Диффузия

Целью проведения диффузии (за исключением особых случаев) является внедрение атомов легирующего элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования области с противоположным по отношению к исходной области типом электропроводности. При этом вновь образованная область оказывается ограниченной p-n переходом. Количество введенной примеси должно быть достаточным для компенсации влияния примеси в исходном материале и для создания избытка примеси, обеспечивающего электропроводность противоположного типа. Значение проводимости диффузионной области определяется концентрацией избыточной (нескомпенсированной) примеси.

Так как скорость процесса диффузии очень мала, концентрация введенной примеси монотонно убывает в направлении от поверхности, через которую проходит диффузия, в глубь кристалла. Переход образуется на глубине Xпер, где

концентрация введенной примеси оказывается равной концентрации исходной примеси Nисх.

В качестве легирующих примесей выбирают элементы, имеющие достаточно высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в полупроводнике при температуре диффузии. Для получения диффузионных областей с дырочной электропроводимостью в кремнии используют элементы-акцепторы B, ln, Ga, во внешних электронных оболочках которых не достает одного валентного электрона для создания ковалентной связи с атомом четырехвалентного кремния. Для обеспечения электронной электропроводимости можно использовать P, As, Sb, т.е. элементы, имеющие избыточный валентный электрон по сравнению с кремнием.

Атом примеси, проникший в глубь кристалла, способен генерировать свободный носитель заряда (электрон или дырку) только в том случае, если он займет место в узле кристаллической решетки. Высокая плотность вакансий в кремнии является поэтому обязательным условием получения высоколегированных диффузионных областей.

В качестве источников диффузии применяют различные соединения (ангидриды, галогениды, гидриды) легирующего элемента, обладающие достаточной летучестью и позволяющие обеспечить нужную концентрацию примеси. Такие соединения называют диффузантами.

В зависимости от состояния при температуре 20ºС различают твердые, жидкие и газообразные диффузанты.

Общим недостатком твердых диффузантов (B2O3, P2O5) является трудность регулирования паров и, как следствие, пониженная воспроизводимость результатов диффузии. Кроме того, для их испарения требуется высокая и стабильная температура, что усложняет и удоражает оборудование. Обычно используют двухзонные диффузионные печи с камерой источника и камерой диффузии, каждая из которых имеет автономную систему нагрева и регулирования температуры.

При работе с жидкими диффузантами (BBr3, PBr3,), обладающими высокой упругостью пара при невысоких температурах, применяют более простые, однозонные, печи.

Наиболее технологичны газообразные диффузанты (B2H6, PH3), регулирование концентрации которых достигается наиболее простыми средствами.

Металлизация

Металлизация – это нанесение на кремниевую пластину, на которой сформированы структуры, сплошной металлической пленки для получения качественных омических контактов с элементами ИМС, а также электропроводящего покрытия, надежно сцепляющегося с пленкой SiO2. Предварительно в окисной пленке методом фотолитографии создают окна под будущие электрические контакты металла с кремнием.

Фотолитография по металлической пленке обеспечивает требуемую конфигурацию проводников межсоединений, а также формирует по периферии кристалла контактные площадки, необходимые для присоединения ИМС к внешним выводам корпуса.

Металл, используемый для получения межсоединений, должен отвечать следующим требованиям:

• Иметь высокую проводимость с удельным поверхностным сопротивлением

• Обеспечивать нормальное функционирование межсоединений при плотностях тока

• Обеспечивать омические контакты с n- и p- областями кремния;

• Быть технологичным при нанесении, избирательном травлении и термообработке, а также при создании электрических соединений с внешними выводами корпуса;

• Не подвергаться коррозии, а также окислению, способному заметно повысить сопротивление контакта;

• Не образовывать химических соединений с кремнием, снижающих механическую прочность контактов и проводимость;

• Иметь высокую адгезию к пленке SiO2;

• Быть прочным, не подверженным механическим повреждениям (вмятинам, царапинам) и разрушению при циклических изменениях температуры.

Металл, который отвечал бы всем перечисленным требованиям подобрать нельзя. Наиболее полно им отвечает высоко чистый алюминий марки А99.

Алюминий имеет удельное сопротивление равное

Благодаря способности окисляться он имеет высокую адгезию к SiO2. В результате операции вжигания обеспечивают прочное сцепление Al с кремнием в контактных окнах. При этом алюминий способен восстанавливать кремний из окисла, следы которого могут быть на поверхности пластины, что обеспечивает в конечном счете хороший омический контакт с кремнием.

Периферийные контакты являются состовной частью рисунка межсоединений и служат для присоединения проводящих перемычек, соединяющих интегральную микросхему, заключенную в кристалле, с внешними выводами корпуса или контактными площадками. В полупроводниковых ИМС периферийные контакты не имеют дополнительных покрытий, их получают одновременно с проводниками межсоединений. Размеры и расположение периферийных контактов обусловлены технологическими требованиями, а также расположением выводов корпуса. Обычно их выполняют квадратными с размерами, обеспечивающими, во-первых, достаточную площадь контакта с перемычкой и, следовательно, прочность и надежность сварного соединения, а во-вторых, отсутствие влияния погрешности совмещения перемычки и контакта на площадь контактирования.