1.2.9.2. Изоляция методом изолирующей коллекторной диффузии (ИКД) В методе ИКД используется p-p эпитаксиальная структура со скрытым n+ слоем Изоляцию делают методом разделительной диффузии донорной примеси. n+ область смыкается со скрытым n+ cлоем Это о n+-область является коллектором , p-область соответственно базой. Для создания неоднородной базы для того чтобы было внутреннее ускоряющее поле в базовые слои дополнительно проводят диффузию акцепторной примеси Изготовление заканчивается проведением эмиттерной диффузии, вскрытием контактных окон и созданием алюминиевой металлизации . Для изоляции на подложку p-типа проводимости относительно коллектора транзистора подаётся отрицательное запирающее напряжение –Uп. Метод изолирующей коллекторной диффузии позволяет сократить площадь элементов в 3…4 раза по сравнению с изоляцией обратно-смещенным p-n-переходом. Технологический процесс сокращается на 1…2 фотолитографии. Повышается процент выхода годных ИМС и уменьшается стоимость их изготовления. Технология проста,имеет большой плотности размещения элементов, универсальнаи, используется для создания аналоговых, и цифровых микросхем . Недостатки метода ИКД: из-за большой концентрации примеси в n+-слоях методу ИКД свойственны меньшие пробивные напряжения Uк коллекторного перехода и большие значения коллекторной емкости Cк. 1.2.9.3. Изоляция диэлектриком Для диэлектрической изоляции чаще всего используют двуокись кремния SiO2. Можно применить и другие диэлектрические материалы, совместимые с технологией кремниевых ИМС (например, Si3N4, Al2O3). По сравнению с изоляцией обратно смещённым p-n переходом диэлектрическая изоляция позволяет снизить ёмкость между элементами ИС и подложки, на порядок снизить ток утечки изоляции. В связи с этим улучшаются их частотные характеристики. Кроме того, ИМС с диэлектрической изоляцией имеют более высокое пробивное напряжение и лучшую стойкость к радиации. Недостаток диэлектрической изоляции - плохой теплоотвод из-за низкой теплопроводности изолирующего слоя. Исторически первым способом изоляции диэлектриком явился так называемый эпик-процесс. Основные операции этого процесса показаны на рис.1.39. В качестве исходного материала используется n+-n эпитаксиальная структура кремния с толщиной эпитаксиальной плёнки 2…3 мкм (рис.1.39, а). Через маску в пластине вытравливают канавки глубиной 10…15 мкм, после чего полученную рельефную поверхность окисляют SiO2 (рис.1.39, б). Далее, на окисленную рельефную поверхность (со стороны эпитаксиального слоя) в специальной установке для осаждения наращивают толстый (200…300 мкм) слой поликристаллического кремния (рис.1.39, в). После этого исходную пластину n-типа переворачивают и сошлифовывают подложку n-типа проводимости на всю толщину, вплоть до дна канавок. В результате получаются карманы n-типа со скрытым n+-слоем, расположенные на поликристаллической подложке. Изоляция элементов обеспечивается слоем окисла SiO2 (рис.1.39, г). На заключительных этапах производится изготовление транзисторов путем диффузии n- и p-примесей в эмиттерную, коллекторную и базовую области и проведения металлизации (рис.1.39, д). Существенным недостатком эпик-метода изоляции диэлектриком является необходимость прецизионной шлифовки с погрешностью по всей поверхности в пределах 1…2 мкм. Изоляция тонкой пленкой диэлектрика (эпик (EPIC)-процесс). Исходная подложка изготавливается из поликристаллического кремния p-типа. На поверхности наращивается эпитаксиальный или создается диффузионный слой n+-типа, который затем окисляется. Путем фотолитографии в пленке окисла кремния создаются окна, через которые производится глубинное травление кремния. Стенки вытравленных канавок вновь подвергаются окислению. Таким образом, получился изолированный слоем двуокиси кремния "карман". Далее производится эпитаксиальное наращивание монокристаллического слоя кремния. Слой монокристаллического кремния вне "карманов" удаляется в процессе шлифовки, полировки, выравнивающего травления. В полученных изолированных областях методами планарной технологии формируются активные и пассивные полупроводниковые элементы. В некоторых случаях карманы изолируются более высококачественным диэлектриком – нитридом кремния или его комбинацией с диоксидом кремния. Достоинства метода: высокое качество изоляции, высокое быстродействие ИМС. Недостатки: сложная технология, необходимость прецизионной механической обработки. Эпик-процессы относительно сложны и трудоемки. Основная сложность заключается в необходимости прецизионной механической обработки. К недостатку метода также относится относительно небольшая степень интеграции. ИМС. Изоляция пленкой диэлектрика с использованием поликристаллического кремния реализуется в эпик-процессе. Исходной заготовкой является однослойная nn+-структура (рис 18). После локального травления на глубину около 15 мкм и удаления SiO2-маски термически выращивают или осаждают из паро-газовой фазы пленку диоксида кремния толщиной 1 ¸ 2 мкм. Поверх нее осаждают слой высокоомного поликремния толщиной 175 ¸ 200 мкм. Для получения изолированных n+n-карманов лишнюю часть кремния сошлифовывают. Полученная при этом подложка структуры ИМС, как и при изоляции p-n-переходом, проводящая, хотя и имеет более высокое удельное сопротивление. Для улучшения изоляции слой SiO2 иногда заменяют слоем Si3N4, двойными слоями SiO2–Si3N4 или SiO2–SiC. Таким образом, получение кремниевых карманов в поликристаллическом кремнии выполняется по мезаэпитаксиальной технологии. Элементы ИМС в этих карманах далее формируются по планарной технологии. В целом процесс можно охарактеризовать как меза-эпитаксиально-планарный. Наряду с приведенным маршрутом имеются его модификации. Например получение комплементарных биполярных ИМС, в составе которых имеются p-n-p и n-p-n транзисторы (рис 19). Эпик-процессы относительно сложны и трудоемки. Основная сложность заключается в необходимости прецизионной механической обработки. К недостатку метода также относится относительно небольшая степень интеграции. ИМС. Эпик-процессы относительно сложны и трудоемки. Основная сложность заключается в необходимости прецизионной механической обработки. К недостатку метода также относится относительно небольшая степень интеграции. ИМС. б) Необходимо отметить, что эпик-технология требует прецезионной механической обработки, которая затруднена из-за наличия прогиба подложки в результате различия коэффициентов температурного линейного расширения монокристаллического и поликристаллического кремния и оксида кремния. Различие микротвердости этих материалов приводит к наличию ступенек на поверхности, что затрудняет получение качественной металлизации. С целью устранения отмеченных недостатков разработаны технологические процессы, в которых вместо поликристаллического кремния для изолирующих областей и основания кристаллов используют стекло, ситалл или керамику, т.е. проводят изоляцию диэлектрическим материалом Технология «Эпипланар»(рис. 1.7). Первоначально на кремниевой структуре со скрытыми слоями фор толстый слой окисла кремния. Этот слой может быть создан термическим окислением при повышенном давлении или осаждением SiO2 из газовой фазы. По слою SiO2 производится фотолитография для вскрытия окон, в которых проводят локальное эпитаксиальное наращивание кремния п-типа. В изолированных с боков окислом, а снизу р-п переходом областях монокристаллического кремния создают элементы микросхем. Эпипланарная технология имеет ряд достоинств, но сложна в осуществлении. 9 Для изготовления МДП-микросхем используют подложки с ориентацией рабочей поверхности по плоскости (100), поскольку при такой ориентации плотность поверхностных состояний примерно на порядок ниже, чем при ориентации (111). Концентрация легирующей примеси в подложке N≈10 15 см-3. Процесс окисления (рис. 8.1,д) под подзатворный диэлектрик толщиной 0,1...0,15 мкм проводится в тщательно очищенном и осушенном кислороде при 1100..1200°С; принимаются меры предосторожности, исключающие кристаллизацию окисла, возникновение в нем механических напряжений и уменьшающие заряд в окисле. Недостатком технологии является значительное (около 3 мкм) перекрытие электродом затвора областей истока и стока. Наличие такого перекрытия определяется тем, что область канала формируется с использованием трех ФЛГ, что заставляет закладывать в фотошаблоны запасы на технологические разбросы и ошибки при совмещении. Эта технология позволяет получать МДП-транзисторы с индуцированным каналом р-типа, работающие в режиме обогащения. 10 Схема изготовления а – выращивание маскирующего оксида и первая ФЛГ; б – выращивание подзатворного оксида; в – наращивание Si*; г – вторая ФЛГ; д – диффузия областей истоков и стоков; е – осаждение пленки оксида; ж – третья ФЛГ, формирование металлизации Толщина Si* около 0,5 мкм, оксида под затвором – 0,1 мкм. Одновременно с получением п+-областей происходит сильное легирование Si*. Обычно легируют мышьяком, обеспечивающим неглубокую диффузию. Примесь не проникает через затвор-оксид, поэтому затвор совмещается с каналом. При меньшей глубине диффузии меньше распространение примеси в боковом направлении и, следовательно, меньше перекрытие истоков и стоков затворами. После диффузии на всю поверхность пластины осаждают SiO2 для увеличения общей толщины слоя. Затем проводят ФЛГ для вскрытия окон под истоки, стоки и контактные площадки затворов, напыляют пленку алюминия и с помощью последней ФЛГ формируют рисунок металлизации. Замена алюминиевых затворов на поликремняевые уменьшает пороговое напряжение транзисторов и позволяет после формирования затворов выполнять высокотемпературные обработки, например отжиг для улучшения свойств границы раздела Si – SiO2. Недостатком поликремниевых затворов является высокое электросопротивление. В последнее время начали применять затворы из силицидов тугоплавких металлов, имеющих меньшее сопротивление, или из двойных слоев поликремний – силицид (полицид), имеющих сравнительно низкое сопротивление и стойких к термообработкам. двухкарманный» вариант создания КМОП-структур [3] позволяет получать профили легирования в каждом кармане независимо, и поэтому ни один из типов приборов не должен испытывать действия эффектов, связанных с излишним легированием. Формирование ИС по такому варианту предполагает использование слаболегированных подложек с проводимостью n-типа (ν-типа) [4] или р-типа (π-типа) [1]. Наиболее важные этапы формирования КМОП-структур с двумя карманами представлены на рис. 3. Исходный материал представляет собой слаболегированный эпитаксйальный слой n-типа, выращенный на сильнолегированной подложке. Такая структура в сочетании с соответствующим методом создания схемы позволяет формировать КМОП ИС, в которых не возникает явление защелкивания [5]. На рис. 3, а—в показано, как происходит формирование двойных самосовмещенных карманов с использованием одного этапа литографического маскирования. После образования двухслойной маски, состоящей из подслоя SiО2 и верхнего слоя Si3N4, в местах, предназначенных для создания n-карманов, удаляют маскирующее покрытие и производится ионная имплантация фосфора при низком ускоряющем напряжении, чтобы ионы, проникая в немаскированные участки кремния, на остальной части подложки задерживались в слое Si3N4 (рис. 3,а). Затем происходят локальное окисление подложек в области n-кармана и ионная имплантация бора в р-карманы после удаления слоя Si3N4 (рис. 3,6). Бор проникает в подложку через тонкую пленку подслойного окисла, в то время как области n-карманов защищены более толстым слоем SiО2. Впоследствии весь окисел удаляется и происходит разгонка примеси в обоих карманах (рис. 2, в). После разгонки примеси в карманах формируется изоляция транзисторов внутри карманов (каждый карман может содержать десятки тысяч транзисторов). После формирования изолирующего и подзатворного окислов возможно проведение ионной имплантации примеси в области каналов формируемых приборов для установления необходимой величины порогового напряжения. На следующем этапе происходят осаждение n+-поликремния, формирование с помощью фотолитографии затворов и ионная имплантация примеси в области истока и стока. Для того чтобы уменьшить число операций фотолитографии, сначала проводят ионную имплантацию бора без маскирования во все истоки и стоки (рис. 3,г). Затем выполняют ионную имплантацию фосфора локально в области истока и стока n-канального транзистора с более высокой дозой, чтобы перекомпенсировать находящийся там бор (3,д). После этого этапа профиль распределения бора в областях истока и стока n-канальных транзисторов в вертикальном и горизонтальном направлении полностью перекрывается профилем распределения фосфора. Такой метод был применен и к созданию мелких переходов n- и р-канальных транзисторов с помощью As и ВF2 соответственно [4]. Позднее производятся осаждение на поверхность структур фосфорно-силикатного стекла (рис. 3, е) и его оплавление при высокой, температуре. После вскрытия окон в слое фосфорно-силикатного стекла методом плазмохимического травления с помощью этого же метода происходит формирование топологического рисунка по слою алюминиевой металлизации. Самым последним слоем является плазмохимический нитрид кремния, который обеспечивает герметизацию приборов и их защиту от механических повреждений. Разрез получаемой после всех технологических этапов структуры представлен на рис. 2, в.
