4.4. Полупроводниковые интегральные схемы
Базовыми элементами большинства полупроводниковых ИС (ППИС) являются биполярные и униполярные (полевые) транзисторы. На основе их структуры могут быть получены диоды, резисторы и конденсаторы. Простейшие варианты структур этих элементов приведены на рис. 4.47.
Рис. 4.47. Элементы ППИМ:
а – биполярный транзистор; б – диффузионный резистор; в – полевой (МДП) транзистор; г– диффузионный конденсатор; д – КМДП-транзисторы на сапфире; е – МДП-конденсатор
Элементы ППИС соединяются тонкопленочной металлизацией. Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности) также могут быть сформированы по тонкопленочной технологии на поверхности полупроводниковой подложки (такие схемы называют совмещенными).
Биполярные транзисторы, по сравнению с полевыми, обладают большим быстродействием, но занимают больше места на подложке, так как нуждаются в изоляции друг от друга (обратно смещенным p-n переходом, диэлектриком и т.д.).
Полупроводниковые структуры могут быть сформированы как в активной (полупроводниковой) подложке, так и в тонком эпитаксиальном слое, осажденном на поверхность пассивной (диэлектрической) подложки.
Для изготовления ППИС чаще всего (более 80% мирового производства) используют подложки из монокристаллического кремния с определенным удельным сопротивлением и типом проводимости (n или p). Толщина подложек составляет от нескольких десятков до сотен мкм, а диаметр - 100…300 мм с постоянной тенденцией к увеличению верхней границы, что позволяет более эффективно использовать групповые методы обработки. Круглая форма подложек определяется основным способом получения монокристаллических слитков – вытягиванием из расплава.
Формирование МДП- транзисторов на монокристалических диэлектрических подложках (например, сапфире – монокристалле Al2O3 ) позволяет снизить паразитные связи между элементами.
Основными технологическими процессами, применяемыми для формирования полупроводниковых структур являются: оксидирование кремния, диффузия, эпитаксия, ионное легирование, литография, внутренних металлизация (получение внутренних соединений).
Оксидирование кремния
На поверхности кремниевых подложек сравнительно легко создаются пленки SiO2. Они имеют тот же химический состав, что и кварцевое стекло, обладают хорошими диэлектрическими свойствами и стойкостью к физическим и химическим активным средам. Пленки SiO2 (толщиной от десяых долей мкм до 1 мкм) после соответствующей конфигурации (например, фотолитографией) используются в качестве изолирующих и защитных слоев, подзатворного диэлектрика в МДП- структурах, а также в качестве КМ при локальном изменении типа проводимости (рис. 4.48).
Рис. 4.48. Локальное изменение типа проводимости кремния:
а – окисление поверхности; б – фотолитография; в – внедрение примеси; г – стравливание окисла
Пленки SiO2 на поверхности кремниевой подложки могут быть получены путем окисления последней (термическим или анодным), а также осаждением из газовой или жидкой фазы. Наибольшее распространение получил метод термического окисления в потоке сухого кислорода и увлажненных газов (рис. 4.49, а).
Термическое оксидирование проводится при температуре
1100 0С обычно с чередованием окисления в сухом и во влажном кислороде (парах воды). В первом случае получаются пленки SiO2 высокого качества, но скорость роста пленок не высока. Скорость роста пленок во влажном кислороде более высокая, но их качество несколько ниже.
Тонкие пленки подзатворных диэлектриков выращиваются в сухом кислороде или в газовой среде кислорода с хлорсодержащими добавками. Эти добавки способствуют нейтрализации примесных ионов калия и натрия, в результате чего, повышается электрическая прочность окисных пленок.