Методы электрической изоляции элементов полупроводниковых ИС

В монолитных полупроводниковых ИС активные и пассивные компоненты реализуются в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. Для выполнения определенных функций эти элементы должны быть электрически соединены по заданной схеме. В отличие от схем на дискретных элементах, монтируемых на диэлектрическую плату (электрически изолированных), в полупроводниковой ИС необходимы конструкционные области, обеспечивающие изоляцию каждого или группы элементов друг от друга для реализации необходимых режимов по току и потенциалу. Различают три основных метода изоляции элементов:

· изоляция обратносмещенным p-n переходом;

· изоляция диэлектриком;

· гибридная изоляция, совмещающая боковую изоляцию диэлектриком, а основание – p-n переходом.

В полупроводниковых ИС используются как биполярные, так и МДП-транзисторы. Благодаря электрической самоизоляции МДП-транзисторов одного типа проводимости в ИС на их основе (МОП ИС) снимаются проблемы, связанные с созданием изолирующих областей, и тем самым увеличивается эффективность использования пластины и степень интеграции. Именно по этой причине, а также меньшему количеству сложных технологических операций более 90% всех СБИС и УБИС выполняется по МДП технологии. Тем не менее, и в МДП ИС используется боковая изоляция элементов диэлектриком для уменьшения паразитных связей. В ряде случаев применяется полная диэлектрическая изоляция, например, МДП ИС на сапфире или на подложке SiO₂-Si.

В полупроводниковых ИС на основе биполярных и полевых транзисторов с управляющим p-n переходом или барьером Шоттки требуется создание изолированных «карманов» – n-областей, в которых формируются активные и пассивные элементы. Эти «карманы» изолированы друг от друга либо обратносмещенным переходом, либо диэлектриком.

Исключением для биполярных ИС являются БИС и СБИС интегральной инжекционной логики, в которых схемотехника не требует изоляции элементов. В результате в этих схемах достигается степень интеграции, аналогичная МДП ИС.

Для интегральных схем малой и средней интеграции широко используется изоляция элементов методом разделительной диффузии (РД). Суть этого метода (рисунок 2.30) заключается в создании n-карманов в эпитаксиальной пленке, выращенной на p-подложке с предварительно созданным n⁺-заглубленным слоем для уменьшения омического сопротивления тела коллектора n-p-n транзистора. По периметру n-кармана, например, прямоугольной формы, проводится сверху локальная диффузия примеси p-типа.

Рисунок 2.30 - Конструкция интегрального биполярного транзистора

с изоляцией по технологии «РД»

Поверхность схемы покрыта защитным слоем ПФСС-пиролитическим фосфоро-силикатным стеклом.

На рисунке 2.31 представлена структура базового элемента КМОП ИС на комплементарных (n-канальных и p-канальных) МОП-транзисторах с противоканальными областями n⁺- и p⁺-типа. Противоканальная n⁺-область «окружает» p-канальный транзистор, а противоканальная область p⁺-типа – n-канальный транзистор, сформированный в p-кармане.

Рисунок 2.31 - Структура базового элемента КМОП ИС

Схема диэлектрической изоляции элементов биполярных ИС (КСДИ – кремний с диэлектрической изоляцией) представлена в таблице 2.1. В пластине кремния n-типа с ориентацией для более воспроизводимого по глубине анизотропного травления кремния (рисунок 2.25) с будущей рабочей стороны с помощью маски Si₃N₄ формируют n-карманы с заглубленным n⁺-слоем. Затем термически окисляют поверхностный рельеф и для дополнительной электрической изоляции наносят слой пиролитического окисла кремния. Далее, на эту поверхность осаждают поликристаллический кремний, который служит подложкой для интегральной схемы. После этого пластину переворачивают и проводят цикл физико-химической шлифовки и полировки для вскрытия n-карманов, изолированных пленкой SiO₂. В этих карманах формируются активные и пассивные элементы схемы.

Другой тип электрической изоляции элементов с помощью диэлектрика показан на рисунке 2.32. В этом случае используется так называемая технология «кремний на диэлектрике». К ней относится технология КНС (кремний на сапфире), основанная на гетероэпитаксии монокристаллических пленок кремния на кристаллах окисла алюминия Al₂O₃ , технология перекристаллизации поликристаллического кремния, осажденного на поверхности кремниевой пластины, покрытой термическим окислом, и технология формирования заглубленного слоя SiO₂ методом глубокой ионной имплантации кислорода и азота.

Рисунок 2.32 - КМОП ИС по технологии «Кремний на диэлектрике» с боковой

изоляцией локальным окислом и самосовмещенным затвором

1 – салицид (шины питания, выход); 2 – n⁺-поликремний (затвор); 3 – локальный окисел; 4 – ионно имплантированный слой SiO₂+Si₃N₄; 5 – исток-сток p-канального транзистора; 6 – исток-сток n-канального транзистора; 7 – p-карман; 8 – n-карман; 9 – эпипленка; 10 – подложка

Таблица 2.1 - Изготовление интегральной биполярной ИС по технологии «КСДИ»

Двусторонняя загонка сурьмы – формирование скрытого слоя, удаление силикатного стекла, окисление Si. Пиролитическое осаждение Si3N4 с рабочей стороны.	Удаление слоев ПSi3N4 и ТSiO2 , термическое окисление, нанесение ПSiO2, эпитаксиальное осаждение поликристаллического кремния.
Фотолитография с плазмохимическим травле-нием Si3N4 и SiO2, изотропное травление Si.	Травление ТSiO2, двухсторонняя шлифовка- планаризация, полный цикл шлифовки-полировки новой рабочей стороны, термическое окисление.
Формирование активных областей вертикального и горизонтального биполярных транзисторов, вскрытие контактных окон, формирование шин металлизации, вжигание Al, осаждение защитной пленки пиролитического фосфоро-силикатного стекла, вскрытие окон к контактным площадкам.

В полупроводниковых микросхемах широко применяются пленки
поликристалл-лического кремния, легированные донорами или акцеп-
торами, нанесенные на поверхность кремниевой пластины, покрытой
диоксидом кремния. Такие пленки формируются обычно химическим
осаждением из газовой фазы. В отличие от монокристаллического крем-
ния в поликристаллических пленках малы подвижность электронов и
дырок и время жизни неосновных носителей. Это объясняется наличием
большого числа дефектов структуры, являющихся центрами рассея-
ния и рекомбинации. Поэтому параметры транзисторов, сформирован-
ных в поликристаллической пленке, значительно хуже, чем в моно
кристалле. Термическая обработка (отжиг) позволяет значительно по-
высить подвижность носителей заряда в пленке, что делает возможным
создание в ней полевых (в частности, МДП) транзисторов с удовлетво-
рительными параметрами.

В результате плавления поликремниевой пленки при отжиге и по-
следующей рекристаллизации при охлаждении монокристаллические
зерна кремния укрупняются и параметры пленки приближаются к па-
раметрам монокристалла. Известны методы отжига с помощью лазер-ного луча, сканирующего по поверхности пластин, а также движуще-
гося ленточного графитового нагревателя. Последний способ по
зволяет получать пластины со структу
рой типа Si - SiO₂ - Si большого диаметра
(более 75 мм), по своим парамет-
рам не уступающие дорогостоящим пла
стинам со структурой типа кремний на
сапфире, получаемом с помощью гетеро-
эпитаксии.

При отжиге с помощью движущегося
ленточного графитового нагревателя 1
слой SiO₂ толщиной 0,4... 1 мкм нано
сится на кремниевую пластину всюду,
за исключением ее крайних участков, а
слой поликремния толщиной 0,5 мкм -
на всю поверхность. Пластина 1
(рисунок 2.33,а) помещается на неподвиж-
ный нагреватель 2, повышающий ее тем
пературу до 1200 °С. Подвижный гра-
фитовый нагреватель 8 расположен на
расстоянии около 1 мм от поверхности,
имеет температуру свыше 1700 °С и пе-
ремещается от края пластины со ско
ростью примерно 2 мм/с. На краях слой
поликремния 4 контактирует с моно
кристаллической пластиной 1 и после
плавления и рекристаллизации превращается в монокристалл с той
же ориентацией, что и пластина. По мере движения нагревателя про-
исходит плавление слоев, расположенных над диоксидом, которые
после прохода нагревателя превращаются в монокристаллические,
продолжающие структуру крайних участков. Полученная пленка
кремния по сравнению с пластиной имеет повышенную плотность де-
фектов, особенно на границе раздела с диоксидом, поэтому подвиж-
ность носителей в ней в 1,5... 2 раза ниже, чем в монокристалле.
По мере усовершенствования метода подвижность носителей будет
повышаться.

Рисунок 2.33 - Схемы получения структур типа Si-SiO₂-Si: методом кристаллизации (а)

и методом ионной имплантации кислорода (б)

Принципиально отличающимся методом создания структур типа
Si - SiO₂ - Si является метод ионного легирования исходной
кремниевой пластины кислородом (рисунок 2.33 б) с последующим про-
греванием. В результате на малом расстоянии от поверхности (0,1 мкм)
получается слой SiO₂, толщиной около 0,5 мкм (рисунок 2.33 в). Тонкий
приповерхностный слой сохраняет структуру монокристалла, поэтому
применяя эпитаксию, его толщину можно увеличить. Такой метод обес-
печивает лучшее качество пленки, в том числе высокую подвижность
носителей.

Гибридная изоляция элементов кремниевых ИС представлена в таблице 5.2 на примере технологии «Изопланар – IIn». В этом случае боковая область n-кармана изолируется локальным окислением кремния, а основание кармана – p-n переходом. При локальном окислении в качестве маски используется пленка Si₃N₄. Эта технология позволяет существенно уменьшить размеры интегрального транзистора, и поэтому она широко используется при изготовлении БИС и СБИС биполярных интегральных схем.

Таблица 2.2 - Технологический процесс изготовление интегральных

биполярных ИС по технологии ИЗОПЛАНАР – IIn

1. Исходная подложка	2. Окисление
3. Фотолитография №1, «вскрытие окон под скрытый слой»	4. Создание скрытого слоя – загонка As
5. Удаление SiO2 травлением HF, промывка, сушка	6. Газовое травление, эпитаксиальное выращивание n-слоя
7. Окисление – получение буферного слоя SiO2	8. Осаждение Si3N4
9. Фотолитография №2, плазменное травле- ние – «создание окон под локальный окисел»	10. Локальное окисление
11. Удаление Si3N4 и тонкого слоя SiO2, окисление	12. Фотолитография №3 – «создание окон под базу»
13. Загонка бора	14. Разгонка бора с окислением
15. Фотолитография №4 – «вскрытие окон под эмиттер»	16. Ионная имплантация мышьяка
17. Разгонка эмиттерной примеси	18. Фотолитография №5 – «вскрытие окон под контакты»
	19. Напыление Al. Фотолитография №6 – «формирование шин металлизации»
20. Вжигание металлизации. Нанесение пиролитического фосфоро-силикатного стекла. Фотолитография №7 – вскрытие окон к контактным площадкам. Металлизация обратной стороны подложки. Контроль функционирования.