Полупроводниковая технология

Главные технологические задачи полупроводниковой электроники — получение полупроводниковых материалов (в основном монокристаллических) с требуемыми свойствами, реализация сложных полупроводниковых структур (прежде всего р—n переходов) и разработка методов изготовления полупроводниковых приборов, в которых полупроводниковые слои сочетаются с диэлектрическими и металлическими. Образование р—n переходов сводится к введению в полупроводник необходимого количества нужных примесей в строго определённых областях. В настоящее время распространены 3 способа получения р—n переходов: сплавление, диффузия и ионное внедрение (имплантация).

При сплавлении на поверхность пластины из полупроводника, обладающего одним типом проводимости (например, на n-Ge, богатый донорами), помещают кусочек металла, проникновение атомов которого в полупроводник способно придавать ему проводимость др. типа (например, кусочек In, атомы которого служат в Ge акцепторами), и нагревают пластину. Т. к. температура плавления In значительно ниже температуры плавления Ge, то In расплавляется, когда Ge ещё остаётся в твёрдом, кристаллическом состоянии. Ge растворяется в капельке расплавленного In до насыщения. При последующем охлаждении растворённый Ge начинает выделяться из расплава и кристаллизоваться вновь, восстанавливая растворившуюся часть кристалла. В процессе кристаллизации атомы Ge захватывают с собой атомы In. Образовавшийся слой Ge оказывается обогащенным In и приобретает проводимость дырочного типа. Таким образом, на границе этого слоя и нерастворившейся части кристалла Ge образуется р—n-переход.

При диффузии, например, из газовой фазы пластина полупроводника, обладающего, скажем, электронной проводимостью, помещается в пары вещества, придающего полупроводнику дырочный характер проводимости и находящегося при температуре на 10—30% ниже температуры плавления полупроводника. Атомы вещества-диффузанта, совершая хаотическое тепловое движение, бомбардируют открытую поверхность полупроводника и проникают в глубь его объёма. Максимальная концентрация создаётся в приповерхностном слое. Этот слой приобретает дырочную проводимость. По мере удаления от поверхности концентрация акцепторов падает и в некотором сечении становится равной концентрации доноров. Это сечение будет соответствовать положению р—n перехода. В слоях, расположенных более глубоко, преобладают доноры, и полупроводник остаётся электронным. Распространены также и др. методы диффузии: диффузия из тонких слоев диффузанта, нанесённых непосредственно на поверхность полупроводника, из стекловидных слоев, содержащих диффузант, в потоке инертного газа, смешанного с парами диффузанта, и т.д. В качестве диффузанта могут использоваться не только чистые доноры или акцепторы, но и их соединения. Метод диффузии — основной метод получения р—n-переходов.

Ионное внедрение является одним из способов получения р—n-переходов, дополняющим и частично заменяющим диффузию. Исключительно важную роль в развитии полупроводниковой электроники сыграло появление и быстрое распространение планарной технологии. Большое значение планарной технологии определяется тем, что она обеспечила: широкий переход к групповому методу изготовления полупроводниковых приборов (одновременно на одной ПП пластине изготовляется несколько тысяч приборов); существенное повышение точности и воспроизводимости конфигурации элементов приборов и связанное с этим повышение воспроизводимости электрических параметров; резкое уменьшение размеров элементов и зазоров между ними — до микронных и субмикронных — и создание на этой основе СВЧ усилительных и генераторных транзисторов; реализацию полевых приборов, в том числе полевых транзисторов; возможность создания на одном полупроводниковом кристалле законченного электронного устройства — полупроводниковой интегральной схемы, включающей в себя необходимое число отдельных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и др.), резисторов, конденсаторов и соединений между ними. Главное достоинство планарной технологии в том, что именно она сделала возможным интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, привела к исчезновению грани между изготовлением деталей и элементов электронной техники и изготовлением радиоэлектронной аппаратуры. Последовательные процессы изготовления полупроводниковых материалов, затем — полупроводниковых приборов и, наконец, устройств, ранее значительно разнесённые во времени и разобщённые в пространстве, оказались совмещенными в одном технологическом цикле.