Podręcznik

4.3. Wytwarzanie warstw domieszkowanych

Pod pojęciem warstw domieszkowanych rozumiane są warstwy w płytce podłożowej, w których występują celowo wprowadzone domieszki donorowe lub akceptorowe. Domieszkami donorowymi są pierwiastki z piątej grupy układu okresowego, przede wszystkim fosfor (P) i arsen (As), zaś jako domieszka akceptorowa wykorzystywany jest zwykle bor (B), chociaż akceptorami są także inne pierwiastki z trzeciej grupy układu okresowego (np. aluminium (glin, Al)). W przemyśle półprzewodnikowym stosowane są dziś trzy sposoby wytwarzania warstw półprzewodnika domieszkowanych domieszkami donorowymi lub akceptorowymi: epitaksja, dyfuzja oraz implantacja jonów.

Epitaksja polega na nakładaniu na podłoże warstwy półprzewodnika tego samego rodzaju, ale różniącego się domieszkowaniem (inny niż w podłożu typ przewodnictwa i/lub koncentracja domieszki). Warstwa epitaksjalna nałożona na monokrystaliczne podłoże stanowi przedłużenie jego monokrystalicznej struktury. Jeśli powierzchnia płytki podłożowej nie jest płaska i zawiera wgłębienia lub wypukłości, to są one powtarzane na powierzchni warstwy epitaksjalnej. Typowe grubości warstw epitaksjalnych: od ułamka mikrometra do kilkunastu mikrometrów. Krzemowe warstwy epitaksjalne osadzane są na monokrystalicznym krzemie w procesie, w którym rozkład związku chemicznego krzemu w wysokiej temperaturze w fazie gazowej uwalnia atomy krzemu.

Rysunek 4‑1. Rozkłady koncentracji domieszek w procesie dyfuzji

Dyfuzja polega na wprowadzaniu domieszki do wnętrza półprzewodnika z zewnętrznego źródła domieszki znajdującego się w kontakcie z płytką półprzewodnikową. Wymaga wysokiej temperatury (powyżej 800^o C).  Dyfuzję wykonuje się zazwyczaj w dwóch procesach zwanych predyfuzją i redyfuzją. Podczas predyfuzji płytka podłożowa jest umieszczona w piecu w atmosferze zawierającej atomy domieszki i zarazem utleniającej. Na powierzchni tworzy się t.zw. szkliwo domieszkowane - mieszanka dwutlenku krzemu i tlenku domieszki (np. P₂O₅). Szkliwo to stanowi źródło, z którego następuje dyfuzja domieszki do wnętrza płytki. Proces predyfuzji powoduje wytworzenie silnie domieszkowanej, ale na ogół płytkiej warstwy przy powierzchni płytki. Po predyfuzji szkliwo domieszkowane jest usuwane chemicznie, a płytka ponownie umieszczona w piecu w atmosferze utleniającej, ale już nie zawierającej domieszki. Na powierzchni tworzy się warstwa tlenkowa (SiO₂), która w znacznym stopniu zabezpiecza przed ucieczką domieszki na zewnątrz. Z płytkiej, ale silnie domieszkowanej warstwy wytworzonej podczas predyfuzji domieszka dyfunduje w głąb płytki. Zasięg domieszki wzrasta, a jej koncentracja na powierzchni maleje. Dobierając odpowiednio temperaturę i czas predyfuzji i redyfuzji można otrzymać w sposób powtarzalny wymagany rozkład domieszki, a w tym rozkłady charakteryzujące się niską koncentracją na powierzchni, co trudno byłoby uzyskać w innym sposób. Dyfuzja nie nadaje się jednak do wytwarzania warstw, które są bardzo płytkie (znacznie poniżej 1 mikrometra) i równocześnie słabo domieszkowane. Takie warstwy można wykonywać wykorzystując implantację jonów – proces, który we współczesnej mikroelektronice niemal całkowicie zastąpił dyfuzję.

Rysunek 4‑2. Dyfuzja selektywna - do obszaru określonego przez okno w warstwie SiO₂

Aby wprowadzić domieszkę do ściśle określonego obszaru, stosuje się maskowanie warstwą SiO2. Dyfuzja wykonywana jest przez okna w tej warstwie, których kształty i wymiary są określone przy użyciu fotolitografii (będzie o niej mowa dalej). Predyfuzja i redyfuzja odbywają się w wysokiej temperaturze w atmosferze utleniającej. W związku z tym tam, gdzie były dyfundowane domieszki, pojawia się wgłębienie, bo część krzemu uległa utlenieniu.

Rysunek 4‑3. Rozkłady domieszek w procesie implantacji jonów

Implantacja jonów polega na „wstrzeliwaniu” w płytkę podłożową jonów domieszki, którym nadana została duża energia kinetyczna przez rozpędzenie w silnym polu elektrycznym. Implantacja jonów odbywa się w próżni w temperaturze otoczenia. Jony wytracają energię w zderzeniach z atomami półprzewodnika i lokują się w jego sieci krystalicznej. Procesem implantacji można precyzyjnie sterować: zasięg jonów zależy od ich energii (czyli od napięcia przyspieszającego), a dawkę (czyli liczbę implantowanych jonów) można ustalić całkując w czasie prąd jonów płynący między ich źródłem, a płytką podłożową. Dzięki łatwej i precyzyjnej regulacji zasięgu i dawki jonów implantacja jonów pozwala wykonywać warstwy płytkie i słabo domieszkowane. Jest we współczesnej mikroelektronice najczęściej stosowanym sposobem wprowadzania domieszek do wnętrza płytek półprzewodnikowych.

Rysunek 4‑4. Implantator jonów

Implantacja jonów odbywa się w implantatorze, którego budowa przypomina akcelerator cząstek elementarnych. Przyspieszane są jednak nie cząstki, lecz jony pierwiastka domieszkującego półprzewodnik. Jony ze źródła jonów są w poprzecznym polu magnetycznym "oczyszczane" (jony różnych pierwiastków moją różną masę, toteż odchylane są pod różnymi kątami) i przyspieszane w silnym polu elektrycznym. Układ elektrostatycznego odchylania odchyla strumień jonów i „przemiata” nim po całej płytce półprzewodnikowej. Jony przyspieszone silnym polem elektrycznym uderzają w płytkę z dużą energią kinetyczną i dzięki temu przemieszczają się w głąb, wytracając stopniowo energię w zderzeniach z atomami sieci krystalicznej półprzewodnika. Równocześnie ich ładunek ulega zobojętnieniu, np. jony ujemne oddają elektron, który przez zewnętrzny obwód odpływa do źródła napięcia przyspieszającego. W zderzeniach jonów z atomami półprzewodnika część tych atomów zostaje przemieszczona, regularna budowa monokryształu zostaje w mniejszym lub większym stopniu zaburzona - powstają defekty sieci krystalicznej. Implantowane atomy domieszki zajmują przypadkowe położenia, wiele z nich ląduje w położeniach międzywęzłowych, gdzie nie wykazują właściwości domieszki donorowej czy też akceptorowej. Po implantacji poddaje się płytkę wygrzewaniu, co powoduje odbudowę regularnej sieci monokryształu, zaś atomy domieszki lokują się w węzłach sieci krystalicznej. Równocześnie rozkład domieszki ulega redyfuzji. Implantację można wykonać poprzez bardzo cienką warstwę SiO2. Wówczas maksimum rozkładu domieszek może znaleźć się bliżej powierzchni, a nawet wewnątrz warstwy tlenku. Implantacja przez tlenek zmniejsza energię jonów bombardujących monokryształ i tym samym zmniejsza liczbę powstających defektów. Implantację, podobnie jak dyfuzję, wykonuje się zazwyczaj przez okno wykonane techniką fotolitografii. 

Regulując czasy i temperatury predyfuzji i redyfuzji (w przypadku dyfuzji) lub energię, dawkę jonów oraz czas i temperaturę wygrzewania po implantacji  (w przypadku implantacji jonów) można dość dokładnie kontrolować końcowy rozkład domieszek. Jednak w całym cyklu produkcyjnym występuje wiele operacji wysokotemperaturowych, a w każdej z nich zachodzi proces redyfuzji wcześniej wprowadzonych domieszek. Dlatego zgranie warunków wszystkich operacji w całym procesie produkcji układów jest trudne, wymaga symulacji komputerowych i eksperymentów. Raz ustawiony proces nie jest już później zmieniany. Konstruktor układu scalonego nie może wymagać zmiany warunków procesu, musi dostosować projekt do istniejącego procesu produkcyjnego.