Изоляция элементов полупроводниковых ИМС (продолжение)

размещению в диэлектрическом материале островков монокристаллического кремния и операции по формированию p-n переходов в этих островках (рисунок а). Труден подбор материала диэлектрической подложки для этой конструкции, поскольку коэффициенты термического расширения подложки и монокристаллического кремния должны совпадать, иначе проведение операций, связанных с нагревом, станет невозможным из-за коробления структур и появления дефектов в кристаллической решетке кремния.

Недостатки: сложный технологический процесс и малый выход годных микросхем; плохой отвод тепла от элементов микросхемы в подложку, поскольку тепловое сопротивление диэлектрических материалов в десятки раз больше теплового сопротивления монокристаллического кремния; трудность создания разводки из-за сравнительно большого перепада высот рельефа поверхности в структурах КНД; высокая плотность дефектов структуры в изолированных островках кремния и низкая воспроизводимость параметров элементов микросхем.

Комбинированная изоляция. Сочетает технологичность изоляции p-n переходом и высокие качества диэлектрической изоляции: элементы микросхемы со стороны подложки изолированы обратно-смещенными p-n переходами, а с боковых сторон – диэлектриком (стеклом, керамикой и т.д.). Таким образом, изоляция p-n переходами заменяется изоляцией диэлектриком в наиболее уязвимом приповерхностном слое и с боковых сторон.

Наибольшее распространение сегодня получили такие варианты комбинирования изоляции, как локальное окисление (изопланарная технология) (рисунок а) и вертикальное анизотропное травление с последующим заполнением канавок поликристаллическим кремнием (полипланарная технология) (рисунок б).

В основе технологических процессов лежит локальное сквозное «прокисление» или протравление тонкого (2…3 мкм) эпитаксиального слоя кремния n-типа, в результате этот слой оказывается разделенным на островки, в которых формируются элементы микросхем.

Комбинированная изоляция позволяет уменьшить паразитные емкости изолированных областей на подложку за счет устранения боковых участков p-n переходов, устранить токи утечки в области выхода p-n переходов на поверхность и на боковых участках p-n переходов. В то же время при методе комбинированной изоляции удается обеспечить хорошие условия теплоотвода и увеличить степень интеграции элементов в микросхеме за счет сокращения площади, отводимой под изоляцию.

 

46.Структура вертикального планарного эпитаксиального транзистора

Вертикальная структура интегрального биполярного транзистора показана на рисунке. Этот транзистор изготовлен по планарно-эпитаксиальной технологии, оба p-n перехода получены диффузией примесей (вначале акцепторной эпитаксиальный слой n-типа, затем в донорной в только что сформированную область p-типа). В процессе первой диффузии формируется базовая область транзистора, p-n переход база – коллектор (коллекторный) и p-n переход эмиттер – база (эмиттерный). Рабочей (активной) областью транзистора называется область, расположенная под донной частью эмиттера (на рисунке заштрихована). Остальные области транзистора являются пассивными, т.е. в какой-то мере паразитными. Их наличие обусловлено конструктивно-технологическими причинами. Транзисторы типа n-p-n Биполярный транзистор n-p-n типа является ключевым схемным элементом полупроводниковых микросхем. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор p-n-p типа, а технология его изготовления более проста.

Самое широкое распространение получила транзисторная n⁺-p-n структура со скрытым подколлекторным n⁺ слоем. Следует обратить внимание на то, что вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора. Это ведет к увеличению сопротивления тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора как в усилительном (частотную), так и в переключающем(уменьшает эффективность переключателя в режиме насыщения) режимах. Увеличение степени легирования всего объёма коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления снижает пробивное напряжение перехода коллектор – база и увеличивает ёмкость этого перехода, т.е. тоже ухудшает характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного n+ слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает низкоомный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту, не снижая величины пробивного напряжения перехода коллектор—база. Конструктивно этот слой располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина этого слоя составляет 1,5...2,0 мкм, типичные значения

Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной зоной. Для обеспечения необходимого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. Минимальные значения горизонтальных размеров прибора определяются двумя основными технологическими факторами: минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле и зазоров между окнами и глубиной боковой диффузии примеси под окисел. Поэтому при проектировании транзистора надо учесть, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно боыльше суммы размеров боковой диффузии p-базы и n+области под коллекторным контактом. Назначение этой n+ области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего алюминиевого контакта к слаболегированной n-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с пределом растворимости около 10¹⁸атомов/см³ Уровень же легирования эпитаксиального слоя n-типа, составляющего тело коллектора, равен 10¹⁵...10¹⁶ атомов/см³. Он диктуется, как уже сказано, необходимостью увеличить напряжение пробоя перехода коллектор – база. Расстояния между изолирующей областью p-типа и элементами транзистора определяются также эффектом боковой диффузии. Они должны быть равно примерно толщине эпитаксиального слоя, которая составляет обычно 2,0...3,5 мкм.