12. Отримання тонких та товстих плівок в мікроелектронній технології. Гібридні інтегральні мікросхеми та їх особливості.

В наш час існує кілька методів отримання плівок в мікроелектроніці.

• Термічне окислення.

• термічне (вакуумне) папиленіе.

• іонно-плазмового напилення і електрохімічне осадження

• Іонно-плазмове напилення має дві разновид ¬ ності: катодне напилення і власне іонно-плазмове

Розглянемо детальніше кожний з них.

Епітаксії називають процес нарощування монокрісталіліческіх шарів на підкладку, при якому кристалографічна орієнтація наращиваемого шару повторює кристалографічної орієнтації підкладки. В даний час епітаксії зазвичай використовується для отримання тонких робочих шарів однорідного напівпровідника на порівняно товстої підкладці, що грає роль несучої конструкції.

Типовий - хлорідний процес епітаксії стосовно до кремнію полягає в наступному (рис. 6.2).

Монокристалічні кремнієві пластини завантажують в тигель «човник» і поміщають в кварцову трубу. Через трубу пропускають потік водню, що містить невелику домішку тетрахлориду кремнію SiСL4. При високій температурі (близько 1200 ° С), яка забезпечується високочастотним нагрівом тигля, на поверхні пластин відбувається реакція SiCL4-2Н2 = Si + 4НСL.

У результаті реакції на підкладці поступово осідає шар чісюго кремнію, а пари НСl несуться потоком водню. Епітаксійний шар обложеного кремнію монокрісталлічен і має ту ж кристалографічної орієнтації, що і підкладка. Хімічна реакція, завдяки підбору температури, відбувається тільки на поверхні пластини, а не в навколишньому просторі.

Таким чином, епітаксії дозволяє вирощувати монокристалічні верстви будь-якого типу провідності і будь-якого питомого опору на підкладці, яка має теж будь-яким типом і величиною провідності (рис 6.3).

Рис. 6.3. Примеры эпитаксиальных структур:

а — пленка л-типа на л'-подложке; б — пленка р'-типа на л-подложке; в — пленка л-типа на р-подложке

Окислення кремнію - одна з найхарактерніших процесів у технології сучасних ІС. Отримана при цьому плівка двоокису кремнію (SiЮ2) виконує кілька важливих функцій, в тому числі:функцию защиты — пассивации поверхности и, в частно­сти, защиты вертикальных участков p-n-переходов, выхо­дящих на поверхность (рис. 6.4, а); функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси (рис. 6.4, б); функцию тонкого диэлектрика под затвором МОП-транзи­стора (рис. 6.4, в).

• 

• а) б) в)

• Рис 6 4. Функции двуокисной пленки кремния а — пассивация поверхности, б — маска для локального легирования, в — тонкий подзатворный окисел

Штучне окислення кремнію здійснюється зазвичай при високій температурі (1000-1200 ° С). Таке термічне окислення можна проводити в атмосфері кисню (сухе окис ня), в суміші кисню з парами води (вологе окислення) або просто в парах води1.

Механізм окислення має два варіанти. Перший варіант складається з наступних етапів: 1) дифузія атомів кремнію через вже наявну плівку оксиду до поверхні, 2) адсорбція молекул кисню поверхнею з газової фази, 3) власне окислення, тобто хімічна реакція. У цьому випадку плівка наростає над вихідною поверхнею кремнію. Другий варіант складається з наступних етапів: 1) адсорбція кисню поверхнею вже наявного оксиду, 2) дифузія кисню через окисел до ще не окислення кремнію, 3) власне окислення. У цьому випадку плівка наростає вглиб від вихідної поверхні кремнію. На практиці обидва механізми поєднуються, але головну роль зазвичай грає другий. Сухе окислювання йде в десятки разів повільніше вологого.

Т ермічне (вакуумне) напилення. Схема цього методу показано на рис. 6.15. Металевий або скляний ковпак 1 розташований на опорній плиті 2. Між ними знаходиться прокладка 3, що забезпечує підтримання вакууму після відкачування подколпачного простору. Підкладка 4, на яку проводиться напилення, закріплена на тримачі 5. До держателю примикає нагрівач 6 (напилення проводиться на нагріту підкладку). Випарник 7 включає в себе нагрівач і джерело напилюваного речовини. По ¬ воротная заслінка 8 перекриває потік пари від випарника до підкладки: напилення триває протягом часу, коли заслінка відкрита.

Н а підкладці створюються найбільш сприятливі умови для конденсації парів, хоча частково конденсація відбувається і на стінках ковпака. Занадто низька температура підкладки перешкоджає рівномірному розподілу адсорбованих атомів: вони групуються в «острівці» різної товщини, часто не пов'язані один з одним. Навпаки, надто висока температура підкладки призводить до відриву тільки що осіли атомів, до їх «реіспаренію». Тому для отримання качест-кої плівки температура підкладки повинна лежати в деяких оптимальних межах (зазвичай 200-400 ° С). Головними достоїнствами розглянутого методу є його простота і можливість отримання виключно чистих плівок (при високому вакуумі). Однак у нього є і серьезниенедостаткі: труднощі напилення тугоплавких матеріалів і труднощі (а іноді неможливість) восіроізведенія на підкладці хімічного складу испаряемого речовини.

Катодное напыление. Схема цього методу показано на рис. 6.16. Тут більшість компонентів ті ж, що й на рис. 6.15. Проте відсутня випарник: його місце по розташуванню (і по функції) займає катод 6, ко-торий або складається з напилюваного речовини, або електрично кон ¬ тактується з ним. Роль анода виконує підкладка разом з власником.

Подколпачное простір спочатку відкачують до 10^-5-10^-6 мм рт. Ст., А потім у нього через штуцер 8 вводять певна кількість очищеного нейтрального газу (найчастіше аргону), так що створюється тиск 10^-1-10^-2 мм рт. Ст . При подачі високого (2-3 кВ) напруги на катод (анод заземлений з міркувань електробезпеки) в просторі анод-катод виникає аномальний тліючий розряд, що супроводжується утворенням квазинейтральной електронно-іонної плазми.

Важливою перевагою катодного напилення в порівнянні з термічним є те, що розпорошення катода не пов'язано з високою температурою. Відповідно відпадають труднощі при напиленні тугоплавких матеріалів і хімічних сполук (див. останній абзац попереднього розділу).

Недоліками катодного напилення в цілому є деяка забрудненість плівок (через використання порівняно низького вакууму), менша в порівнянні з термічним методом швидкість напилення (з тієї ж причини), а також складність контролю процесів.

Іонно-плазмового напилення. Схема цього методу показано на рис. 6.17. Головна його особливість в порівнянні з методом катодного напилення полягає в тому, що в проміжку між електродом 9 - мішенню (з нанесеним на неї напилюваним матеріалом) і підкладкою 4 діє незалежний, «черговий» газовий розряд. Розряд має місце між електродами б і 7, причому тип розряду - несамостійний дуговий. Для цього типу розряду характерні: наявність спеціального джерела електронів у вигляді розжарюваного катода (в), низькі робочі напруги (десятки вольтів) і велика щільність елект-Роно-іонної плазми. Під-колпачное простір, як і при атодном напиленні, заповнене нейтральним газом, але при більш низькому тиску (10 ~ 8-1 (Н мм рт. Ст.)

Процес напилення полягає в наступному. На мішень щодо плазми (практично - щодо заземленого анода 7) подається негативний потенціал (2-3 кВ), достатній для виникнення аномального тліючого розряду і інтенсивного бомбардування мішені позитивними іонами плазми. Вибивані атоми мішені потрапляють на підкладку і осідають на ній. Таким чином, принципових відмінностей між процесами катодного і іонно-плазмового напилення немає. Розрізняються лише конструкції установок: їх називають відповідно дво-та трьохелектродні. Початок і кінець процесу напилення визначаються подачею і відключенням напруги на мішені.

Переваги власне іонно-плазмового методу в порівнянні з катодним полягають у більшій швидкості напилювання і більшої гнучкості процесу (можливість іонного очищення, можливість відключення робочої ланцюга без переривання розряду та ін.) Крім того, на якості плівок позначається більш високий вакуум.

Анодування. Один з варіантів хімічного іонно-плазмового напилення називають анодуванням. Цей процес полягає в окисленні поверхні металевої плівки (знаходячи ¬ щейся під позитивним потенціалом) негативними іонами кисню, що надходять із плазми газового розряду. Для цього до інертному газу (як і при чисто хімічному напиленні) слід додати кисень. Таким чином, анодування здійснюється не нейтральними атомами, а іонами.

До числа інших переваг анодування відносяться велика швидкість окислення (оскільки поле в плівці оксиду прискорює взаємні переміщення атомів металу і кисню) і можливість управління процесом шляхом зміни струму в ланцюзі розряду. Якість окисних плівок, отриманих методом анодування, вище, ніж при використанні інших методів.

Электрохимическое осаждение.

Цей метод отримання плівок відрізняється від попередніх тим, що робочою середовищем є рідина. Проте характер процесів подібний з іонно-плазмовим напиленням, оскільки і плазма, і електроліт представляють собою квазинейтральной суміш іонів і неіонізованих молекул або атомів. А головне, осадження відбувається так само поступово (пошарово), як і напилення, тобто забезпечує можливість отримання тонких плівок.

В основі електрохімічного осадження лежить електроліз розчину, що містить іони необхідних домішок. Наприклад, якщо потрібно осадити мідь, використовується розчин мідного купоросу, а якщо золото або нікель - розчини відповідних солей.

Іони металів мають у розчині позитивний заряд. Тому, щоб осадити металеву плівку, підкладку слід використовувати як катод. Якщо підкладка є діелектриком або має низьку провідність, на неї попередньо наносять тонкий металевий подслой, що й служить катодом. Підшар можна нанести методом термічного або іон-но-плазмового напилення.

Щоб здійснити електрохімічне анодування, що окислюються плівку металу слід використовувати як анод, а електроліт повинен містити іони кисню.

ІМЦ(інтегральна мікросхема) – мікроелектронний пристрій, який виконує певну функцію перетворення і обробки сигналів і може розглядатись при їх використанні як єдине ціле.

Гібридна мікросхема - крім напівпровідникового кристалу містить кілька безкорпусних діодів, транзисторів і (або) інших електронних компонентів, поміщених в один корпус.

(Гібридна інтегральна мікросхема - інтегральна мікросхема, пасивні елементи якої виконані за допомогою нанесення різних плівок на поверхні діелектричної підкладки зі скла, кераміки, ситалу або сапфіру, а активні елементи - безкорпусні напівпровідникові прилади.)

Гібридні мікросхеми мають більші граничні частоти порівняно із напівпровідниковими мікросхемами завдяки тому що у них значно менші паразитні ємності. Хоч і напівпровідникові багато в чому переважають гібридні.

Гібридна інтегральна мікросхема - МС, що містить крім елементів компоненти і (або) кристали. Елементами гібридної МС зазвичай є резистори і конденсатори постійної ємності з відносно малими ємностями (іноді котушки з малими індуктивностями), утворені електропровідними і діелектричними плівками, нанесеними на поверхню підкладки, а компонентами - безкорпусні транзистори, діоди і конденсатори щодо великих ємностей.

13. Елементи мікроелектроніки N-P-N та Р-N-Р транзистори. Їх властивості та особливості конструкцій. Типові конструкції вертикального та горизонтального транзисторів. Багатоемітерні та багатоколекторні транзистори.

Н а малюнку показана структура інтегрального npn транзистора, виконаного методом роздільної дифузії (рос. разделительной диффузии). Особливість інтегрального транзистора полягає в тому, що його структура складається з чотирьох слоїв: крім робочих емітерного та колекторного переходів є третій (паразитний) перехід між колекторним n-слоєм та підкладинкою p типу. Наявність прихованого n⁺(плюс) слоя (не показаного на малюнку) не вносить принципових змін в структуру.

Підкладинку інтегральної схеми (якщо вона має провідність p типу) приєднують до самого від’ємного потенціалу. Тому напруга на переході «колектор-підкладинка» завжди від’ємна або (в найгіршому випадку) близька до нуля. Тому цей перехід можна замінити бар’єрною ємністю Cкп, що на першому малюнку.

Р азом з горизонтальним опором колекторного слоя r_кк ємність Скк формує RC-ділянку, яка підключена до активної області колектора. Тоді еквівалентна схема інтегрального n-p-n транзистора має вигляд на малюнку зліва.

Ділянка r_кк-Cкп, яка шунтує колектор, — головна особливість інтегрального n-p-n колектора. Ця ланка, ясне діло, погіршує його швидкодію та обмежує граничну частоту та час переключення.

Оскільки підкладинка знаходиться під незмінним потенціалом, її можна вважати заземленою за змінними складовими.

Багатоемітерний транзистор (БЕТ). Його структура на малюнку а). Такі транзистори складають основу цифрових схем ТТЛ. Кількість емітерів може бути 5-8 та більше. В першому наближенні БЕТ можна розглядати як сукупність окремих транзисторів з об’єднаними базами та колекторами (мал б). Особливості БЕТ як єдиної структури такі.

По-перше, кожна пара суміжних емітерів разом з розділяючим їх p-слоєм бази формує горизонтальний (або продольний) транзистор типу n+—p—n+. Якщо на одному з емітерів діє пряма напруга, а на іншому зворотня, то перший буде інжектувати електрони, а другий буде збирати з них ті, які інжектовані через бокову поверхню емітера та пройшли без рекомбінації відстань між емітерами. Такий транзисторний ефект є для БЕТ паразитним: в зворотньозміщеному переході, який повинен бути запірним, буде протікати струм. Щоб уникнути горизонтального транзисторного ефекту відстань між емітерами повинна перевищувати дифузійну довжину носіїв у базовому слої. Якщо транзистор легований золотом, то дифузійна довжина не перевищує 2-3 мкм і відстань 10-15 мкм виявляється практично достатньою.

П о-друге, важливо, щоб БЕТ мав якомога менший інверсний коефіцієнт передачі струму. Інакше в інверсному режимі, коли емітери знаходяться під зворотньою напругою, я колектори під прямою, носії, що інжектуються колектором, будуть в значній мірі досягати емітерів, і в колі останніх, не зважаючи на зворотню напругу, буде протікати струм — паразитний ефект, аналогічний першому.

Б агатоколекторні n-p-n транзистори (БКТ). Структура БКТ, що показана на малюнку а, не відрізняється від структури БЕТ. Відмінність полягає лише у використанні структури. Можна сказати, що БКТ — це БЕТ, який використовується в інверсному режимі, спільним емітером є епітаксіальний n-слой, а колекторами слугують високолеговані n+ слої малих розмірів. Таке рішення є основою схем інжекційної логіки. Еквівалентна схема зображена на малюнку б. Головною проблемою при розробці БКТ є збільшення нормального коефіцієнта передачі струму зі спільного n-емітера (інжектора) до кожного з n+ колекторів. Ця проблема зворотня до тої, яка розв’язувалась у випадку БЕТ.

В даному випадку бажано, щоб прихований n+ слой знаходився якомога ближче до базового або просто контактував з ним. Тоді цей високолегований слой n+ слой, будучи емітером, забезпечить високий коефіцієнт інжекції. Щодо коефіцієнта переносу, то для його підвищення n+ колектори повинні бути якомога ближче один до одного, скорочуючи тим самим площу пасивної області бази.

Транзистори p-n-p. Отримання p-n-p транзисторів з такими ж високими параметрами, як і n-p-n транзистори, в єдиному технологічному циклі до сих пір є невирішеною технологічною задачею. Тому всі існуючі варіанти інтегральних p-n-p транзисторів суттєво програють n-p-n транзисторам за коефіцієнтом підсилення та граничною частотою. При інших рівних умовах p-n-p транзистори програють n-p-n транзисторам за граничною частотою в три рази через меншу рухливість дірок у порівнянні електронами.

Н а рисунку зліва видно, що горизонтальний n-p-n транзистор є бездрейфовим, так як його база однорідна — епітаксіальний n-слой. Цей фактор разом з малою рухливістю дірок обумовлює на порядок гірші частотні та перехідні властивості p-n-p транзистора навіть при тій ширині бази, що у дрейфового n-p-n транзистора. З малюнку видно, що для збільшення коефіцієнта передачі емітерного струму було б добре, щоб площа донної частини емітерного слоя була мала у порівнянні з площею бокових частин. А тому емітерний слой потрібно зробити якомога вужчим.

Горизонтальна структура дозволяє легко реалізувати багатоколекторний p-n-p транзистор: достатньо розділити кільцевий p-колектор на n частин та зробити окремі виводи для кожної частини.

Г оловні недоліки горизонтального p-n-p транзистора — велика ширина бази та її однорідність. Ці недоліки можна усунути у вертикальній структурі, але ціною додаткових технологічних операцій. З малюнку випливають такі технологічні операції: глибока дифузія p-слоя та завершаюча дифузія p++ слоя.