Технология производства биполярных СБИС

Биполярные интегральные схемы в основном применяются в быстродействующих запоминающих устройствах и логических схемах, используемых в вычислительных системах. В настоящее время биполярные приборы получили свое развитие в интегральной инжекционной логике И2Л, используемой в логических схемах малой мощности и высокой степенью интеграции.

Рассмотрим основные технологические этапы производства биполярных ИС на примере создания n-p-n транзистора.

1 этап. В качестве исходного материала используют слаболегированные подложки p- типа, ориентированные по плоскостям (100) или (111). На подложке формируются скрытый низкоомный слой n+ кремния, предназначенный для уменьшения сопротивления коллектора и, следовательно, уменьшающий рассеиваемую в нем мощность, и низкоомный n- слой эпитаксиального кремния, задающий достаточно высокое напряжение пробоя коллектор - база (см. рис. 1).

Для реализации этого проводят следующие технологические операции:

• окисление кремниевой подложки, используемой в качестве маскирующего слоя для диффузии скрытых слоев,
• вскрытие контактных окон,
• ионная имплантация мышьяка или сурьмы в контактные окна для формирования скрытого n - слоя,
• термический отжиг для разгонки легирующей примеси в глубь кремниевой подложки (отжиг проводят в окисляющей атмосфере). При этом вследствие разницы в скоростях окисления незащищенной поверхности скрытого слоя и окружающей его окисленной поверхности подложки по периметру скрытого слоя образуется ступенька, т. е. этот слой несколько заглублен по отношению к остальной поверхности. Ступенька используется в дальнейших технологических операциях в качестве метки совмещения),
• удаление окисла со всей поверхности подложки,
• нанесение эпитаксиального n- слоя кремния.

На 2 этапе производства ИС (см. рис. 2) на поверхности кремния формируют двухслойный диэлектрик, состоящий из двуокиси и нитрида кремния. Слой Si3N4 толщиной 100 нм является маской при последующем окислении кремния, а SiO2 толщиной 50 нм служит для минимизации числа дефектов в кремнии (уменьшает величину механических напряжений и защищает поверхность полупроводника).

Затем проводят фотолитографию для определения положения изолирующих областей транзистора.

На 3 этапе (см. рис. 3) поверхность, не защищенную фоторезистом, подвергают травлению, удаляя при этом двухслойный диэлектрик и частично - эпитаксиальный слой. На этом же этапе проводят ионную имплантацию бора в протравленные участки для формирования областей, ограничивающих распространение канала и по ЛОКОС технологии формируют слои изолирующего окисла. Увеличение уровня легирования p- подложки под изолирующим окислом предотвращает инверсию типа проводимости поверхности полупроводника и, следовательно, возможное установление электрической связи между скрытыми слоями соседних приборов.

4 этап.После удаления фоторезиста подложки подвергаются термическому окислению до тех пор, пока весь эпитаксиальный слой, не защищенный пленкой Si3N4, не проокислится (см. рис. 4). Затем слой нитрида кремния селективно удаляют с сохранением слоя двуокиси кремния.

Далее на поверхность наносится фоторезист и осуществляется ионная имплантация бора для формирования области базы. Начиная с этого этапа, высокотемпературные или длительные отжиги не производят для избежания разгонки мелких p-n переходов, необходимых при производстве СБИС, на большие глубины. Имплантация проводится через пленку окисла, поэтому процесс каналирования ионов примеси ослабевает и исчезает необходимость в проведении последующего после имплантационного отжига в окисляющей атмосфере.

5 этаппроизводства - формирование контактных окон к областям эмиттера, коллектора и базы, которые могут быть вскрыты одновременно с помощью одного шаблона (см. рис. 5). В этом варианте формирования ИС разделение между эмиттерным и базовым контактами определяется заданным минимальным расстоянием между металлическими контактами, а не этапом совмещения, что определяет относительно малую площадь, занимаемую транзистором, и, следовательно, снижает сопротивление базы.

На 6 этапе (см. рис. 6) формируют эмиттер и высоколегированную область коллектора. Заметим, что подвергаемая ионной имплантации площадь эмиттера определяется размером вскрытого в окисле окна. Легирование осуществляется низкоэнергетичными ионами мышьяка для уменьшения глубины их проникновения в полупроводник.

После ионной имплантации примесь разгоняют на желаемую глубину в почти инертной атмосфере. Образующуюся при этом над контактными областями эмиттера и коллектора окисную пленку удаляют в разбавленном растворе HF.

Далее на поверхность подложки наносят слой Si3N4, защищающий поверхность прибора от попадания подвижных ионов натрия. Для формирования контактов в нитриде кремния впоследствии вскрываются окна. Процесс вскрытия окон осуществляют с использованием еще одного процесса фотолитографии или с применением самосовмещения. В последнем варианте проводят электрохимическое травление нитрида кремния. В местах контакта с кремнием он путем анодирования превращается в двуокись кремния, стравливаемую впоследствии в плавиковой кислоте, а в местах контакта с SiO2 остается неизменным.

На заключительном этапе(см. рис. 7) проводится металлизация и покрытие прибора слоем фосфорсиликатного стекла. В качестве контактного слоя при металлизации обычно используют PtSi, а верхний слой металлизации формируют из TiPtAu.