Методы электрической изоляции элементов полупроводниковых ИС
В монолитных полупроводниковых ИС активные и пассивные компоненты реализуются в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Для выполнения определенных функций эти элементы должны быть электрически соединены по заданной схеме. В отличие от схем на дискретных элементах, монтируемых на диэлектрическую плату (электрически изолированных), в полупроводниковой ИС необходимы конструкционные области, обеспечивающие изоляцию каждого или группы элементов друг от друга для реализации необходимых режимов по току и потенциалу. Различают три основных метода изоляции элементов:
· изоляция обратносмещенным p-n переходом;
· изоляция диэлектриком;
· гибридная изоляция, совмещающая боковую изоляцию диэлектриком, а основание – p-n переходом.
В полупроводниковых ИС используются как биполярные, так и МДП-транзисторы. Благодаря электрической самоизоляции МДП-транзисторов одного типа проводимости в ИС на их основе (МОП ИС) снимаются проблемы, связанные с созданием изолирующих областей, и тем самым увеличивается эффективность использования пластины и степень интеграции. Именно по этой причине, а также меньшему количеству сложных технологических операций более 90% всех СБИС и УБИС выполняется по МДП технологии. Тем не менее, и в МДП ИС используется боковая изоляция элементов диэлектриком для уменьшения паразитных связей. В ряде случаев применяется полная диэлектрическая изоляция, например, МДП ИС на сапфире или на подложке SiO2-Si.
В полупроводниковых ИС на основе биполярных и полевых транзисторов с управляющим p-n переходом или барьером Шоттки требуется создание изолированных «карманов» – n-областей, в которых формируются активные и пассивные элементы. Эти «карманы» изолированы друг от друга либо обратносмещенным переходом, либо диэлектриком.
Исключением для биполярных ИС являются БИС и СБИС интегральной инжекционной логики, в которых схемотехника не требует изоляции элементов. В результате в этих схемах достигается степень интеграции, аналогичная МДП ИС.
Для интегральных схем малой и средней интеграции широко используется изоляция элементов методом разделительной диффузии (РД). Суть этого метода (рисунок 2.30) заключается в создании n-карманов в эпитаксиальной пленке, выращенной на p-подложке с предварительно созданным n+-заглубленным слоем для уменьшения омического сопротивления тела коллектора n-p-n транзистора. По периметру n-кармана, например, прямоугольной формы, проводится сверху локальная диффузия примеси p-типа.
Рисунок 2.30 - Конструкция интегрального биполярного транзистора
с изоляцией по технологии «РД»
Поверхность схемы покрыта защитным слоем ПФСС-пиролитическим фосфоро-силикатным стеклом.
На рисунке 2.31 представлена структура базового элемента КМОП ИС на комплементарных (n-канальных и p-канальных) МОП-транзисторах с противоканальными областями n+- и p+-типа. Противоканальная n+-область «окружает» p-канальный транзистор, а противоканальная область p+-типа – n-канальный транзистор, сформированный в p-кармане.
Рисунок 2.31 - Структура базового элемента КМОП ИС
Схема диэлектрической изоляции элементов биполярных ИС (КСДИ – кремний с диэлектрической изоляцией) представлена в таблице 2.1. В пластине кремния n-типа с ориентацией для более воспроизводимого по глубине анизотропного травления кремния (рисунок 2.25) с будущей рабочей стороны с помощью маски Si3N4 формируют n-карманы с заглубленным n+-слоем. Затем термически окисляют поверхностный рельеф и для дополнительной электрической изоляции наносят слой пиролитического окисла кремния. Далее, на эту поверхность осаждают поликристаллический кремний, который служит подложкой для интегральной схемы. После этого пластину переворачивают и проводят цикл физико-химической шлифовки и полировки для вскрытия n-карманов, изолированных пленкой SiO2. В этих карманах формируются активные и пассивные элементы схемы.
Другой тип электрической изоляции элементов с помощью диэлектрика показан на рисунке 2.32. В этом случае используется так называемая технология «кремний на диэлектрике». К ней относится технология КНС (кремний на сапфире), основанная на гетероэпитаксии монокристаллических пленок кремния на кристаллах окисла алюминия Al2O3 , технология перекристаллизации поликристаллического кремния, осажденного на поверхности кремниевой пластины, покрытой термическим окислом, и технология формирования заглубленного слоя SiO2 методом глубокой ионной имплантации кислорода и азота.
Рисунок 2.32 - КМОП ИС по технологии «Кремний на диэлектрике» с боковой
изоляцией локальным окислом и самосовмещенным затвором
1 – салицид (шины питания, выход); 2 – n+-поликремний (затвор); 3 – локальный окисел; 4 – ионно имплантированный слой SiO2+Si3N4; 5 – исток-сток p-канального транзистора; 6 – исток-сток n-канального транзистора; 7 – p-карман; 8 – n-карман; 9 – эпипленка; 10 – подложка
Таблица 2.1 - Изготовление интегральной биполярной ИС по технологии «КСДИ»
Двусторонняя загонка сурьмы – формирование скрытого слоя, удаление силикатного стекла, окисление Si. Пиролитическое осаждение Si3N4 с рабочей стороны. | Удаление слоев ПSi3N4 и ТSiO2 , термическое окисление, нанесение ПSiO2, эпитаксиальное осаждение поликристаллического кремния. |
Фотолитография с плазмохимическим травле-нием Si3N4 и SiO2, изотропное травление Si. | Травление ТSiO2, двухсторонняя шлифовка- планаризация, полный цикл шлифовки-полировки новой рабочей стороны, термическое окисление. |
Формирование активных областей вертикального и горизонтального биполярных транзисторов, вскрытие контактных окон, формирование шин металлизации, вжигание Al, осаждение защитной пленки пиролитического фосфоро-силикатного стекла, вскрытие окон к контактным площадкам. |
В полупроводниковых микросхемах широко применяются пленки
поликристалл-лического кремния, легированные донорами или акцеп-
торами, нанесенные на поверхность кремниевой пластины, покрытой
диоксидом кремния. Такие пленки формируются обычно химическим
осаждением из газовой фазы. В отличие от монокристаллического крем-
ния в поликристаллических пленках малы подвижность электронов и
дырок и время жизни неосновных носителей. Это объясняется наличием
большого числа дефектов структуры, являющихся центрами рассея-
ния и рекомбинации. Поэтому параметры транзисторов, сформирован-
ных в поликристаллической пленке, значительно хуже, чем в моно
кристалле. Термическая обработка (отжиг) позволяет значительно по-
высить подвижность носителей заряда в пленке, что делает возможным
создание в ней полевых (в частности, МДП) транзисторов с удовлетво-
рительными параметрами.
В результате плавления поликремниевой пленки при отжиге и по-
следующей рекристаллизации при охлаждении монокристаллические
зерна кремния укрупняются и параметры пленки приближаются к па-
раметрам монокристалла. Известны методы отжига с помощью лазер-ного луча, сканирующего по поверхности пластин, а также движуще-
гося ленточного графитового нагревателя. Последний способ по
зволяет получать пластины со структу
рой типа Si - SiO2 - Si большого диаметра
(более 75 мм), по своим парамет-
рам не уступающие дорогостоящим пла
стинам со структурой типа кремний на
сапфире, получаемом с помощью гетеро-
эпитаксии.
При отжиге с помощью движущегося
ленточного графитового нагревателя 1
слой SiO2 толщиной 0,4... 1 мкм нано
сится на кремниевую пластину всюду,
за исключением ее крайних участков, а
слой поликремния толщиной 0,5 мкм -
на всю поверхность. Пластина 1
(рисунок 2.33,а) помещается на неподвиж-
ный нагреватель 2, повышающий ее тем
пературу до 1200 °С. Подвижный гра-
фитовый нагреватель 8 расположен на
расстоянии около 1 мм от поверхности,
имеет температуру свыше 1700 °С и пе-
ремещается от края пластины со ско
ростью примерно 2 мм/с. На краях слой
поликремния 4 контактирует с моно
кристаллической пластиной 1 и после
плавления и рекристаллизации превращается в монокристалл с той
же ориентацией, что и пластина. По мере движения нагревателя про-
исходит плавление слоев, расположенных над диоксидом, которые
после прохода нагревателя превращаются в монокристаллические,
продолжающие структуру крайних участков. Полученная пленка
кремния по сравнению с пластиной имеет повышенную плотность де-
фектов, особенно на границе раздела с диоксидом, поэтому подвиж-
ность носителей в ней в 1,5... 2 раза ниже, чем в монокристалле.
По мере усовершенствования метода подвижность носителей будет
повышаться.
Рисунок 2.33 - Схемы получения структур типа Si-SiO2-Si: методом кристаллизации (а)
и методом ионной имплантации кислорода (б)
Принципиально отличающимся методом создания структур типа
Si - SiO2 - Si является метод ионного легирования исходной
кремниевой пластины кислородом (рисунок 2.33 б) с последующим про-
греванием. В результате на малом расстоянии от поверхности (0,1 мкм)
получается слой SiO2, толщиной около 0,5 мкм (рисунок 2.33 в). Тонкий
приповерхностный слой сохраняет структуру монокристалла, поэтому
применяя эпитаксию, его толщину можно увеличить. Такой метод обес-
печивает лучшее качество пленки, в том числе высокую подвижность
носителей.
Гибридная изоляция элементов кремниевых ИС представлена в таблице 5.2 на примере технологии «Изопланар – IIn». В этом случае боковая область n-кармана изолируется локальным окислением кремния, а основание кармана – p-n переходом. При локальном окислении в качестве маски используется пленка Si3N4. Эта технология позволяет существенно уменьшить размеры интегрального транзистора, и поэтому она широко используется при изготовлении БИС и СБИС биполярных интегральных схем.
Таблица 2.2 - Технологический процесс изготовление интегральных
биполярных ИС по технологии ИЗОПЛАНАР – IIn
1. Исходная подложка | 2. Окисление |
3. Фотолитография №1, «вскрытие окон под скрытый слой» | 4. Создание скрытого слоя – загонка As |
5. Удаление SiO2 травлением HF, промывка, сушка | 6. Газовое травление, эпитаксиальное выращивание n-слоя |
7. Окисление – получение буферного слоя SiO2 | 8. Осаждение Si3N4 |
9. Фотолитография №2, плазменное травле- ние – «создание окон под локальный окисел» | 10. Локальное окисление |
11. Удаление Si3N4 и тонкого слоя SiO2, окисление | 12. Фотолитография №3 – «создание окон под базу» |
13. Загонка бора | 14. Разгонка бора с окислением |
15. Фотолитография №4 – «вскрытие окон под эмиттер» | 16. Ионная имплантация мышьяка |
17. Разгонка эмиттерной примеси | 18. Фотолитография №5 – «вскрытие окон под контакты» |
19. Напыление Al. Фотолитография №6 – «формирование шин металлизации» | |
20. Вжигание металлизации. Нанесение пиролитического фосфоро-силикатного стекла. Фотолитография №7 – вскрытие окон к контактным площадкам. Металлизация обратной стороны подложки. Контроль функционирования. |
Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 590;