Изоляция элементов и технологические процессы производства биполярных ИМС

Для нормальной работы ИМС необходимо, чтобы элементы или группы элементов были размещены в электрически изолированных друг от друга областях. Эти области должны иметь следующие электрические и физические свойства: напряжение пробоя изоляции более высокое, чем напряжение питания ИМС; малую паразитную емкость, небольшие токи утечки, высокую теплопроводность, близость коэффициента термического расширения (КТР) изолирующей области к КТР кремния, большую радиационную стойкость, малую площадь, отводимую под изоляцию.

Изоляция двух интегральных транзисторов с помощью р-п-перехода представлена на схеме рисунка 1.

Рис.1 Изоляция двух интегральных транзисторов с помощью р-п-перехода

Изоляция с помощью p-n-переходов. В теме 3 были приведены данные о конструктивно-технологическом исполнении и некоторых характеристиках элементов ИМС на биполярных транзисторах, выполненных способом изоляции элементов с помощью обратно смещенных р-п-переходов (диодная изоляция).

Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства биполярных полупроводниковых ИМС с изоляцией элементов р-п-переходами представлена на схеме рисунка 2.

Рис.2 Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства биполярных полупроводниковых ИМС с изоляцией элементов р-п-переходами

Рассмотрим рис.2 и опишем к нему объяснения:

1 – механическая – обработка поверхности рабочей стороны Si пластины р-типа до 14-го класса чистоты и травление в парах НСl для удаления нарушенного слоя;

2 – окисление создания защитной маски при диффузии примеси n-типа;

3 – фотолитография для вскрытия окон в окисле и проведения локальной диффузии в местах формирования скрытых слоев;

4 – диффузия для создания скрытого n+-слоя;

5 – снятие окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитаксиального наращивания;

6 – формирование эпитаксиальной структуры;

7 – окисление поверхности эпитаксиального слоя и создания защитной маски при разделительной диффузии;

8 – фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию;

9 – проведение разделительной диффузии и создание изолированных карманов;

10 – окисление;

11– фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию;

12 – формирование базового слоя диффузией примеси р-типа;

13 – окисление;

14 – фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию;

15 – формирование эмиттерного слоя диффузией примеси р-типа;

16 – фотолитография для вскрытия контактных окон;

17 – напыление пленки алюминия;

18 – фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика.

Для формирования любого элемента полупроводниковой ИМС и создания ее конструкции обычно достаточно трех р-п-переходов и четырех слоев двух типов электропроводности. Изоляция обеспечивается p-n-переходом между подложкой и коллекторными областями элементов ИМС (рис.1). При подаче отрицательного потенциала на подложку изолирующий переход смещается в обратном направлении и карманы n-типа, в которых размещены элементы ИМС, оказываются окруженными со всех сторон областью р-типа и изолированными друг от друга обратно смещенными р-п-перходами, сопротивление которых по постоянному току велико. Характеристики изоляции могут ухудшаться за счет паразитных емкостей и токов утечки, особенно при работе на высоких частотах и в тяжелых эксплуатационных условиях (повышенные температуры). Несмотря на это, метод диодной изоляции является распространенным.

Рис.3 Последовательность операций технологического процесса производства биполярных полупроводниковых ИМС с диэлектрической изоляцией элементов

Рассмотрим рис.3 и опишем к нему объяснения:

1 – структура со скрытым диффузионным слоем на подложке n-типа после операций механической обработки, химического полирования, окисления, фотолитографии, локальной диффузии примеси n-типа;

2 – фотолитография для вскрытия окон в окисле перед операцией локального травления кремния;

3 – травление кремния;

4 – снятие окисла;

5 – нанесение окисла, нитрида или карбида кремния;

6 – осаждение из парогазовой фазы слоя высокоомного поликристаллического кремния толщиной ~ 200 мкм;

7 – сошлифовывание монокристаллического кремния до получения изолированных диэлектриком карманов и получение рабочей поверхности высокого класса чистоты;

8 – окисление рабочей поверхности;

9 – фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию;

10 – формирование базового слоя;

11 – фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию;

12 – формирование эмиттерного слоя;

13 – фотолитография для вскрытия контактных окон;

14 – напыление пленки алюминия;

15 – фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика

Сокращенный маршрут изготовления ИМС с изоляцией элементов обратно смещенными р-п-переходами методом планарно-эпитаксиальной технологии представлен на рис.2. Из рисунка видно, что операция изоляции элементов осуществляется групповым методом, органически сочетается с технологией изготовления ИМС в целом и реализуется проведением разделительной (изолирующей) диффузии на всю глубину эпитаксиального слоя.

Рассмотренная технология позволяет получать необходимую степень легирования коллектора и подложки независимо друг от друга. При выборе высокоомной подложки и не очень высокоомного эпитаксиального слоя (коллектора) можно обеспечить оптимальные емкости перехода коллектор – база и его напряжение пробоя. Наличие эпитаксиального слоя позволяет точно регулировать толщину и сопротивление коллектора, которое, однако, остается достаточно высоким (70–100 Ом). Снижение сопротивления коллектора достигается созданием скрытого п+-слоя путем диффузии в р-подложку примеси n-типа перед наращиванием эпитаксиального слоя.

Изоляция диэлектриком. Диэлектрическая изоляция позволяет создавать ИМС с улучшенными характеристиками по сравнению со схемами, в которых применяется диодная изоляция, а именно: существенно увеличить напряжение пробоя изолирующей области, значительно (примерно на шесть порядков) уменьшить токи утечки, уменьшить (примерно на два порядка) паразитные емкости и в результате увеличить рабочую частоту аналоговых и быстродействие цифровых ИМС, повысить их радиационную стойкость. Один из технологических маршрутов формирования ИМС с диэлектрической изоляцией элементов представлен на рис.3.

Изоляция обеспечивается слоем окисла, нитрида или карбида кремния (Si) либо их сочетаниями (позиция 5 и последующие). Поликристаллический кремний, удельное сопротивление которого составляет менее 0,01 Ом·см, выполняет роль механического основания ИМС. Основные трудности реализации этого способа заключаются в проведении прецизионного шлифования с исключительно малыми отклонениями толщины сошлифованного слоя и высокой дефектности монокристаллических карманов после механической обработки их рабочей поверхности. Поликристаллический кремний можно заменить диэлектриком, например ситаллом, керамикой (керамическая изоляция), но ввиду несогласованности КТР кремния и керамики этот вариант не обеспечивает требуемой плоскостности пластин после процессов термической обработки и отличается низким выходом годных изделий. В ИМС с диэлектрической изоляцией затруднен теплоотвод от полупроводниковых областей; кроме того, площадь, занимаемая элементами ИМС, сравнительно большая, т. е. степень интеграции ИМС невысока.

Комбинированная изоляция. Комбинированная изоляция элементов ИМС является компромиссным вариантом, сочетающим технологичность изоляции р-п-переходом и высокие качества изоляции диэлектриком. Количество способов этой изоляции очень велико. Здесь элементы ИМС со стороны подложки изолированы обратно смещенным р-п-переходом, а с боковых сторон – диэлектриком (окислом, стеклом, керамикой).

Таким образом, изоляция p-n-переходом заменяется изоляцией диэлектриком в наиболее уязвимом приповерхностном слое и с боковых сторон. Наибольшее распространение на сегодняшний день получили такие способы комбинированной изоляции, как локальное окисление (изопланарная технология) и вертикальное анизотропное травление (полипланарная технология).

В основе этих технологий лежит локальное сквозное окисление или протравливание тонкого (2–3 мкм) эпитаксиального слоя кремния n-типа, в результате чего этот слой оказывается разделенным на островки, в которых можно формировать элементы ИМС.

Технологический процесс «Изопланар II» позволяет уменьшить занимаемую транзистором ИМС площадь на 70% по сравнению с планарно-эпитаксиальной технологией и на 40% по сравнению с процессом «Изопланар I». Особенности конструкции транзистора, сформированного по технологии «Изопланар I», заключаются в следующем: вывод коллектора отделен от базы эмиттера слоем изолирующего толстого окисла и помещен в отдельную область; уменьшение числа фотошаблонов, так как базовую диффузию можно проводить по всей поверхности полупроводниковой структуры, не формируя базовых окон.

Основным методом изоляции элементов современных биполярных микросхем является метод комбинированной изоляции , сочетающий изоляцию диэлектриком (диоксидом кремния ) и n-р переходом, смещенным в обратном направлении. Существует большое число конструктивно – технологических разновидностей биполярных микросхем с комбинированной изоляцией . Широкое распространение получили микросхемы; создаваемые по изопланарной технологии.

В этом случае отдельные элементы отделены друг от друга областями диоксида кремния, образующего карманы, в каждом из которых размещена структура n+-n типа, изолированная снизу n+-р переходом (рис. 19.6).

Интегра́льная (микро)схе́ма (ИС, ИМС, м/сх, англ. Integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочи́п (англ. microchip, silicon chip, chip) — тонкая пластинка, отколотая, отсечённая от чего-либо — первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус.

67) Внутрисхемная изоляция элементов ИМС в кристалле. Комбинированные методы изоляции. Изоляция диэлектрика. Кремний на сапфире.

Для нормальной работы ИМС необходимо, чтобы элементы или группы элементов были размещены в электрически изолированных друг от друга областях. Изоляция диэлектриком. Диэлектрическая изоляция позволяет создавать ИМС с улучшенными характеристиками по сравнению со схемами, в которых применяется диодная изоляция, а именно: существенно увеличить напряжение пробоя изолирующей области, значительно (примерно на шесть порядков) уменьшить токи утечки, уменьшить (примерно на два порядка) паразитные емкости и в результате увеличить рабочую частоту аналоговых и быстродействие цифровых ИМС, повысить их радиационную стойкость. Один из технологических маршрутов формирования ИМС с диэлектрической изоляцией элементов представлен на рис.3. Изоляция обеспечивается слоем окисла, нитрида или карбида кремния (Si) либо их сочетаниями (позиция 5 и последующие)

2 – фотолитография для вскрытия окон в окисле перед операцией локального травления кремния;

3 – травление кремния;

4 – снятие окисла;

5 – нанесение окисла, нитрида или карбида кремния;

6 – осаждение из парогазовой фазы слоя высокоомного поликристаллического кремния толщиной ~ 200 мкм;

8 – окисление рабочей поверхности;

9 – фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию;

10 – формирование базового слоя;

11 – фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию;

12 – формирование эмиттерного слоя;

13 – фотолитография для вскрытия контактных окон;

14 – напыление пленки алюминия;

15 – фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика

Кремний на изоляторе (КНИ) (англ. Silicon on insulator, SOI) — технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трёхслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевых пластин. Данная технология позволяет добиться существенного повышения быстродействия микроэлектронных схем при одновременном снижении потребляемой мощности и габаритных размеров.

Конструктивное исполнение:

Схемы МОП-транзисторов, выполненных по технологиям:
а) Классической
б) КНИ

Подложка, выполненная по технологии кремний на изоляторе, представляет собой трёхслойный пакет, который состоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика и размещённого на нём тонкого поверхностного слоя кремния. В качестве диэлектрика может выступать диоксид кремния SiO₂ или, гораздо реже, сапфир (в этом случае технология называется «кремний на сапфире» или КНС). Дальнейшее производство полупроводниковых приборов с использованием полученной подложки по своей сути практически ничем не отличается от классической технологии, где в качестве подложки используется монолитная кремниевая пластина.

В первую очередь технология КНИ находит применение в цифровых интегральных схемах (в частности, в микропроцессорах), большая часть которых в настоящее время выполняется с использованием КМОП (комплементарной логики на МОП-транзисторах). При построении схемы по данной технологии большая часть потребляемой мощности затрачивается на заряд паразитной ёмкости изолирующего перехода в момент переключения транзистора из одного состояния в другое, а время, за которое происходит этот заряд, определяет общее быстродействие схемы. Основное преимущество технологии КНИ состоит в том, что за счёт тонкости поверхностного слоя и изоляции транзистора от кремниевого основания удаётся многократно снизить паразитную ёмкость, а значит и снизить время её зарядки вкупе с потребляемой мощностью.

Технология изготовления:

В настоящее время наиболее распространены КНИ-подложки, где в качестве изолятора выступает диоксид кремния. Такие подложки могут быть получены различными способами, основные из которых: ионное внедрение, сращивание пластин, управляемый скол и эпитаксия^[4].