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).

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).

 

 

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)

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

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

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.

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].