Metody wytwarzania elementów półprzewodnikowych

Transkrypt

1 Metody wytwarzania elementów półprzewodnikowych Ryszard J. Barczyński, Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Wytwarzanie monokryształów Metoda Czochralskiego Metoda Czochralskiego polega na powolnym wyciąganiu zarodka z tygla z roztopionym półprzewodnikiem. Tygiel ogrzewany jest piecem indukcyjnym. Do stopu można dodać domieszki, otrzymując półprzewodnik odpowiedniego typu.

3 Wytwarzanie monokryształów Metoda Czochralskiego Jan Czochralski Monokryształy krzemu

4 Wytwarzanie monokryształów Oczyszczanie metodą topienia strefowego Zanieczyszczenia mają skłonność do gromadzenia się w stopionej strefie pręta. Proces czyszczenia strefowego powtarza się wielokrotnie. Koniec pręta, w którym zgromadziły się domieszki jest odrzucany.

5 Wytwarzanie monokryształów Gotowy monokrystaliczny pręt z półprzewodnika przecina się (lub rozłupuje) na krążki, które następnie szlifuje się i wytrawia w celu oczyszczenia powierzchni. Krążki półprzewodnika o znormalizowanej średnicy, grubości i typie domieszkowania są podstawowym półproduktem do produkcji elementów półprzewodnikowych.

6 Wytwarzanie monokryształów Średnica krążka (zwanego powszechnie waflem ) ma zasadnicze znaczenie dla liczby struktur wytwarzanych w jednym przebiegi procesów technologicznych (a co zatem idzie ich ceny).

7 Wytwarzanie złącz p n tranzystory ostrzowe Pierwsze seryjnie produkowane tranzystory ostrzowe - początek lat 50 Technologia historyczna

8 Wytwarzanie złącz p n tranzystory stopowe W płytkę germanu typu n wtapia się kulki indu otrzymując tranzystor pnp. Technologia historyczna

9 Wytwarzanie złącz p n tranzystory stopowo dyfuzyjne W procesie produkcyjnym po nagrzaniu struktury zachodzi dyfuzja domieszek obu rodzajów, umożliwiając osiągnięcie gradientu domieszek w obszarze bazy. Technologia historyczna

10 Wytwarzanie złącz p n złącza wyciągane Metoda polega na dodawaniu do stopu, z którego wyciąga się pręt półprzewodnika zarówno domieszki akceptorowej i donorowej. Obecnie nie wytwarza się w ten sposób tranzystorów, ale metoda jest stosowana do wytwarzania fotoogniw.

11 Wytwarzanie złącz p n złącza wyciągane Domieszki akceptorowe i donorowe wbudowują się w kryształ półprzewodnika w różnym stopniu w zależności od prędkości wzrostu kryształu. Dobierając odpowiednie stężenie domieszek obu rodzajów w stopie i regulując prędkość wzrostu kryształu można wyhodować kryształ zawierający naprzemiennie ułożone warstwy n i p.

12 Wytwarzanie złącz p n tranzystory planarne Tranzystory planarne wytwarzane są metodą wielokrotnej dyfuzji domieszek z fazy gazowej.

13 Wytwarzanie złącz p n dyfuzja domieszek Proces wytwarzania elementów półprzewodnikowych metodą dyfuzji polega na parokrotnym przeprowadzeniu operacji: - utleniania powierzchni półprzewodnika - naświetleniu maski metodą foto-(lub elektrono-)litograficzną - wytrawieniu maski (roztworem HF) - wykonaniu dyfuzji domieszki -... Piec do dyfuzji i utleniania

14 Wytwarzanie złącz p n tranzystor planarny 1) Po utlenianiu, litografii i wytrawianiu 2) Po dyfuzji akceptora i powtórnym utlenieniu 3) Po powtórnej litografii i wytrawieniu 4) Po trzecim utlenianiu 5) Po trzeciej litografii i wytrawieniu 6) Po naniesieniu metalowych odprowadzeń (metalizacji) - gotowa struktura

15 Implantacja jonów Metoda implantacji jonów pozwala na bardzo dokładne i precyzyjne domieszkowanie. Energia stosowanych jonów to kev

16 Implantacja jonów Ponieważ jony o dużej energii niszczą strukturę materiału, po implantacji konieczne jest wygrzewanie w wysokiej temperaturze by zrelaksować defekty. Instalacja implantacji jonów w fabryce Intela w Jerozolimie.

17 Epitaksja Epitaksja jest to proces wytwarzania monokrystalicznych warstw półprzewodnika na monokrystalicznym podłożu, przy zachowaniu jego budowy krystalograficznej.

18 Epitaksja Pierwszy rodzaj epitaksji to osadzanie materiału takiego jak samo podłoże na przykład osadzanie krzemu na krzemowym podłożu tak zwana homoepitaksja. Celem procesu jest wytworzenie warstwy różniącej się istotnymi cechami od podłoża. I tak na przykład może różnić się typem przewodnictwa, co umożliwi otrzymanie złącza p n.

19 Epitaksja W drugim przypadku osadzany materiał jest różny od materiału podłoża, na przykład krzem na Al2O3 mówimy wtedy o heteroepitaksji. Identyczność sieci krystalograficznej obu warstw jest podstawowym warunkiem epitaksji. Epitaksja jest w zasadzie jedyną metodą wytworzenia dobrej jakości kryształów półprzewodników będących związkami chemicznymi.

20 Epitaksja Podstawowe metody epitaksji to: 1) Epitaksja z fazy gazowej (VPE - Vapor Phase Epitaxy) 2) Epitaksja z fazy ciekłej (LPE - Liquid Phase Epitaxy) 3) Epitaksja metodą naparowania próżniowego (MBE - Molecular Beam Epitaxy) 4) Metoda dekompozycji związków metaloorganicznych (Metal Organic Chemical Vapour Deposition MOCVD)

21 Epitaksja Epitaksja z fazy gazowej VPE Vapor Phase Epitaxy Stosuje się gaz, który w ogrzewanym piecem indukcyjnym reaktorze rozkłada się, a jeden (lub więcej) z produktów rozkładu osadza się na powierzchni substratu.

22 Epitaksja Epitaksja z fazy ciekłej LPE Liquid Phase Epitaxy Metoda polega na krystalizacji na powierzchni substratu warstwy pochodzącej ze składników znajdujących się w cieczy będącej w kontakcie z substratem. Wymaga dobrej kontroli temperatury, charakteryzuje się dużą prędkością wzrostu. Została wprowadzona w latach 60 i jest masowo stosowana do dziś, choć powstały metody precyzyjniejsze.

23 Epitaksja Epitaksja z fazy ciekłej LPE Liquid Phase Epitaxy Przykład zastosowania metody epitaksji z fazy ciekłej do wytwarzania warstw AlGaAs/GaGa na podłożu GaAs.

24 Epitaksja Epitaksja metodą naparowania próżniowego (MBE - Molecular Beam Epitaxy)

25 Epitaksja Epitaksja metodą naparowania próżniowego (MBE - Molecular Beam Epitaxy) Poszczególne składniki są naparowywane z indywidualnych dział molekularnych (ang. effusion cells).

26 Epitaksja Epitaksja metodą naparowania próżniowego (MBE - Molecular Beam Epitaxy) Metodą MBE można otrzymać warstwy o bardzo dobrej jakości i czystości.

27 Epitaksja Metoda rozkładu par związków metaloorganicznych Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) Metoda MOCVD polega na rozkładzie związków metaloorganicznych na substracie rozgrzanym w piecu indukcyjnym do temperatury zwykle około 500 do 700 C. Reakcja przeprowadzana jest w atmosferze wodoru. Prekursorami struktury GaAs mogą być na przykład - dla grupy V AsH3 a dla grupy III - Ga(CH3)3 (TMG).

28 Epitaksja Metoda rozkładu par związków metaloorganicznych Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD)

29 Epitaksja Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) Rzeczywisty wygląd aparatury do epitaksji metodą rozkładu par związków metaloorganicznych (po prawej).

30 Wytwarzanie tranzystorów tranzystor epitaksjalno planarny (epiplanarny) Tranzystory epiplanarne to najczęściej współcześnie produkowany rodzaj tranzystorów. Technologie stosowane do ich produkcji znajdują oczywiście zastosowanie przy produkcji innych elementów półprzewodnikowych, a także układów scalonych.