Физические технологии создания полупроводниковых структур

В данном разделе кратко рассмотрены основные физические методы легирования полупроводниковой монокристаллической подложки донорными и акцепторными примесями. Физико-химические вопросы выращивания монокристаллов макроскопических размеров, играющих роль подложки, здесь не затрагиваются, поскольку по этому поводу имеется большое количество специализированной литературы.

1. Высокотемпературная диффузия. Методы диффузии являются основными и наиболее распространенными при легировании полупроводников. Как известно, диффузия представляет собой обусловленное тепловым движением перемещение частиц в направлении убывания их концентрации.

При диффузии в кристаллах различают перемещение примесных атомов и атомов данного твердого тела (самодиффузия). Теоретически в реальных кристаллах предполагается три механизма диффузии:

1. взаимный обмен местами (обменный, как в идеальном кристалле);

2. по междоузлиям;

3. по вакансиям.

При изготовлении интегральных схем (ИС) локальную диффузию примесей часто проводят в две стадии. Вначале на поверхности пластины создают относительно тонкий диффузионный слой с высокой концентрацией примеси, а затем пластину нагревают в атмосфере, не содержащей примеси, где и происходит перераспределение примеси из приповерхностного слоя в пластину. Температура нагрева может достигать 1000 – 1500 ^оС.

2. Ионное легирование полупроводников. Микроэлектронные структуры можно получать с помощью электронных и ионных лучей (пучков). Такую технологию называют элионной, а все вопросы, относящиеся к ее реализации, - элионикой.

Наиболее широко используют элионику в технологии полупроводниковых ИС для локального легирования полупроводников, основанного на ионном внедрении примесей. Сущность ионного легирования заключается в том, что ионы примеси, получаемые из специальных (газоразрядных) источников, ускоряются и фокусируются в электрическом поле, попадают на подложку, бомбардируя ее. Обладая большой энергией (10-10³ кэВ), они внедряются в поверхностный слой полупроводника. При внедрении в кристаллическую решетку ионы теряют свою энергию как вследствие кулоновского взаимодействия с атомами решетки, возбуждая и ионизируя их, так и из-за упругих (ядерных) столкновений с атомами, в результате которых образуется большое число точечных дефектов решетки (междоузельные атомы и вакансии). В общем случае при ионном внедрении атомы примеси частично занимают определенное положение в решетке, а частично разупорядоченное. Для упорядочения нарушенной внедрением ионов структуры и тем самым создания электрически активной примеси подложки подвергают отжигу при температуре 650-700 ^оС. Применяют также лазерный отжиг.

Характерной особенностью ионного легирования является то, что содержание внедренных атомов примеси определяется не физическими свойствами подложки (как при диффузии), а условиями внедрения ионов и температурой отжига, которая, кстати, значительно ниже, чем при диффузии.

3. Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев. Эпитаксией называют ориентированный рост слоев, кристаллическая решетка которых повторяет структуру подложки. Основные методы эпитаксии, применительно к полупроводникам:

1. Молекулярно-лучевая эпитаксия;

2. Газофазная эпитаксия;

3. Жидкофазная эпитаксия.

Молекулярно-лучевая эпитаксия подразумевает осаждение на подложке в вакууме молекулярных пучков примеси. Это достаточно совершенная технология, позволяющая вести контроль выращивания слоев на уровне атомных размеров.

В газофазной эпитаксии на кристаллическую подложку в специальном реакторе осаждается требуемое вещество, получаемое из газовой фазы в результате химической реакции. В настоящее время это наиболее распространенный метод эпитаксии, например, в виде реакций восстановления хлоридов германия и кремния, главным образом тетрахлоридов (GeCl₄, SiCl₄), водородом до чистых элементов, осаждающихся в монокристаллической затравке.

Жидкофазная эпитаксия основана на использовании приемов коллоидной химии. Отличительными особенностями метода являются достаточно низкая температура (около 200 ^оС) синтеза коллоидных частиц нанометровых размеров, возможность широкого изменения концентрации полупроводниковых частиц, небольшая концентрация поверхностных дефектов.

Глава IV.

Гетероструктуры

Рассмотренные в предыдущей главе p-n-переходы в современной электронике часто называют гомопереходами, т.е. переходами, созданными в процессе легирования разных частей одного и того же исходного полупроводника. Естественно, ширина основной запрещенной зоны во всех частях этого легированного полупроводника остается одинаковой. Однако в последнее время центр направлений исследований и разработок отчетливо смещается в сторону гетеропереходов, реализуемых в т.н. гетероструктурах. По мнению известного отечественного ученого - академика Ж.И.Алферова, лауреата Нобелевской премии по физике, гетероструктуры в XXI веке оставят гомопереходам в электронике только один процент.