Купить этот сайт

Принцип работы большинства современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

.

Принцип работы большинства современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем основан на свойствах p-n пе­рехода, который можно создать внутри полупроводника, если ввести в одну его область донорную примесь, а в другую — акцептор­ную. Электронно-дырочный переход способен выполнять в ИМС различные функции в зависимости от приложенного напряжения, профиля распределения примесей и геометрии перехода. В частности, обратно-смещенный p-n переход в ИМС используется как элемент изоляции отдельных областей, в качестве «охранных» диодов для защиты диэлектрика под затвором MДП — транзистора или диода Шотки от электрического пробоя, как элемент биполярного транзистора и т.д.

В связи с этим предельно допустимые напряжения на обратно-смещенном p-n переходе определяют возможности работы диодов и транзисторов, а также конкретных ИМС и являются важнейшими рабочими параметрами. При некотором обратном напряжении на p-n переходе наступает так называемое явление пробоя, которое заключается в неограниченном возрастании тока.

Рассмотрим механизмы пробоя в кремниевых p-n переходах, для которых характерны три вида пробоя: лавинный, туннельный и теп­ловой. Первые два вида пробоя связаны с увеличением напряженности электрического поля, а третий — с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

Пробой p-n переходов

1. Тепловой пробой. При приложении обратного напряжения Uобр к p-n переходу через него протекает обратный ток Iобр, и в диоде выделяется мощность Р=IобрUобр. В области p-n перехода происходит разогрев материала, в основном в области пространственного заряда (ОПЗ), где разделяемые электрическим полем запирающего слоя носители заряда отдают избыточную энергию узлам кристаллической решетки полупроводника.

Перегрев p-n перехода Т = Tj - T0 (где Tj — температура p-n перехода; T0 — температура корпуса прибора) пропорционален мощности P, рассеиваемой диодом

Технология осаждения a-SiС:H методом низкочастотного плазмохимического осаждения

Пленки a-SiС:H были получены методом низкочастотного плазмохимического осаждения (НЧ ПХО) с частотой возбуждения разряда 55 кГц. Выбор данного метода не случаен, поскольку он, во-первых, позволяет на порядок повысить скорость роста пленок приборного качества за счёт смещения области плазмы близко к растущей поверхности. Во-вторых, формирование плёнок происходит в условиях ионной бомбардировки поверхности, высоком потоке радикалов и при более низких температурах подложки. Указанные особенности метода НЧ ПХО дают дополнительные возможности в исследовании закономерностей формирования микроструктуры сплава a-SiС:H, делая этот метод перспективным как с точки зрения проведения фундаментальных исследований, так и для чисто практического промышленного применения [ 11 ].

Установка «Mini Goupyl», в которой были получены исследуемые образцы, представляет собой однотрубный кварцевый реактор диаметром 23 см и длиной 80 см (рис. 3.5) [ 12 ].

.

Четыре графитовых электрода в форме прямоугольных пластин размером 18х36 см2 помещены параллельно оси газового потока. Электроды соединены между собой попарно через один и образуют три межэлектродных промежутка так, что каждый электрод в течение периода колебания является попеременно то анодом, то катодом. Подача газов осуществляется через отверстие в лицевой части реактора. Откачка продуктов реакции производится через отверстие диаметром 40 мм в задней части реактора с помощью двухступенчатого форвакуумного масляного насоса. Перед насосом на выходе из реактора помещен дросселирующий затвор, поддерживающий давление в рабочей камере.

Система управления технологическим процессом позволяет устанавливать основные параметры осаждения в широком диапазоне значений:

- мощность разряда 50 — 600 Вт (удельная мощность 0,01-0,1 Вт/см2);

- давление в камере 10 — 200 Па;

- температура подложек 25 – 400 oC;

- расход газа 50 — 200 нсм3/мин.

Измерение температуры подложек осуществляется с помощью шести хромель-алюмелевых термопар, расположенных снаружи и изнутри реактора по его длине. Однородность распределения и поддержания температуры по длине реактора обеспечивается автоматически. Погрешность установки температуры составляла 50.

Столкновения положительных ионов с поверхностью растущей пленки

Коэффициент потерь b является величиной, характеризующей процесс потери частицей ее кинетической энергии при взаимодействии с поверхностью через фононное возбуждение, электронно-дырочный обмен и др. [ 7 ]. Таким образом, величина b зависит от природы адсорбирующейся частицы и от состояния поверхности, на которой происходит адсорбция, но не зависит от энергетических характеристик поверхностного слоя (температуры подложки).

Столкновения положительных ионов с поверхностью растущей пленки приводят к выделению дополнительной энергии в поверхностном слое, в результате чего возрастает энергия поверхностных частиц. Увеличение поверхностной подвижности частиц под воздействием ионов с энергией 20¸100 эВ ведет к уменьшению микроструктурной неоднородности и плотности дефектов [ 6 ]. При этом водород встраивается преимущественно в Si-H связи и его содержание в пленке увеличивается.

В работе [ 7 ] было показано, что основной «строительной частицей» при формировании a-Si:H высокого качества является радикал SiH3. На рис. 3.4 показаны возможные реакции радикала SiH3 на поверхности a-Si:H. Суммарный эффект этих реакций [ 8 ] можно представить в виде формулы

g = b — s .

В данной модели предполагается, что поверхность пленки полностью покрыта водородом в формах ºSi-H, =Si-H2, -Si-H3 групп. Радикал SiH3 сорбируется на этих группах, формируя связь Si-Si-H.

Реакции на поверхности

Поскольку поверхностные реакции при осаждении плёнок a-SiC:H недостаточно хорошо изучены, рассмотрим эту стадию формирования плёнки на примере a-Si:H. Поверхностный слой растущей пленки включает в себя следующие зоны [ 6 ] (см. рис. 3.2):

- поверхность, покрытую водородом, на которой происходит адсорбция радикалов;

- зона роста, где происходит термически активированное (Еa » 0,1 эВ) формирование связей Si-Si и десорбция водорода;

- зона стабилизации кремниевой сетки, где происходят релаксационные процессы.

Рис. 3.2. Поверхностный слой растущей пленки a-Si:H:

1 — поверхность; 2 — зона роста;3 — зона стабилизации.

Приближающийся к поверхности роста радикал сорбируется на поверхности. После этого возможны следующие процессы: отражение (десорбция), прилипание (поверхностная реакция с образованием продуктов в твердой фазе) и образование стабильной молекулы (силана). Каждый из вышеназванных процессов имеет свою вероятность. Вероятности этих процессов определяют вероятность протекания поверхностной реакции, обозначаемой b (0£b£1). Параметр b также носит название коэффициента потерь, и может быть выражен через вероятности вышеназванных процессов [ 6 ]:

, (3.1)

где r — коэффициент отражения; s — коэффициент прилипания; g — коэффициент образования стабильной летучей молекулы.

На рис. 3.3 схематично изображены процессы при формировании плёнки.