Г.П. Яровой, П.В. Тяпухин, В.М. Трещев, В.В. Зайцев, В.И. Занин - Основы полупроводниковой электроники, страница 12

Алюминиевый выступ на поверхности пластины можно использовать как контакт к области p-типа. Чтобы получить омический контакт кпластине n-типа, на ее нижнюю поверхностьнапыляютсплав Au-Sb, содержащий0,1% Sb, и вплавляют его при температуре 400 0 С для формирования сильнолегированного слоя n-типа (n+). При использовании пластины p-типа роли алюминия и сплава AuSb меняются. Первый служит для создания омического контакта p+−p-типа, а второй − для получения n+− p-nерехода.При сплавном методе нельзя контролировать положениеp−n-перехода, поскольку оно сильно зависит от температуры и длительности цикла сплавления.81Диффузионный метод (или метод диффузии в твердойфазе), разработанный в 1956 г., позволяет более точно управлять распределением примеси.

Диффузию примеси проводятпри высоких температурах (1000-1300°С) или из твердогодиффузанта, нанесенного на поверхность полупроводниковой пластины, или из газа − носителя, содержащегонеобходимую легирующую примесь, пропускаемого в видепотока над пластинами. В подложку n-типа проводят диффузию примеси p-типа, например бора из соединения BBr3. После диффузии определенные участки поверхности защищаютот действия травителей, например, слоем воска или металлическим покрытием.

Незащищенные участки поверхностиподложки удаляют с помощью травления. В результате образуются мезоструктуры.Более точный контроль геометрических размеров диффузионного перехода был достигнут за счет использования изолирующей пленки, которая препятствует диффузии большинства донорных и акцепторных примесей в глубь подложки.На поверхности кремниевой подложки при высокой температуре выращивают тонкий слой двуокиси кремния толщиной 1мкм. Литографическими методами (например, фотолитографией, рентгенолитографией, электронной литографией) удаляют определенные участки окисла, образуя в нем окна илиболее сложные рисунки. Примеси диффундируют в открытыеучастки поверхности кремния, и р−п-переходы образуютсятолько в местах окон в окисле.

Этот процесс, получивший название планарного, является основой технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем.Эпитаксиальный метод. Слово "эпитаксия" имеет греческое происхождение: "эпи" означает "на" и "таксис" − "расположено в порядке". Эпитаксией называют метод выращивания путем химической реакции на поверхности кристаллатонких слоев полупроводниковых материалов с сохранениемкристаллической структуры исходного кристалла.Этот методсостоит в осаждении на монокристаллическую подложку, например кремния n-типа, монокристаллической пленки p-типа.82На границе этой пленки и подложки образуется p−n-переход.Эпитаксиальные структуры обычно используются в планарной технологии для уменьшения последовательного сопротивления. Таким методом на поверхности сильнолегированной низкоомной подложки выращивают высокоомные эпитаксиальные слои, добиваясь желаемых электрическихсвойств и механической прочности.

Само осаждение эпитаксиальной пленки может производиться из газовой или жидкойфазы.Основная реакция, в результате которой на подложкенаращиваются кремниевые слои, состоит в восстановлениитетрахлорсилана в водороде: SiCl4+2H2 → Si(твердый) +4HCl (газ). Обычно кремниевые слои выращивают соскоростью1 мкм/мин при температуре 12000 С и выше. Молярная концентрация SiCl4, т.е. отношение числа молекул SiCl4 к общему числу молекул газовой смеси, составляет 0,01%.

Эпитаксиальные слои также получают выращиванием из жидкойфазы, что широко используется при работе со сложными полупроводниками. При молекулярно-лучевой эпитаксии удается контролировать с большой точностью состав полупроводниковой пленки в слоях толщиной порядка атомных размеров.Для легирования пленок акцепторной примесью к SiCl4добавляют бромид бора BBr3, для легирования донорной примесью добавляют хлорид фосфора РСl3.Примером жидкостной эпитаксии может служить выращивание эпитаксиальных пленок GaAs на GaAs-подложке израствора арсенида галлия в расплавленном металлическомгаллии.

Количество GaAs в растворе подбирают таким, чтобывыше некоторой температуры T1 он находился в ненасыщенном состоянии, а ниже T2 − в перенасыщенном. Раствор нагревают до температуры Tl и покрывают им пластины арсенида галлия, нагретые до этой же температуры. После этоготемпературу печи делают ниже T1 и из пересыщенного раствора арсенида галлия на поверхности подложек начинают83расти монокристаллические пленки GaAs. Для легированиятаких пленок в раствор вводят соответствующие легирующиеприсадки.Чем ниже температура и меньше время протекания эпитаксии, тем более резкими получаются p−n-переходы.В последнее время развивается и метод эпитаксии в вакууме (10-7 -10-8 Па), когда на подложку направляется потокатомов осаждаемого вещества.

Если осаждается сложное соединение (например, GaAs или GaxAl1-xAs), то каждая компонента поступает на подложку из отдельного источника. Таким способом, получившим наименование молекулярнолучевой эпитаксии, можно создавать пленки контролируемого состава очень малой толщины, вплоть до несколькихнанометров.В настоящее время наиболее точно контролировать распределение примесей позволяет метод ионной имплантации. Ионную имплантацию можно производить при комнатной температуре, а возникающие в процессе имплантациидефекты кристаллической решетки устраняют путем последующего отжига при температуре 700 0 С и ниже. Следовательно, ионная имплантация является относительно низкотемпературным процессом по сравнению с диффузией, которая обычно проводится при температуре 1000 0 С и выше.Ионная имплантация представляет собой введение в подложку заряженных атомных частиц, обладающих определенной энергией, с целью изменения электрических, металлургических и химических свойств подложки.

Обычно используютионы с энергией в диапазоне 10-400 кэВ, а типичные дозы ионов варьируют от 1011 до 1016 ион/см2. Основные достоинстваионной имплантация заключаются в следующем:1) общая доза примеси, глубина профиля и поверхностнаяоднородность строго контролируются;2) процесс протекает при низкой температуре;3) имплантированная область точно совмещается с краеммаски.84Наконец, все более широкое распространение находитметод получения p−n-переходов с помощью ионного легирования, когда на полупроводниковую подложку данного типапроводимости направляется пучок ионов примеси противоположного типа. Энергия ионов в пучке составляет десяткисотни тысяч электрон-вольт.

Эти ионы застревают в приповерхностном слое полупроводника, правда, в основном вэлектрически неактивном состоянии (в междоузлиях). Чтобысделать имплантированную примесь электрически активной(перевести ее в узлы решетки), необходим отжиг, т.е. прогревпластин в течение некоторого времени (обычно десятков минут). При отжиге происходит не только активация примеси,но и восстановление нарушенной при имплантации кристаллической решетки. Если отжиг производится при не слишкомвысокой температуре (для кремния − ниже 1000°С), то p−nпереход получается достаточно резким.Начиная с 1974 г., интенсивно изучается лазерная обработка полупроводников.

Лазерное излучение высокой интенсивности (импульсная генерация рубинового лазера или непрерывная генерация аргонового лазера) способно устранитьнарушения кристаллической решетки, вызванные ионной имплантацией, а также рекристаллизовать аморфные полупроводниковые пленки. Потенциальные преимущества лазерногопроцесса обработки состоят в следующем:1) в управлении глубиной расположения отжигаемого слояи профиля примеси за счет избирательного поглощения лазерного излучения и времени действия лазерного импульсаили сканирования луча. Особенность лазерного излучениязаключается в возможности активировать имплантированнуюпримесь без ее перераспределения;2) в высокой степени локализации процесса обработкивплоть до микронных масштабов, поскольку луч лазера допускает фокусировку до таких размеров;3) в рекристаллизации материала из аморфного слоя накристаллической подложке или образовании поликристалли85ческих пленок с большим размером зерна из пленок, нанесенных на изоляторы.Практически большинство примесных профилей в p−nпереходах можно отнести к одному из двух предельных случаев: резкому переходу со ступенчатым распределением примеси и плавному переходу с линейным распределением примеси.

Ступенчатая аппроксимация обеспечивает адекватноеприближение для сплавных переходов, мелких диффузионных переходов и ионно-имплантированных переходов. Линейная аппроксимация пригодна для глубоких диффузионныхпереходов.5.3. Диаграмма энергетических зонравновесного p−n-переходаПусть имеется образец монокристалла, изготовленноготаким образом, что относительная доля примесных атомовсоставляет 10-11.

При этом можно считать, что данный кристалл является собственным полупроводником. Из монокристалла вырезается тонкая пластина, в которую внедряютсядонорная или акцепторная примесь. Для этого можно использовать, например, управляемый процесс диффузии или вырастить на поверхности эпитаксиальный слой. В результате образуется p−n-переход.Примесный полупроводник, используемый для созданияp−n-перехода, должен содержать незначительную долю примесных атомов, например, один примесный атом на сто миллионов атомов чистого вещества.

Это нужно для того, чтобыносители, пересекающие p−n-переход, не испытывали рекомбинации. Переходы мощных дискретных приборов имеютквадратную форму со стороной примерно 3 мм; толщина переходов ИС не превышает 0,01 мм.В полупроводнике с областями p- и n- типов, образующими переход, можно выделить следующие пространствен86ные области: металлургический переход (контакт) (воображаемая плоскость, разделяющая p- и n-области), область перехода, или область пространственного заряда, или обедненная область (располагается по обе стороны металлургического перехода и имеет толщину от 10-6 до 10-4 см в зависимости от технологии производства), нейтральные области (р- иn-области), лежащие между областью пространственного заряда и границами полупроводников p- и n-типов, и, наконец,омические контакты, которыми оканчиваются нейтральныеобласти.Рассмотрим равновесную модель резкого, или ступенчатого, p−n-перехода, в котором концентрация примесных атомов скачком изменяется от значения Na в р-области до значения Nd в n-области.