Файл: Моряков, О. С. Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве учеб. пособие.pdf

Г Л А В А ПЯТ А Я

ВАКУУМНО-ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ ПО ЭЛИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

§ 27. Сведения об элионной технологии

Элиониая (электронно-ионная) технология производства полу­ проводниковых приборов основана на использовании направленного переноса энергии электронными, а вещества — ионными пучками (лучами). При элионном изготовлении электронно-дырочных пере­ ходов ионные пучки служат для легирования полупроводников, а энергия электронных пучков — для процессов сплавления.

И о н н о е л е г и р о в а н и е по сравнению с диффузионным обладает следующими достоинствами:

использование пучка заряженных частиц (ионов) позволяет уп­ равлять технологическими операциями с помощью электрических и магнитных полей;

ионной бомбардировкой удается легировать полупроводник та­ кими примесями, которые нельзя ввести другими способами;

получаемые концентрации примесей могут значительно превы­ шать предел их растворимости в равновесных условиях;

отжиг полупроводников можно производить при температурах более низких, чем диффузия или сплавление;

область легирования ионами четко определяется краем миски, в то время как при обычной диффузии примесь частично проникает

под маску.

Э л е к т р о н н о л у ч е в у ю о б р а б о т к у используют для сварки, испарения, плавки, сверления и фрезерования, а также для сплавления легирующих и контактных материалов с полупроводни­ ками и герметизации корпусов приборов. В этих случаях применяют лучи с высокой плотностью энергии, т. е. проводят термические

процессы.

Нетермические процессы электроннолучевой обработки исполь­ зуют при анализе и контроле различных изделий, например^ в электронной микроскопии. Электронный луч, легко поддающийся управлению, можно быстро и точно перемещать в пространстве, а также изменять его интенсивность во времени. Причем в микроско­ пический объем может быть передано большое количество энергии, например, с удельной поверхностной мощностью 10 Вт/см . Кроме того, энергию электронов можно выделить в тонком слое материала.

На рис. 48 показан разрез транзисторной структуры р —п — р, полученной при помощи электронного луча. На кремниевом кристал­ ле (пластине) р-типа проводимости двойным локальным легиро­ ванием фосфором при помощи электронного луча создана базовая область 2 электронного типа проводимости. Эмиттерная область дырочного типа проводимости также создана при помощи электрон­ ного луча последовательным локальным легированием бором. Эмит-

79

терная и базовые области на поверхности кристалла защищены пленкой 5 двуокиси кремния, нанесенной на исходный кристалл, а к открытым участкам эмиттера и базы созданы невыпрямляющие контакты 6. Коллектором 3 служит исходный кремний дырочного

Рис. 48. Разрез транзисторной структуры:

/ —эмиттерная область, 2 —базовая область, 3 — коллектор, 4 — пленка ни­ келя, 5 — пленка двуокиси кремния, 6 — невыпрямляющий контакт

типа, невыпрямляющий контакт (пленка никеля) 4 к которому соз­ дается предварительно, перед началом процесса электроннолуче­ вой обработки.

§ 28. Изготовление электронно-дырочных, переходов методом элионной технологии

Рассмотрим схему технологического процесса изготовления по­ левого транзистора по элионной технологии.

На рис. 49, а и б показано получение электронно-дырочных пе­ реходов при помощи электронного и ионного пучков.

Источником электронов (рис. 49, а) служит раскаленный воль­ фрамовый катод /. Под действием ускоряющего напряжения (до

Рис. 49. Получение электронно-дырочных переходов при помощи пучков:

источник ионов, 12 — ионнооптическая фокусирующая система, 13 —ионный пучок, 14 - система магнитного отклонения, /5 — тормозящая система, 16 — маска, 17 — кассета

8 0

200^кВ), приложенного к аноду 3, электронный пучок 10, управляе­ мый модулятором, проходит через диафрагму 4, две линзы 6 и фо­ кусируется на полупроводниковой пластине 7, покрытой легирую­ щим веществом. Пластина расположена на рабочем столике 8 уста­ новки, который может автоматически перемещаться с заданным шагом в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

В результате электронной бомбардировки происходит локальное сплавление и атомы легирующего вещества равномерно распределя­ ются в расплаве, после кристаллизации которого на границе данной области образуется электронно-дырочный переход, имеющий микросплавную или микродиффузионную структуру, что зависит от вре­ мени воздействия электронного пучка на пластину. Если время воз­ действия лежит в пределах нескольких секунд, заметной диффузии примеси в твердую фазу не происходит и структура перехода соотвествует микросплавной. При более длительной обработке получают микродиффузионные структуры. Процесс ведут в вакууме. Действие пучка можно наблюдать с помощью микроскопа.

При ионном легировании (рис. 49, б) пучок 13, состоящий из ио­ нов примесного вещества, проходит фокусирующую 12, отклоняющую 14 и тормозящую 15 системы и попадает на полупроводниковую пластину 7. Для локализации мест бомбардировки пластины, нахо­ дящиеся в кассете 17, могут быть частично закрыты маской 16.

Обладая большой кинетической энергией, ионы, сталкиваясь с поверхностью полупроводника, внедряются на определенную глу­ бину в его кристаллическую решетку, в результате возникает об­ ласть противоположного типа проводимости, на границе которой образуется электронно-дырочный переход. Этот процесс также ве­ дут в вакууме. Он поддается точному управлению, что обеспечи­ вает получение переходов с заданными параметрами и хорошую воспроизводимость.

На рис. 50 показана технологическая схема изготовления поле­

омические контакты (рис. 50, к), необходимые для присоединения электродных выводов.

Ознакомимся с использованием электронного пучка в техноло­ гии получения кремниевых диодов (рис. 51). После механической и химической обработки пластину н-кремния окисляют (рис. 51, а), удаляют е одной ее стороны окисел и напыляют на эту сторону

золото (рис. 51, б). Слой золота служит для создания невыпрям­ ляющего контакта с кремнием. На поверхность, покрытую окислом, напыляют слой борного ангидрида (рис. 51, в). Затем на электрон­ нолучевой установке производят локальное расплавление ангидри­ да (В20 3) и окисла, в результате чего кремний легируется бором и

образуется электронно-дырочный переход (рис. 51, а). Оставшийся борный ангидрид удаляют, а на площадки электродов перехода напыляют слой алюминия (рис. 51, д). Далее следуют обычные операции сборки прибора.

82

Элионная технология изготовления полупроводниковых прибо­ ров в настоящее время успешно осваивается промышленностью.

Процесс ионного легирования осуществляется при комнатной температуре и по сравнению с обычной диффузией сравнительно быстро. Затем полупроводниковые пластины необходимо отжечь для устранения радиационных дефектов, возникающих под дейст­ вием ионной бомбардировки. Процесс отжига ведут кратковремен­ но при низкой температуре. Так, для кремния температура отжига составляет примерно 700° С,, а время —30 мин.

Для улучшения частотных свойств обычных транзисторов необ­ ходимо снизить толщину базового слоя. Термической диффузией можно получить транзисторы с минимальной толщиной базового слоя примерно 0,1 мкм; предельная частота усиления по току та­ ких приборов менее 1 ГГц. Ионным легированием удается изгото­ вить транзисторы с базой толщиной около 500 А; их предельная частота усиления по току достигает 6 ГГц. Методом двойного ион­ ного легирования (фосфором и бором) были получены электронно­ дырочные переходы в алмазе, а также в полупроводниковых соеди­ нениях типа арсенид галлия (ОаАэ), карбид кремния (ЭЮ) и др.

Элионную технологию применяют также для создания транзис­ торов со структурой металл — окисел — полупроводник (МОП-ти- па) и интегральных схем на их основе. МОП-транзисторы благо­ даря их особенностям можно использовать как в качестве актив­ ных, так и в качестве пассивных элементов интегральных схем. Ионное легирование позволяет свести к минимуму паразитные емкости транзисторов. Кроме того, оно нашло широкое примене­ ние в технологии МОП БИС (больших интегральных схем) —поз­ волило обеспечить более низкие пороговые напряжения, лучшую воспроизводимость и быстродействие таких схем, уменьшить их геометрические размеры и повысить процент выхода.

Одним из достоинств элионной технологии является возмож­ ность полной автоматизации производственного процесса. Регули­ руя энергию и дозы ионов, можно в широких пределах изменять глубину распределения примеси в легированном слое, что весьма существенно, так как от распределения примесей зависят его элект­ рические свойства перехода.

§ 29. Оборудование для процессов элионной технологии

Для изготовления электронно-дырочных переходов по элионной технологии используют электроннолучевые и ионнолучевые уста­

новки.

На рис. 52 показана ионнолучевая установка, которая состоит из источника и приемника ионов, электронного анализатора, систе­ мы управления пучком и вакуумной системы.

Примесный материал, предназначенный для легирования, загру­ жают в тигель 1 головки источника ионов (рис. 52, а) и нагревают до температуры испарения. В камере источника имеется катод 3, который, разогреваясь с помощью нити накала 2 до 2400—2500° С,