Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 40

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 40)

Учитывая, что прн разработке ИС происходит постоянное снижение рабочих напряжений, изоляция р-и-переходом применяется все реже н реже. Из рис. 7.3, а ясно, что изоляция р-и-переходом сводится к осуществлению двух встречно-включенных диодов между изолируемыми элементами — так же, как в МДП-транзисторных ИС (рис. 7.2). Для того, чтобы оба изолирующих диода находились под обратным смещением (независимо от потенциалов коллекторов), на подложку задают максимальный отрицательный потенциал от источника питания ИС'. Изоляция р — и-переходом хорошо вписывается в общий технологический цикл биполярных ИС, однако ее недостатки— наличие обратных токов в р-и-переходах и наличие барьерных емкостей.

Изоляция диэлектриком более совершенная и »радикальная» (рис. 7.3, 6). При комнатной температуре токи утечки в диэлектрике на 3 †порядков меньше, чем обратные токи р — и-перехода. Что касается паразиткой емкости, то, разумеется, она имеет место и при диэлектрической изоляции. Однако ее легко сделать меньше барьерной„выбирая материал с малой диэлектрической проницаемостью и увеличивая толщину диэлектрика. Как правило, паразитная емкость при диэлектриче- 1 Тан же поступают в МДП-транзнсторных ИС. Глава 7.

Элементы интегральных схем ской изоляции на порядок меньше, чем при изоляции р-п-переходом. Изоляция р-л-переходом. Изолирующие переходы можно получить по-разному. Так, в чисто планарной технологии в свое время использовались методы тройной диффузии (рис. 7.4, а) и встречной (или двусторонней) диффузии (рис. 7.4, б).

Обоим этим методам свойственны серьезные недостатки. Лояаяаиая диффузия В Общая диффузия В а) Рис. 7.4. Возможные варианты изоляции элементов с помощью переходов: а — метод тройиой диффузии (1» — размер сина иод кслиектсриую диффузию); б — метод встречной (двусторонней) диффузии (1, — размер окна под разделительную диффузию) В структуре на рис. 7.4, а коллекторный л-слой, получаемый на этапе 1-й диффузии, является неоднородным: концентрация примеси возрастает от донной части к поверхности. Поэтому на границе с базовым слоем концентрация примеси оказывается достаточно большой и соответственно пробивное напряжение коллекторного перехода получается сравнительно низким.

Кроме того, сложна сама технология тройной диффузии. В структуре на рис. 7.4, б изоляция элементов достигается общей диффузией акцепторной примеси через нижнюю поверхность пластины п.типа и локальной диффузией той же примеси через верхнюю поверхность. Глубина обеих диффузий составляет половину толщины пластины, так что обе диффузионные области смыкаются. В верхней части пластины образуются «островки» исходного кремния л-типа, которые являются коллекторнымн слоями будущих транзисторов. Прн данном методе, в отличие от предыдущего, коллекторный слой оказывается однородным. Главный недостаток этого метода — необходимость проведения глубокой диффузии (100-160 мкм).

Время такой диффузии составляет 2-3 суток и более, что экономически невыгодно. Кроме того, из-за боковой диффузии (см. рис. 6.5, б) протяженность изолирующих р-слоев на поверхности оказывается порядка толщины пластины, т.е. превышает размеры обычных транзисторов. Соответственно уменьшается коэффициент использования площади. 221 7з2. Иаоляция элементов В настоящее время вместо монолитной пластины и-типа используют тонкий зпитаксиальный д-слой, выращенный на подложке (рис.

7.5), В этом случае проблема изоляции существенно упрощается: диффузия, обеспечивающая образование коллекторных «островков» (ее называют разделительной или изолирующей диффузией), проводится только через одну (верхнюю) поверхность пластины на глубину, равную толщине зпитаксиального слоя (обычно не более 5-10 мкм). При такой малой глубине время диффузии не превышает 2-3 ч, а расширение изолирующих р-слоев на поверхности, обусловленное боковой диффузией, в несколько раз меньше, чем при методе встречной диффузии (рис. 7.4, б). При этом коэффициент использования площади кристалла имеет приемлемую величину. «Островки» д-типа, Локальная диффузия В оставшиеся в эпитаксиаль- ())(( з;о, ном слое после разделительной диффузии, называют " у " р " р карманов«и.

В этих карма- н Граница Карманы х нах на последующих эта- апнт ал го я о пах технологического про- и-слоя цесса осуществляют необ- р-з) ходимые элементы ИС, в Рнс. т.б. Основной способ изоляции первую очередь — транзи- элементов с помощью переходов сто ы1. сторы . в планерно-эпитаксиальных ИС Простейшие карманы, показанные на рис. 7.5, находят ограниченное применение. Транзисторы, изготовленные в таких карманах (рис. 7.6, а), характерны большим горизонтальным сопротивлением коллекторного слоя г„„(100 Ом и более). Уменьшать удельное сопротивление эпитаксиального слоя нерационально: при этом уменьшается пробивное напряжение коллекторного перехода и возрастает коллекторная емкость.

Поэтому типовым решением является использование так называемого скрытого д-слоя, расположенного на дне кармана. Роль такого низкоомного слоя очевидна'из рис. 7.6, б. 1 Слои я под коллекторным электродом, получаемый на этапе эмиттерпой диффузии (т.е. одновремеино с эмиттерным я -слоем), предотвращает образование параэитного р — л-перехода при вжигании алюминия в я-слой (см. с.

202) 222 Глава 7. Элементы интегральных схем б) Рис. 7.7. Метод изоллции элементов коллекторной диффузией э в Скрытые слои получают диффузией„которая проводится до наращивания эпитаксиального слоя. Во время эпитаксии донориые атомы скрытого а) слоя под действием высокой э в температуры диффундируют в нарастающий эпитаксиальный и-слой. В итоге скрытый слой частично расположен в зпитаксиальном, и дно кармана в этом месте оказывается «приподнятым» на несколько микрон.

Рис. 7.6. Структура интегрального л-р-л-транаистора: а — без скрыто- ДЛя ТОГО, ЧтОбЫ ПрЕдатВратИтЬ го слоя, б — со скрытым л -слоем ЧрЕЗМЕрНОЕ раенрОетраНЕНИЕ доноров из скрытого слоя в эпитаксиальный (что может привести к смыканию скрытого и«-слоя с базовым р-слоем), выбирают для скрытого слоя диффузант со сравнительно малым коэффициентом диффузии — сурьму или мышьяк. Использование скрытого д«-слоя обеспечивает не только меньшее сопротивление коллектора (первоначальное назначение скрытого слоя), но и некоторые другие преимущества, в том числе большой инверсный коэффициент усиления транзистора и меньший избыточный заряд в коллекторном слое, накапливающийся в режиме двойной инжекции.

Разделительная диффузия в эпитаксиальный слой является в настоящее время наиболее простым и распространенным вариантом изоляции р — и-переходом. Однако используются и более сложные варианты этого метода, к числу которых относится изоллцил коллектсрной диффузией (ИКД, ем. рис. 7.7). ЛОКАЛЬНАЯ В 223 7.2. Изоляция злемеитов Метод ИКД характерен тем, что эпитаксиальный слой (толщиной 2-3 мкм) имеет проводимость р-типа. В этом слое расположены заранее созданные скрытые и+-слои. Разделительная диффузия в данном случае осуществляется с помощью донорной примеси (фосфора); глубина диффузии соответствует расстоянию от поверхности до скрытого слоя. В результате получаются карманы р-типа (будущие базовые слои), а скрытый и+-слой вместе с разделительными и+-слоями образует область коллектора.

Как видим, в данном случае разделительные слои выполняют полезную функцию и, следовательно, не влияют на коэффициент использования площади. Последний при методе ИКД оказывается значительно больше, чем в основном варианте (рис, 7.5). Однако из-за большой концентрации примеси в и+-слоях методу ИКД свойственны меньшие пробивные напряжения коллекторного перехода и большие значения коллекторной емкости. Кроме того, чтобы сделать базу неоднородной и тем самым создать в ней внутреннее ускоряющее поле, в р-карманы приходится дополнительно проводить диффузию акцепторной примеси.

Изоляция диэлектриком. Исторически первым способом изоляции диэлектриком был так называемый эпик-процесс. Этапы этого процесса показаны на рис. 7.8. Исходная пластина кремния и-типа покрывается тонким (2-3 мкм) эпитаксиальным слоем и+-типа (рис. 7.8, а). Через маску в пластине вытравливают канавки глубиной 10-15 мкм, после чего всю рельефную поверхность окисляют (рис.

7.8, б)з. Далее на окисленную рельефную поверхность напыляют толстый (200 — 300 мкм) слой поликристаллического кремния (рис. 7.8, в). После этого исходную пластину п-типа сошлифовывают на всю толщину вплоть до дна канавок. В результате получаются карманы и-типа (со скрытым и"-слоем), расположенные уже в поликристаллической подложке (рис.

7.8, г). Изоляция элементов обеспечивается окисным слоем ЯтО (ср. с рис. 7.3, 6). Основную трудность в эпик-процессе представляет прецизионная шлифовка монокристаллической пластины: при толщине сошлифовываемого слоя 200-300 мкм погрешность шлифовки по всей поверхности должна лежать в пределах 1 — 2 мкм. З Можно использовать как иаотропное, тан и анизотропное травление (см. раздел б б). Особенности последнего рассмотрены ниже.

Характеристики

Список файлов книги