周详而细致地准备 步步迈进

2008-09-01 18:42:56来源: 北京大学 吉利久 关键字:细致  准备  步步

 

  1948 年,J.Bardeen 和W.Brattain 在Phys. Rev.上发表“The Transistor, A Semiconductor Triode”,宣告晶体管问世;1949 年,W.Shockley 在 Bell Syst. Tech 杂志上发表“The Theory of p-n Junction in Semiconductor and p-n Junction Transistor”,宣告比点接触型更加实用的结型晶体管问世;其后便踏上批量生产和扩大应用的路程。虽然晶体管具有电子管不可比拟的优点,但是竞争之路也并不平坦。当时电子管已十分成熟,又经过小型化,体积缩小之后,功耗降低,掉在地上也不易摔破,因此,晶体管的体积小、功耗低、耐冲击的优点并不绝对占优。相反,电子管的低噪声,耐高压的性质却远优于晶体管。再加上当时晶体管制作的工艺水平不高,不要说点接触型,即使是结型晶体管也还是合金结,只能“单件”制作,效率低下,售价比电子管还高。因此要在与电子管的竞争中取胜,晶体管还需另辟蹊径。

  晶体管果然选择了一个正确的发展方向,即充分发挥自己具有的、而电子管不可能具有的优点,那就是:不用灯丝,无需“容器”,因此,可以成批制作。晶体管选定的这个发展方向奠定了在竞争中的胜局。

  尽管当时电子管生产线的机械化水平已经很高,玻壳、灯丝、电极都是机械制作,甚至组装和抽真空等也都是机械操作,但它改变不了的就是只能“单件”生产。有一个说法有些道理,“再复杂的套色标签都可以整版印刷,而再简单的标签也只能‘单张’粘贴”。电子管的制程就是只能“单件”制作。晶体管的发展走的是“整版印刷”之路。

  在晶体管的发展过程中,硅材料的选择当属最重要的一步。其实,在晶体管发明之前,科学家就知道硅比锗更适于作为晶体管的材料,只是因为硅的提纯困难,当时硅材料的纯度还不够高,因此先在锗材料上完成了晶体管的发明。不过当时各公司、实验室都有硅的研究计划。第一个硅晶体管是B.E.Deal 在TI 制成的。在1954 年的一次会议上,比较权威的看法是制作硅晶体管还需要几年的时间。可是就在这个会上,Deal 不仅宣布了硅晶体管的诞生,而且还装成收音机,与锗管机一起浸入热水中。因为硅有更大的带隙,所以高温下硅管机仍能收音,锗管则难耐高温而停止工作。

  1950 年,R.N.Hall 和W.C.Dunlap 在Phys.Rev.上发表了“ p-n Junction Prepared by Impurity Diffusion”,为晶体管的制作提出了重要的方法——扩散掺杂。很可惜,这篇文章说的只是在合金之后的杂质扩散,仍然是“单件”操作,不能解决“整版印刷”的问题。

  从1956 年M.Tanenbaum 和D.E.Thomas 在Bell Syst. Tech 杂志上发表“Diffused Emitter and Base Silicon Transistor”,到 1960 年J.A.Hoerni 在 IRE Electron Devices Meet.上发表“Planar Silicon Transistor and Diodes”,宣告完成硅平面工艺的发明。至此,制作晶体管的管芯已经可以用“整版印刷”的方式,所有工序都是在整个wafer(晶圆)上进行。

  这样的制程不仅生产效率高,而且管芯的一致性好,为晶体管赢得了市场,同时也为IC 发明准备了条件。

  在硅平面工艺中,应该说二氧化硅(SiO2)帮了硅(Si)的大忙,确立了硅在IC 材料中的绝对优势地位。

  Si 上易于生长SiO2 薄膜。这层SiO2 薄膜很重要,不仅可以用作器件的电学绝缘、表面保护,还可以在晶体管的制作过程中,用来阻挡杂质向Si 内扩散。再加上SiO2 薄膜易于刻蚀图形,这样就可以在Si 上实现选择区域的扩散掺杂:先在n 型Si 的一些区域做p 型扩散,形成基区(Base),再在这些基区中做n 型扩散,形成发射区(Emitter),于是同时完成了多个n-p-n 晶体管的制作,如同是“整版印刷”一样,以SiO2 作为“套色掩膜”。

  在晶体管的平面工艺制程中,一定要有一道工序把Si 上的SiO2 薄膜刻出所需要的图案,这就是从套色印刷技术中学来的光刻技术(Lithography & Etching)。光刻工艺包括“光”和“刻”两步工序。“光”,完成图形转移:把对晶体管收集区、基区、发射区等区域设计的一套图形,依次转移到Si 片上;“刻”,完成刻蚀:在SiO2 等薄膜上刻蚀成图案。当然,半导体光刻工艺的精度,已经远远高于套色印刷,从初期的微米级10μm、5μm、3μm、2μm、1.5μm、1.0μm,到后来的亚微米0.8μm、0.5μm,深亚微米0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.15μm、0.13μm,再到最近的超深亚微米,也称纳米级,90nm、65nm、45nm,和即将的32nm、22nm,光刻工艺的精度已经成为晶体管、IC 制作精度的标志。

  硅平面工艺中外延(epitaxical)技术的发明很有创意,它解决了在重掺杂Si 片上形成轻掺杂层的难题。

  一般认为,之所以称为半导体,是因为它的电导率低于导体,高于绝缘体,恰逢其半。

  这只是对于高纯度的材料而言,实际上掺入杂质的半导体才有更意义。半导体的导电类型和导电能力完全由掺入的杂质决定,以Si 为例:掺入Ⅲ族元素(例如硼)成为p 型硅,掺入Ⅴ族元素(例如磷、砷)成为n 型硅;重掺杂(n+、p+)硅比轻掺杂(n-、p-)硅有更好的导电性能。晶体管的制作正是通过不同的掺杂改变Si 的导电类型而形成p-n 结的。但是这个过程一定是用更重的掺杂改变较轻掺杂的导电类型,不可逆反,也就是只能把n-变成p,再把p 变成n+。因此,晶体管的集电区(C 区)就只能是n-。

  但是n-的电阻率要比n+高1000 倍,而晶体管的大部分电流又都要由C 极通过,因此势必造成很大的电压降和热功耗,降低了晶体管的品质。如果能有一个n+层与n-的C 区并联,将是再好不过了,很可惜,通过掺杂的方法是不能把n+变成n-的。

  外延工艺是沿着n+Si 的晶格再长出一层Si,其中少做掺杂,成为n+Si 上的n-外延层,既为制作晶体管提供了n-的C 区,又有低阻的n+衬底作为并联,两全其美。外延技术不仅是平面工艺的重要工序,还是化合物半导体材料制备的重要方法,这是题外的话。

  硅还有一个很好的性质,就是重掺杂硅,无论是n+还是p+,都能与铝形成欧姆接触。这个性质太重要了,欧姆接触相当于“焊锡”,是晶体管与外界电学连接、IC 内部电学互连的必由之路。这么容易便可实现欧姆接触,又为硅成为制作IC 的材料增加一大优点,真好像“硅有天助”。

  平面工艺是氧化、光刻、扩散掺杂,外延等一套硅基工艺的组合,它的一个最重要的性质是可以把BJT(双极结型晶体管——Bipolar Junction Transistor)的E、B、C 三个电极(以及后来MOSFET 的D、G、S、B 四个电极)都在同一平面上引出。这个性质是实现IC的根本保证,其中欧姆接触起了重要作用。如果不是这样,BJT 的C 极只能从硅片的背面引出,那么无论如何也不可能在同一硅片上实现晶体管之间的电学连接,IC 也就无从谈起。

  因此,为晶体管实现批量制作而发明的平面工艺,也是为IC 发明做的最好的前期准备。

关键字:细致  准备  步步

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2008/0901/article_1034.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:50年前,一颗IC成就了一个产业
下一篇:CMOS 结构 工艺无小事

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利
推荐阅读
全部
细致
准备
步步

小广播

独家专题更多

TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
汇总了TI汽车信息娱乐系统方案、优质音频解决方案、汽车娱乐系统和仪表盘参考设计相关的文档、视频等资源
迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
​TE工程师帮助将不可能变成可能,通过技术突破,使世界更加清洁、安全和美好。
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2017 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved