Tranzistor bipolar - fabricare (tranzistorilor MOS)

Procedeul de fabricare a unui tranzistor bipolar :

Realizarea unui tranzistor bipolar necesita un numar mai mare de etape fata de cazul unei diode intrucat se cer realizate trei zone : de emitor, de baza si de colector, dar mai ales din necesitatea de a obtine parametrii electrici ceruti la nivelul microstructurii. Dintre cerintele impuse unui tranzistor de calitate amintim :

- rezistenta de colector sa fie cat mai mica posibil; se cere deci a fi realizata o zona de colector puternic dopata si o cale de acces la colector de rezistenta cat mai mica;

- capabilitatea in tensiune a jonctiunii colector-baza sa fie suficient de mare; se cere deci realizarea unei zone de baza cu dopaj slab, de grosime suficient de mare;

- rezistenta de baza sa fie cat mai mica pentru a nu limita raspunsul in frecventa

- diversii tranzistori de pe acelasi substrat se cer izolati unul fata de altul; separarea lor se face prin zone de oxid de siliciu localizat (LOCOS);

- emitorul trebuie sa fie foarte puternic dopat;

- gradul de dopare al bazei intrinseci sa fie perfect controlat; impreuna cu dopajul emitorului, acesta determina castigul tranzistorului.

Procedeul de fabricatie ce se prezinta in continuare tine cont de toate aceste cerinte; stfel se explica prezenta in structura a unui colector ingropat foarte puternic dopat, a unei zone de baza realizata prin epitaxie si mai slab dopata de cat baza intrinseca .

Principalele etape de fabricatie sunt urmatoarele :

- curatarea substratului;

- realizarea stratului N+ reprezentand colectorul ingropat ; aceasta presupune : oxidarea, fotolitografia, implantarea de dopant N, recoacerea dupa implantare, gravarea oxidului;

- realizarea prin crestere epitaxiala a zonei de baza cu dopaj slab;

- realizarea LOCOS-urilor (se foloseste un strat de nitrura ca bariera de difuzie);

- realizarea bazei intrinseci prin implantare ionica (oxidare, fotolitografie, implantare de Bor, gravarea oxidului, recoacere dupa implantare);

- realizarea putului de acces la colector si a emitorului, prin implantare ionica;

- oxidarea de izolare;

- realizarea deschiderilor pentru contacte, prin fotolitografie;

- depunerea de Aluminiu,

- fotolitografia Aluminiului.

In aceasta enumerare nu au fost detaliate toate etapele. Enumerarea lor exclustiva, chiar pentru acest procedeu considerat ca invechit, ar cere enuntarea a aprope 200 de etape elementare. Procedeele tehnologice mai recente ating usor intre 400 si 500 de etape elementare. Se explica astfel de ce durata de fabricatie a unui circuit integrat actual este de 2 ..3 luni, in functie de gradul de complexitate.

Procedeu de fabricare a tranzistorilor bipolari cu grad mare de integrare :

Procedeul prezentat anterior nu permite realizarea de structuri submicronice. Evolutia tehnologiilor ce folosesc autoalinierea pentru realizarea emiterului si a bazei extrinseci prin folosirea straturilor de siliciu policristalin, a permis atingerea dimensiunii de emitor de 0,5 microni. Figura de mai jos prezinta schematic sectiunea printr-o structura de acest fel.

Figura 72 : Structura bipolara integrata dublu-poli (polisiliciu n si polisiliciu p )

Stratul de siliciu policristalin dopat p+ serveste ca sursa de dopant pentru baza extrinseca. Acest strat, foto-gravat si apoi oxidat, face posibila realizarea de distantori care vor permite autoalinierea emitorului. Acesta din urma e realizat prin difuzie cu dopant provenind din stratul de siliciu policristalin dopat n+. In aceste conditii suprafata emitorului poate fi redusa la o fractiune de 2mm.

Procedeu de fabricare a tranzistorilor MOS :

Inainte de a detalia procesul de fabricare a tranzistorilor MOS, poate fi util a se reaminti ca exista patru tipuri principale de astfel de tranzistori. Principiile constructive, simbolurile si caracteristicile electrice de iesire si de transfer ale acestora sunt prezentate in continuare. Este vorba despre tranzistorii NMOS cu imbogatire si cu saracire, care sunt respectiv normal-blocati sau normal-conductori

Figura 75 : Reprezentarea schematica a unui tranzistor NMOS cu imbogatire (sau normal-blocat). Tensiunea de prag e pozitiva.

Figura 76 : Reprezentarea schematica a unui tranzistor NMOS cu saracire (sau normal-conductor). Tensiunea de prag e negativa.

Figure 77 : Reprezentarea schematica a unui tranzistor PMOS cu imbogatire. Tensiunea de prag e negativa.

Figure 78 : Reprezentarea schematica a unui tranzistor PMOS cu saracire (sau normal-conductor). Tensiunea de prag e pozitiva.

IX) Procedeu de fabricatie al unui tranzistor MOS cu canal N :

In acest caz este vorba despre realizarea mai multor tranzistori pe un substrat comun. Vom urmari pentru inceput un procedeu simplificat de realizare a tranzistorilor MOS cu canal N, cu imbogatire. Aceasta presupune realizarea intr-un substrat de tip p, care va reprezenta zona de canal, a celor doua zone puternic dopate de tip n, reprezentand sursa si drena. Oxidul de grila de deasupra zonei de canal va trebui sa aiba foarte bune calitati electrice. In finalul procedeului de fabricatie se vor realiza zonele de contact pentru grila, sursa si drena.

Succesiunea principalelor etape tehnologice este urmatoarea :

- curatarea substratului,

- oxidare groasa de mascare, pentru doparea sursei si drenei,

- fotolitogrfie pentru realizarea deschiderilor sursei si drenei,

- dopare cu fosfor (prin difuzie sau implantare ionica),

- fotolitografie pentru realizarea deschiderii zonei de canal,

- oxidare fina (realizarea oxidului de grila),

- ajustarea tensiunii de prag, prin implantare ionica de bor,

- fotolitografie pentru deschiderile contactelor de sursa si drena,

- depunere de aluminiu,

-fotolitogravarea aluminiului,

recoacere finala, in forming-gaz (amestec de azot si hidrogen 10%), pentru imbunatatirea calitatii contactelor.

Acest procedeu foarte simplu permite realizarea de tranzistori MOS; el corespunde primelor procedee MOS aplicate in practica industriala la inceputul anilor 70. Se remarca existenta diferitelor etape de mascare necesitand alinierea mastilor. Pentru a reduce dimensiunile tranzistorilor a fost necesar sa se gaseasca metode ce permit pozitionarea automata a sursei si drenei in raport cu grila.

XI) Tranzistor MOS de putere :

Tehnologiile de realizare a acestor componente dateaza de aproximativ 15 ani. Pentru a suporta tensiuni mari, trebuie ca distanta dintre zona de canal si drena sa fie suficient de mare pentru a permite zonei de sarcina spatiala sa se intinda, pentru a evita fenomenul de avalansa (prin multiplicarea purtatorilor de sarcina prin ionizare prin impact).

Zona de sarcina spatiala poate fi extinsa fie lateral, ca in cazul tranzistorilor DMOS avand contactul de drena mult decalat, fie vertical. In acest ultim caz, se realizeaza un sant in forma de V, folosind tehnicile de gravare anizotropa a siliciului. Daca substratul are orientarea cristalina <100>, fetele structurii de forma V vor avea orientarea cristalina <111>. Viteza de gravare mai mare dupa planul cristalografic <100> de cat dupa planul <111> face posibila realizarea santului in forma de V. Se obtine astfel un tranzistor de putere VMOS. In ambele variante, DMOS si VMOS, zonele n de mari dimensiuni sunt capabile sa suporte tensiuni considerabile. Trebuie notat insa ca, desi se pun in paralel un numar mare de canale, curentul dispozitivului este relativ mic in comparatie cu cel al structurilor bipolare de putere sau al tiristorilor.

Figura 79 : Reprezentarea schematica a unui tranzistor MOS de putere de tip DMOS. Zona n slab dopata situata intre drena si canal permite extinderea pe o lungime mare a sarcinii spatiale, marind astfel capabilitatea in tensiune a dispozitivului.

Figura 80 : Reprezentarez schematica a unui tranzistor MOS de putere de tipul VMOS. Structura V se obtine exploatand diferenta intre vitezele de gravare a siliciului dupa planuri cristalografice diferite. Capabilitatea mare in tensiune a dispozitivului este obtinuta gratie zonei n slab dopata si foarte groasa (aceasta zona se intinde in fapt pe toata grosimea substratului).