UVOD
Pod pojmom „elektronika“ obično se misli na granu nauke, tehnike i tehnologije koja proučava pojave povezane s transportom elektrona i drugih električki polariziranih česticakroz poluprovodnike, gasove i vakum, kao i korištenje tih pojava u sasvim praktične svrhe. Pri tome treba napomenuti da je područje elektronike veoma široko i da praktično nema ljudske djelatnosti u koju elektronika nije prodrla i znatno pridonijela njenom razvoju. Elektronika dominira područjima radiotehnike i telekomunikacija, automatike, mjerne tehnike i instrumentacije, računarske tehnike i obrade podataka, a sve više određuje tempo razvoja energetike, mašinstva, medicine, informatike, saobraćaja, ratne tehnike i naoružanja, te svih vrsta upravljanja i odlučivanja. Vodeću ulogu u modernoj elktonici iaju poluprovodnici, odnosno, slobodno možemo reći, silicijum. To je dominirajući poluprovodnički materijal koji se koristi od pojave planarne tehnologije i, kako procjene pokazuju, to mjesto će zadržati i u bliskoj budućnosti. 1959. godine u firmi Fairchild, u proizvodnji diskretnih elektroničkih komponenata pojavio se poseban tehnološki proces koji je nazvan planarni proces, odnosno planarna tehnologija. Planarni proces je proces kojim se formiraju monolitni integrirani sklopovi. Naziv planaran potiče od toga što taj proces rezultira u približno jednoj ravni (debljina komponente se može zanemariti u odnosu na dužinu i širinu). Planare – na latinskom jeziku, znači ravan. Planarna tehnologija se sastoji iz niza uzastopnih procesa, od kojih će biti opisane sljedeće:
a) priprema silicijumske pločice; b) epitaksijalni rast;
c) oksidacija; d) izrada fotomaski; e) fotolitografija f) difuzija
g) izrada električnih veza
1.1. PRIPREMA SILICIJUMSKE PLOČICE
Čisti silicijum za fabrikaciju poluprovodničkih elemenata i integrisanih kola (IK) dobija se hemijskim razlaganjem silana ili silicijum-tetrahlorida. Ovo razlaganje se vrši u
zatvorenom sistemu na silicijumskim štapovima kroz koje protiče struja, te ih zagrijava do temperature razlaganja silana. Na početku procesa, ovi štapovi su prečnika nekoliko milimetara. Taloženjem silicijuma, prečnik im poraste do nekoliko centimetara. Silicijum je još uvijek nedovoljne čistoće pa se vrši zonalno prečišćavanje, kao što je prikazano na slici 1.1.
Slika 1.1. Zonalno prečišćavanje silicijuma
1- ulaz zaštitnog gasa 2- gornja osovina 3- držač silicijuma 4- silicijumski štap
5- istopljena zona silicijuma 6- visokofrekventna zavojnica 7- kvarcna cijev
8- donji držač silicijuma 9- donja osovina
10- izlaz zaštitnog gasa
11- sijalica sa reflektorom za predgrijavanje
Zonalno prečiščavanje se vrši tako što se silicijumski štap topi u jednoj uskoj zoni po dužini. Ova zona se pomjera od jednog prema drugom kraju štapa. Uslijed toga što je koncentracija nečistoća veća u tečnoj nego u gasovitoj fazi, nečistoća se povlači ka kraju štapa. Ovo povlačenje tečne zone se vrši nekoliko puta, od početka prema kraju. Na taj način dio štapa, bliži početku, očisti se od nečistoća. Kraj štapa se odsječe, te ostaje samo dio sa velikom čistoćom. Ovakvim prečišćavanjem može da se dobije silicijum koji ima svega do % nečistoća. Si- pločica upotrebljena u integrisanom kolu treba da bude N ili P tipa, sa određenom koncentracijom primjesa. Pored toga, mora biti i monokristalna. To znači da raspored atoma u njoj mora imati određeni poredak. Da bi se dobio monokristal, vrši se takozvano izvlačenje kristala, kao što je prikazano na slici 1.2.
•
osobina nosača klice•
nosač klice•
klica•
suženi dio klice•
izvučeni monokristal•
visokofrekventna zavojnica•
istopljeni silicijum•
grafitni tigl•
osovina koja nosi tigl•
kvarcna cijev• ubacivanje primjesa
U tigl u kome se nalazi istopljeni Si, zaroni se dio monokristalnog silicijuma. Podešavanjem temperature istopljenog silicijuma malo iznad tačke topljenja, uslijed hlađenja na mjestu dodira sa monokrostalom, silicijum se taloži na početni monokristal (klicu). Obrtanjem i izvlačenjem, monokristal raste u obliku okrugle šipke, održavajući isti raspored atoma kao što je u klici. Priliom ovog izvlačenja dodaje se primjese u određenoj količini, kako bi se dobio monokristal sa primjesama željene koncentracije. Monokristal se u daljnjoj obradi siječe dijamantskom testerom na kriške, nešto deblje od potrebne debljine pločica. Poslije toga se kriške bruse da bi se skinuo sloj oštećen testerom, pa se potom poliraju da bi se otklonila i posljednja mehanička oštečenja i površina postala idealno ravna. Izvjesnim hemijskim čiščnjem ili nagrizanjem i pranjem u dejonizovanoj vodi, priprema pločica je završena.
1.2. EPITAKSIJALNI RAST
Naziv epitaksijalni rast potiče od dvije riječi: grčke – epi, što znači na, nad i latinske riječi asis, što znači osa, osovina. Ovaj proces je sličan dobijaju monokristala
izvlačenjem. I u ovom procesu se dobija monokristal. Razlika je u tome što e silicijum ne dobija iz tečne faze već iz gasne faze u kojoj se nalazi neko silicijumsko jedinjenje. Na slici 1.3 je prikazana šema reaktora u kome se vrši epitaksijalni rast.
Slika 1.3. Reaktor za epitaksijalni rast
1. kvarcna cijev 2. pločica silicijuma 3. grijno tijelo
4. Visokofrekventna zavojnica
Pločica, pripremljena po ranije opisanom postupku, postavi se na grijno tijelo napravljeno od grafita. Ovo tijelo se nalazi u unutrašnjosti zavojnice visokofrekventnog generatora. Proticanjem visokofrekventne struje kroz zavojnicu tijelo se zagrijava, a time i silicijumska pločica, od temperature na kojoj nastaje razlaganje gasnog silicijumskog jedinjenja. To jedinjenje je, naprimer (silicijumtetrahlorid), koji je pomiješan sa vodonikom . Reakcija je reverzibilna i teče prema jednačini
(1)
Znači dobija se silicijum i solna kiselina. U kom pravcu će reakcija teći, zavisi od temperature i odnosa masa koje učestvuju u reakciji. Reverzibilnost procesa može da se koristi za eventualno skidanje gornjeg sloja Si prije početka rasta. Na taj način se mogu ukloniti i posljednji ostaci mehaničkih oštećenja, propuštajuči predhodno HCl. Propuštanjem HCl i dovođenjem preovladava nagrizanje, te se atomi silicijuma slažu na pločicu zadržavajuči poredak. Brzina rasta monokristala je obično 1µm/min. Ovakvim rastom se može dobiti silicijum otpornosti do 100Ω/cm. Kog tipa će biti, zavisi od čistoće gasova, zagrijavanjem tijela i kvarca od kojeg je napravljen reaktor. Za upotrebu je obično potrebna niža otpornost i određeni tip. Da bi se to postiglo, silcijumtetrahloridu se dodaju jedinjenja određenih primjesa, kao što je borbromid za P – tip i fosfortrihlorid za N – tip silicijuma. Dobro izvršen epitaksijalni rast daje homogen sloj sa minimalnim defektom i površinom koja je ravna početna pločica. Epitaksijalni rast može da se vrši i selektivno na određenim mjestima. To su obično predhodno iskopane rupe u silicijumskoj pločici. Ako je na mjestu van rupa silicijum oksidisan, proces se može podesiti tako da se epitaksijalni rast vrši samo na mjestima čistog silicijuma, au rupama, i to je endotaksijalni rast. Endo – ( grčki endon) predmetak u složenicama sa značenjem unutra, kod kuće. Epitaksijalni rast može da se ostvari i na podozi od različitog materijala. Potrebno je samo da se konstanta rešetke materijala kojem se vrši epitaksijalni rast, bude ista kao i konstanta rešetke podloge. Tako silicijum može da raste na podlozi od safira.
1.3. OKSIDACIJA
Oksidacija silicijuma se vrši radi stvaranja oksidnog sloja na površini silicijuma. Ovaj sloj, koji čini silicijumdioksid ( ili varc, ima odlične i mehaničke i dielektrične osobine. Tokom proizvodnje služi kao maska prilikom difuzije primjesa, a na gotovim elementima ili integrisanim kolima kao površinska zaštita PN spojeva i kao izolacioni sloj iznad elemenata, kako bi se mogle izvesti veze među njima. Oksidacija silicijuma se obično vrši u peći za oksidaciju, koja je prikazana na slici 1.4.
Slika 1.4. Peć za oksidaciju silicijuma
• grijno tijelo sa otpornim grijačem • kvarcna cijev
• silicijumske pločice
• ulaz oksidanta ili pare sa nosećim gasom • izlaz gasa
U kvarcnoj cijevi na nosaču koji je također od kvarca, postave se silicijumske pločice tako da budu u sredini zone grijanja. Zagrijavanje je obično na višoj temperaturi otporno. Temperatura na kojoj se vrši oksidacija je od 900- 1200 °C. Oksidacija na višoj temperaturi teče brže. Zbog toga se viša temperatura koristi za deblje, a niža za tanje slojeve. Njčešće se radio o temperaturi oko 1100 °C. Kroz kvarcnu cijev protiče ili suh kiseonik ili neki neutralan gas sa vodenom parom.
Prema tome, hemijska reakcija za vrijme oksidacije je sljedeća •
•
Tako silicijum iz površinskog sloja prelazi reakcijom sa ili (vodenom parom) u . Na osnovu gustine i molekularne težine može se pokazatida je to za debljinu oksidnog sloja utrošen površinski sloj silicijuma debljine 0,45.U početku dok je oksidni sloj tanak, brzina kojom raste debljina oksida je ograničena samo brzinom reakcije između oksidanta i silicijuma. Kada sloj oksida naraste, brzinu ograničava difuzija oksidanta kroz oksid ka površini silicijuma. Debljina oksidanta je od nekoliko stotina A (1A= m) pa do
oko 2 µm. Tanak oksid se koristi kod MOS elemenata kao dielektrik ispod gejta. Za masku pri difuziji debljina je 0,5- 1,2µm. Debeo oksid od 2-3 µm pravi se pri proizvodnji MOS integrisanih kola, da bi se smanjili štetni kapaciteti.
1.4. IZRADA FOTOMASKI
Fotomaske za planarnu tehnologiju su, ustvari, fotonegativi koji se koriste za fotolitografsko dobijanje oksidnih maski na pločici silicijuma, ili za dobija nje metalnih maski za naparavanje u tankoslojnoj tehnici. U planarnoj tehnici se radi veliki broj elemenata ili integrisanih kola istovremeno na jednoj pločici silicijuma. Znači, na jednoj fotomaski treba da je elemenat, odnosno integrisano kolo- umnoženo. Fotomaske moraju biti vrlo precizno urađene. Ukoliko su elementi manjih dimenzija, potrebno je više maski koje se uzastopno koriste, utoliko preciznost mora biti veća.
1.5. FOTOLITOGRAFIJA
Fotolitografija je selektivno nagrizanje ili metala ili dielektrika. Dielektrik je obično silicijumdioksid a metal, napareni aluminijum. Kompletan fotopostupak je prikazan na slici 1.5.
Slika 1.5. Fotolitografski postupak
• nanošenje fotoresta na oksidni sloj
• djelovanje ultraljubičastog svjetla na fotot • područije a nepolimerizovanog fotorezista • odstranjivanje nepolimerizovanog fotorezista • odstranjivanje oksidnog sloja
• odstranjivanje polimerizovanog fotorezista
Na oksidisanu silicijumsku pločicu, ili na metalnu foliju, nanosi se tanak sloj (nekoliko mikrona, tj. mikrometara) emulzije osjetljive na svjetlost. Ova emulzija se naziva fotorezist. Fotorezist ima osobinu da se pod uti-cajem svjetlosti polimerizuje i postaje
otporan na kiseline sa kojima se nagriza Si, odnosno metali. Naneseni sloj fotorezista se osuši u sušnici ili pod djejstvom infracrvenih zraka.
Za vrijeme rada sa fotorezistom, prostorija može biti osvijetljena žutom svjetlošću na koju on nije osjetljiv. lznad fotorezista se postavi fotomaska i izvrši eksponiranje sa ultraljubičastim zracima, kao to se vrši kontaktno kopiranje fotografija. Na mjestima koja su bila osvijetljena, izvrši se polimerizacija (polimerizacija je stvaranje stabilnih hemijskih jedinjenja sastavljenih od više raz1ičitih elemenata). Razvijanjem se ukloni (rastvori) nepolimerizovan fotorezist sa mjesta koja nisu bila osvijetljena. U sušnici se polimerizacija izvrši do kraja, tako da se dobije vrlo čvrst i otporan sloj polimerizovanog fotorezista, čvrsto prileglog na podlogu. Podloga je na taj način zaštićena na svim mjestima osim na onim, gdje treba da se izvrši nagrizanje. Nagrizanje nezaštićenog dijela vrši se u pogodnoj kiselini. Za Si to je fluorovodonična kiselina. Na taj način su se u oksidnom sloju dobili otvori na svim mjestima na kojima je na fotomaski bilo tamno. Fotorezist se potorn nagriza u nekoj kiselini koja napada organsku materiju kao što je sumporna kiselina (), a ne napada podlogu. Ponekad, da bi se sigurno uklonio, vrši se zagrijavanje do 600 °C. Na taj način se razlaže i ispari.
1.6. DIFUZIJA
Difuzijom se dobijaju PN spojevi, te od nje zavise i osnovne karakteristike elemenata integrisanih kola. Da bi se dobili dobri, neusmjerački spojevi, neophodno je da poluprovodnik ima veliku koncentraciju primjesa. Difuzijski proces služi za kontrolirano unošenje primjesa tipa P ili N u silicijevu pločicu, kroz difuzijske prozore u oksidnom sloju. Ovaj proces se odvija na temperaturi od 900- 1300°C. Iako je difuzija u biti trodimenzionalni proces, u velikom broju primjena može se dovoljno tačno aproksimirati
jednodimenzionalnim modulom.
Difuzije se može vršiti na dva načina: • difuzija iz neograničenog izvora, • difuzija iz ograničenog izvora.
Difuzija iz ograničenog izvora podrazumijeva da se difuzija odvija uz konstantnu površinsku koncentraciju atoma primjesa tokom cijelog trajanja procesa. U silicijum, u ovom slučaju, se difundira više atoma primjesa što je trajanje pocesa duže i temperatura
difuzije je viša.
Tipični podaci su:
• temperatura difuzije : 900- 1300°C
• trajanje difuzije: od nekoliko desetaka minuta do nekoliko sati
Difuzija iz ograničenog izvora se vrši postupkom predepozicije, tj. unosi se tačno određena (konačna) količina atoma primjesa. Zatim se silicijumska počica zagrije do temperature na kojoj se obavlja proces difuzije, u uvjetima koji sprečavaju izlazak unesenih atoma iz silicijuma u okolni prostor. U opisanim uvjetima, atomi primjesa iz povšinskog sloja difundiraju u volumen silicijuma. Na slici 1.6. prikazana je uprošćena
shema peći za difuziju iz gasne faze. Ona se najčešće koristi.
Slika 1.6. Peć za difuziju
•
• kvarcna cijev
• grijno tijelo za zagrijavanje difundanata • ladica sa difundantom
• termospreg sa instrumentom • silicijumske pločice
• nosač silicijumskih pločica
• grijno tijelo za zagrijavanje silicijuma
• termospreg sa instrumentom za mjereje temperature
Difundat je u obliku pare koja se nalazi u nosećem gasu. Oko kvarcne cijevi (1) kroz koju protiče azot (), nalazi se spolja grijač (2), a u unutrašnjosti sud sa difundantom (3). Difundant je materijal koji daje primjesne atome za difuziju. Može bitičisti materijal (naprimjer, antimon), ili neko jedinjenje koje se na temperaturi difuzije raspada. Difundant se zagrijava do temperature isparenja koja se mjeri pomoću terposprega – 4. Azot koji se dovodi na ulaz cijevi, nosi sa sobom pare difundanta na silicijumske pločice – 5, koje su postavljene vertikalno na kvarcnom nosaču – 6. Oko cijevi, na mjestu gdje je silicijum, nalazi se griječ – 7 koji zagrijava silicijum do temperature na kojoj se vrši difuzija. Temperatura se mjeri termospregom – 8. Na površinu silicijuma, iz gasa se nanose atomi primjese, ali i isparavaju sa površine. Na određenoj temperaturi, u zavisnosti od vrste primjesa, uspostavlja se ravnoteža između pridošlih i isparenih atoma, gdje je tokom difuzije površinska koncentracija primjesa konstantna. Difuzija se obično vrši kroz oksidnu masku, odnosno kroz otvore na silicijumdioksidu. Treba voditi računa da se difuzija vrši i u silicijumu ispod oksida. Na slici 1.7. se vidi kako se primjese prodrle u slilicijum kroz otvor u oksiduod dubine , normlano na površinu, i dubine
Slika 1.7. Difuzija se vrši samo kroz otvore u oksidu
Obično za 15- 20% je manji od . Ukoliko u materijalu postoje mehanička naprezanja i ukoliko postoji veliki broj dislokacija, koeficijent difuzije se povećava pa je brzina difuzije , odnosno dubina difuzije, u tim slučajevima veća. Povećavanjem koncentracije primjesa, u kristalnoj rešetci poluprovodnika nastaju naprezanja. Tako, kada se pravi NPN tranzistor i vrši difuzija fosfora vrlo velike koncentracije za emiter, koeficijent difuzije je veoma velik, pa je koncentracija primjesa u blizini površine skoro konstantna. Pored toga, za vrijeme difuzije fosfora za emiter produžava se difuzija bora u bazi. Kako je koncentracija fosfora u emiteru vrlo velika (), na tom mjestu nastaju naprezanja. Usljed ovih naprezanja se koeficinet difuzije bora, te bor brže difunduje. Na slici 1.8. vidi se kako je bor ispod emitera difundovao do veće debljine nego vanpodručja emitera. Prema tome, umjesto da debljina baze budje . Ovo je jedan od što se ne može napraviti tranzistor sa vrlo uskom bazom (tj. ovo je tehnološko graničenje za graničnu fekvenciu tranzistora).
Slika 1.8. Drugom difuzijom (emiter) dubinaprve difuzije (baza) se povećava
1.7. JONSKA IMPLATACIJA
Pored opisanih planarnih postupaka upotrebljavaju se i mnogi drugi, kao dopuna planarnih procesa, radi poboljšanja osobina mikroelektronskih kola, posebno u VLSI tehnologiji. Jedan od njih je jeonska implatntacija. To je postupak kontrolisanog unošenja primjesa u poluprovodničku pločicu i predstavlja altrernativu difiuziji, a ponekad se koristi u kombinaciji sa difuzijom. U jonskoj izvoru stvaraju se jonizovani akceptorski ili donorski atomi, ubrzavaju se i fokusiraju, i pod dejstvom jakog elektroničkog polja udaraju u poluprovodničku pločicu. Joni prodiru kroz površinu poluprovodnika, sudaraju se sa atomima u kristalnoj rešetci, uslijed čega poctepeno gube energiju dok se potpuno ne umire na nekoj dubini unutar poluprovodničke pločice. Kao posljedica toga najveća koncentracija implantiranih primjesa nije nepocredno na površini, kao kod difuzije, nego dublje u podlozi što je prikazano na 1.9 slici.
Slika. 1.9. Jonska implantacija
Dubina prodiranja jona u poluprovodnik, odnosno udalenost formiranog PN spoja od površine pločice, povećava se sa energijom jona i i zavisi još od mase jona. Sa energijama implatacije od 1 kV do 1 MV dobijaju se dubine prodiranja od 0,01 do 10 µm. Koncentracija implantiranih jona određena je gustinom struje snopa jona i trajanjem implatacije. Pošto se na svom putu kroz podlogu joni sudaraju sa atomima kristalne rešetke i predaju im energiju, pri jonskoj implataciji dolazi do deformiranja kristalne rešetke. Da bi se deformisanje
otklonilo, neophodno je poslije jonske implatacije izvršiti zagrijavanje pločice do 600ºC. Jonska implantacija ce odvija u vakuumu, na sobnoj temepraturi u vrlo složenomim i skučnenim uređajima. Upravo je to razlog nedostatka jonske impantacije u poređenju sa difuzijom. Još jedan nedostatak jonske implantacije je što se pri ovom postupku formia zaštitni sloj silicijum-dioksida na površini podloge. S druge s trane, u odnosu na difuziju jonska implantacija ima niz prednosti. Moguća je precizna kontrola unesenih jona primjesa pomoću uređaja za brojanje naelektrisanih čestica. Također je moguća precizna geometrija dopiranih clojeva, jer kod jonske implantacije skoro da nema lateralnih (bočnih) širenjaprimjesa iznad maske. To omogućava i povećanje gustih pakovanja komponenata. Veliku prednost u odnosu na difuziju predstavlja i mogućnost dobijanja vrlo plitkih PN spojeva, kao i formiranje različitog dopiraranih slojeva proizvoljnim rasporedom. Izvođenje jonske implantacije pri niskim, sobnim tepmeraturama takođe je prednost u odnosu na visokotemperaturne procese difuzije.
1.8. IZRADA ELEKTRIČNIH VEZA
Postupkom metalizacije realizuju se kontakti s pojedinim područijima komponenata monolitnog sklopa, a i veze među kontaktnim mjestima preko sloja kojim je zaštićena silicijeva površina. Kod unipolarnih MOS sklopoca metalizacijom se for miraju još i kontrolne ili upravljačke elektrode MOS tranzistora, te metalne elektrode MOS kondenzatora. Kao materijal kojim se provodi metalizacija uzima se aluminijum jer on bolje od svih ostalih metala ispunjavavećinu zahtjeva koji se pred metalizaciju postavljaju. Metalizacija treba da ispuni sljedeće zahtjeve:
• formiranje neispravljačkih kontakata sa silicijem, • nizak iznos specifičnog otpora,
• dobro prijanjanje na sloj silicij dioksida , • dobro odvođenje toplote.
Tanki metalni film nanosi se na površinu monolitnog integriranog sklopa, na različite načine. Jedan od uobičajenih jeste vakumskonaparavanje. U ujetima visokog vakuma isparava se metal koji se zatim naparuje na površini silicijumske pločice s difundiranim monolitnim sklopovima. Metal se zagrije do temperature isparavanja ili grijanjem pomoću žarene niti od volframa ili grijanjem elektronskim mlazom.
Prilikom naparavanja, tanki metalni film tipične debljine od 0,5 do 2 µm nanosi se preko cijele površine pločice. Fotolitografskim postupkom odstanjuje se metalni film s onih dijelova pločice gdje metalizacija nije previđena električnom shemom sklopa. od formmiranja kontakata sa silicijem p- tipa doći će do pojave neispravljačkog kontakta između aluminijuma i silicijuma. Međutim, pri stvaranju kontakta sa silicijem n-tipa, u određenim slučajevima moguća je pojava ispravljačko kontakta
jer pri procesu legiranja nastaje prijelazatoma aluminijuma u silicijum. Priroda legiranja je takva da pri koncentraciji donora na povšini silicija atoma/dolazi do nadkompozicije donorskih atoma u silicijumu aluminijevim akceptorskim atomima koji prodiru u silicij, čime se
formira ispravljački PN kontakt.
pojava neželjenog ispravljačkog kontakta izbjegava se ako se prije nanošenja metalnog sloja u silicij n- tipa izvši prethodna difuzija sa povšinskom koncentracijom donora atoma/. Naravno, to je potrebno
ukoliko već nije ispunjen spomenuti uvjet.
Na slici 1.10. predstavljen je shematski prikaz planarnog procesa. Slika 1.10. Planarsni proces
• monokristalna silicijeva podloga • nanošenje epitaksijalnog sloja • nanošenje oksidnog slola
• otvor za difuziju u oksidnom sloju • diguzija primjesa i formiranja pn spoja • nanošenje metalnog kontakta
Dosad spomenuti i opisani postupci su temelj planarne tehnike. Međutim, ima još mnoštvo postupaka koji se upotrebljavaju u planarnoj tehnici kao korisna dopuna. Neki od njih bit će, koliko je to neophodno za razumijevanje rada elektroničkih sklopova, opisani tamo gdje njihova primjena to zahtjeva. Ovdje će biti još dodatno opisan postupak jonske implatacije, kao dopuna procesu difuzije u pojedinim fazama
proizvodnje monolitnih integrisanih sklopova.
pod jonskom implatacijom podrazumijeva se kontrolisano unošenje atoma primjesa p ili n u poluprovodnik pod djelovanjem jakog električnog polja. Jonski izvor daje određen broj jonizovanih donorskih ili akceptorskih atoma koji se metodama elektronske balistike i otoprilike ubrzavaju, fokusiraju (usmjeravaju-izoštravaju) u separiraju (izdvajaju) od ostalih, neželjenih jona prije nego što oni udare na metu, odnosno poluprovodničku pločicu. Koncentracija implantiranih atoma određena je gustoćom struje snopa i tajanjem implatacije. Dubina prodiranja jona u poluprovodnik, atime i uodaljenost pn- spoja od povšine pločice, raste s naponom ubrzanja jona. Danas se obično postižu dubine pn-spojeva do 1 µm uz napone ubrzanja od 10 do 300 kV. Veći naponi se izbjegavaju. Jonska
mimplatacija se sprovodi u vakumu i pri sobnoj temperaturi, nakon čega se pločica zagrijava do temperature od nekoliko stotina °C, radi uklanjanja defektra kristalne rešetke
izazvanih prodiranjem jona u poluprovodnik.
U ovom postupku obično se upotrebljavaju snopovi jona promjera reda veličine od 1 cm, uz struju snopa od 1 µA do 2A. U silicijum se obično unosi od do atoma primjesa po . Mogućnost dobijanja vrlo plitkih pn- spojeva, a i niska temperatura pri kojoj se obavlja implatacija, glavne su prednosti ovog postupka i to je razlog njegove sve veće primjene u proizvodnji savremenih monolitnih integrisanih sklopova.
1.9. SPOJNA OTPORNOST
Jedan od parametara koji se mnogo koristi za određivanje karakteristika planarnih procesa u projektovanju integrisanih kola, jeste spojna otpornost. Uproštena definicija spojne otpornosti data je na primjeru poluprovodnika sa konstantom koncetracijom primjesa. Posmatra se uzorak poluprovodničkog materijala u obliku paralelopipeda sa konstantom konstantom koncentracijom primjesa N (slika 1.11) planarne dimenzije uzorka su jednake i iznose L, a debljina uzorka je vrlo mala u odnosu na L i iznosi xj .
Slika 1.11. a) uzorak sa konstantnom koncentracijom primjesa N; b) uzorak sa promjenljivom konstantom primjesa N(x)
Otpornost uzorka struji I data je poznatom relacijom: Relacija 1.1. ,
Gdje je specifična otpornost materijala, l je dužina uzorka i s poluprečni presjek uzorka. Ako se relacija 1.1 primjeni na uzorak sa slike 1.11. a) dobija se:
Izraz 1.1. ,
Gdje je specifična provodnost materijala predstavljena preko pokretljivosti bećinskih nosilaca naelektrisanja, koncentracije primjesa N i naelektrisanja q. Veličina data izrazom 1.1. naziva se spojna otpornost (sheet resistance). Uprošteno, spojna otpornost predstavlja otpornost vrlo tankog spoja debljine napravljenog od materijala cpecifične otpornosti određena je relacijom 1.2. :
Relacija 1.2. .
Ponekad se specifična otpornost materijala izražava pomoću spojne otpornosti: Relacija 1.3. .
Pocmatrajmo uzorak materijala kao na slici 1.11. b) kod koga koncentracija primjesa nije konstantna već se mijenja sa promjenom dubine po nekom složenom zakonu N(x). U
ovom slučaju spojna otpornost definisana je sljedećim matematičkim izrazom: Izraz 1.2. .
Prema relalaciji 1.1. spoja otpornost ima dimenziju otpornosti i jedicu om (Ω). Međutim, da bi se izbjegle konfuzije između otpornosti i spojne otpornosti, spojna otpornost se iuražava u omima po kvadratu. Treba istaći da spojna otpornost ne zavisi od dimenzija posmatranog kvadrata. Spojna otpornost materijala ista je za kvadrat ctranice 1 µm, kao i za kvadrat stranice 10 µm. Spojna otpornost se često koristi za proračun vrsta otpora u integrisanim kolima. Posmatra se tanak sloj provodljivog materijala, debljine , spojne otpornosti R, dužine L i širine W (slika 1.11. a)). Njegova spojna otpornost data je izrazom:
Izraz 1.3. .
Sa slike 1.12. i iz izraza 1.3. jasno je da se otpornost R može određivati brojanjem
kvadrata stranice W koji se mogu smjestiti u oblast otpora.
Slika 1.12. – uz proračun spojne otpornosti
1.10. MJERENJE SPOJNE OTPORNOSTI METODOM
ČETIRI TAČKE
Jedna od najjednostavnijih metoda za mjerenje spojne otpornosti jeste metoda četiri šiljka. Principijelna aparatura za ovu metodu prikazana je na slici 1.13.. Glavni dio aparata se sastoji od četiri elastična šiljka obično od volframa koji su postavljeni na napon na istom rastojanju. Preko spoljašnjih šiljaka 1 i 4, kroz uzorak se propušta koncentrirana struja I iz izvora koncentrirane struje.
Slika 1.13. Princip mjerenja spojne otpornosti metodom četiri šiljka
Ova struja stvara u uzorku pad napona U koji se mjeri između unutrašnjih šiljaka 2 i 3. Ako je uzorak velikih dimenzija, mnogo veći od rastojanja između šiljaka 1, matematičkom analizom može se pokazati da je specifična otpornost data izrazom:
Izraz 1.4. , odnosno spojna otpornost izrazom:
gdje veličina konstante C uglavnom zavisi od dimenzija uzoraka.
Zaključak:
Literatura:
Elektronika za IV razred elektrotehničke škole (Aida Stanić-Kurtović), Svjetlost, Sarajevo, 2001.
Mikroelektronika za treći razred elektrotehničke škole (Olga Ćurićić Ćukić), zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd, 1997.
