Файл: 000810.pdf

−можливість легування кремнію і інших напівпровідників будьякими легуючими домішками в різних кількостях, аж до граничної розчинності;

−отримання ізотопної чистоти іонів легуючої домішки, сепарованих в магнітному полі;

−відсутність впливу навколишнього середовища, оскільки процес здійснюється у вакуумі;

−висока відтворність результатів завдяки точному контролю інтенсивності пучка і дози впроваджуваних іонів;

−можливість здійснення на одній установці комплексу операцій, включаючи легування, металізацію і захист поверхні.

Недоліки іонного легування – складність технологічних установок і можливість утворення дефекного шару на поверхні підкладок.

Іонне легування використовують для створення біполярних транзисторів НВЧ-діапазону, МДН-транзисторів із затвором, що самопоєднується, діодів, високоомних резисторів і інших елементів напівпровідникових ІМС.

9.6 Епітаксійне нарощування напівпровідникових шарів

Епітаксією називають орієнтоване зростання шарів, кристалічна гратка яких повторює структуру підкладки.

У мікроелектроніці на явищах епітаксії засновані технологічні процеси епітаксійного нарощування різних напівпровідникових структур.

Методи отримання. Механізм орієнтованого зростання монокристалічних шарів залежить від технологічного методу. Використовують три основні технологічні методи: газофазні реакції, вакуумне осадження і кристалізацію з рідкої фази.

При виготовленні епітаксійних напівпровідникових структур застосовують в основному газофазні реакції, наприклад, для епітаксійного синтезу – реакції відновлення хлоридів германію і кремнію,

головним чином тетрахлоридів ( GeCl4 , SiCl4 ), гідрогеном до чистих

елементів, що осідали в монокристалічній затравці, а також йодидний процесс – осадження на затравку плівок германію і кремнію з парів

йодидів ( GeJ2 , SiJ2 ) у результаті реакції диспропорціонування.

Епітаксійне нарощування є одним з видів синтезу монокристалів і тому має багато спільного із вирощуванням кристалів з розчину або розплаву. Домінуючим чинником, що впливає на епітаксійне вирощування, є поверхнева рухливість обложених атомів. Вирощування кристала з газової фази відбувається швидше, ніж з розбавленого розчину, але повільніше, ніж з чистого розплаву. Швидкість росту, тобто лінійний

143

приріст товщини плівки, складає декілька сантиметрів на добу. Вирощування монокристала складається з трьох основних етапів:

−переносу пари до поверхні підкладки (приманки);

−кристалізації і зростання нових шарів на поверхні підкладки;

−розсіяювання прихованої теплоти кристалізації і теплоти реакції, що звільняється.

Міграція атомів, що осіли на поверхні, приводить до виникнення стійких зародків кристалізації. Внаслідок теплових коливань деякі атоми можуть відірватися від зародків. Вірогідність відриву тим більша, чим менше насичених зв'язків у атомів, що осіли. Енергія їх зв'язку з гранями кристала, що ростуть, пропорційна числу суміжних сторін. Нарощування епітаксійного шару відбувається уздовж поверхні, шар, що росте, повторює морфологію підкладки. Якщо підкладка і плівка, що росте, складаються з однієї речовини, то процес називають автоепітаксійним, якщо з різних – гетероепітаксійним. Залежно від співвідношення питомого опору шару

і підкладки r v розрізняють пряму () і зворотну () епітаксії.

За допомогою автоепітаксії в технології мікроелектроніки створюють тонкі монокристалічні шари кремнію, леговані необхідною домішкою до потрібної концентрації, в яких формуються активні і пасивні елементи ІМС. Гетероепітаксія дозволяє одержувати гетеропереходи, які мають специфічні електрофізичні властивості. Епітаксійне нарощування напівпровідникових шарів спільно з дифузією домішок використовують для отримання транзисторних структур напівпровідникових ІМС. Застосування методів епітаксійного нарощування шарів в технології напівпровідникових ІМС дає такі переваги:

а) отримання монокристалічних шарів напівпровідників із заданою орієнтацією кристалографічних осей;

б) рівномірний розподіл домішок в шарах (при використовуванні тільки дифузії домішок це практично неможливо);

в) лише дві стадії дифузії при отриманні чотиришарових транзисторних структур в інтегральних мікросхемах;

г) отримання транзисторних структур з кращими, ніж потрійна дифузія характеристиками і спрощення операцій з ізоляціії елементів р-n- переходами;

д) скорочення тривалості операцій, отримання транзисторних структур (швидкість росту епітаксійних плівок відносно висока).

Всі методи епітаксійного нарощування напівпровідникових шарів прийнято поділяти на прямі і непрямі. В прямих методах частинки напівпровідника переносяться від джерела до підкладки без проміжних хімічних реакцій шляхом випаровування з рідкої фази, сублімації, реактивного розпилювання. В непрямих методах атоми напівпровідників

144

одержують на поверхні підкладки шляхом розжарення пари напівпровідникових з'єднань. До них відносяться методи, засновані на відновленні у гідрогені хлоридів, бромідів, йодидів кремнію і германію, а також методи піролізного розкладання силану і органічних сполук кремнію і германію.

9.7 Виготовлення елементів біполярних ІМС

Транзистори в інтегральних мікросхемах. В ІМС застосування транзисторів більш переважне, ніж пасивних елементів, внаслідок меншої площі, займаної ними. Транзистори у складі інтегральної мікросхеми дешевші дискретних, тому можна використовувати 5 – 10 транзисторів замість 2 – 3 в тому ж каскаді на дискретних приладах. Транзистори n-р-n- типу мають кращі характеристики і параметри, ніж р-n-р-транзистори, тому знайшли переважне застосування в ІМС. Технологія їх виготовлення більш економічна.

Розрізняють три різновиди структур транзисторів для інтегральних мікросхем: звичайна планарна, горизонтальна (латеральна) і з вертикальними переходами. В звичайній планарній структурі інтегрального транзистора (рис. 9.6), топологія якого була показана на рис. 9.5, емітерний і колекторний переходи, за винятком їх меж, розташовані паралельно поверхні пластини. На відміну від дискретних приладів, в яких колекторний контакт розміщений на протилежному боці пластини і служить місцем приєднання транзистора до кристалоутримувача, в інтегральних транзисторах всі контакти виведені на планарну сторону. Для мікропотужних схем більш придатна односмугова конфігурація виводів, показана на рис. 9.5, забезпечуюча мінімальну площу, займану транзистором. В схемі малої і високої потужності планарне розташування контактів веде до збільшення опору колектора і

145

тобто горизонтально. Наявність прихованого n+-шару дозволяє збільшити частину дірок, що досягають колектора, оскільки цей шар служить відбивачем для дірок, що переміщаються перпендикулярно до поверхні кристала. Латеральні транзистори прості в виготовленні, їх застосовують в мікросхемах як складові елементи в складних транзисторних структурах, наприклад, в поєднанні із звичайними планарними транзисторами р-n-р, і рідше – як самостійні елементи. Коефіцієнт передачі струму у латеральних транзисторів малий, частотний діапазон низький.

Рисунок 9.9 – Структура горизонтального латерального р-n-р транзистора

При виготовленні біполярних транзисторів на ізолюючих підкладках, зокрема на КНС-структурах, внаслідок малої товщини епітаксійного шару (0,5 – 1,0 мкм) дифузія домішок відбувається на всю глибину шару і в ньому утворюється структура з вертикальними р-n-переходами, площина яких перпендикулярна до поверхні шару і підкладки. Ширше застосовують вертикальні переходи в МДН-транзисторах.

Ізоляція елементів в ІМС. Для створення ізольованих областей в напівпровідникових мікросхемах використовують обернене зміщення р-n- переходу, покриття з діелектрика, комбінацію обернено зміщених переходів з діелектриком і ізоляцію повітряними проміжками.

Ізоляція обернено зміщеними переходами заснована на дифузії. Великим її недоліком є наявність струму витоку і ємності переходу, а також комутація схеми таким чином, що ізолюючі р-n-переходи завжди знаходяться під зворотним зсувом. Завдяки значному зниженню питомої ємності, високій пробивній напрузі діелектрична ізоляція забезпечує широкі можливості при виготовленні ІМС. Ізоляція діелектриком полягає в тому, що між областями напівпроводникового матеріалу розміщують діелектричний шар. Найбільш розповсюдженим способом ізоляції є епікпроцесс. Початковою структурою для нього служить пластина кремнію n-

типу, на якій вирощений епітаксійний n+ -шар. Епітаксійний шар оксидують і в діоксиді кремнію за допомогою фотолітографії розкривають

147

вікна потрібної конфігурації. У вікнах кремній витравляють хімічним методом на глибину 20-30 мкм при ширині розділової канавки 50-80 мкм. На поверхні епітаксійного шару і витравлених канавок шляхом термічного

або піролітичного оксидування створюють шар SiO2 товщиною близько

1 мкм. Потім на всю поверхню пластини нарощують полікристалічний кремній. Товщина його складає 200-250 мкм, тому всі канавки повністю заростають. На прецизійному полірувальному верстаті частину полікремнію зшліфовують, забезпечуючи плоскопаралелність пластини. Пластину перевертають і шліфують монокристалічну підкладку до тих пір, поки не оголяться канавки, заповнені полікремнієм. Поверхню ретельно полірують і окисляють. Тепер підкладкою структури, по суті, є полікремній. В нього вкраплені окремі ділянки монокристалічного кремнію, ізольовані один від одного плівкою SiO2 і полікремнієм.

Метод позитивної ізоляції, названий за типом вживаного фотошаблона, дозволяє одержувати n-шар з точно заданою товщиною і високою однорідністю. Початковою структурою служить n+ -підкладка з плівкою діоксиду. На неї нарощують полікремній і доводять товщину n+ - підкладки до 8-10 мкм. На цей шар нарощують епітаксійний кремній n- типу заданої товщини до опори. Кремній оксидують і витравляють розділові канавки до полікремнія. Стінки канавок оксидують, після чого всю поверхню структур покривають полікремнієм, який заповнює канавки на всю глибину. Надлишки полікремнія зшліфовують до оголення поверхневого оксиду. Діоксид розчиняють і на структурі проводять планарний процес для створення мікросхеми.

Метод повторного нанесення полікремнію поєднує прийоми епікпроцесу і позитивного методу з двократним нанесенням полікремнію.

Окислену епітаксійну структуру покривають полікремниєм.

Підкладку зшліфовують на велику глибину, щоб n+ -область була одного порядку товщини з n-областю. Після оксидування селективним травленням створюють канавки до поверхні розділу між кристалом і полікремнієм. Канавки оксидують і наносять на цю сторону пластини другий шар полікремнію великої товщини. Перший шар полікремнію видаляють, створюючи структури, аналогічні структурам, одержаним позитивним методом.

Розглянуті методи включають прецизійне механічне оброблення, яке ускладнюється через прогинання підкладки в результаті відмінності ТКР кремнію і полікремнію, а також різних значень мікротвердості цих матеріалів і діоксиду кремнію. Тому виникли комбіновані методи, зокрема ізопланарний. Ізопланарний метод заснований на застосуванні як ізоляції термічно вирощеного діоксиду кремнію. Після формування в пластині

прихованих колекторних областей n+ -типу на всій поверхні пластини вирощують тонкий епітаксійний n-шар. На ньому формують маску з

148