Диссертация (СВЧ комплементарный биполярный технологический процесс с высокой степенью симметрии динамических параметров транзисторов), страница 6

Для областей изоляции предъявляются требования:‒ обеспечение максимальной плотности элементов на кристалле;‒ малые токи утечки между элементами;‒ малые паразитные емкости;‒ большие пробивные напряжения изолирующих областей;‒ высокая теплопроводность.Выделяют три основных способа изоляции элементов ИМС:‒ изоляция с помощью обратносмещенного p-n перехода;‒ полная диэлектрическая изоляция;‒ комбинированная изоляция.1.8.1.1 Изоляция обратносмещенным p-n переходомВпервые изоляция с помощью обратносмещенного p-n перехода была предложенасотрудниками компании Texas Instruments [21].

Использование встречной диффузии в 1972 годупозволило значительно сократить горизонтальную диффузию примеси и снизить паразитныеемкости [105]. Дальнейшее развитие технологии привело к созданию фирмой Analog Devicesпервого промышленного высоковольтного процесса изготовления КБТ [39]. В России первыйпромышленный КБТП также использовал изоляцию обратносмещенным p-n переходом и былразработан в НПП «Пульсар» [60]. Современным СВЧ биполярным технологическимпроцессом с изоляцией обратносмещенным p-n переходом является процесс BiCMOS6G23компании STMicroelectronics [106].

Анализ параметров транзисторов показывает, что сприменением данного метода граничные частоты могут составлять не менее 40 ГГц.Основным достоинством указанного способа является высокая технологичность метода.Области изоляции не ухудшают рассеяние тепла, и не вносят механических напряжений.Однако, обусловленная диффузией примеси, большая площадь областей изоляции приводит кбольшим значениям паразитной емкости изоляция-подложка, что существенно влияет набыстродействие ИМС [107]. Большие токи утечки не позволяют добиться качественнойизоляции. Таким образом, использование изоляции обратносмещенным p-n переходом вбыстродействующих аналого-цифровых ИМС с высокой степенью симметрии динамическихпараметров ограничено и рассматриваться не будет.1.8.1.2 Полная диэлектрическая изоляцияС целью устранить недостатки описанного выше способа изоляции, начиная с конца 60-хгодов XX века, велась активная работа по созданию биполярных структур с полнойдиэлектрической изоляцией.Среди таких процессов одним из первых и наиболее распространенным является такназываемый EPIC-процесс [108] (процесс создания ИС с использованием осажденияполикремния), разработанный компанией Motorola.

Примером КБТП с полной диэлектрическойизоляцией является CEPIC-процесс [109], отличающийся от стандартного включениемопераций по формированию островков n-типа проводимости для коллектора npn-транзистора.Преимуществом подобного способа изоляции является существенное снижение токовутечки и паразитных емкостей областей боковой изоляции.

Существенными недостаткамиспособа являются сложность изготовления, сложность получения сверхтонких слоев,невозможность получения кристалла малой площади. Подобные технологии изоляции дляпостроения высокочастотных транзисторов на настоящий момент не используются.1.8.1.3 Изоляция с помощью КНИ-подложекИспользование для изоляции КНИ-подложек – на данный момент, наиболеераспространенный способ формирования диэлектрической изоляции, формирующий вместе сбоковой щелью полную диэлектрическую изоляцию элементов ИМС.

На сегодня существуетмножество методов формирования подложек подобного типа:– метод разделения с помощью имплантации кислорода (SIMOX) [110];– метод сращивания окисленных пластин кремния с последующим удалением одной изних шлифовкой и травлением (BESOI) [111];– технология SmartCut, разработанная компанией SOITEC – вариант технологиисращивания пластин [112], [113];24– технология Eltran(tm) (преобразование эпитаксиального слоя) [114], [115];– метод AcuThin, сращивание пластин с последующим плазмохимическим травлением,[116].Большое число разработанных методов формирования заглубленного оксида позволилосущественным образом снизить стоимость КНИ-подложек, что привело к широкомураспространению технологических процессов на их основе.

Одним из первых промышленныхтехнологических процессов с высокочастотными КБТ на КНИ-подложке являлся процесс XFCBфирмы Analog Devices [40] (рис. 1.7). В этой технологии КНИ-подложка была получена спомощью метода BESOI [111].Рис. 1.7 Конструкции транзисторов из КБТП XFCB [40]С целью показать преимущества полной диэлектрической изоляции на КНИ-подложкахв таблице 1.4 представлено сопоставление емкостей переходов база-коллектор и коллекторподложка КБТ компании Plessey Semiconductor [50] для технологий с диэлектрической (HSA) икомбинированной (HJV) изоляцией, а также компании Analog Devices [40] для технологии сизоляцией диэлектриком (XFCB) и обратносмещенным p-n переходом (CB). Из таблицы видно,что диэлектрический способ изоляции, в наибольшей степени, позволяет симметрироватьзначения емкостей КБТ, которые в случае использования других видов изоляции существенноразличаются.Таблица 1.4 – Сопоставление емкостей переходов транзисторов различных конструкцийNPNPNPCкб (фФ)Cкп (фФ)Cкб(фФ)Cкп(фФ)Analog DevicesИзоляцияДиэлектрическаяp-n переходомизоляция(CB)(XFCB)7970279311526657031Plessey SemiconductorКомбинированнаяДиэлектрическаяизоляцияизоляция(HJV)(HSA)5,55,51535,5550 (коллектор3область изоляция)В отличие от fMAX применение полной диэлектрической изоляции практически не влияетна значение fT.

Тем не менее, максимальная симметрия значений емкостей делает необходимымизучение особенностей КБТП с использованием КНИ-подложек. При разработке современных25процессов на КНИ-подложках актуальными задачами являются: корректировка геометрическихразмеров БТ для обеспечения оптимального распределения тепла по структуре [117],использование дополнительных методов контроля качества слоев и параметров изделий [118] ит.д.

В рамках данной работы будут рассматриваться вопросы влияния КНИ-подложек натехнологические режимы формирования СВЧ КБТ.1.8.1.4 Комбинированный способ изоляцииКомпромиссоммеждудорогостоящейполнойдиэлектрическойизоляциейивысокотехнологичной изоляцией обратносмещенным p-n переходом является их комбинация,сочетающая в себе преимущества боковой щелевой изоляции и изоляции от подложки спомощью p-n перехода (малая площадь элементов, хороший теплоотвод).Комбинированная изоляция при создании КБТ используется такими компаниями какIBM, Plessey Semiconductor, National Semiconductor (см. таблицу 1.1) и др. При создании СВЧкремний-германиевых транзисторов, для которых толщина эпитаксиальной пленки мала, можетиспользоваться мелкощелевая боковая изоляция.

Кроме того, на сегодня, ряд ведущихкомпаний производителей ИМС имеет несколько вариантов технологических процессов сразличными методами изоляции [50], [119], что обеспечивает как преимущества в параметрахИМС, так и их низкую стоимость.При создании комбинированной изоляции в КБТП для слоя n–, обеспечивающегоизоляцию pnp-транзистора от подложки, должны выполняться следующие требования:– обеспечение высокого пробивного напряжения n–/p+, не менее значения напряженияпробоя коллектор-база pnp-транзистора. Поскольку скрытый слой n– обычно имеетконцентрацию примеси больше, чем подложка, то наименьшее значение пробоя будетнаблюдаться для перехода скрытый слой коллектора p+/скрытый слой n–;– отсутствие в структуре прокола, то есть области пространственного заряда (ОПЗ)обратносмещенных p–n переходов коллектор-изоляция и изоляция-подложка не должнысмыкаться при приложении рабочих напряжений.

Оценка значений напряжений должнапроводиться как на операциях формирования скрытых слоев, так и на заключительном этапедля итоговой конструкции транзистора.Эти требования противоречат друг другу, поскольку высокое значение концентрации вобласти n–, ограничивающее распространение ОПЗ, приводит к снижению пробивногонапряжения. При решении задачи оптимизации области изоляции для исследуемого КБТП вкачестве исходной системы скрытых слоев будет рассматриваться отработанная системапланарно-эпитаксиальнойтехнологииP35XXсизоляциейp-nпереходом,успешноприменяемая в НПП «Пульсар» для изготовления быстродействующих аналоговых ИМС.26Параметры скрытых слоев для КБТП с толщиной эпитаксиальной пленки 5 мкмнепосредственно после формирования представлены в таблице 1.5.Таблица 1.5 – Технологические параметры системы скрытых слоев процесса P35XXСкрытый слойПоверхностноеГлубина, мкмСпособ формированиясопротивление, Ом/кв.n+21,55,5Диффузия сурьмыp+17,75,0Диффузия бораn–84,59,7Имплантация фосфора1.8.1.5 Боковая щелевая изоляцияИспользование боковой щелевой изоляции началось еще в 70-х годах XX века, когдабыла разработана технология V-образных щелей [120], формируемых за счёт вертикальногоанизотропного травления, после чего проводилось окисление боковых стенок и заполнениещелей поликремнием.

Данный метод требовал использования кристалла с ориентацией (100).Преимуществами такого способа изоляции являлась возможность точного контроля глубиныщели за счёт изменения размеров маски для травления, что, однако, приводило к большейплощади изоляции и наличию больших механических напряжений.Создание щелей с большим аспектным соотношением (отношение длины к ширине щели)стало возможным с развитием процессов реактивного ионного травления. В 1977 г.