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).
Pиc. 131. Последовательные стадии производства планарного транзистора структуры n-р-n.
4. Методом фотолитографии с химическим травлением при использовании соответствующей маски в изолирующем слое создается «окно».
5. Через «окно» с помощью диффузии вводят примеси p-типа (обычно бор) — таким образом формируется зона, служащая будущему транзистору базой (рис. 131, б).
6. Всю конструкцию вновь покрывают изолирующим слоем двуокиси кремния.
7. Вторая фотолитографическая операция с химическим травлением позволяет вскрыть «окно» в центральной части р-зоны.
8. Через это отверстие с помощью диффузии вводят примеси n-типа (например, фосфор) — таким образом формируется эмиттер транзистора (рис. 131, в).
9. В третий раз вся конструкция покрывается слоем двуокиси кремния.
10. Также в третий раз используют фотолитографию, чтобы прорезать крохотные отверстия: одно в зоне эмиттера, а другое в зоне базы.
11. Через эти отверстия наносят слой металла (для этой цели часто используют алюминий), который образует контактные площадки.
12. К маленьким металлическим площадкам припаиваются проволочки, служащие выводами для эмиттера и базы; для коллектора, состоящего из той части эпитаксиального слоя, которая не подверглась воздействию диффузии в предыдущих операциях (операции № 5 и 8), вывод создается путем прикрепления к подложке металлической пластинки (рис. 131, г, д).
Теперь изготовленный описанным способом транзистор остается лишь поместить в корпус. У тебя, дорогой друг, может сложиться впечатление, что описанные мною двенадцать операций обходятся так дорого, что планарный транзистор практически недоступен для применения в аппаратуре. Дело обстоит совершенно иначе — не забывай, что на одной подложке одновременно формируются если не сотни, то десятки транзисторов.
Величина тока и емкость
Если ток, идущий от эмиттера через базу к коллектору, велик, то в планарном транзисторе надлежит увеличить площадь перехода эмиттер — база. Однако это одновременно приводит к увеличению емкости между этими двумя зонами. А мы с тобой знаем все вытекающие отсюда отрицательные последствия и в первую очередь ограничения по частоте.
Тем не менее можно без увеличения площади перехода пропускать относительно большие токи (достигающие нескольких сотен миллиампер и даже нескольких ампер); такой результат достигается удлинением контактной линии между зонами эмиттера и базы. Для этого с помощью соответствующих масок эмиттеру придают более или менее причудливую форму. Вместо прямоугольника или круга делают зигзаг, звезду или любую другую сложную фигуру, образованную узкой линией (рис. 132).
Рис. 132. В планарном транзисторе можно пропускать относительно большие токи, удлиняя контактную линию между зонами эмиттера и базы.
Верхний предел по частоте у высокочастотных планарных транзисторов удается расширить путем создания эмиттера, состоящего из нескольких соединенных параллельно маленьких зон, и размещения в этой конструкции выводов эмиттера и базы относительно далеко от этих зон.
Подумай только, дорогой Незнайкин, что все это осуществляется на кусочках подложки, внешние размеры которых в некоторых случаях не превышают трети миллиметра! Такие сложные структуры в таком небольшом объеме… Есть от чего прийти в восхищение.
Интегральные микросхемы
Я полагаю, что теперь ты лучше поймешь значение термина микроэлектроника. Но на этом твои восхищения не закончатся.
Создав на крохотной пластинке кремния такой сложный ансамбль, как планарный транзистор, специалисты пошли дальше, сформировав на одном и том же кусочке полупроводника блок из двух взаимно дополняющих транзисторов (транзистор со структурой р-n-р и транзистор со структурой n-р-n); этот блок, как ты знаешь, используется в некоторых схемах усилителей низкой частоты. С такой же легкостью им удалось создать в одном кристалле кремния несколько диодов, а затем и других приборов: канальных транзисторов, стабилитронов и т. д.
И, что очень важно, эти различные элементы соединены между собой выводами, сделанными методом металлизации, который я тебе уже описал. Это означает, что таким образом создаются уже не отдельные элементы радиосхемы, а интегральные микросхемы — т. е. совокупность многих элементов, образующих одно или несколько функциональных устройств, конструктивно оформленных как один элемент. Такие схемы могут содержать и пассивные компоненты: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.
Резисторы. Эти элементы формируются в виде линий, где вводимые в полупроводник примеси дозируются таким образом, чтобы получить заданное сопротивление. Резисторы можно создать также путем нанесения между контактными площадками по поверхности диэлектрика (двуокиси кремния) тонкого слоя резистивного материала, удельное сопротивление которого, длина и сечение рассчитываются с целью получения заданного сопротивления. Для этого часто используют нихром; придавая резистивному слою самые разнообразные рисунки, можно увеличить длину резистора.
Конденсаторы. Процесс их изготовления более сложный. Для получения конденсаторов небольших емкостей делают просто диоды, включенные в обратном направлении; эти диоды не пропускают электрический ток, но обладают некоторой емкостью.
Можно также сделать и настоящие конденсаторы; для этого на полупроводник наносят тонкий слой двуокиси кремния, служащий диэлектриком, и покрывают его слоем металла, образующего вторую обкладку конденсатора. Но следует отметить, что все создаваемые в интегральных микросхемах конденсаторы имеют небольшую емкость.
Катушки индуктивности. Ограничения по величине, о которых я говорил тебе применительно к конденсаторам, еще сильнее проявляются при изготовлении индуктивностей. Можно, конечно, нанести на полупроводник проводящий слой в виде спирали, обладающий определенной индуктивностью. Так делают в схемах, предназначенных для использования на сверхвысоких частотах. Но в принципе в интегральных микросхемах избегают использования катушек индуктивности.
Запомни, Незнайкин, что обычно стремятся сделать так, чтобы интегральная микросхема состояла в основном из транзисторов и диодов. При некоторой изобретательности удается заставить эти устройства выполнять самые различные функции: усиление во всех диапазонах частот, генерирование колебаний различной формы и частоты, коммутацию (запирание или открывание цепи — поэтому такие схемы иногда называют «вентилями») и т. д.
Технология МС
Дорогой друг, ты несомненно догадался, что сокращение МС обозначает микросхема. Это название охватывает широкую гамму разнообразных устройств; в производстве которых используют уже рассмотренные нами технологические процессы: изоляцию, применение масок, фотолитографию, диффузию, металлизацию и т. д. Но если проанализированное нами в качестве примера производство планарного транзистора требует дюжины операций, то изготовление МС обычно требует значительно большего количества операций.
Интегральные микросхемы формируются одновременно десятками или сотнями на одной пластине-подложке, имеющей диаметр 3 см и толщину 0,25 мм.
