Коледов Л.А. - Технология ИС (1086443), страница 48
Текст из файла (страница 48)
7,5), позволило повысить плотность упаковки эле тов и быстродействие элементов микросхемы. 7.2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С ПОЛНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ь Недостатки изоляции р-и переходом обусловили необходим поиска более эффективных способов. Один из них — изоляция эле. ментов за счет полного окружения каждого из них диэлектриком илн полная диэлектрическая изоляция (см. гл.2) Технология изготовления полупроводниковых микросхем с диэлектрической изоляцией постоянно совершенствуется и благодаря достоинствам получаемых с ее помощью микросхем находит все более широкое использование производства микросхем специального применения средней степени интеграции.
Рассмотрим важнейшие из направлений в реализации метода полной диэлектрической изоляции. 2)2 Изоляция тонкой пленкой диэлектрика (ЭПИК-процесс). Один из методов основан на изоляции элементов микросхемы друг от друга слоем двуокиси кремния на подложке из поликристаллического кремния (ра=50 Ом см). Сокращенное название этого процесса ЭПИК-аббревиатура от английского выражения Ер((ах(а! Разэгаа(ед (гг)едги(ед С(гси((б. В первом варианте ЭПИК-процесса (рис. 7.6) на исходной пластине кремния п-типа вначале термическим окислением получают маскирующий слой окисла, проводят фотолитографию и локальную диффузию для формирования п~-слоя. При второй фотолитографии в окисле создают окна для травления кремния в незащищенных окислом участках.
Травлением получаются канавки глубиной 8...15 мкм и шириной 50...70 мкм. После удаления окисной маски на всю поверхность пластины из газовой фазы методом химического осаждения наносят слой окисла толщиной 1,0...1,5 мкм. (Такой способ получения окисла в данном случае предпочтительнее, так как возникающие в толстых окисныпх пленках, выращенных методом термического окисления, большие механические напряжения приводят к изгибу пластин,) На ней также осаждением из газовой фазы наращивают слой высокоомного поликристаллического кремния. Толщина его составляет 175...200 мкм, т.
е. примерно равна толщине кремниевой пластины. Перед выращиванием поликристаллического кремния поверхность окисла подвергается специальной обработке для облегчения образования центров кристаллизации. После наращивания слоя поликристаллического кремния с противоположной стороны сошлифовывается или стравливается монокристаллический кремний п-типа почти на всю его глубину' до дна вытравленных ранее канавок. Таким образом, получают области кремния и-типа со скрытыми слоями п -типа, утопленные в поли- кремнии, изолированные друг от друга окислом. В этих областях методами окисления, фотолитографии и диффузии формируют элементы микросхем.
Дальнейший процесс изготовления, начиная с формирования базовых областей, проводится так же, как и в планерно-эпитаксиальной технологии. Второй вариант ЭПИК-процесса используется для формирования транзистора с низкоомным коллектором (рис. 7.?). Исходной служит пластина пекремния без эпитаксиального слоя. Первоначально осуществляются операции, аналогичные операциям, изображенным на рис. 7.6, а — и первого варианта, в результате которых получается структура, показанная на рис. 7.7, и. Профиль вытравленной канавки зависит от ориентации кремниевой пластины и состава выбранного травителя.
В первом варианте (рис. 7.6) выбрана ориентация пластины кремния по плоскости (100), во втором — (111). В пн-областях вьгтравливаются канавки глубиной 5 мкм, которые на операг)ии локального эпитаксиального наращивания заполняются кремнием и-типа с ~~меньшей степенью легирования. 2)З и) н/ згз 5 Оу Ппйинденн дите/кои лрелнбд 5»0 а) 5'рг и) л и г) к) д) ! г) с) м) 2!6 Для улучшения характеристик диэлектрической изоляции слой 5Юу иногда заменяют слоем 5йзМ», двойными слоями 5Юу — 5!О)к)4 или 5»Оз — 5!С.
Нитрид и карбид кремния обладают лучшими диэлек- ' трическими свойствами, что еще в большей степени уменьшает, токи утечки и паразитные емкости между монокристаллическим н поликристаллическим кремнием и увеличивает пробивные напря- 2!ф Рнс. 7.6. Изэаеибние кремниевой подложки в проиессе производства биполярных полу- проводняковых микросхем с дизлектрической изоляцией элементов после: а — аперапий меканмчесиой обработки; б — формирования пленк окисла нв рабочей псверкнссти плес. нпы мет Лом гермншского окисления нр миня; в — верной фптолнтогрпфнн по пление ок ела дл» вскрытия окон под локальную л«ф» узию лонорпой щшмеси; г — мекапическо» обработ , кнм чеснога полн.
ропапня, о»ислен я, фотолитографии, локалыгой лиффузин пр меси .типа; д — фата. н гр фпи лля »скрытна окон в окисле перел операггией л Р Р , равленнн ре нтрнла нли карбида преминя, н — осамд* ня нз паршив вой фазы м о о р . р тол инной около ЗОО мкм, к — сош нфа ы зина мон . кр ст ланч к а крем н ло пслучени изолнрованныз диэлектриком кэрманвв н п у е ин рабочей по ер о н высокого , р , — н, р б " ер ности, м — фото нгогр ф дл кры ия окон в а б зовую диффузию; и — формнро б , о фо о итограф д я эсеры я о с ппл эмш ериую диффузию, л — формирования амит«ерно о слоя; р — ф толитографни для вскрытии «о ак ныт окон. с напмленин пленки алюминия, г — фотолитографии длн созла н» рисунка р 3 в внесения слоя зашнтного диэлектрик» 5) 0) прлннреннии М Ф' жлизйж Ф Ф ж л л л д л" и д л» /ге т Рис.
7.7. Изменения кремниевой подложни л+-типа при изготовлении микросхем по второму варианту ЭПИК-процесса после: а Ооеран й акис синя, ра енин канавок, осаыдення поликремння н сошлнфовыввння монокрнстпл. лнческой плас ы «рем« тип, б окнг ения и фыолито рафии, е трввлен п канавок в монкрн у а а ремннп, г вырашнвани» кол.екториык л.слоев локальной эинтаксней (на иле « сва растет полинремннйб д — удалении пленок згое пик и получения плапарной структуры; е — ф рмнрованин базовой и зм ттерной областей гр нзишоров, нпн ен и терм »вским окислением пасси рую пего »нега, создания развод нзнесени з ш т дншентр а жения. Карбид кремния, кроме того, отличается высокой твердостью, что облегчает механическое удаление кремния п-типа, так как позволяет легко фиксировать момент сошлифовки до уровня слоя карбида. ЭПИК-процесс наиболее распространен среди методов полной дзэлектрической изоляции.
Изоляция обьемными диэлектрическими материалами. При синтезе стекла, ситалла и керамики можно создать материалы, ТКЛР которых близки к ТКЛР монокристаллического кремния. Это позволяет применить их для изоляции элементов полупроводниковых микросхем (рис. 7.8,а,б), Для формирования структуры, показанной на рис. 7.8,а, применяется следующая последовательность технологических операций, В походкой эпитаксиальной монокристаллической кремниевой струк- 5~0р А1 510а А! И 510з А! 510 а) Яц Р1 г 510г Рис. 7.В. Структуры полупроводниковых микросхем с диэлектрической изоляцией, ланучеииые. о — м толем горячего ореееоеанн нлн канолненнк кера. чеч кнм к ментом; 6 — Дялк.мет дом, е — лекале метод , г — методом Еалочнмк амнодое туре и+-р-типа формируются элементы микросхемы. Между ними . в местах их изоляции локально вытравливаются канавки.
В результате получаются выступающие меза-области со схемными элементами. С лицевой стороны этих меза-областей приклеивают вспомо- ' гательную (технологическую) пластину, а противоположную сторону сошлифовывают до получения раздельных меза-областей, удерживаемых в фиксированном положении вспомогательной пластиной. На полученную таким образом заготовку наносится стекло, ситалл, ' керамический цемент. После этого вспомогательная пластина удаляется. Иногда в качестве изоляционного материала используют сигал системы 8!Оз — А!зОз — ХпО с добавками, которые обеспечивают полчение материала с ТКЛР, равным ТКЛР монокристаллическо)то кремния.' Отличие ДИАК-метода, изображенного на (рис. 7.8, Р), состоит в том, что перед запрессовкой в диэлектрический матерйал разделенных меза-областей, удерживаемых вспомогательной пластиной, на открытой поверхности меза-областей формируется т(онкий слой 8!Оь Наличие такого слоя между монокристалличесхим кремнием с диэлектрическим материалом предупреждает переход примесей из диэлектрического материала в монокристаллический кремний.
Несмотря на технологические отличия рассмотренных методов изоляции элементов микросхем объемными диэлектрическими мртериалами, конечным результатом их является микросхема с дйэлектрической подложкой, в которую утоплены карманы монокристаллического кремния с элементами. Диэлектрик, с помощью которого осуществляется изоляция, одновременно служит подложкой. В связи со сложностью технологического процесса и трудностью подбора высокочистых материалов для изоляции указанные методы не нашли широкого применения.
Изоляция воздушными зазорами. Этот метод основан на получении воздушных зазоров между сформированными элементами 216 при вытравливания участков кремния. Один из вариантов воздушной изоляции — декаль-метод (рис. 7,8лэ) заключается в том, что пластину кремния с полностью изготовленными элементами и разводкой, защищенную слоем 8!Ом приклеивают лицевой стороной к диэлектрической пластине, а затем участки полупроводника между элеменгами удаляют с последующей защитой кристалла слоем 8!Оь Второй вариант — метод балочных выводов (рис.
7.8,г) предусматривает боковую воздушную изоляцию, при которой роль поддерживающего конструктивного основания выполняет не диэлектрик, а жесткие массивные балочные внешние выводы, которые, кроме того, электрически соединяют между собой элементы микросхемы, однако, такой метод отличается сложностью технологии, а достигаемая при этом степень интеграции невелика.
Третий способ — технология «кремний на сапфире (или шпинели)» включает меньшее число операций по сравнению с рассмотренными технологическими процессами. Способ использует технику гетероэпитаксии кремниевых слоев на сапфировых или шпинелевых подложках. Кремниевые слои осаждаются из парогазовой фазы путем термического разложения моносилана 8!Не. Хлоридный способ не применяют, так как выделяющийся при восстановлении тетрахлорида кремния хлористый водород травит сапфировые подложки. Затем с помощью фотолитографии проводят локальное травление полученных гетероэпитаксиальных пленок кремния. На подложке остаются «островки» монокристаллического кремния, в которых далее формируют элементы полупроводниковых микросхем (см.
рис. 2.33). Микросхемы, полученные с использованием технологии КНС, отличаются малыми паразитными емкостями (до 0,1...0,2 нФ/мм') и высокими рабочими частотами (до 4 ГГц). Широкому промышленному освоению этой технологии препятствуют высокая стоимость подложек и образование в кремниевых гетероэпитаксиальных пленках большого числа кристаллографических дефектов (1О"...10э см ') .
Метод перспективен для создания линейных ВЧ- и СВЧ-микросхем. 7.3. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С КОМБИНИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ Современные БИС и СБИС на биполярных транзисторах, в том числе микросхемы полупроводниковой памяти, микропроцессорные наборы, базовые матричные кристаллы, программируемые логические устройства изготавливают с применением комбинированной изо- ляции элементов. Изопланарная технология обеспечивает повышение плотности размещения элементов микросхем и микропроцессоров, позволяет использовать эпитаксиальный слой р-типа — формировать транзис- 217 торы с эпитаксиальной базой и и-типа — формировать транзисторы с диффузионной базой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
