструкции с подобной топологией.

На одной пластине (подложка кремния толщиной до 100 мкм) формируется одновременно несколько сотен микросхем. На рис. 6.3, б пунктиром обозначена область, занимаемая одним биполярным транзистором. Например, если площадь, занимаемая одним транзистором равна примерно 50х30 мкм², то на пластине размером 1х1 мм² можно разместить не более 1 мм²/1500·10^–6 мм² = 666 элементов. Таким образом, микросхема, изготовленная на основе устаревшей технологии, имеет степень интеграции не более К = 3.

Рис. 6.3. Топология планарных биполярных транзисторов в микросхеме: а – вид сбоку; б – вид сверху (пунктиром ограничена область одного транзистора); в – электрическая схема двух планарных транзисторов

Как правило, в состав микросхемы входят многочисленные транзисторы, которые, в частности, могут соединяться по схемам ОБ, ОЭ, ОК, объединяться параллельно с целью увеличения тока (мощности) и т. п.

Топология нескольких биполярных транзисторов в твердотельной микросхеме представлена на рис. 6.3, где приведены два планарных биполярных p-n-p-транзистора, имеющих объединенные (общие) коллекторы, эмиттеры, но индивидуальные входы баз. Минимальные линейные размеры элементов, подобных ИС, не превышают 2,5 мкм.

Рис. 6.4. Процесс формирования планарного (а-в) и применение (г) КМОП-транзистора