Технология изготовления биполярных транзисторов конспект

В данном конспекте приводится краткое описание основных этапов технологии изготовления биполярных транзисторов. Мы познакомимся с ключевыми шагами, которые необходимо пройти для создания этих компонентов, начиная с выбора материалов и заканчивая тестированием готового изделия. Это позволит понять, насколько сложен и ответственен процесс производства биполярных транзисторов и увидеть его важность для современной электроники.

Первый шаг в изготовлении биполярных транзисторов — это выбор подходящих материалов. Они должны быть высокого качества и обладать нужными свойствами, чтобы обеспечить надежную работу транзисторов в различных условиях. Например, для создания базового слоя транзистора используется полупроводниковый материал, такой как кремний или галлий-арсенид. Кроме того, для создания электрической изоляции между слоями применяют области с оксидными пленками или тонкими слоями кремния.

Процесс изготовления биполярных транзисторов

Изготовление биполярных транзисторов представляет собой сложный и многолетний процесс, который включает в себя несколько стадий.

Первой стадией является эпитаксиальный рост подложки. На этом этапе подложка, обычно сделанная из кремния, покрывается тонким слоем эпитаксиального материала, такого как эпитаксиальный кремний или эпитаксиальная кремниевая слоистая структура (SOI).

Далее следует этап литографии, на котором на подложке формируются слои активных регионов и их контактов. Этот процесс включает использование фоторезиста, экспонирование и фотолитографических шагов.

После литографии следует фаза ионной имплантации, которая позволяет манипулировать проводимостью материала и создавать слои с определенными электрическими свойствами.

Следующей стадией является формирование пассивных элементов, таких как контакты и металлические проводники. В этом процессе образуются слои металла на поверхности подложки и стеклянные слои, которые используются для изоляции и защиты проводников.

Наконец, производится финальная обработка и испытание транзисторов, включая их разделение на отдельные чипы и проверку их электрических характеристик.

Весь процесс изготовления биполярных транзисторов проходит в контролируемой среде с использованием специального оборудования и техник, что гарантирует высокое качество и надежность конечного изделия.

Начальный этап: выбор подходящего материала

Существует несколько основных материалов, используемых для изготовления биполярных транзисторов:

• Кремний (Si) – самый распространенный материал, который используется в большинстве процессов производства транзисторов. Кремниевые транзисторы отличаются высокой стабильностью и низкой стоимостью. Они являются основным выбором для большинства приложений.
• Германий (Ge) – материал, который был широко использован в прошлом, но сейчас заменен кремнием из-за его лучших электрических характеристик. Транзисторы на основе германия все же могут быть использованы в некоторых специальных приложениях или в исследовательских целях.
• Соединения арсенида галлия (GaAs) – материал с очень высокой подвижностью электронов, из-за чего транзисторы на его основе могут работать на очень высоких частотах. Они часто используются в микроволновых устройствах и интегральных схемах для высокочастотных приложений.

Определение подходящего материала основывается на требованиях и условиях конкретного проекта. Кроме выбора материала, также необходимо учитывать важные параметры, такие как толщина и тип диффундирования транзисторов, что обеспечит приемлемые электрические свойства и надежность устройства.

Технология эпитаксиального роста п/п перехода

В процессе эпитаксиального роста наросты гетероперехода синтезируются на поверхности подложки при помощи химических реакций в газовой фазе. Кристаллическая структура нароста строится на основе кристаллической структуры подложки, что позволяет достичь контролируемых параметров и характеристик перехода.

Эпитаксиальный рост п/п перехода производится в специальной установке — эпитаксиальной камере, которая обеспечивает определенные условия температуры, давления и присутствие необходимых реактивных газов. В зависимости от требуемых характеристик перехода, а также масштаба производства, используются различные методы эпитаксиального роста, такие как газофазный эпитаксиальный рост (GME), молекулярно-лучевой эпитаксиальный рост (MBE) и химико-паровой эпитаксиальный рост (CVD).

Основными параметрами, которые определяют качество эпитаксиального слоя, являются толщина, гладкость поверхности, легирование и градиент легирования, а также химический и стехиометрический состав слоя.

В зависимости от требований к биполярному транзистору, процесс эпитаксиального роста может варьироваться. Например, для повышения эффективности работы транзистора, можно изменять толщину и легирование эпитаксиального слоя.

Технология эпитаксиального роста п/п перехода имеет большое значение для создания биполярных транзисторов с высокой производительностью и надежностью. Она позволяет получить переходы с требуемыми характеристиками и геометрическими параметрами, которые определяют работу транзистора в различных условиях эксплуатации. Эта технология является одной из основных технологий в современной полупроводниковой промышленности и постоянно совершенствуется для улучшения характеристик и надежности биполярных транзисторов.

Формирование базы и контактной маски

На этом этапе выполняются следующие операции:

1. Очистка поверхности

Перед началом формирования базы и контактной маски необходимо обеспечить чистоту поверхности подложки. Для этого проводится обработка специальными растворами, которые удаляют грязь и остатки предыдущих слоев.

2. Нанесение слоя диэлектрика

Для того чтобы изолировать базу и контактную маску от остальных элементов транзистора, на поверхность подложки наносится слой диэлектрика. Это может быть оксид кремния или другой материал с высокими диэлектрическими свойствами. Нанесение производится с помощью химического осаждения или физического осаждения.

3. Фоторезист

На поверхность диэлектрика наносится фоторезист, который служит временной маской для последующих процессов. Фоторезист наносится равномерным слоем и затвердевает под воздействием ультрафиолетового света.

4. Экспозиция и фоторезистирование

Следующим этапом является экспозиция и фоторезистирование. На фоторезист накладывается маска с изображением базы и контактов. Под воздействием ультрафиолетового света фоторезист выдерживает определенный период времени. Затем проводится процесс фоторезистирования, при котором неразмывшийся фоторезист остается на поверхности и защищает нужные области.

5. Этап электрохимического осаждения

После фоторезистирования проводится этап электрохимического осаждения. Он заключается в том, что в местах, где база и контакты должны быть образованы, происходит осаждение определенных веществ. Электрохимическое осаждение выполняется с использованием специальных электролитов.

6. Снятие фоторезиста и отделение

Последним шагом на этапе формирования базы и контактной маски является удаление фоторезиста и отделение ненужных частей. Для этого применяются специальные растворы, которые растворяют фоторезист без повреждения других слоев.

После выполнения всех этих операций формирование базы и контактной маски считается завершенным, и можно переходить к следующему этапу в процессе изготовления биполярных транзисторов.

Этап формирования эмиттерного и коллекторного слоев

На этапе формирования эмиттерного и коллекторного слоев используется специальная технология диффузии. Для этого на поверхность подложки наносится специальная маска, которая определяет места, где будут располагаться эмиттер и коллектор. Затем подложка подвергается обработке при высокой температуре, что позволяет атомам материала проникнуть вглубь подложки и образовать нужные слои.

Формирование эмиттерного слоя осуществляется путем интенсивной диффузии атомов примеси в месте, где они должны находиться. Эта примесь обычно состоит из акцепторов, которые создают лишние электроны в подложке, придавая ей тип p. Электроны, образовавшиеся благодаря примеси, вступают в нейтрализующие реакции с атомами так называемых доноров, в результате чего возникает эмиттерный слой с высокой концентрацией электронов. Этот слой имеет тип n и обеспечивает эмиттер-базовое переходы транзистора.

Схожий процесс происходит при формировании коллекторного слоя. Однако в этом случае примесь состоит из доноров, которые создают дополнительные дырки в подложке типа n. В результате образуется коллекторный слой с высокой концентрацией дырок, что обеспечивает коллектор-базовое переходы транзистора.

По завершении этого этапа формирования эмиттерного и коллекторного слоев, производится дополнительная обработка структуры для улучшения ее характеристик и создания дополнительных слоев, таких как базовый слой и слой контроля коллекторного потенциала. Следующим этапом будет нанесение металлического контакта к эмиттеру и коллектору и формирование остальных элементов структуры транзистора.

Нанесение металлической контактной маски

Процесс нанесения металлической контактной маски включает несколько этапов. Вначале на поверхность полупроводникового материала, обычно кремния, наносится слой оксида кремния (SiO₂). Оксид кремния служит диэлектрической изоляцией между полупроводником и металлическим контактом. Затем на поверхность оксида кремния наносится слой резиста – светочувствительного полимерного материала. В этом слое образуется изображение маски, которая определяет места, где будут находиться металлические контакты.

После нанесения слоя резиста на поверхность, проводят экспозицию – воздействие на резист ультрафиолетовым (УФ) излучением через специальную маску. УФ излучение проникает через прозрачные участки маски и модифицирует свойства резиста. Маска содержит изображение контактов, поэтому после экспозиции на резисте образуется невозрастной слой.

После экспозиции проводится процесс маскировки, в результате которого незафиксированный резист удаляется, а закрепившийся на свету резист образует устойчивую маску на поверхности оксида кремния. Удаление резиста производится путем погружения в растворители или применением плазмы. Получившаяся маска является отражением маски находящейся в размерной решетке микросхемы.

Далее проводится осаждение металла на поверхность маски. Металл, который обычно используется для контактных масок, это алюминий или его сплавы. Он осаживается на поверхность путем испарения (термическое осаждение) или методами химического осаждения, такими как химическое осаждение из газовой фазы (CVD) или физическое осаждение из газовой фазы (PVD).

Затем производится процесс этирования, который заключается в удалении избыточного металла с поверхности маски. Он выполняется с использованием химических реагентов, которые растворяют металл, но не воздействуют на оксид кремния.

В результате выполнения всех этих операций на поверхности полупроводникового материала появляются металлические контакты, которые связывают эмиттер, базу и коллектор биполярного транзистора с внешними электрическими цепями. Эти контакты играют важную роль в работе транзистора, обеспечивая его нормальное функционирование.