8.2.2. Эпитаксия

Это процесс наращивания монокристаллических слоев на полупроводниковую подложку, при котором кристаллическая структура наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. Эпитаксия обычно используется для получения тонких рабочих слоев однородного полупроводника на сравнительно толстых подложках, играющих роль несущей конструкции. Эпитаксия позволяет вы­ращивать монокристаллические слои любого типа электропроводности и любого удельного сопротивления на подложке, обладающей также любым типом электро­проводности и удельным сопротивлением. Граница между эпитаксиальным слоем и подложкой не получается идеально резкой, поэтому затруднено создание сверхтон­ких (менее 1 мкм) слоев и многослойных эпитаксиальных структур. Однако она поз­волила получить достаточно тонкие слои (1...10 мкм), которые невозможно полу­чить другими средствами.

Возможна как газовая, так и жидкостная эпитаксия, при которых наращивание монокристаллического слоя осуществляется из газовой или жидкой фазы, содер­жащей необходимые компоненты-соединения кремния, бора (акцептор) или фос­фора (донор).

8.2.3. Термическое окисление

Получаемая в этом процессе пленка двуокиси кремния (SiО₂) выполняет не­сколько важных функций: функцию защиты поверхности; функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси; функцию тонкого диэлектрика под затвором МДП-транзистора. Это стало одной из причин того, что кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых интегральных схем.

Следует заметить, что поверхность кремния всегда покрыта собственной окисной пленкой даже при самых низких температурах, но эта пленка имеет слишком ма­лую толщину (около 5 нм). Поэтому ее нельзя использовать для выполнения перечис­ленных функций. Пленки SiО₂ приходится получать искусственным путем.

Искусственное окисление кремния обычно осуществляется при высокой температуре (1000...1200°С) и называется термическим окислением. Оно может быть проведено в атмосфере кислорода (сухое окисление) и в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление) или просто в парах воды. Сухое окисление идет в десятки раз медленнее влажного. Например, для выращивания пленки SiО₂ толщиной 0,5 мкм в сухом кислороде при 1000°С требуется около 5 ч, а во влажном – 20 мин. С уменьшением температуры на каждые 100°С время окисления растет в 2...3 раза.

8.2.4. Легирование

Легирование – операция введения необходимых примесей в монокристалличес­кий полупроводник. Основным способом легирования является диффузия примес­ных атомов при высокой температуре. Широкое распространение получил и другой способ – ионное легирование (имплантация).

Диффузионное легиро­вание может быть общим (по всей поверхности, рис. 8.3,а) и локальным (на опре­деленных участках через ок­на в масках, рис. 8.3, б).

Диффузию можно про­водить однократно и много­кратно (двойная и трехкрат­ная диффузия). Существует предельная растворимость примеси, которая зависит от температуры. При некоторой температуре концентрация примеси достигает максимального значения, а затем умень­шается. Это значение в кремнии для мышьяка составляет 20·10²⁰ см^-3 (1150°С), фос­фора 13·10²⁰ см ^-3 (1150°С), бора 5·10²⁰ см^-3 (1200°С) и сурьмы 0,6·10²⁰ см^-3 (1300°С). Источниками примеси могут быть химические соединения их в виде жидкости, твердого тела или газа.

Время проведения диффузии пропорционально квадрату необходимой глубины диффузии, поэтому получение глубоких диффузионных слоев требует большого вре­мени: в интегральных схемах глубина рабочих диффузионных слоев обычно 1...4 мкм. Так как зависимость коэффициентов диффузии от температуры сильная (экспоненци­альная), то предусматривается очень точная регулировка температуры. Допустимая нестабильность температуры составляет сотые доли процента.

Ионное легирование осуществляется путем бомбардировки пластины ионами примеси, ускоренными в специальных установках (ускорителях частиц) до значи­тельной энергии. На схеме установки ионного легирования (рис. 8.4) ионы примеси из источника ионов 1 входят в анализатор по массе 2. Необходимость разделения ионов по массе вызвана тем, что вытягиваемый из источника поток ионов неодно­роден по составу; в нем присутствуют ионы различных элементов и соединений и многозарядные ионы. Для разделения ионов по отношению массы к заряду приме­няют различные сепараторы, которые основаны на взаимодействии движущегося иона с магнитными и электрическими полями или с комбинацией этих полей. В большинстве установок сепараторами являются секторные магнитные системы, в которых происходит поворот пучка ионов на угол менее 180° (например, 45°, 60° или 90°).

Ионы с определенным отношением массы к заряду входят в электростатический ускоритель ионов 3, к электродам которого от отдельного высоковольтного исто­чника 9 подводится напряжение, в отдельных установках до 200 кВ и выше. Уско­ренные ионы через щель 4 поступают в фокусирующую систему 5, а затем в скани­рующую систему 6, которая обеспечивает перемещение сфокусированного пучка ионов по полупроводниковой пластине 8, расположенной в приемной камере 7. В ус­тановке обеспечивается необходимый высокий вакуум. Получаемый ток пучка ио­нов в различных установках составляет от десятков микроампер до нескольких мил­лиампер. Сканирование пучка в одном поперечном направлении механическое, а в другом электростатическое, площадь сечения пучка 1 ...2 мм². Число одновременно закладываемых в камеру пластин с диаметром 75... 150 мм в разных установках со­ставляет 96...24. Следует заметить, что глубина проникновения ионов, зависящая от их энергии, составляет 0,1 ...0,5 мкм, т.е. очень мала и недостижима при диффу­зионном легировании. Это позволяет получать резкие профили (большие градиен­ты) распределения примеси.

Ионное легирование характеризуется универсальностью и гибкостью, позволя­ет с высокой точностью управлять количеством легирующей примеси (путем регу­лировки тока пучка ионов) и глубиной внедрения – изменением энергии (напряже­ния источника). Процесс ионного легирования может осуществляться при низких температурах, вплоть до комнатных, благодаря чему сохраняются исходные элект­ростатические свойства кристаллов. Это большое преимущество метода перед диффузионным легированием. Низкая температура позволяет проводить ионное легирование на любом этапе технологического цикла. Однако недостатком метода (кроме необходимости сканирования пучка) является возникновение обилия радиа­ционных дефектов в облученном полупроводнике, вплоть до образования аморф­ного слоя. Такие дефекты полностью удается устранить путем кратковременного отжига (в кремнии при 900...1100°С).