3.4. Получение полупроводниковых пластин
Полупроводниковые слитки режутся на пластины тонкими стальными дисками с алмазной режущей кромкой -рис.3.4.
Рис. 3.4. Резка полупроводникового слитка диском с внутренней алмазной режущей кромкой:
1 – шпиндель, 2 – основа диска, 3 – режущая кромка, 4 – держатель слитка, 5 и 6 – полупроводниковые слиток и пластина
Диаметр и площадь пластин определяются диаметром слитка. Чем больше площадь пластины, тем на большее число кристаллов ее можно разделить, тем больше ИМС можно изготовить на одной пластине. На пластине диаметром 450 мм можно разместить более 2000 кристаллов, в каждом из которых можно сформировать до 109 схемных элементов.
Пластина, вырезанная из слитка, содержит геометрические и структурные дефекты. Их устраняют шлифовкой и полировкой (сначала механической, потом химической) до 14 класса чистоты. Высота микронеровностей поверхности составляет не более 50 нм.
3.5. Получение эпитаксиальных структур
До 1965 г. выход годных ИМС на биполярных транзисторах не превышал 5 %. Использование в структуре ИМС эпитаксиального слоя позволило увеличить процент выхода годных ИМС до 50 – 70 %.
Современные ИМС на биполярных транзисторах получают на эпитаксиальных структурах. Поэтому они называются базовыми полупроводниковыми структурами.
Эпитаксия – это наращивание монокристаллических слоев на монокристаллическую подложку. Если материал пленки и подложки одинаковый, то такой вид эпитаксии называется гомоэпитаксией. Если пленка и подложка имеют разную природу, то это гетероэпитаксия.
При изготовлении ИМС обычно используется гомоэпитаксия (кремний на кремнии), в структурах КНС (кремний на сапфире) реализуется гетероэпитаксия. Гетероэпитаксия используется для получения гетероструктур оптоэлектронного назначения, например, на подложке из арсенида галлия GaAs наращивают слой трехкомпонентного твердого раствора AlGaAs.
При любом способе эпитаксии имеются: источники атомов ростового вещества, среда, в которой эти атомы переносятся к подложке, и подложка.
Если средой переноса является вакуум, то это вакуумная эпитаксия. В вакууме атомы обычно переносятся молекулярными пучками. Поэтому такой вид эпитаксии называется молекулярно-лучевой (МЛЭ).
Если средой переноса служит газ или пар, то эпитаксия называется газофазной или парофазной.
Если атомы поступают из жидкой фазы, то это жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ).
3.6. Методы формирования элементов имс
Основным элементом полупроводниковых ИМС является p-n переход. Для его образования в полупроводник заданного типа проводимости вводятся атомы примеси, создающей проводимость противоположного типа.
Введение примеси в полупроводник с целью изменения его электрофизических свойств называется легированием.
В технологии ИМС широко используются два метода легирования: термическая диффузия примесей и ионная имплантация.
Диффузия примесей – это процесс переноса примесных атомов из среды, где их концентрация велика, в область с меньшей концентрацией за счет теплового хаотического движения частиц вещества. Движущей силой диффузии является градиент концентрации вещества.
Поток диффундирующих примесей направлен в сторону, противоположную градиенту концентрации, и пропорционален его величине. Коэффициент пропорциональности (D) называется коэффициетом диффузии.
Коэффициент диффузии в твердом теле экспоненциально зависит от температуры Т:
D = D0 ∙ [exp ( - Ua /(kT)] , (3.2)
где D0 – предэкспоненциальный множитель, Uа - энергия активации процесса диффузии, k – постоянная Больцмана.
Примесные атомы за счет тепловой энергии переходят из одного устойчивого положения в кристалле в другое, преодолевая потенциальный барьер Ua.
С ростом температуры частота диффузионных перескоков возрастает и коэффициент диффузии увеличивается.
Достаточная скорость диффузии примесей в кремнии достигается при температурах 1000 – 1250 ℃. При таких высоких температурах в кремний диффундируют и посторонние примеси (фоновые), что может приводить к браку. В этом один из недостатков диффузионного легирования.
Ионная имплантация (ионное легирование) – это введение легирующей примеси в кристалл путем его бомбардировки ионами примесных атомов с энергиями более 104 эВ. Глубина проникновения ионов невелика и составляет менее 1 мкм.
Бомбардировка кристалла ионами нарушает его структуру, для восстановления которой проводится отжиг при температурах более низких (600 – 800 ℃), чем температуры диффузионного легирования. В этом одно из преимуществ ионной имплантации.
Другим преимуществом является абсолютная чистота процесса легирования, которая достигается использованием магнитных сепараторов, разделяющих ионы разной массы за счет их движения по различным траекториям в магнитном поле.
Элементы ИМС соединяются между собой токопроводящими тонкопленочными дорожками.
Изоляция отдельных элементов от кремния осуществляется тонким слоем диэлектрика, или обратносмещенным p-n переходом. Поэтому кроме получения полупроводниковых слоев в составе микросхемы создаются изолирующие и проводящие слои.
Для получения диэлектрического слоя на кремнии он термически окисляется в кислородосодержащей газовой среде с образованием диоксида кремния SiO2.
Простейшим методом получения металлических слоев является термическое вакуумное напыление.