Изоляция элементов и технологические процессы производства биполярных ИМС

9

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра РЭС

РЕФЕРАТ

На тему:

«ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА БИПОЛЯРНЫХ ИМС»

МИНСК, 2008

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 вскры-тия окон в окисле и проведения локальной диффузии в местах форми-рования 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.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнических спец. вузов. - Мн.: Высшая школа, 2000.

2. Основы конструирования изделий радиоэлектроники: Учеб. пособие / Ж.С. Воробьева, Н.С. Образцов, И.Н. Цырельчук и др.- Мн.: БГУИР, 2001