Исходного материала

Все перечисленные элементы микросхемы получают в едином технологическом цикле в кристалле полупроводника. Изоляцию отдельных элементов осуществляют одним из двух способов: закрытым p-n-переходом или с помощью изоляционной пленки двуокиси кремния SiO2. На 2.7 показана последовательность получения изолированных областей я-кремния. Такой технологический процесс содержит ряд описанных ранее операций. Вначале на пластину исходного n-кремния методом фотолитографии наносят защитную маску и проводят избирательное травление исходного кристалла ( 2.7, а). Затем после смывания маски осуществляют окисление поверхности кристалла кремния, на котором образуется изоляционный слой ( 2.7, б).

На поверхность, защищенную слоем SiO2, напыляют или выращивают в процессе эпитаксии слой поликристаллического кремния ( 2.7, в). Наконец, после повторного травления исходного кристалла кремния образуются изолированные области кремния гатила ( 2.7, г). В этих изолированных областях — «карманах» — с помощью диффузии примесей (акцепторных и затем донорных) создаются участки с электропроводностью р- и /г-типов ( 2.8), которые образуют различные элементы микросхемы.

В прямых процессах атомы полупроводника непосредственно переносятся от исходного кристалла (источника) к подложке без промежуточных взаимодействий; к ним относятся процессы испарения, сублимации, распыления в разряде. Миграция осевших атомов по поверхности приводит к возникновению устойчивых, зародышей кристаллизации.

Метод эпитаксии (эпитаксиального наращивания) состоит в том, что на поверхности кристалла полупроводника (п- или р-типа) выращивается новый слой (или слой) того же полупроводника с заданным видом проводимости ( 5, б). При этом наращиваемый слой — точное продолжение монокристаллической структуры исходного кристалла р+ и может иметь тот же или другой тип проводимости, в результате чего можно получить очень резкий п—р-переход.

МДП-транзистор легко вводится в конструкцию ИМС в качестве элемента некоторых сложных конфигураций, так как токи в нем проходят преимущественно вдоль поверхности исходного кристалла, а не перпендикулярно ей, как в биполярном транзисторе. По структуре и принципу действия МДП-транзистор значительно надежнее защищен от перегрузок по току, которые могут приводить к выходу прибора из строя. Структура МДП-транзистора является симметричной, т. е. вход и выход можно поменять местами, характеристики прибора при этом останутся неизменными. Выходное сопротивление МДП-транзистора обычно очень велико, и, как правило, составляет несколько мегаом. В этом отношении такой транзистор подобен электронной лампе. Поскольку управление МДП-транзистором осуществляется путем изменения внешнего напряжения, для него легко' обеспечить так называемое автоматическое смещение, что позволяет строить более простые схемы по сравнению с аналогичными схемами на биполярных транзисторах. Характер нелинейности у МДП-транзисторов дает возможность использовать их в схемах автоматического регулирования усиления.

а, 6 — вертикальный (по Бриджмену) и горизонтальный методы соответственно; в — ординарный метод Чохральского; г — метод жидкофазной герметизации (выращивание монокристаллов методом Чохральского из-под слоя флюса); д — гарнисажный метод выращивания монокристаллов (метод Чохральского с электронно-лучевым нагревом); е, ж — вертикальный бестигельный и горизонтальный методы зонной плавки; / — резистивный высокочастотный нагреватель; 2 — контейнер (тигель, лодочка); 3 — кристаллизуемый расплав; 4, 5 — за- или перекристаллизованная и неперекристаллизованная части исходного расплава или кристалла; 6 — флюс; 7—«исходная загрузка»; Vpo —начальный объем рабочего расплава; VK — объем закристаллизованной его части; х — абсолютная координата положения фронта кристаллизации от начала исходного кристалла; / — длина расплавленной зоны; L — длина исходного кристалла «а

4.13. Характер изменения концентрации нелетучей (о) и летучей (б) примеси в кристалле N и расплаве С при проходе расплавленной зоны по длине исходного кристалла (подпитывающего материала), имеющего концентрацию примеси Сп; Ср — равновесная; С от — стационарная (постоянная) и Спп — предельная концентрация примеси в расплаве зоны; х/1 — относительная длина кристалла исходной длины L; / — длина расплавленной зоны

У каждой кварцевой пластины имеется собственная резонансная (механическая) частота колебаний, зависящая от размеров пластины и ее ориентации по отношению к граням исходного кристалла. Добротность колебательной системы, которой и является кварцевая пластина, довольно велика. Она достигает сотен тысяч, в то время как добротность LC-кон-тура обычно составляет десятки и сотни единиц. Если к кварцевой пластине подвести внешнее переменное напряжение, то в резонаторе возникнет определенный ток. С приближением частоты внешнего переменного напряжения к собственной

Интерес к имплантации стимулируется тем, что этот метод имеет ряд принципиальных преимуществ по сравнению с другими методами легирования, в том числе диффузией и эпитаксией. К этим достоинствам следует отнести: во-первых, универсальность и гибкость метода, который позволяет получить необходимые концентрации легирующей примеси даже тогда, когда другие методы неприменимы, например ионной имплантацией бора и фосфора в алмаз были созданы слои с проводимостью в 1010 раз выше, чем у исходного кристалла; во-вторых, имплантация ионов может осуществляться при низких температурах (вплоть до комнатных), благодаря этому возникает возможность сохранить исходные электрофизические свойства кристаллов, если удается ликвидировать возникающие радиационные дефекты в такой структуре; в-третьих, большие возможности полной автоматизации процесса легирования, что чрезвычайно важно для резкого повышения как производительности труда, так и воспроизводимости электрических параметров изготовленных приборов. и 46

Переход между областями полупроводника с электропроводностью р- и n-типа называют электронно-дырочным или р-п-переходом. Чаще всего эти области создают в монокристалле полупроводника, используя различные технологические методы, например легирование части исходного кристалла n-типа акцепторными примесями. Легирование (контролируемое введение примесей) проводят путем диффузии атомов примесей из внешней среды при высокой температуре, ионным внедрением при бомбардировке кристалла пучком ионов примесей, ускоренных в электрическом поле, или вплавлением в полупроводник металла (сплава), содержащего нужные примеси. Для создания р-/г-переходов применяют также эпитаксию — наращивание на поверхность кристалла — подложки тонкой пленки полупроводника с противоположным типом проводимости, причем эта пленка образует единый монокристалл с подложкой. Таким способом можно наращивать эпитаксиаль-ную пленку другого полупроводника с близкой к подложке кристаллической структурой (гетероэпитаксия) и формировать гетеропереходы, т.е. переходы между различными полупроводниками, отличающимися шириной запрещенной зоны.

Определяющей при разработке индукционных систем для плавки кристаллов кремния различных диаметров является приведенная максимально допустимая величина высоты зоны расплава (~ 1,5 см). Для стержней < 30 мм применяют индукторы, диаметры которых больше диаметра кристалла. Однако уже при диам. 30 мм на исходном, плавящемся кристалле образуется конус, вершина которого утоплена в расплаве. Это вызвано увеличенным теплоотводом с поверхности зоны расплава (по сравнению с плавкой кристалла меньшего диаметра) и ухудшением условий плавления исходного кристалла из-за удаления от индуктора ( 135, а). Дальнейшее увеличение диаметра кристалла (соответственно и индуктора) приводит к увеличению высоту конусной части на исходном кристалле до соединения ее с кристаллизующейся частью кристалла. В результате возникает неполное проплавление зоны (подморозка) и процесс плавки прекращается.

Для обеспечения полного проплавления исходного кристалла в области зоны расплава можно сместить исходный стержень в плоскости, перпендикулярной направлению выращивания, и тем самым приблизить индуктор к оси слитка. За счет такого расположения стержня и индуктора усиливается прогрев центральной части стержня1. Недостатком такого приема плавки являются искажение формы зоны расплава и снижение ее устойчивости.

Разрыв токопроводящих цепей обусловливается следующими причинами: подтравливанием печатных проводников, наличием глубоких царапин на поверхности исходного материала, возникновением внутренних напряжений при прессовании, некачественной подготовкой поверхности отверстий перед металлизацией. Устранить такие дефекты сложно, а на внутренних слоях практически невозможно. Несовмещение слоев при прессовании МПП вызывается избыточным давлением, непараллельностью плит пресса. Дефект не устраняется.

Наличие локализованных состояний в запрещенной зоне и их распределение по энергиям существенно влияют на электрофизические, оптические и другие свойства некристаллических полупроводников. В свою очередь, количество, а также распределение локализованных состояний по энергиям определяются взаимным расположением атомов, или атомной (молекулярной) структурой материала. Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов некристаллических полупроводников приводит к тому, что при одном и том же химическом составе материала его структура (взаимное расположение атомов), а следовательно, и свойства могут быть различными. Эта особенность некристаллических полупроводников, с одной стороны, позволяет управлять при неизменном химическом составе свойствами материала, изменением его структуры в процессе изготовления образцов, а с другой стороны, делает необходимым при производстве приборов на основе некристаллических полупроводников контролировать не только химический состав, но и атомную структуру исходного материала.

ликристаллический стержень синхронно движутся вниз относительно зоны нагрева 4, создаваемой фокусированием светового потока лампы оптической системы установки. Выращиваемый кристалл отжигается в печи отжига, расположенной в кристаллизационной камере, в течение 2 ч, после чего температура плавно снижается до комнатной со скоростью 145°С/ч. Этим методом могут быть получены монокристаллы диаметром не более 12 мм. Кристаллы большего диаметра выращивают из расплава в«гарнисаже» на специальных установках ( 16). Основными элементами установки являются мощные концентраторы света /, состоящие из эллиптических отражателей и ксеноновых ламп сверхвысокого давления мощностью до 10 кВт, нижний шток 2, передающий ^вращение от внешнего электропривода, и холодный тигль 3, выполняемый чаще всего в виде решетки из водоохлаждаемых медных трубок. Для получения расплава используется радиационный нагрев поликристаллического блока исходного материала. При этом методе диаметр кристаллов, которые не имеют дефектов, достигает 25 мм, а длина 50 мм. Из таких кристаллов можно получать пластины площадью до 4 см2 для изготовления магнитооптических устройств.

Рост монокристалла зависит от трех взаимосвязанных параметров: температурного поля в зоне кристаллизации, скоростей опускания затравки и подачи исходного материала (порошка) на поверхность растущего монокристалла. Степень структурного совершенства выращиваемых монокристаллов зависит от таких факторов, как форма поверхности кристаллизации, размеры и формы пленки рас-

плава, степень дисперсности порошка исходного материала, равномерность его подачи в зону кристаллизации и др.

В качестве исходного материала для вь.рубки используются листы, ленты, полосы или рулоны. Рулонный материал обеспечивает наилучшие возможности для автоматизации процесса холодной штамповки. Иногда приходится разрезать листы стандартных размеров с целью получения исходного материала (заготовок) для штамповки. Резка листов осуществляется ручными (рычажными) или механическими (гильотинными) ножницами по упорам. Тонкие листы режут дисковыми ножницами, которые более чем в два раза производительнее гильотинных.

мости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с р-кана-

По типу исходного материала диоды делятся на две основные

Наряду с монокристаллическими широкое применение находят пленочные датчики, которые получают нанесением на диэлектрическую подложку (слюда, керамика и др.) тонких пленок из. исходного материала методом вакуумного испарения. Эти датчики обладают высоким внутренним сопротивлением и чувствительностью, что обеспечивает хорошее согласование с нагрузкой.

мышленностью способом диэлектрической изоляции элементов ИМС является «эпик-процесс». В качестве исходного материала используют кремний л-типа, в котором с помощью предварительной диффузии доноров создают слой л+-типа с повышенной электропроводностью ( 3.9,а). Проводят селективное травление пластины с применением фоторезистивной маски, после чего пластину оксидируют ( 3.9,6) и на оксидной пленке наращивают эпитаксиальный слой поликристаллического кремния ( 3.9,г), который применяют в качестве подложки ИМС. После формирования подложки монокристаллический кремний n-типа сошлифо-вывается до тех пор, пока на поверхности не появится диэлектрическая пленка ( 3.9,е). В образовавшейся структуре монокристаллические области гг-типа оказываются изолированными друг от друга оксидной пленкой. С помощью планарной технологии в этих участках формируют области базы и эмиттера БТ. Применение «эпик-процесса» позволяет увеличить пробивные напряжения до 200 В и снизить удельную паразитную емкость изоляции до 15 — 20 пФ/мм2. Основные недостатки метода — сложность и высокая трудоемкость, низкий процент вы- Рис> хода годных изделий, низкая плотность компоновки эле-

Благодаря высокой степени очистки исходного материала, конструктивно-технологическим приемам и т.п. допустимые обратные напряжения кремниевых диодов в десятки раз превышают аналогичные величины у германиевых диодов. Вместе с тем с повышением температуры обратный ток увеличивается почти по экспоненциальному закону. Как было показано выше, нагрев приводит к значительному росту концентрации неосновных носителей заряда, но сравнительно мало влияет на количество основных носителей. Если же в процессе нагрева число электронов и дырок в каждом слое структуры станет одинаковым, то примесный полупроводник вырождается в собственный и р—и-переход прекращает свое существование. Таким образом, рост обратного тока обусловливает температурный предел работы полупроводниковых диодов. По этим причинам допустимая температура переходов у германиевых приборов не должна превышать +60 °...75 ° С, а кремниевых +120 °...150 °С.