Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

У 1959 р. була запропонована так звана планарна технологія виготовлення напівпровідникових приладів, яка відкрила нову еру в мікроелектроніці. Існує два різновиди планарної технології: планарно-дифузійна і планарно-епітаксійна. Етапи виготовлення p—n-переходів методом планарно-дифузійної показані на рис. 2.1. На поверхні однорідної пластини монокристала кремнію p-типу термічним окисленням кремнію формується тонка захисна плівка двооксиду кремнію SiO₂ (рис. 2.1, а). Електронно-дірковий перехід утворюється в об'ємі напівпровідника під цим захисним шаром, що запобігає дії різних зовнішніх факторів на p— n-перехід, а також відіграє важливу роль у процесі виготовлення планарних структур, забезпечуючи проникнення домішки в певні ділянки кристала.

     Для цього способом фотолітографії виготовляється оксидна маска. Пластину кристала кремнію з рівномірною тонкою (товщина 0,5 мкм) плівкою SiO₂ вкривають шаром світлочутливої емульсії — фоторезистом, тобто наносять на пластину кілька краплин фоторезиста і вміщують її у стіл центрифуги. Під час обертання під дією відцентрової сили фоторезист розтікається, утворюючи тонку рівномірну плівку (рис. 2.1, б), яку висушують.

Фоторезист чутливий до дії ультрафіолетового світла. На кремнієву пластину накладають фотошаблон з рисунком ділянок, які в подальшому повинні бути оброблені, щільно притискують до пластини і освітлюють ультрафіолетовим світлом (рис. 2.1, в).

Світло, яке проходить  через прозорі ділянки фотошаблона, впливає на фоторезист так, що засвітлені ділянки його полімеризуються і стають нерозчинними в проявнику. Потім пластини з фоторезистом піддають спеціальній обробці, в результаті якої вилучається лак з тих ділянок, на які не діяло ультрафіолетове випромінювання. Решта ділянок кремнієвої пластини, які покриті двооксидом кремнію, захищені полімеризованою плівкою фоторезисту. Якщо тепер діяти на пластину плавиковою кислотою, яка розчинює двооксид кремнію, то оксидна плівка буде видалена саме з тих місць, де потрібно ввести домішку. Плавикова кислота не діє на полімеризований фоторезист, який, однак, тепер не потрібний і в подальшому змивається спеціальним розчинником.

Таким чином, у плівці двооксиду кремнію утворюється  сукупність вікон (рис. 2.1, г), а на поверхні пластини—потрібний рисунок, вигравійований у плівці. Ця плівка і являє собою оксидну маску, через яку вводиться легуюча домішка. Домішка може бути введена в монокристал кремнію тільки через відкриті вікна, оскільки шар двооксиду кремнію Si0₂ добре затримує дифундуючі речовини.

Через утворені вікна  дифундують із газової фази домішки n-типу, і проникаючи вглиб кристала, утворюють n-острівці. Задовільна швидкість дифузії буває при температурі порядку 1000—1200 °С. Оскільки провідність кристала p-типу, то між ним і острівцями утворюються p—n-переходи (рис. 2.1, д).

При планарно-дифузійній технології дифузія домішки відбувається з поверхні кристала, що зумовлює малу чіткість меж p—n-переходів. При цьому домішка розподіляється нерівномірно по товщині основи: концентрація на поверхні більша, ніж у глибині. Недостатня чіткість p—n-переходів знижує якість напівпровідникових приладів. Вказаний недолік значною мірою усувається за допомогою планарно-епітаксійної технології.

Планарно-епітаксійна  технологія дозволяє нарощувати тонкий напівпровідниковий шар на напівпровідникову  основу з будь-яким типом провідності, при якій кристалічні гратки вирощеного шару є точним продовженням кристалічних граток основи. Склад вирощеного шару епітаксійної плівки може відрізнятись від складу матеріалу основи. Вирощений епітаксійний шар п-типу на підкладці р-типу показаний на рис. 2.2, а. Якщо виконати всі технологічні операції описаним вище способом по виготовленню оксидної маски за допомогою методу фотолітографії (див. рис. 2.1, б, в, г) і внести через розкриті вікна p-домішку, то одержимо n-острівці епітаксійного шару і відповідно p—n-переходи між острівцями і p-підкладкою (рис. 2.2, б). Використання тонкого епітаксійного шару при планарно-епітаксійній технології дозволяє отримати рівномірний розподіл домішки по товщині і достатньо чіткі p—n-переходи.

Одне із важливих досягнень  планарної технології є можливість захисту p—n-переходу від зовнішнього впливу. Утворені p—n-переходи і відповідні контакти виходять на одну площину підкладки (основи). Тому захисний шар, нанесений на поверхню основи, відіграє нe тільки важливу роль в процесі виготовлення планарних структур, забезпечуючи проникання домішки в певні ділянки основи, але й запобігає дії зовнішніх факторів на p—n-переходи. Їх можна додатково захистити ще легкоплавким склом, лаком, запресувати в пластмасу і т. п. Стало можливим автоматизувати найбільш трудомісткі процеси ви-готовлення напівпровідникових приладів — складання і герметизацію.

Процес фотолітографії у планарній технології дає змогу  одержувати в кристалі напівпровідника області і p—n-переходи з лінійними розмірами не тільки в десятки, але й одиниці мікрометрів, що суттєво розширило частотний діапазон напівпровідникових приладів. Почали швидко розвиватись прилади із структурою метал—діелектрик— напівпровідник—МДН (МОН)-структури.

Однак найголовніше досягнення планарної технології полягає в тому, що вона дозволила одночасно в єдиному технологічному циклі виготовляти на одному кристалі велику кількість p—n-переходів і з'єднань між ними, а отже, і напівпровідникових приладів, об'єднаних в єдину інтегральну мікросхему. Саме тому планарну технологію, яка відкрила дорогу новому напряму в напівпровідниковій техніці — мікроелектроніці, розглядають як другу революцію в електроніці.

Створення великих і  надвеликих інтегральних мікросхем (ВІС  і НВІС) — в центрі уваги сучасної мікроелектроніки і вимагає розвитку нових технологічних методів, які б дозволили різко підвищити ступінь інтеграції і швидкодію НВІС. Проте оксидні маски, які створені методом фотолітографії, обмежені мінімальними розмірами елементів у зв'язку з явищем дифракції світла на елементах рисунка. Мінімальний розмір елементів становить приблизно 1—2 мкм.

Подальше збільшення ступеня інтеграції компонентів  мікросхем вимагає створення  елементів з розмірами в десяті частки мікрометра. Для цього розроблено нові методи мікролітографії: електронний, рентгенівський та іонний. Найпоширеніша у виробництві сучасних мікросхем разом з фотолітографією електронна літографія.

Суть електронної літографії полягає в тому, що маска з потрібним  рисунком створюється в процесі  засвічування електронним потоком спеціального шару, який чутливий до електронів. Такий шар називають електронним резистом. Дифракція електронів не є обмежуючим фактором у випадку використання електронних зондів з енергією електронів в десятки кіловольт. Практична межа роздільної здатності обробки визначається розсіюванням електронів в резисті і становить 0,2 мкм.

Електронний резист засвічується за точно визначеним рисунком або  з допомогою тонкосфокусованих  пучків електронів, які відхиляються електричними і магнітними полями за заданою програмою з допомогою ЕОМ або в результаті одночасного переносу зображення рисунка за шаблонами маски. Перший спосіб засвітки здійснюють пристрої, які називаються генераторами зображення, а другий — проектори.

Пристрої електронної  літографії являють собою складний комплекс обладнання, до якого входять електронно-оптична система, джерело електронів і елементи, які формують електричні або магнітні поля для керуваніп рухом електронів; система завантаження—розвантаження пластин; координатний стіл з прецизійним переміщенням; ЕОМ або мікропроцесор, який керує роботою всіх систем; система вакуумного забезпечення, джерело стабілізованого живлення і різноманітні контрольні системи.

Дуже часто пристрої електронної літографії використовуються в змішаних процесах, коли велика частина операцій проводиться методом фотолітографії, а найбільш відповідальні ділянки обробляються електронним променем. При цьому досягається висока точність і особлива роздільна здатність обробки.

Напівпровідникові інтегральні мікросхеми

Напівпровідникові інтегральні  мікросхеми мають надзвичайно високі надійність і ступінь інтеграції, низьку вартість при великих масштабах  виробництва, здатність працювати  при малих рівнях струмів і напруг та інші переваги.

Матеріали напівпровідникових інтегральних мікросхем. Основним матеріалом, який використовується для виготовлення напівпровідникових ІМС, є кремній. У вихідному стані кремній легований тими чи іншими домішками. Так, для отримання кремнію з електронною провідністю (кремнію n-типу) застосовують такі легуючі домішки: арсен, стибій або фосфор. Домішками до кремнію р-типу є алюміній або бор.

Однією з важливих характеристик напівпровідникового  матеріалу е його питомий опір , який визначається концентрацією електронів n і дірок p, а також їх рухливостями відповідно і . Якщо донорні і акцепторні домішки в напівпровідникових матеріалах відповідно n-типу або p-типу повністю іонізовані, то можна вважати, що кількість електронів і дірок дорівнює кількості домішкових атомів, тобто n= N_d і р = N_a.  При цьому питомий опір напівпровідника n-типу , а для напівпровідника p-типу , де q —заряд електрона.

 Кремній дуже технологічний, оскільки має широкий діапазон питомого опору при легуванні різними домішками. До того ж на кремнієвій пластині в процесі термічної обробки легко одержати плівку двооксиду кремнію, яка відіграє роль захисної маски (див. п. 2.1). Якщо врахувати також, що елементи кремнієвих ІМС можуть працювати в широкому діапазоні температур з невеликими струмами втрат і допускають великі короткочасні перевантаження, то стає очевидною перевага використання кремнію в напівпровідникових ІМС.

Для виготовлення ІМС  промисловістю випускаються кремнієві підкладки у вигляді тонких пластин круглої форми товщин зю не більше 200—300 мкм і діаметром 40—60 мм. На поверхні або в об'ємі таких підкладок формуються елементи напівпровідникової ІМС. В основі формування елементів на підкладці лежить планарна технологія, яка дозволяє груповим методом обробляти одночасно кілька десятків підкладок з сотнями і тисячами напівпровідникових ІМС на кожній. Після закінчення технологічного циклу виготовлення елементів мікросхемі підкладки розрізаються алмазним різцем або лазерним проминем на окремі кристали, які і являють собою напівпровідникові ІМС. Однак ще перед розділенням підкладки на окремі кристали проводять виміри електричних параметрів мікросхем. Непрацюючі ІМС позначають фарбою.

Різноманітна структура кремнієвих підкладок суттєво визначає якість елементів мікросхеми. Найбільш простими є підкладки з монокристалічного кремнію, діелектричним шаром, на поверхні яких є плівка двооксиду кремнію (рис. 2.1, а). Недоліком таких підкладок є наявність порівняно великого заряду, який накопичується на межі поділу поверхні кремнію і діелектричної плівки із двооксиду кремнію, що погіршує параметри елементів мікросхеми. Такий недолік практично відсутній у кремнієвих структурах з комбінованим діелектриком, де на підкладку з кремнію товщинзю 250 мкм нанесена нижня плівка двооксиду кремнію, потім середня плівка нітріду кремнію товщиною 0,05 мкм і, нарешті, верхня плівка двооксиду кремнію товщиною 0,8 мкм. Таким чином, захисний шар на поверхні кремнієвої підкладки тришаровий.

Найширше застосування при виробництві напівпровідникових ІМС знайшла кремнієва основа епітаксійної структури (див. п. 2.1, рис. 2.2, а) з діелектричним шаром на поверхні підкладки у вигляді двооксиду кремнію або з комбінованим діелектриком. Товщина вирощеного епітаксійного шару не перевищує 50 мкм і найчастіше становить 5—15 мкм. Для покращання параметрів елементів напівпровідникових ІМС між підкладкою і епітаксійним шаром вводиться так званий прихований шар. На рис. 2.3 показаний поперечний переріз кремнієвої епітаксійної структури, в якій між основою p-типу і епітаксійним шаром n-типу вмонтований прихований n⁺-шар. Зауважимо, що знак «+» підкреслює велику електропровідність даної області монокристала.

У напівпровідникових ІМС, виготовлених на монокристалах кремнію, елементи ізольовані один від одного і від підкладки за допомогою зворотнозміщених p—n-переходів. Але такий перехід має ємність, яка виникає між елементами, що ізолюються. Ця так звана паразитна ємність погіршує роботу схеми на високих частотах. Тому разом з ді-одною ізоляцією в кристалі застосовують діелектричну ізоляцію окремих елементів і областей. Напівпровідникові ІМС з діелектричною ізоляцією окремих областей виготовляють із застосуванням спеціальних кремнієвих підкладок. Такі підкладки являють собою структури полікристалічного кремнію, в яких за заданою топологією розміщені області монокристалічного кремнію провідності п-типу, ізольовані діелектриком у вигляді двооксиду кремнію. Двооксид кремнію має добрі ізолюючі властивості і малу діелектричну проникність. Кремнієву структуру з діелектричною ізоляцією елементів без прихованого шару показано на рис. 2.4, а, а така сама структура, але з прихованим n⁺-шаром, який не виходить на поверхню підкладки, — на рис. 2.4,6. Слід зазначити, що процес виготовлення кремнієвих структур з діелектричною ізоляцією елементів складається з великої кількості додаткових технологічних операцій, що значно збільшує вартість мікросхеми.

В наш час як матеріал напівпровідникових ІМС дедалі більше застосовується арсенід галію, здатний забезпечити роботу мікросхеми при більш високій температурі, ніж кремній. Крім цього, ІМС на ос« нові арсеніду галію мають високу швидкодію і малі власні шуми.

Транзистори. Найбільш складними елементами ІМС є транзистори. Домінуюче місце в напівпровідникових ІМС займають біполярні і польові транзистори. Порівняльна оцінка ІМС на основі біполярних транзисторів і ІМС на основі польових транзисторів показує перспективність останніх. Мікросхеми на основі польових транзисторів мають простішу технологію виготовлення, менші розміри елементів і більший ступінь інтеграції.