Технологии изготовления транзисторов

Имеются различные технологические способы изготовления полупроводниковых транзисторных структур: сплавления, диффузии, эпитаксиально-диффузионный, планарно-эпитаксиальный, ионной имплантации и др.

При сплавлении на поверхность кремния помещается, например, алюминий и нагревается в атмосфере инертного газа. После охлажде­ния расплава образуется капля смеси Аl–Si, в которой формируется область, насыщенная акцептором. Эпитаксия представляет метод вы­ращивания кристалла в результате химической реакции на поверхности исходного монокристалла кремния. Через нагретый до 1150 °С очищенный исходный кремний в кварцевом реакторе продувается поток водорода с примесью SiС1₄ или SiН₄, и атомы кремния выпада­ют в осадок, наращивая кристаллическую решетку подложки. Добав­ляя в газовую смесь РН₃ или В₂Н₆, можно получить донорную или акцепторную примеси. Получается тонкая пленка с точно дозируемой концентрацией примеси.

Метод ионной имплантации связан с воздействием на поверхность кремниевой пластины ионов примеси, разогнанных в вакууме до энер­гий в несколько килоэлектрон-вольт. Это наиболее контролируемый и точный способ внедрения примеси.

Для биполярных транзисторов используются диффузионно-сплав­ная с меза-структурой и планарная технологии (рис. 6.39).

Полупроводниковая структура (рис. 6.39, а), полученная диффузи­онно-сплавным способом, включает в себя низкоомный высоколеги­рованный кремний (диффузия, эпитаксия), области р- и n-типов (диффузия) с вплавленным электродом базы и область р-типа (сплав­ление) на границе с металлом вывода эмиттера. Выемка меза-структуры выполнена для ограничения активной области структуры для сни­жения собственной емкости.

Планарная технология (от английского слова planar – плоский) – высокопроизводительный метод группового изготовления полупро­водниковых приборов и интегральных микросхем с предварительным нанесением "маски" на кремний. Технология включает в себя следую­щие основные операции: нанесение тонкой диэлектрической пленки на поверхность кремния, удаление способом фотолитографии или элек­тронно-фотолитографическим способом определенного участка этой пленки, введение в кристалл через образовавшиеся "окна" донорных или акцепторных примесей, металлизация области вывода электродов. Пленка наносится на исходную кремниевую подложку, чтобы предот­вратить проникновение примеси в определенные области структуры. Наиболее удобна "маска" из слоя SiO₂. Для этого кремниевая пластина помещается в печь и нагревается в атмосфере влажного кислорода. Об­разуется пленка SiO₂ толщиной около 1 мкм.

а б

Рис. 6.39. Диффузионно-сплавная (а) и планарная (6) полупроводниковые структуры биполярных транзисторов

Планарная полупроводниковая структура (рис. 6.39, 6) получена диффузией алюминия в исходный кремний n-типа. Эмиттерный пере­ход и n+-слой сформированы диффузией фосфора в исходный крем­ний n-типа со стороны вывода коллектора и в диффузионный p-слой через центральное "окно" в пленке SiO₂. Металлизация выполнена напылением алюминия. Подобная технология обеспечивает получе­ние высокоомного коллектора, что по мере увеличения напряжения на коллекторе приводит к расширению объемного заряда в основном в сторону коллектора. Благодаря этому эффект модуляции базы вы­ражен незначительно. Высокоомный слой в ключевом режиме тран­зистора вызывает значительное падение напряжения на коллекторе. Такая структура используется в высоковольтных транзисторах. В этом случае применяется кремниевая структура в форме диска (как в диодах), выполняется фаска. Для снижения толщины высокоомного слоя коллектора в низковольтных транзисторах применяется эпитаксиальное наращивание тонкого n-слоя на исходной пластине низкоомного n+-кремния.

Для уменьшения явления вытеснения эмиттерного тока в неболь­шой участок около базового вывода применяют специальную разветвенную сеть базовых и эмиттерных электродов мощных транзисторов. Применяется гребенчатая, эвольвентная и многоэмиттерная кон­струкция эмиттерных переходов.

Полупроводниковые структуры полевых транзисторов изготавливаются методом планарной технологии.

Полупроводниковая структура транзистора обычно помещается в герметический корпус из металла (рис. 6.40, а), пластмассы или кера­мики. Транзисторы малой мощности могут изготавливаться в бескор­пусном исполнении (рис. 6.40, б).

В транзисторе с металлическим корпусом полупроводниковая структура 1 закрепляется на коваровом фланце 2, электроды эмиттера и базы (истока и затвора) 3 выводятся из корпуса через стеклянные изоляторы 4. Герметический корпус 5 приваривается к фланцу швом холодной сварки 6. Размеры транзистора такой конструкции могут иметь значения: Н = 2,5 + 12 мм и D1=13,7 + 30 мм. Мощные транзисторы на токи до сотен ампер имеют конструкцию, аналогичную силовым диодам, имеющую дополнительный третий вывод.

а б

Рис. 6.40. Конструкции транзисторов в металлическом корпусе (а)

и бескорпусные (б)

На рис. 6.40, б показан один из видов бескорпусного транзистора, используемого в гибридных микросхемах с гибкими выводами. К полупроводниковому кристаллу 1 методом термокомпрессии припаи­вают к контактным площадкам гибкие выводы 2 из золотой проволо­ки диаметром 30-50 мкм. Выводы дополнительно механически за­крепляют с помощью защитного компаунда 3.

Кроме указанных основных конструктивных типов различают транзисторы других модификаций р–n–р- и n–р–n-типов, в стеклянно-металлическом, пластмассовом и металлокерамическом корпу­сах, с гибкими и жесткими выводами.