Методы формирования элементов ИМС

Основным элементом полупроводниковых ИМС является p-n переход. Для его образования в полупроводник заданного типа проводимости вводятся атомы примеси, создающей проводимость противоположного типа.

Введение примеси в полупроводник с целью изменения его электрофизических свойств называется легированием.

В технологии ИМС широко используются два метода легирования: термическая диффузия примесей и ионная имплантация.

Диффузия примесей – это процесс переноса примесных атомов из среды, где их концентрация велика, в область с меньшей концентрацией за счет теплового хаотического движения частиц вещества. Движущей силой диффузии является градиент концентрации вещества.

Поток диффундирующих примесей направлен в сторону, противоположную градиенту концентрации, и пропорционален его величине. Коэффициент пропорциональности (D) называется коэффициетом диффузии.

Коэффициент диффузии в твердом теле экспоненциально зависит от температуры Т:

D = D₀ ∙ [exp ( - U_a /(kT)] , (3.2)

где D₀ – предэкспоненциальный множитель, U_а - энергия активации процесса диффузии, k – постоянная Больцмана.

Примесные атомы за счет тепловой энергии переходят из одного устойчивого положения в кристалле в другое, преодолевая потенциальный барьер U_a.

С ростом температуры частота диффузионных перескоков возрастает и коэффициент диффузии увеличивается.

Достаточная скорость диффузии примесей в кремнии достигается при температурах 1000 – 1250 ℃. При таких высоких температурах в кремний диффундируют и посторонние примеси (фоновые), что может приводить к браку. В этом один из недостатков диффузионного легирования.

Ионная имплантация (ионное легирование) – это введение легирующей примеси в кристалл путем его бомбардировки ионами примесных атомов с энергиями более 10⁴ эВ. Глубина проникновения ионов невелика и составляет менее 1 мкм.

Бомбардировка кристалла ионами нарушает его структуру, для восстановления которой проводится отжиг при температурах более низких (600 – 800 ℃), чем температуры диффузионного легирования. В этом одно из преимуществ ионной имплантации.

Другим преимуществом является абсолютная чистота процесса легирования, которая достигается использованием магнитных сепараторов, разделяющих ионы разной массы за счет их движения по различным траекториям в магнитном поле.

Элементы ИМС соединяются между собой токопроводящими тонкопленочными дорожками.

Изоляция отдельных элементов от кремния осуществляется тонким слоем диэлектрика, или обратносмещенным p-n переходом. Поэтому кроме получения полупроводниковых слоев в составе микросхемы создаются изолирующие и проводящие слои.

Для получения диэлектрического слоя на кремнии он термически окисляется в кислородосодержащей газовой среде с образованием диоксида кремния SiO_2.

Простейшим методом получения металлических слоев является термическое вакуумное напыление.