Технология полупроводниковых биполярных и МДП ИМС

6 Технология полупроводниковых биполярных и МДП ИМС

Итак, теперь мы подошли вплотную к основным технологическим операциям изготовления интегральных микросхем.

Современные интегральный микросхемы (в дальнейшем – ИМС) можно разделить на два класса: полупроводниковые и гибридные. К гибридным относятся ИМС, в которых содержатся отдельные навесные элементы. К полупроводниковым относятся ИМС, все элементы которой выполняются в объеме или на поверхности единой полупроводниковой подложки. В процессе изготовления такой схемы необходимо избирательно формировать транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и их соединения на одной полупроводниковой пластине – подложке и обеспечивать достаточно хорошую изоляцию, исключающую паразитное взаимодействие между ними.

6.1 Элементы ИМС

Технология ИМС предполагает значительное отличие элементной базы от обыкновенной электротехники. На рис 13 представлены основные элементы ИМС.

Полупроводниковая ИМС имеет общую подложку из кремния р-типа. На ней выполняются транзисторы (рис 14 а), резисторы (рис 14 б), конденсаторы (рис 14 в) и диоды.

Диоды образуют из транзисторных структур, используя различные способы соединений их электродов.

Имеется пять способов включения транзистора как диода, отличающихся различной крутизной прямой ветви ВАХ и временем восстановления обратного сопротивления. Наименьшее время переключения имеет диод, одним электродом которого служит эмиттер, а другим – соединенные вместе коллектор и база.

Полупроводниковые резисторы изготовляют одновременно с активными элементами. Они обычно выполняются в виде прямоугольного слоя полупроводника при базовой диффузии и называются диффузионными. В таких резисторах используется объемное сопротивление материала, имеющего определенную степень легирования. Диффузионные резисторы могут иметь номинальные значения сопротивлений от нескольких ом до двух десятков килоом.

Конденсаторы полупроводниковых ИМС выполняются двух видов. Часто в качестве конденсаторов используют смещенный в обратном направлении р-n переход. Емкость такого конденсатора зависит от величины обратного напряжения, а последовательно с ней всегда оказывается включенным большое объемное сопротивление полупроводникового материала. Таким образом можно изготовить конденсаторы емкостью до сотни пикофарад. Другой разновидностью являются металл-окисел-полупроводниковые конденсаторы, которые образуются областью n⁺-типа (от эмиттерной диффузии) и металлической пленкой алюминия, разделенными слоем двуокиси кремния. Эти конденсаторы могут иметь емкость до нескольких сотен пикофарад.

Рассмотренные элементы полупроводниковых ИМС обладают паразитными компонентами, ограниченным диапазоном номинальных значений и весьма малыми рассеиваемыми мощностями. При разработке топологии ИМС необходимо стремиться к исключению паразитных связей между ее элементами и к обеспечению требуемого теплоотвода.

6.2 Изготовление биполярных ИМС с изоляцией p-n переходами

 

На рис 15 показана структура интегрального n-р-n-транзистора изолированного p-n переходом. В этом транзисторе подложкой является кремний р-типа; на ней созданы эпитаксиальный n-слой и так на­зываемый скрытый n⁺-cлoй. Изолирующий р-n-переход создается путем диффузии ак­цепторной примеси на глубину, обеспечивающую соединение образу­ющихся при этой диффузии р-областей с р-подложкой. В этом случае эпитаксиальный n-слой разделяется на отдельные n-области (изоли­рующие «карманы»), в которых и создаются потом транзисторы. Эти области будут электрически изолированы только в том случае, если образовавшиеся р-n переходы имеют обратное включение. Это дости­гается, если потенциал под­ложки n-р-n транзистора бу­дет наименьшим из потенци­алов точек структуры. В этом случае обратный ток через р-n переход незначителен и практически исключается связь между n-областями (карманами) соседних тран­зисторов.

Теперь, зная принцип изоляции p-n переходом, и воспользовавшись материалом предыдущих пунктов, можно дать развернутое описание технологии.

а) Изготовление биполярных ИМС методом разделительной диффузии насквозь эпитаксиального слоя (рис 16) состоит из двух этапов: изготовления эпитаксиальной структуры со скрытыми n⁺-областями (а-в) и изготовления биполярной ИМС на этой структуре (г-з).

з)

Эпитаксиальные структуры обычно изготавливают в отдельном процессе. Легирующая примесь для скрытых n⁺-областей должна иметь высокую растворимость в кремнии при малой глубине диффузии. Поверхностная концентрация скрытого слоя не должна быть слишком высокой, так как это увеличивает диффузию в растущий эпитаксиальный слой, а также механические напряжения и плотность дислокаций, вызванные несоответствием атомных радиусов кремния и примеси. В связи с этим для получения скрытого n⁺-слоя применяют сурьму и мышьяк, которые имеют меньшие, чем фосфор, коэффициенты диффузии. Однако при использовании мышьяка в скрытых слоях наблюдается большое количество дефектов. Поэтому для создания высоковольтных биполярных микросхем скрытые слои легируют преимущественно сурьмой.

Эпитаксиальный n-слой выращивают обычно хлоридным методом. Толщина слоя 3 ¸ 25 мкм в зависимости от назначения ИМС.

По рассмотренной технологии изготавливают ИМС первой и второй степени интеграции. Возможности процесса для получения более высоких степеней интеграции ограничены из-за ряда недостатков ИМС: наличия больших токов утечки, большой площади изолирующего р-n перехода, а значит и емкости паразитной связи, низкой радиационной стойкости.

б) Изготовление биполярных ИМС методом коллекторной изолирующей диффузии (КИД) – изолированные карманы и одновременно коллекторные n⁺n⁺⁺-области формируются в процессе диффузии донорной примеси сквозь тонкий (1 ¸ 2 мкм) эпитаксиальный p-слой (рис 17). Для изолирующей диффузии необходимы окна в SiO₂-маске (на рисунке не указаны), перекрывающие скрытые n⁺-области. После диффузии получаются изолированные n⁺p-карманы. Базовая p⁺-диффузия проводится без SiO₂-маски, что исключает фотолитографию и упрощает технологический процесс.

В КИД-технологии число фотолитографий уменьшается по сравнению с предыдущим процессом. Область коллектора сильно легирована, поэтому нет необходимости для повышения быстродействия ИМС проводить дополнительную диффузию золота или другой понижающей время жизни неосновных носителей тока примеси. Однако в эпитаксиальной базе дрейф носителей от эмиттера к коллектору уменьшен, что понижает быстродействие ИМС. Кроме этого тонкий эпитаксиальный слой ограничивает пробивное напряжение коллектор-база из-за распространения объемного заряда в базовую область.