книги из ГПНТБ / Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие

А. И. КУРНОСОВ, В. В. ЮДИН

ТЕХНОЛОГИЯ

ПРОИЗВОДСТВА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ

Допущено Министерством высше­ го и среднего специального образо­ вания СССР в качестве учебного по­ собия для студентов вузов, обучаю­ щихся по специальности «Полупро­ водники и диэлектрики»

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974

6Ф0.32

К93

УД К 621.38.032

Курносов А. И., Юдин В. В.

К93 Технология производства полупроводниковых прибо­ ров. Учеб, пособие для специальностей «Полупроводни­ ки и диэлектрики» и «Производство полупроводниковых приборов», М., «Высш. школа», 1974.

400 с. с ил.

В книге дано описание технологических процессов, используемых при изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных схем; рассмотре­ ны механическая, химическая и фотолитографическая обработки, применение методов сплавления, диффузии, эпитаксии, элионики н конденсации в ва­ кууме при создании полупроводниковых структур, технологические особен­ ности изготовления интегральных схем, методы защиты поверхности р-п-пере- ходов, сборка и герметизация приборов, конструкции корпусов и методы испытаний полупроводниковых приборов.

6Ф0.32

(£) Издательство ^Высшая школа» 1974-

П Р Е Д И С Л О В И Е

Как показывает отечественная и зарубежная практика, произ­ водство большинства типов полупроводниковых приборов основано на одних и тех же процессах, например, фотолитографии, диффу­ зии и др., а технологичекие схемы производства имеют много об­ щих этапов: создание /?-«-переходов, химическая обработка, сборка и т. д. Исходя из современной тенденции к унификации и созданию универсальных базовых технологий, авторы стремились изложить материал в соответствии с основными общими этапами производ­ ства полупроводниковых приборов, в пределах каждого этапа дать систематизированный обзор технологических методов и их разно­ видностей и не относить методы изготовления приборов к произ­ водству каких-либо конкретных типов диодов, транзисторов и т. д.

Описание каждого технологического метода начинается с крат­ ких сведений о физических основах данного процесса; рассмат­ риваются его особенности, используемые материалы и оборудова­ ние, режимы проведения, даются примеры встречающихся в прак­ тике расчетов; указываются дефекты, возникающие в структурах на различных операциях; в заключение приводятся методы контро­ ля качества полученных структур и элементов приборов.

Введение, главы II, IV—VIII написаны кандидатом физико-ма­ тематических наук В. В. Юдиным, главы I, III, IX—XIII — канди­ датом технических наук А. И. Курносовым.

Авторы выражают глубокую благодарность профессору ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина), доктору технических наук В. В. Па-

.сынкову, профессору МЭИ, доктору физико-математических наук К. В. Шалимовой, профессору, доктору технических наук Я. А. Фе­

вые приборы», МИСИС, кафедры «Полупроводниковые приборы» МЭИ, кафедры «Полупроводниковые материалы» ОПИ, кафедры «Химия, радиоматериалы и конструирование РЭА» МЭИС за про­ смотр и ценные замечания по рукописи.

Замечания и пожелания по книге просим высылать по адресу: Москва, К-51, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».

Авторы

3

В В Е Д Е Н И Е

§ В.1. Основные этапы в технологии производства полупроводниковых приборов

Развитие технологии производства полупроводниковых приборов определяется стремлением к максимальному удовлетворению тре­ бований, предъявляемых к их эксплуатационным характеристикам и экономическим показателям. Эти требования можно сформули­

боров.

. Способы изготовления различных полупроводниковых приборов весьма многообразны. Однако во всех случаях кристалл полупро­ водника подвергается ряду общих основных технологических опе­ раций, последовательность которых составляет технологический маршрут.

Технологию производства полупроводниковых приборов можно подразделить на несколько этапов.

Входной контроль электрофизических параметров слитков ис­ ходного полупроводникового материала, т. е. определение типа

осуществление ориентации слитков в требуемом кристаллографи­ ческом направлении, резка на пластины или кристаллы, которые шлифуют и полируют с целью придания им заданной толщины, формы и качества поверхности.

Химическая и электрохимическая обработка пластин и кристал­ лов, т. е. химическая и электрохимическая полировка поверхност­ ного слоя, нарушенного при механической обработке. Для получе­ ния на поверхности пластин какого-либо рельефа, участки, которые должны остаться не тронутыми травителем, защищают специаль­ ными веществами. Так производят, например, вытравливание меза-

4

структур или локальное удаление диэлектрических и металличе­ ских пленок. Важную роль играет промывка пластин и кристаллов. Химические и электрохимические процессы широко применяют и на следующих стадиях обработки пластин, например, при создании омических контактов путем осаждения металлов.

Обработка пластин и кристаллов при получении р-п-переходов.

Операция создания р-?г-перехода является основной в технологиче­ ском процессе. Поэтому название полупроводникового прибора по­ чти всегда базируется на названии метода обработки.

Первые плоскостные промышленные транзисторы, появившиеся в 1951 г., были изготовлены с помощью метода выращивания из расплава. В том же году появились первые образцы сплавных транзисторов, а в 1953 г.— поверхностно-барьерных. В последую­ щие годы развивался метод диффузии, в 1956—1957 гг. были созда­ ны диффузионные приборы. В 1960 г. для изготовления полупро­ водниковых приборов был применен метод эпитаксиального нара­ щивания полупроводниковых пленок. В то же время на основе ме­ тодов диффузии появилась мезатехнология изготовления полупро­

Электронно-ионную обработку пластин и кристаллов называют элионикой. Элионная технология возникла в середине 50-х годов, но активно начала развиваться только в первой половине 60-х го­ дов. Она включает в себя применение электронных и ионных пуч­ ков для легирования полупроводников и других целей.

Нанесение тонких пленок на пластины и кристаллы — термиче­ ское, катодное и ионно-плазменное распыление для нанесения на пластины металлических, диэлектрических и полупроводниковых пленок при создании омических контактов, барьеров Шоттки, изолирующих покрытий, тонкопленочных элементов микросхем

и др.

Травление и защита поверхности р-п-переходов — удаление де­ фектных областей и загрязнений в месте выхода р-н-перехода на поверхность кристалла и защита поверхности от воздействия окру­ жающей среды путем нанесения диэлектрических покрытий.

Сборка прибора — присоединение полупроводникового кристал­ ла к внешним электрическим выводам пайкой, термокомпрессией, ультразвуковой сваркой и другими способами, герметизация кри­ сталла путем помещения в корпус или с помощью пластмасс.

Измерение электрических параметров, классификация и испыта­

Перечисленные этапы (все или частично) могут осуществляться в различной последовательности. Каждая технологическая опера­ ция сопровождается контролем качества обработки, например, измерением глубины диффузии, толщины эпитаксиальной пленки, удельного или поверхностного сопротивления. После создания Р:п-переходов на следующих операциях контролируются электри­ ческие параметры, например, ток утечки.

5

§ В.2. Разновидности активных структур

Основу большинства полупроводниковых приборов составляет кристалл полупроводника, содержащий один или более электрон­ но-дырочных переходов или других выпрямляющих и невыпрям­ ляющих контактов. В зависимости от распределения концентрации примесей в переходной области среди выпрямляющих и невыпрям­ ляющих контактов можно выделить несколько основных групп

(рис. В.1).

Резкие р-п-переходы (рис. В.1,а ,б ). Изменение типа электро­ проводности совершается в таких переходах скачкообразно, а кон­ центрации примесей по обе стороны от плоскости контакта остают­ ся неизменными на всей протяженности приконтактной области. Идеальных резких переходов не существует. Наиболее близки к ним сплавные и эпитаксиальные структуры. Области с более высокой удельной проводимостью обозначают знаком «+»: р+-п-переход, п+-р-переход.

Структуры типа pin (рис. В. 1, в, г). Если между п- и р-обла- стями находится область с собственной электропроводностью, так называемый /-слой (intrinsic — собственный), то структуры этого типа обозначают pin, p+in+ и т. д. Так как получить собственный полупроводник трудно, то вместо /-слоя между р- и «-областями располагают высокоомный материал p-типа, обозначаемый бук­ вой л, или «-типа, -обозначаемый буквой v: рлп, pvn.

Структуры типа pin, рлп и другие получают путем вплавления или диффузии в противоположные стороны пластины высокоомного полупроводника или эпитаксиального наращивания этих областей. Поэтому каждый из переходов (р/ или ni) может быть резким (сплавление и эпитаксия) или плавным (диффузия).

Плавные р-п-переходы (рис. В.1, д). Изменение типа электро­ проводности или величины проводимости происходит в таких пере­ ходах постепенно и изменение концентрации примеси — плавно (в первом приближении линейно) в направлении, перпендикуляр­ ном плоскости контакта. Плавные р-п-переходы получают методом выращивания полупроводника из расплава, при программируемом эпитаксиальном выращивании и путем глубокой диффузии приме­ си. Одной из основных характеристик плавного р-«-перехода явля­ ется градиент концентрации примеси в области перехода.

При получении р-п-переходов методом диффузии или ионного легирования изменение концентрации примеси вдоль направления диффузии или внедрения легирующих ионов описывается плавной кривой с переменным градиентом концентрации примеси

(рис. В.1,е).

Наиболее распространенным среди таких р-«-переходов являет­ ся переход с обратным градиентом концентрации примеси, полу­ чаемый, например, после вплавления электрода в диффузионный слой (рис., В.1,дас). По одну.сторону от перехода концентрация примеси скачком принимает некоторое значение, постоянное для данной области кристалла, а по другую сторону от перехода кон-

6

Ca _£д

P+

n x

X

в)

Рис. В.I. Распределение концентрации примеси Са — Сл, плотности объемного заряда х и электрического поля Е

центрадия примеси противоположного типа электропроводности плавно уменьшается до некоторого значения, присущего основной части данной области кристалла, что и обусловливает обратное по сравнению с диффузионными переходами направление градиента концентрации.

Резкие, плавные р-п-переходы и рш-структуры могут быть сим­ метричными (рис. В.1, а, в, д) или асимметричными (рис. В.1,6, г), в зависимости от распределения примеси относительно плоскости геометрического перехода.

Многие из перечисленных типов структур можно создать в виде гетеропереходов — контактов двух различных полупроводниковых материалов: Ge—Si, Ge—GaAs и др. К гетеропереходам можно отнести структуры металл — полупроводник (т—s, metal — semi­ conductor), структуру МДП (металл — диэлектрик — полупровод-

Рис. В.2. Простейшие полупроводниковые структуры:

различными методами. Структуры типа 2—5 были характерными для первого десятилетия развития плоскостных полупроводнико­ вых приборов. На рубеже второго десятилетия появились меза-

полупроводника, над которым возвышается плато, несущее актив­ ный элемент прибора с одним, двумя или тремя р-п-переходами, полученными методами диффузии, эпитаксии или сплавления. Пре­ имуществами мезаструктур являются возможность уменьшения площади и тем самым емкости р-гс-перехода, получения приборов на большие и малые мощности, технологичность и достаточно вы­ сокая надежность.

8

П л а н а р н а я с т р у к т у р а представляет собой кристалл по­ лупроводника, содержащего один или несколько р-я-переходов, боковые границы которых выходят на плоскую поверхность кри­ сталла под изолирующим покрытием.

К преимуществам планарной структуры следует отнести пасси­ вацию поверхности перед созданием р-я-переходов, что уменьшает обратный ток коллекторного перехода, обеспечивает стабильность параметров транзисторов и большое значение коэффициента уси­ ления при малых токах, возможность создания р-п-переходов раз­ личной конфигурации с высокой точностью, большие возможности миниатюризации.

До появления меза- и планарных структур большинство прибо­

Внедрение новых структур позволило перейти на групповой способ обработки, что значительно технологичнее, более экономично, по­ зволяет значительно улучшить качество приборов и воспроизводи­ мость их параметров, дает возможность автоматизировать произ­ водство.

§ В.З. Технологические схемы получения некоторых транзисторов

Используя методы диффузии, сплавления, эпитаксиального нанесения слоев полупроводника и различные их комбинации, изго­ тавливают различные типы планарных и мезаприборов.

Мезатранзистор типа п-р-п с двойной диффузией (рис. В.З, а ).

Исходным материалом для данного транзистора служит пластина кремния с электропроводностью я-типа.

Для получения коллекторного р-я-перехода по всей поверхности пластины проводится диффузия акцепторной примеси. Затем пла­ стину подвергают нагреву в атмосфере кислорода, и над диффузи­ онным слоем образуется изолирующая пленка двуокиси кремния. Далее методом фотолитографии (см. гл. III) в окисной пленке соз­ даются отверстия под будущие эмиттерные р-я-переходы.

Для создания эмиттерного р-п-перехода диффузант (примесь донорного типа) вводится только в области эмиттерных окон; при этом окисная пленка кремния играет роль защитной маски.

Следующим этапом является удаление пленки Si02 в плавико­ вой кислоте со всей поверхности пластины и напыление в вакууме через соответствующий трафарет металлических контактов. Кон­ такты наносят один на эмиттер и два на базу по обе стороны от эмиттера.

На этой стадии пластина содержит несколько сотен транзи­ сторных структур, имеющих общий коллекторный р-п-переход. Что­ бы изолировать коллекторы и уменьшить их размеры, производят селективное травление. Поверхность, содержащую активную струк­ туру. обычно защищают с помощью пчелиного воска, битума, пицеина, наносимых через отверстия в металлической маске.

9