Поняття про напівпровідники

Напівпровідниками називають речовини, які займають проміжне положення між речовинами, які добре проводять електричний струм, і речовинами, які практично не проводять електричного струму.

До речовин, які добре проводять електричний струм, належать метали. Практично не проводять електричного струму діелектрики або ізолятори.

У кристалі напівпровідника атоми пов'язані між собою за допомогою електронів, які містяться на зовнішній електронній оболонці. Так, на зовнішній електронній оболонці атомів кремнію, який є напівпровідниковим матеріалом, міститься по чотири електрони.

Теплове коливання атомів може спричинити відривання окремих електронів від свого атома і вільне переміщення їх у кристалі. Відхід електрона від атома порушує електричну нейтральність атома, у нього виникає позитивний заряд, який дорівнює заряду електрона, що "відірвався" від атома. При відході електрона в електронній оболонці запишається вільне місце (вакансія), яке називають діркою. Оскільки вакансія може бути зайнята електроном із сусіднього зв'язку, вона також може переміщатися усередині кристала, то вважається позитивним носієм струму.

Отже, електричний струм у напівпровідниках зумовлений не лише негативними зарядами — електронами, а й однаковими з ними позитивними зарядами — дірками. Таку провідність називають власною.

Властивості напівпровідників значною мірою залежать від вмісту в них домішок. Змінюючи кількість домішок у напівпровіднику від десятимільйонних часток відсотка до 0,1—1 %, можна змінити його провідність у мільйони разів.

Якщо на місце атома основного напівпровідника ввести атом домішки, на зовнішній електронній оболонці якого міститься на один електрон більше, ніж в атомі напівпровідника, то цей електрон буде ніби то зайвим, не потрібним для утворення міжатомних зв'язків у кристалі й слабо зв'язаним зі своїм атомом. Щоб відірвати його від атома і перетворити на вільний електрон, необхідно витратити значно менше енергії, ніж для відривання електрона від атома основного напівпровідника. Тут має місце домішкова провідність.

Домішки, які легко віддають свій "зайвий" електрон, називають донорними (від лат. dono— даю, дарую).

У напівпровіднику, атоми домішок якого легко віддають свої електрони, всі зв'язки заповнені й дірки не утворюються. Носіями струму в такому кристалі є електрони. Прикладом такого напівпровідника є кремній, легований арсеном.

Напівпровідникові кристали, в яких переважає електронна провідність, називають напівпровідниками n-типу (n — negativus).

Уведення в напівпровідник домішок, на зовнішній електронній оболонці яких міститься менша кількість електронів, ніж в атомі основного напівпровідника, спричинить появу незаповненого зв'язку, тобто дірки. Цей зв'язок можуть зайняти електрони із сусіднього атома і дірки вільно переміщатимуться у кристалі.

Домішки, що спричинюють утворення місць, які приймають електрони, називають акцепторними (від лат. acceptor— отримувач, приймач).

Якщо в кристал кремнію ввести незначну кількість легуючого елемента, наприклад алюмінію, то в кристалі переважатиме діркова провідність.

Напівпровідникові кристали, в яких переважає діркова провідність, називають напівпровідниками р -типу (р — positivus).

У напівпровідниковому монокристалі легуванням можна створити дві зони: р- та n -типу. Межу між цими зонами називають р-п переходом.

Створюючи різні комбінації р-п переходів, отримують елементи інтегральної мікросхеми: діоди, транзистори, резистори тощо, які розміщені у приповерхневих шарах одного напівпровідникового монокристалу.

Набір певної кількості елементів складає відповідну схему (рис. 3а, б).

Технологія виготовлення елементів напівпровідникової ІМС

Основною технологією виготовлення напівпровідникових інтегральних мікросхем є інтегрально-груповий спосіб і планарно-епітаксійна технологія.

Інтегрально-груповий спосіб виробництва ІМС ґрунтується на одночасному формуванні елементів мікросхем на великій кількості пластин. На кожній пластині монокристалу виготовляють безліч однотипних схем, які складаються з активних і пасивних елементів. Ці елементи з'єднують (інтегрують) між собою короткими металевими смужками, які отримують напиленням. Для цього електроди всіх елементів виводять на поверхню пластини та розміщують в одній площині, в одному плані (рис. 3б). Такий підхід до виготовлення ІМС забезпечує спеціальна планарно-епітаксійна технологія.

Рис. 3. Електрична схема:

а — профіль структури напівпровідникової ІМС; б: 1 — діод; 2 — резистор; 3, 4 — транзистор; 4, 5 — конденсатор

Планарно-епітаксійна технологія виробництва ІМС складається з таких послідовних технологічних процесів (рис. 4): епітаксія; окиснення при поверхневому шарі монокристалу; фотолітографія; дифузія; напилення тонких металевих плівок.

1. Епітаксія. У процесі шліфування та полірування поверхонь кремнієвих пластин кристалева структура приповерхневого шару порушується. Для її відновлення проводять епітаксію.

Епітаксією називають нарощування кремнієм приповерхневих шарів монокристалів кремнію для відновлення їх кристалевої структури, яка порушилась у процесі виготовлення пластин.

Епітаксію проводять газовим, рідинним та іншими способами. Уразі газового способу нарощування епітаксійного шару кремнію пластини завантажують у спеціальну камеру, де вони нагріваються за високої температури. Над нагрітими пластинами пропускають пару речовин, які містять кремній. Найчастіше використовують пару сілану (SiH₄). За температури 950—1050 °С сілан розкладається з утворенням кремнію і водню:

SiH₄ → Si + 2H₂

Водень очищає поверхню пластини 1 від домішок, а кремній осідає на неї та відтворює порушену кришталеву структуру 2 (рис. 4а).

2. Окиснення приповерхневого шару кремнію. Для захисту надчистого кремнію від дії атмосфери, проведення локальної дифузії у визначених місцях та ізоляції елементів ІМС епітаксійний шар кремнію 2 окиснюють (рис. 4б). Під шаром оксиду 3 кремній стає чистішим та набуває досконалішої кришталевої структури, ніж мав до окиснення.

Рис. 4. Послідовність основних технологічних процесів планарно-епітаксійної технології виробництва напівпровідникових ІМС

Поверхню кремнієвих пластин найчастіше окиснюють термічним способом, при якому нагріті кремнієві пластини витримують спочатку в атмосфері сухого кисню протягом 15 хв, потім у вологому 1 год 45 хв і знову в сухому кисні протягом 1 год.:

Si + О₂ → SiО₂

Si + 2H₂О → SiО₂ + 2H₂

З підвищенням тиску кисню до 20—50 ΜПа температура окиснення знижується з 1000 °С до 400—700 °С. За цих умов швидкість росту шару діоксиду кремнію становить 1—2 мкм/год.

Окиснені пластини кремнію відправляють на фотолітографію.

3. Фотолітографія. Фотолітографією називають сукупність фотохімічних процесів, які грунтуються на використанні світлочутливих полімерів (фоторезистів), які змінюють свої властивості під дією ультрафіолетового та х-проміння, а також потоку електронів.

Фотолітографію проводять для створення у шарі світлочутливого полімеру "вікон" певних розмірів і форми, в яких після руйнування оксиду кремнію утворюватимуться майбутні елементи мікросхеми. Фотолітографія є найважливішим процесом у технології виготовлення ІМС. Від неї залежать техніко-економічні показники виробництва та густина розміщення елементів в ІМС.

Для проведення фотолітографії необхідно мати фоторезист, фотошаблон (трафарет), джерело випромінювання, травники або спеціальні пристрої для травлення.

Фоторезистом називають тонку світлочутливу плівку.

Фоторезист 4 наносять на окиснену поверхню монокристала кремнію для позначення місць розташування елементів майбутньої мікросхеми та захисту оксидного шару від руйнування в процесі травлення (рис. 4в).

Фоторезисти виготовляють із полімерних матеріалів (поліамідів, каучуків, епоксидних смол тощо). Залежно від характеру зміни властивостей під дією опромінення фоторезисти поділяють на позитивні та негативні.

Позитивні фоторезисти стійкі до дії травників і розчинників, а під дією ультрафіолетового проміння руйнуються й легко змиваються із засвічених ділянок.

Негативні фоторезисти, навпаки, у звичайному стані легко розчиняються, а під дією проміння стають нерозчинними та стійкими до дії травників.

Фоторезисти наносять на поверхню оксидної плівки розпиленням, центрифугуванням, поливанням тощо. Найчастіше застосовують спосіб нанесення фоторезисту центрифугуванням. Згідно з цим способом фоторезист тонкою цівкою ллють у центр кремнієвої пластини, яка обертається з великою швидкістю. Залежно від в'язкості фоторезисту та швидкості обертання кремнієвої пластини (8,3— 133 с^-1) за 20—30 секунд формується шар фоторезисту товщиною 0,5—20 мкм.

Для випарювання розчинника кремнієва пластинка-фоторезист висушується за температури 80—100 °С. Тривалість висушування залежить від типу печі й триває від 20 хв до кількох секунд.

Фотошаблоном (трафаретом) називають пристрій, який несе інформацію про форму та розміщення того чи іншого елемента інтегральної мікросхеми.

Точність виготовлення фотошаблону позначається на точності розташування та виготовлення елементів мікросхеми. Фотошаблони виготовляють із прозорих матеріалів (фотопластинки, фотоплівки). Через фотошаблон 5 (рис. 4г) опромінюють фоторезист 4, нанесений на окиснену пластинку, і тим самим позначають місце розташування елементів мікросхеми. Опромінення триває 1—2 хв; його проводять контактним або проекційним способом. При проекційному способі перенесення рисунка з фотошаблону на поверхню фоторезисту необхідно мати дороге обладнання, але є менша ймовірність пошкодити фотошаблон. Фотошаблони будуть довговічнішими, ніж при контактному способі.

Через відкриті ділянки фотошаблона промені 6 діють на фоторезист і змінюють його властивості; він полімеризується і щільно прилягає до оксидного шару кремнієвої пластинки. Закриті фотошаблоном ділянки фоторезисту захищені від дії променів. Саме ці ділянки фоторезисту легко знімаються з поверхні оксидного шару, і навпаки (рис. 4д).

Для прискорення процесу полімеризації пластинки витримують 1 год. за температури 150—200 °С. Задубілий шар фоторезисту відображає малюнок майбутнього елемента або цілого блока ІМС. Крім того, він виконує роль маски в процесі витравлення "вікон" на незахищеній поверхні напівпровідникової пластини.

4. Травлення. Процес травлення проходить лише в тих місцях, де відсутній фоторезист 7 (рис. 4е). Там, де фоторезистор щільно прилягає до поверхні пластини, вона, захищена від дії травника.

Травлення "вікон" проводять мокрим і сухим способами. При мокрому способі "вікна" витравлюють за допомогою розчинів кислот. Наприклад, "вікно" в оксиді кремнію витравлюють плавиковою кислотою (HF), яка містить фтористий амоній. Після травлення пластини ретельно промивають надчистою (безйонною) водою.

Останнім часом перевагу надають сухим способам травлення, до яких належать йонне та плазмове.

Йонне травлення полягає в тому, що пучок позитивних іонів, які мають велику кінетичну енергію, бомбардує пластину перпендикулярно до її поверхні в місцях, призначених для травлення. У процесі іонного травлення повністю зберігаються розміри рисунка, нанесеного на фоторезист, відсутнє підтравлення вікон з боків, що мало місце в процесі хімічного травлення.

У процесі плазмового травлення пластину вставляють у реакційну камеру, наповнену газом, який містить сполуки галогену, і створюють електричний розряд. Під дією розряду сполуки галогену розкладаються і утворені іони галогену руйнують шар оксиду напівпровідника, наприклад Si0₂ на кремнієвій пластині. Якщо в камеру ввести інші гази, то можна стравлювати шари чистого кремнію або металеві. Плазмовим травленням можна очистити певні місця напівпровідникової пластини від фоторезисту. Залишки фоторезисту на пластині змивають гарячими концентрованими кислотами (H₂SО₄, HNO₃), лугами (КОН, NaOH) тощо. Крім того, використовують ультразвукове та плазмове травлення. Після очищення пластину ретельно промивають безіонною водою та висушують.

Вимоги до води, повітря та реактивів, які використовують у цій промисловості, дуже великі. Дистильована звичайним способом вода та кімнатне повітря надто забруднені й потребують додаткового очищення.

Оскільки в процесі виготовлення напівпровідникових ІМС необхідно виконати велику кількість послідовних технологічних операцій, наприклад, легування фосфором, за ним іде легування бором і т. д., то фотолітографію проводять багато разів. Перед кожною такою операцією поверхню пластини, виготовленої з напівпровідникового монокристала, окиснюють.

5. Легування приповерхневого шару монокристалів. Легуванням називають дозоване введення деяких хімічних елементів у напівпровідник для утворення в ньому р-п переходів, тобто отримання активних і пасивних елементів.

Крізь вікно 7, витравлене в шарі SiО₂ (рис. 4е), у монокристал кремнію вводять певну кількість легуючих елементів, які визначають тип і провідність окремих областей напівпровідника.

Для утворення областей р-типу кремній легують бором, галієм, алюмінієм, а для n-типу — фосфором, арсеном, стибієм.

Перед легуванням пластину нагрівають до температури 1000— 1300 °С. Атоми легуючих елементів адсорбуються на поверхні кремнію у вікні 7 (рис. 4е) і дифузують вглибину її, утворюючи р-п перехід (рис. 4е). Такого самого результату можна досягти іонною імплантацією, яка полягає в бомбардуванні монокристалу кремнію іонами дифузуючих елементів, попередньо надавши їм прискорення в електричному полі. Маючи велику кінетичну енергію, якої вони набули в електричному полі, вони проникають (імплантуються) в кремній. У разі проникнення іонів дифузуючих елементів у кришталеві комірки кремнію, у комірках виникає значна кількість точкових дефектів. Для відновлення кристалевої структури та зняття внутрішніх напружень після іонної імплантації кремнієві пластини відпалюють за температури 500—900 °С.

Повторюючи кілька разів окислення, фотолітографію та дифузію, отримують елементи ІМС.

6. Напилення тонких металевих плівок. Закінчується процес створення структур ІМС формуванням контактів і з'єднань між елементами. Для цього на очищену пластину наносять шар алюмінію (термічним випаровуванням у вакуумі або осадженням з газового середовища). Потім проводять фотолітографію та травлення металу (алюмінію). Після травлення від алюмінієвого покриття залишаються лише вузькі смужки, якими проходитиме струм, і контактні місця для приєднання виводів 8 (рис. 4з).

Дата добавления: 2015-11-16