Транзистор?.. Это очень просто!

Дорогой друг Незнайкин!

Как обещал тебе сегодня утром во время разговора по телефону, я попытаюсь кратко изложить прогресс в области полупроводниковой техники, происшедший со времени нашей последней встречи.

Создание транзистора открыло путь к миниатюризации электронной аппаратуры. Малые размеры кристаллического триода и практически полное отсутствие излучения тепла (за исключением мощных транзисторов) позволили значительно уменьшить габариты всех электронных аппаратов.

Но сейчас мы переживаем новый этап — этап микроэлектроники. Чтобы рассмотреть структуру устройств, реализуемых в настоящее время на базе полупроводниковой техники, необходимо прибегать к помощи микроскопа. Осуществленная в интегральных микросхемах плотность монтажа измеряется тысячами компонентов на кубический сантиметр.

Как достигается такое снижение размеров? Я постараюсь объяснить это тебе.

Технологические процессы

Уже существует множество новых микроминиатюрных устройств и каждый год появляются все новые. Поэтому было бы неразумно пытаться рассмотреть здесь все такие устройства.

Но было бы полезно описать основные технологические процессы, используемые для изготовления этих разнообразных приборов — от простого планарного транзистора до интегральных микросхем. (Наберись терпения, дорогой друг, чуть дальше я объясню тебе значение этих терминов.)

Так вот основные используемые в наши дни технологические процессы.

Окисление кремния. Изолирующий слой на поверхности кремния (основного используемого в микроэлектронике полупроводникового материала) может создаваться путем окисления самого кремния. Для этого кремний нагревается до температуры от 800 до 1300 °C в атмосфере кислорода или паров воды. В результате такого воздействия его поверхность покрывается тонким слоем двуокиси кремния (она известна под названием кварца), представляющего собой прекрасный диэлектрик. Толщина этого слоя меньше одного микрона или микрометра (тысячной доли миллиметра).

Эпитаксиальный процесс. Удельное сопротивление содержащего примеси кремния очень мало, что в некоторых случаях является серьезным недостатком. Его устраняют путем наращивания эпитаксиального слоя, в котором молекулы кремния образуют безупречную кристаллическую структуру. Об этом свидетельствует сама этимология термина: «эпи» по-гречески означает «над» (отсюда происходит слово «эпидермис» — кожный покров), а «таксис» — «порядок». Кремний, расположенный под эпитаксиальным слоем, служит для последнего механической подложкой.

Для формирования такого слоя, толщина которого может быть от 5 до 15 мкм, кремний нагревают в атмосфере водорода до температуры 1300 °C, а затем температуру постепенно снижают до 1180 °C, впуская в нагретую камеру тетрахлорид кремния. Последний, реагируя с водородом, образует газообразный хлористый водород и атомы кремния, которые в идеальном порядке осаждаются на поверхность полупроводника.

Фотолитографический процесс и маскирование. Изготовители полупроводниковых устройств прибегают к технике, используемой для изготовления типографских клише. Знаком ли ты с ней, Незнайкин?

Коротко говоря, процесс изготовления клише, выпуклые элементы которого смазываются краской и служат для переноса изображения на бумагу, начинается с фотографирования воспроизводимого рисунка на светочувствительной пленке. Во время этой операции можно в заданное число раз увеличить или уменьшить фотографируемое изображение. После этого пленка накладывается на цинковую пластинку, предварительно покрытую лаком, который под воздействием света отвердевает и становится нерастворимым в жидкости, в которой он обычно растворяется. Облучая цинковую пластинку, прикрытую пленкой с негативным изображением рисунка, а затем обрабатывая экспонированную таким образом пластинку жидким растворителем, удаляют лак со всей ее поверхности за исключением участков, образующих изображение. Затем незащищенные участки цинка травятся кислотой: в результате этой операции получают клише с рельефным рисунком.

Именно эта техника широко применяется в микроэлектронике. Рисунок с очень большим уменьшением фотографируют на стеклянную пластинку или на другой светочувствительный материал с прозрачной подложкой. Таким образом получают «маску», где рисунок образован непрозрачным тонким слоем хрома. Эта маска накладывается на поверхность полупроводника, предварительно покрытого светочувствительным лаком, отвердевшим при нагревании до 90 °C; этот лак наносится равномерным слоем тоньше микрометра.

Лак через маску облучается сильным светом, который делает нарастворимыми участки, не прикрытые хромовыми элементами изображения. После этого достаточно опустить полупроводниковую пластину в соответствующий растворитель, чтобы лак остался только на участках, которые были защищены.

Оставшийся лак делают еще более прочным путем нагрева до 150 °C. И теперь наш полупроводник готов для обработки жидкостями, способными стравить поверхность, или парами, вносящими примеси p-типа или n-типа, или подвергнуться металлизации частичками алюминия или другого металла с целью соединения различных точек будущей схемы проводящими ток полосками.

Для полноты картины я должен добавить, что в последнее время имеется тенденция вместо видимого света все чаще использовать ультрафиолетовые лучи. Я догадываюсь о твоем удивлении, дорогой друг. Но для такой замены есть две причины. Во-первых, химическое воздействие ультрафиолетовых лучей сильнее, чем видимого света. (Ты, вероятно, еще не потерял свой бронзовый загар от высокогорного солнца, богатого ультрафиолетовыми лучами.) Во-вторых, использование этих очень коротких волн объясняется также и тем, что другие волны… слишком длинные. Да, мой дорогой друг, волны видимого света длиной от 0,38 мкм (фиолетовый) до 0,78 мкм (красный) слишком длинные. Видишь, до чего мы дошли.

После завершения серии операций, начавшихся с равномерного нанесения лака на поверхность полупроводниковой пластины, лак местами удаляют, образуя «окна», т. е. участки, открытые для различных видов обработки.

Одна из наиболее часто выполняемых после образования «окон» операций заключается в удалении изолирующего слоя двуокиси кремния, покрывающего поверхность полупроводника. Для этой цели полупроводниковую пластину погружают в ванну, содержащую плавиковую кислоту и фтористый аммоний, которые растворяют все незащищенные участки двуокиси кремния.

Диффузия. В эти же участки полупроводника можно ввести некоторое количество примесей p-типа или n-типа, если нагреть пластинку в атмосфере паров соответствующих веществ. Примеси можно также наносить на пластинку, нагретую до температуры, необходимой для проникновения примесей через окна, в результате этой операции в полупроводнике в зависимости от используемых материалов образуются p-зоны или n-зоны.

Планарный эпитаксиальный транзистор

Теперь, после того как мы проанализировали основные фазы производства, в качестве примера рассмотрим, каким образом изготовляют одну из наиболее распространенных разновидностей транзисторов — планарный эпитаксиальный транзистор.

Надеюсь, что ты не забыл, что я некогда рассказывал тебе о меза-транзисторе. Можно сказать, что планарный является его прямым потомком. Как показывает само название[20], ему совершенно несвойствен рельеф, характерный для мезатранзистора. Кроме того, он полностью выполняется в тонком эпитаксиальном слое и большая его часть прикрыта двуокисью кремния. По своим размерам он значительно меньше своего предшественника мезатранзистора. На одной подложке (так называется тонкий диск кремния) одновременно изготовляют несколько десятков или даже сотен транзисторов.

Вот последовательные стадии производства планарного транзистора структуры n-р-n:

1. Подложка (пластина кремния с проводимостью n-типа) чистится и полируется.

2. Уже описанным мною способом на ней выращивается эпитаксиальный слой, не превышающий по толщине 15 мкм и тоже содержащий примеси n-типа.

3. Поверх эпитаксиального слоя наносится изолирующий слой двуокиси кремния (рис. 131, а).