Методы формирования электронно-дырочных переходов

С реди разнообразных методов формирования р-п-переходов наибольшее значение имеют два: метод вплавления и метод диффузии примесей.

Рис. 8. Технологические стадии вплавления примесей в монокристалл полупроводника:

а — навеска вплавляемого материала 1, содержащая донорную примесь, на поверхности монокристалла полупроводника 2 перед вплавлением, б — расплав материала навески с полупроводником 3 при высокой температуре вплавления, в — избыточный слой материала навески 4 на поверхности рекристаллизованиого полупроводника 5 после охлаждения

Электронно-дырочный переход, полученный методом вплавления в полупроводник (с последующей рекристаллизацией полупроводника) металла или сплава, содержащего донорные или акцепторные примеси, называют сплавным переходом, а переход, полученный в результате диффузии атомов примеси в полупроводник, — диффузионным .

При вплавлении в полупроводник металла или сплава, содержащего донорные или акцепторные примеси, полупроводник с навеской вплавляемого материала нагревают до расплавления навески, в результате чего часть кристалла полупроводника растворяется в расплаве навески. При последующем охлаждении происходит рекристаллизация полупроводникового кристалла с примесью вплавляемого материала. Если рекристаллизованный слой получился с другим типом электропроводности по сравнению с электропроводностью исходного полупроводника, то на границе их раздела возникает р-п -переход (рис. 8).

Сплавление полупроводника с металлами или их сплавами - технологический процесс, при котором в пластину полупроводника вплавляют металл или сплав металла, содержащий примеси, необходимые для образования зоны с электропроводностью требуемого типа. Для сплавления полупроводника с металлом на пластину полупроводника помещают таблетку примеси; затем эту систему нагревают до температуры, при которой примесь расплавится и начнется частичное растворение материала полупроводника в приместном материале. После охлаждения в полупроводнике образуется область с электропроводностью требуемого типа. Сплавные переходы относятся к числу редких (ступенчатых). Они имеют высокую надежность, работоспособность при больших обратных напряжениях, малое собственное сопротивление p-n-областей. Малое собственное сопротивление p-n-перехода приводит к малому падению напряжения на нем при прямом смещении. Эту технологию применяют для изготовления сплавных диодов и транзисторов.

Электрохимические методы получения p-n-переходов применяются для обеспечения малых расстояний между p и n областями. Сущность метода состоит в электрохимическом осаждении металла на поверхность полупроводника. В результате реакции образуется контакт металл-полупроводник.

Комбинированный метод электрохимического осаждения и сплавления - это метод, при котором полупроводник, в лунках которого произведено осаждение металла, нагревают до температуры, необходимой для вплавления металла в полупроводник. Такую технологию называют микросплавной, применяют при производстве высокочастотных полупроводниковых приборов.

При создании диффузионного р-п -перехода используют диффузию в полупроводник примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазе (рис. 9). Диффузионные р-п -переходы, в свою очередь, могут быть нескольких разновидностей. Так, диффузионный р-п -переход, образованный в результате диффузии примеси сквозь отверстие в защитном слое, нанесенном на поверхность полупроводника, называют планарным р-п-переходом. В качестве защитного слоя на кремнии обычно используют диоксид того же самого кремния.

Диффузия - это процесс, с помощью которого на поверхности или внутри пластины полупроводника получают p и n области путем введения акцепторных или донорных примесей. Проникновение примесей внутрь пластины полупроводника происходит за счет диффузии атомов, находящихся в составе паров, в которые помещена нагретая полупроводниковая пластина. Атомы примесей диффундируют из области высокой концентрации со скоростью, определяемой коэффициентом диффузии, т.е. наибольшая концентрация примесей наблюдается у поверхности полупроводника. С увеличением расстояния от поверхности вглубь полупроводника концентрация примесей монотонно убывает.

Переход возникает в области, где концентрация носителей заряда близка к собственной электропроводности полупроводника без примесей. Из-за неравномерности распределения примеси по толщине в области диффузии возникает собственное электрическое поле.

Коэффициенты диффузии у разных материалов отличаются по величине, поэтому возможно получение на одной пластине областей с различным типом электропроводности.

 Для германия коэффициент диффузии донорных примесей на несколько порядков выше коэффициента диффузии акцепторных примесей, для кремния наблюдается обратная картина. Поэтому если пластину полупроводника поместить в высокотемпературную газовую среду, содержащую пары как донорных, так и акцепторных примесей, то атомы примесей с большим коэффициентом диффузии проникнут глубже внутрь полупроводника и создадут область с соответствующей электропроводностью. Атомы примеси с меньшим коэффициентом диффузии образуют вблизи поверхности полупроводника область с противоположным типом электропроводности. При этом необходимо, чтобы концентрация примесей с малым коэффициентом диффузии была значительно больше концентрации примеси с большим коэффициентом диффузии. Скорость диффузии очень сильно зависит от температуры: при изменение температуры на несколько градусов может изменить коэффициент диффузии в два раза.

Двухстадийная диффузия применяется для уменьшения влияния изменений температуры на качество полупроводниковых приборов, получаемых методом диффузии. В первой стадии на поверхности полупроводниковой пластины при сравнительно низкой температуре получают стеклообразный слой, содержащий легирующие примеси. Во второй стадии полупроводниковую пластину помещают в печь с более высокой температурой, при которой диффузия примесей происходит из стеклообразного слоя в глубь пластины, а на поверхности полупроводника остается диэлектрическая пленка оксида.

 Источник примесей B₂O₃ - борный ангидрид. Нагрев пластины Si кремния в атмосфере H₂ водорода приводит к образованию слоя боросиликатного стекла (I стадия). При дальнейшем нагреве (II стадия) происходит диффузия B бора, а на поверхности пластины остается слой SiO₂ - оксид-диэлектрик.

На рис. 10 показаны этапы технологического процесса формирования планарного р-п -перехода. Основой такой технологии является фотолитография. На исходную окисленную пластину монокристалла кремния наносят слой фоточувствительного вещества — фоторезиста ФР (рис. 10, а). Пленку фоторезиста освещают через маску ультрафиолетовым светом (рис. 10, б). Экспонированные места фоторезиста полимеризуются и становятся нерастворимыми. После этого незаполимеризованные части фоторезиста смывают, так что он остается только на облученных местах (рис. 10, в). Затем производят травление пленки диоксида, которая остается только в тех местах, где она была защищена слоем фоторезиста (рис. 10, г). В дальнейшем проводят диффузию необходимой примеси в пластину исходного кремния. Диффузия примеси происходит селективно — только через отверстия или окна в слое диоксида кремния (рис. 10, д).

Для создания более сложных структур, например транзисторных с близко расположенными двумя р-п -переходами, необходимо еще раз повторить все рассмотренные этапы технологического процесса, т. е. заново окислить пластину кремния, нанести слой фоторезиста, засветить его определенные части поверхности, провести травление и диффузию примеси через вновь образованные окошки в слое диоксида кремния.

Фотолитография - процесс получения на поверхности пластины рисунка. Поверхность полупроводника, маскированного оксидной пленкой покрывают фоторезистором - светочувствительным слоем. Затем для обеспечения равномерности покрытия пластину помещают в центрифугу и сушат. После этого поверхность облучают ультрафиолетовым излучением через маску, на которой выполнен требуемый рисунок в виде прозрачных и непрозрачных участков. Участки фоторезистора, оказавшиеся освещенными ультрафиолетовым излучением будут задублены. После стравливания фоторезистора задубленные участки остаются на пластине.

Травление - с участков, не защищенных задубленным фоторезистором, с помощью плавиковой кислоты стравливается диоксид кремния. В результате в оксидной пленке образуются окна, через которые в дальнейшем производится диффузия примесей.

Электронно-дырочный переход, образованный в результате конверсии полупроводника, вызванной обратной диффузией примеси в соседнюю область, или активацией атомов примеси, называют конверсионным р-п-переходом. Так, для создания конверсионного р-п -перехода в германиевом монокристалле применяют германий, содержащий два типа примесей: донорную и акцепторную. Концентрация акцепторов в германии должна быть больше концентрации доноров, т. е. исходный германий имеет электропроводность р-типа. В такой германий проводят вплавление навески металла или сплава. Медь, отличаясь высоким коэффициентом диффузии в германии, при вплавлении диффундирует из германия в навеску. В результате из слоя германия, примыкающего к навеске, удаляется акцепторная примесь меди, изменяется тип электропроводности этого слоя, т. е. происходит так называемая конверсия полупроводника.

При производстве полупроводниковых приборов широко используют эпитаксиальное наращивание — наращивание монокристаллических слоев полупроводника на поверхности монокристаллической подложки того же полупроводника, а иногда и другого по химическому составу полупроводника. При эпитаксиальном наращивании в зависимости от использованной примеси можно получить эпитаксиальный слой с тем же типом электропроводности, что и исходный полупроводник, но с другим удельным сопротивлением, а можно получить эпитаксиальный слой с другим типом электропроводности, т. е. создать эпитаксиальный р-п-переход.

Эпитаксия процесс выращивания одного монокристалла на грани другого. Полупроводниковые эпитаксиальные пленки могут быть получены различными способами: термическим испарением в вакууме, осаждением из парообразной фазы, распылением в газовом промежутке. Изменяя тип примеси и условия выращивания можно в широких пределах изменять электрические свойства эпитаксиальной пленки.

Перспективным методом формирования р-п -переходов является метод ионного внедрения или ионной имплантации. Суть этого метода состоит в бомбардировке полупроводника ионами примеси с энергией в несколько десятков кэВ. Необходимую энергию ионы получают при ускорении в электрическом поле ионно-лучевого ускорителя. Достоинство метода ионного внедрения заключается в возможности проводить управляемое легирование поверхностных и подповерхностных слоев полупроводника точно дозированными количествами почти любых химических элементов при относительно низкой температуре полупроводника.

Ионное легирование - процесс бомбардировки нагретой полупроводниковой пластины ионами примеси в вакууме, ускоренными до определенной скорости. Ионы, внедрившись в полупроводниковую пластину, играют роль донорных или акцепторных примесей. Это позволяет, не прибегая к процессу диффузии, получать зоны, имеющие определенный тип электропроводности. Такую технологию называют элионной.

 В производстве полупроводниковых приборов используют ионную имплантацию - легирование примесями одного из изотопов бора. При этом для маскирования используют или тонкий слой алюминия, или толстый слой диоксида кремния.

Вакуумное напыление - процесс осаждение металла в вакууме, нагретого до температуры испарения, на холодную поверхность. Напыление производится через металлические маски с соответствующими прорезями.

Катодное расщепление - процесс основан на явлении разрушения катода при бомбардировке его ионизированными атомами разряженного газа. Применяют для осаждения тугоплавких соединений. В камере при низком давлении в атмосфере инертного газа поддерживается катод, в результате атомы катода приобретают кинетическую энергию и вылетают с катода. Затем атомы катода оседают на поверхности полупроводника.

Электролитическое и химическое осаждение - процесс электролитического или химического осаждения из водного раствора солей металлов (электролита). Для электролитического осаждения необходимо наличие электропроводной подложки на пластине полупроводника. Оксидное маскирование используют для того, чтобы обеспечить диффузию из раствора только в определенные участки пластины, а остальную поверхность защитить от проникновения атомов примеси.

Хорошей маской является диоксид кремния SiO₂ . Скорость диффузии примесей в нем значительно меньше, чем в чистом кремнии. Оксидную пленку получают при нагревании пластины кремния в атмосфере влажного кислорода. В полученной пленке оксида согласно схеме вытравливают окна. Такой процесс используется для изготовления интегральных микросхем.

По характеру распределения концентрации примеси различают резкие и плавные р-п -переходы. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины р-п -перехода, называют резким р-п-переходом. Резкий переход получается обычно при методе вплавления примеси. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси сравнима или больше толщины p-n-перехода, называют плавным р-п-переходом. Плавный переход получают обычно при изготовлении методом диффузии примеси.

П о соотношению концентраций основных носителей заряда или соответствующих примесей в р- - и п- -областях различают симметричные и несимметричные p-n-переходы. У симметричных р-п-переходов концентрации основных носителей заряда в прилегающих к переходу областях приблизительно равны (р_р ≈ п_п). Для несимметричных р-п-переходов справедливо неравенство р_р ≥ п_п (или п_п≥ р_р). В полупроводниковых приборах обычно существуют несимметричные p-n-переходы. Для обозначения несимметричных р-п -переходов пользуются следующими символами: р⁺-п (или п⁺-р).