Типы структур ИМС

Рассмотрим структуры биполярных ИМС.

Диффузионно-планарная структура. Функции изоляции элементов в ней выполняют p-n переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные в обратном направлении. В качестве подложки используется пластина монокристаллического кремния, равномерно легированного акцепторной примесью. После окисления пластины методом фотолитографии в двуокиси кремния избирательно вытравливают участки прямоугольной формы, через образовавшиеся окна проводят диффузию атомов донорной примеси – рис. 3.6.

Процесс диффузии совмещают с термичесикм окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплошной слой окисла. Так одновременно создаются коллекторные области всех транзисторов и изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов групповой пластины.

Вторичным вскрытием окон меньших размеров в окисле и последующей диффузией акцепторной примеси формируют р-области, выполняющие роль базовых областей транзисторов, анодов диодов и резисторов.

В результате третьего цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катоды диодов, а также высоколегированные области под омические контакты к высокоомным коллекторным областям (n+ - область – сильнолегированный полупроводник).

 

 

Рис. 3.6. Последовательность формирования

диффузионно-планарной структуры:

а – исходная пластина; б, г, е – вскрытие окон в окисле перед диффузией примеси в коллекторные, базовые и эмиттерные области; в, д, ж – диффузия примеси в коллекторные, базовые и эмиттерные области и окисление поверхности; з – вскрытие окон под контакты к диффузионным областям; и – металлизация поверхности; к – избирательное травление металлической пленки и образование межсоединений

 

Для создания межэлементных связей в слое окисла вновь вскрывают окна и плоскость пластины покрывают сплошной металлической пленкой (обычно алюминиевой). В местах, свободных от окисла, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии по металлу создает систему межсоединений, а также контакты по периферии кристаллов. Они используются для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.

В диффузионном коллекторе активная примесь распределена по глубине неравномерно: на поверхности ее концентрация максимальна, а на дне коллектора равна нулю. Поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, это увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора. Равномерное распределение примеси по толщине коллектора получается в эпитаксиальном слое.

Эпитаксиально-планарная структура. В качестве исходной подложки используется равномерно легированная пластина р- кремния. Для проведения эпитаксии одну сторону пластины освобождают от окисла и тщательно очищают – рис. 3.7. Далее проводится эпитаксия кремния n-типа, поверхность эпислоя окисляют, методом фотолитографии вскрывают окна в виде узких замкнутых дорожек по будущему контуру коллекторных и изолирующих областей ИМС. Через окна проводится диффузия акцепторной примеси до смыкания ее с р-областью подложки.

Таким образом получаются изолированные друг от друга островки равномерно легированного эпитаксиального n-крем -ния. Такой процесс диффузии называется изолирующей или разделительной диффузией. В дальнейшем в пластине формируют диффузионные базовые и эмиттерные области, а также контакты и межсоединения, так же, как в диффузионно-пла -нарной структуре. Концентрацию примеси в эпитаксиальном слое можно изменять в широких пределах. Но повышение концентрации примеси в эпитаксиальном коллекторе снижает пробивное напряжение перехода база – коллектор. Поэтому коллектор легируют умеренно, а малую величину его сопротивления получают параллельным включением сильнолегированного скрытого n⁺ слоя. Название «скрытый» слой указывает на то, что он не имеет выхода на поверхность пластины. Знак (+) в обозначении n- или р-области указывает на их сильное легирование.

 

 

Рис. 3.7. Последовательность формирования: эпитаксиально-планарной структуры:

а – исходная пластина; б – стравливание окисла, подготовка поверхности к эпитаксии; в – эпитаксия n-слоя и окисление поверхности; г – вскрытие окон в окисле под разделительную диффузию примеси; д – диффузия акцепторной примеси, окисление поверхности; е – готовая структура после формирования диффузионных базовых и эмиттерных областей и получения межсоединений

 

Эпитаксиально-планарная структура со скрытым слоем. Начальные стадии технологического процесса получения такой структуры приведены на рис. 3.8. В окисле подложки р-типа вскрываются окна, через которые проводят диффузию примеси высокой концентрации. Далее поверхность освобождают от окисла и проводят эпитаксию n- кремния. После окисления поверхности процесс обработки проводится так же, как и в структуре без скрытого слоя.

 

 

 

Рис. 3.8. Последовательность формирования эпитаксиально- планарной структуры со скрытым слоем:

а – исходная пластина; б – вскрытие окон под диффузию скрытого слоя; в – диффузия n⁺ - примеси и окисление поверхности; г – стравливание окисла и подготовка поверхности к эпитаксии; д – эпитаксия n-слоя и окисление поверхности; е – готовая структура после разделительной диффузии, формирования базовых и эмиттерных областей и межсоединений

 

Изоляция элементов обратносмещенным p-n переходом имеет ряд существенных недостатков: при больших обратных напряжениях происходит пробой; переход имеет большие токи утечки и емкости; расстояние между элементами схемы приходится делать большими; это уменьшает быстродействие схем. Наилучшую электрическую развязку элементов дает диэлектрическая изоляция.

Структура с диэлектрической изоляцией. В этой структуре каждый элемент схемы размещен в «кармане» - области монокристаллического кремния, ограниченную со всех сторон слоем двуокиси кремния. В этом случае расстояние между элементами может быть уменьшено до 8 – 10 мкм. На рис. 3.9 показана структура с диэлектрической изоляцией.

 

 

Рис. 3.9. Последовательность формирования изолированных областей в структуре с диэлектрической изоляцией:

а – исходная подложка; б – избирательное травления окисла, глубокое травление кремния, окисление поверхности; в – осаждение поликристаллического кремния; шлифование и полирование обратной стороны пластины; д – окисление поверхности; е – готовая структура после базовой и эмиттерной диффузии и получения межсоединений

 

В исходной пластине кремния n-типа методом фотолитографии вытравливают участки окиси кремния, а затем и кремния по контуру будущих элементов. В результате образуются канавки по заданному контуру. Затем поверхность окисляется, и на нее осаждается толстый слой поликристаллического кремния, который служит конструкционной основой будущей ИМС. Обратную сторону шлифуют, удаляя монокристаллический слой до вскрытия окиси кремния по границам областей, и производят доводку (для удаления нарушенного слоя). После протравливания и отмывки поверхности ее окисляют. В изолированных областях монокристаллического кремния n-типа диффузионным методом формируют элементы (базовые области, резисторы, эмиттеры, области под контакты). Затем создают межсоединения по поверхности пластины. Если исходная подложка содержит эпитаксиальный n⁺ - слой, то транзисторы получаются со скрытым слоем.

Из-за необходимости шлифования и полирования подложек такие структуры (с диэлектрической изоляцией) очень трудоемки. Наличие толстого поликремния вызывает внутренние механические напряжения, которые приводят к короблению пластины после снятия монокристаллического слоя, что затрудняет фотолитографию Это обусловило разработку комбинированных методов изоляции элементов ИМС.

Изопланарная структура. В этой структуре (рис.3.10) донная часть 2 коллектора изолирована от монокристаллической пластины p-n переходом, а боковая 1 – толстым слоем окисла, полученным сквозным локальным окислением эпитаксиального слоя. Эта структура аналогична эпитаксиально-планарной, в которой разделительная диффузия заменена сквозным окислением.

Вначале на поверхность пластины, содержащей эпитаксиальные n⁺- и n-слои осаждают из газовой фазы нитрид кремния Si₃N₄. Методом фотолитографии в этом слое создают

защитную маску с окнами по контуру коллекторных областей. Через окна проводится глубокое окисление кремния. Затем маску стравливают и всю поверхность окисляют. Далее проводится диффузия для формирования базы и эмиттера, формируются окна под контакты и создаются межсоединения.

Необходимость длительного окисления для образования диэлектрической изоляции в изопланарной структуре является недостатком, так как проводится при высокой температуре и может вызвать нежелательное перераспределение примеси из скрытого слоя в эпитаксиальный коллектор.

 

Рис.3.10. Последовательность формирования

изолированных областей в изопланарной структуре:

а - подложка с эпитаксиальным и скрытым слоями; б – нанесение слоя нитрида кремния; в – избирательное травление нитрида кремния по контуру будущих элементов; г – глубокое окисление кремния; д – стравливание нитрида кремния и окисление поверхности; е – готовая структура после формирования базовых и эмиттерных областей формирования межсоединений

 

Для сокращения времени окисления уменьшают толщину эпитаксиального слоя и, соответственно, базы и эмиттера (толщина эпитаксиального слоя в изопланарном процессе не более 3 – 4 мкм).

Полипланарная структура. Усовершенствованным вариантом предыдущей структуры является структура с изолирующими V-канавками – рис. 3.11.

В этой структуре вместо сквозного окисления проводится сквозное травление эпитаксиального слоя с последующим окислением полученных канавок и заполнением их поликристаллическим кремнием.

 

Рис. 3.11. Последовательность формирования изолированных областей в полипланарной структуре: а – подложка с эпитаксиальным и скрытым слоями, покрытая окисью кремния; б – избирательное травление окиси кремния и анизотропное травление кремния; в – стравливание окиси и окисление всей поверхности; г – осаждение поликремния; д – шлифование, полирование и окисление поверхности; е – готовая структура после формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений

 

Вначале подложку с сформированными n⁺ - и n-эпитак -сиальными слоями окисляют. Затем методом фотолитографии в окисле вскрывают окна, замкнутые по контуру будущих элементов. Далее методом анизотропного травления кремния получают канавки V-образной формы.

Ширина канавки l и ее глубина d связаны соотношением l /d = 1,41. Глубина канавки должна быть больше толщины эпитаксиального слоя. Бокового подтравливания практически не происходит. Затем поверхность окисляют и на ней осаждают поликремний. Минимальная толщина слоя поликремния должна быть достаточной для полного заращивания всех канавок. Шлифованием и полированием снимают излишки поликремния до вскрытия окисной пленки. После окисления поверхности формируют структуру транзисторов и других элементов ИМС.

Для анизотропного травления пригодны лишь подложки с ориентацией {100}; к недостаткам структуры относятся трудоемкие операции шлифования и полирования.

Для изготовления структур с диэлектрической и комбинированной изоляцией можно применять пластины-заготовки с заранее сформированными сплошным эпитаксиальным и скрытым слоями, серийно выпускаемые специализированными предприятиями; например, пластины p-Si диаметром 60 и 75 мм толщиной 300 – 550 мм (ρ = 10 Ом∙см) с эпитаксиальным n-слоем толщиной 2,5 – 20 мкм (ρ = 0,15 - 7 Ом∙см) и скрытым n⁺ - слоем толщиной 3 - 15 мкм с удельным поверхностным сопротивлением 10 – 50 Ом.

Существенным уменьшением площади транзисторов с упрощением технологии характеризуются структуры МДП (металл – диэлектрик – полупроводник).

МДП-структуры. Основным элементом этих структур является МДП-транзистор с индуцированным каналом n- или р-типа – рис.3.12.

МДП-транзистор имеет симметричную структуру: области истока и стока и изолированный затвор, с помощью которого можно индуцировать канал и управлять его проводимостью. Так как переходы, ограничивающие области истоков и стоков, всегда смещены в обратном направлении и перенос основных носителей заряда происходит в тонком приповерхностном слое полупроводника между истоком и стоком каждого транзистора, то мер для взаимной изоляции приборов с одноименным типом проводимости канала не требуется.

На рис. 3.13 показана последовательность создания р-канального МДП-транзистора с металлическим затвором.

 

Рис. 3.12. МДП-транзистор с каналом р-типа:

1, 4 – омические контакты к областям истока и стока, 2 –подложка n-типа, 3 – металлический электрод затвора, 5 – подзатворный диэлектрик, 6 – области истока и стока

 

Комплементарные МДП-структуры (КМДП). Структура, содержащая МДП-транзисторы обоих типов проводимости, позволяет на 2 – 3 порядка по сравнению с n- или р-МДП-структурами снизить мощность, потребляемую при работе в статическом режиме. Такие структуры получили название структур на дополняющих МДП-транзисторах или комплементарных МДП-структур (КМДП-структур). Последовательность формирования КМДП структуры изображена на рис. 3.14. Методом диффузии формируют р-область, далее р⁺ - области истоков и стоков р-канальных приборов, а также охранные области, а затем в р-области – n⁺ -области истоков и стоков n-канальных приборов. Для формирования областей затворов методом фотолитографии вытравливают участки двуокиси кремния, затем методом термического окисления кремния получают тонкие слои двуокиси кремния расчетной толщины (подзатворный диэлектрик). Далее вскрывают в окисле окна под контакты и формируют межсоединения, включая затворы.

 

 

Рис. 3.13. Последовательность формирования р-канального МДП-транзистора ИМС с металлическим затвором:

а, б – формирование окон и создание областей истока и стока, в – нанесение тонкого подзатворного слоя двуокиси кремния, г, д – вскрытие окон под контакты к истоку и стоку и напыление алюминия; 1 – исходная подложка, 2 – слой двуокиси кремния, 3, 7 – окна в слое двуокиси кремния, 4, 5 – области истока и стока, 6 – слой подзатворного диэлектрика, 8 – слой алюминия

 

 

 

Рис. 3.14. Последовательность формирования КМДП-структуры:

а – исходная пластина; б – последовательное получение р -, р⁺- и n⁺ - областей методом диффузии; в – избирательное травление двуокиси кремния; г - термическое окисление кремния (получение подзатворного диэлектрика); д – избирательное травление двуокиси кремния под контакты к истокам и стокам; е – готовая структура после получения межсоединений

 

Структуры «кремний на сапфире» - КНС. Полную изоляцию МДП-транзисторов можно обеспечить при их формировании в виде островков на монокристаллической изолиру -ющей подложке. В качестве последней обычно используется монокристаллический синтетический сапфир, имеющий хорошее кристаллографическое сопряжение с кремнием, что важно для гетероэпитаксии. Широкое применение получили МДП-КНС-структуры, особенно КМДП-КНС-структуры. Такие структуры устойчивы к температурным и радиационным воздействиям.