Технологічні процеси виробництва біполярних ІМС

 

Головним структурним елементом напівпровідникових ІМС на біполярних транзисторах (БТ) є транзисторна структура типу n ⁺- p – n із рівномірним розподіленням домішки в колекторній області.

Для виготовлення біполярних ІМС найчастіше використовують планарну і планарно - епітаксійну технологію. Особливістю планарно - епітаксійної технології є те, що колекторні області БТ створюють у епітаксійному шарі силіцію з електропровідністю n -типу, що нарощують на підложці p - типу, а базові та емітерні області - дифузією або йонною імплантацією легуючих домішок в епітаксійний шар. Емітерні області створюють донорними домішками максимально можливої концентрації, як правило такою домішкою є фосфор.

Для виготовлення біполярних ІМС використовують багато технологій, які відрізняються способом формування транзисторних структур і методом ізоляції елементів.

 

1.2.1. Технологічні процеси виробництва біполярних мікросхем із ізоляцією елементів обернено зміщеними p - n – переходами

 

В залежності від способу формування ізолювальних областей біполярні інтегровані мікросхеми створюють за наступними технологічними процесами:

- стандартна планарно-епітаксійна технологія з заглибленим n⁺ - шаром і ізоляцією обернено зміщеним p-n-переходом;

- планарно-епітаксійна технологія з заглибленим n⁺ - шаром і колекторною ізолювальною дифузією (КІД технологія);

- планарно-епітаксійна технологія із базовою ізолювальною дифузією (БІД – технологія);

- планарно-епітаксійна технологія із заглибленим n⁺ - шаром і ізоляцією подвійною дифузією і ін.

Розглянемо спрощені технологічні схеми і особливості конструкцій створених ними транзисторних структур, деяких із названих вище технологічних процесів. Транзистор є самим складним елементом мікросхеми, створення якого буде свідчити про виготовлення всієї інтегрованої мікросхеми.

1. Стандартна планарно-епітаксійна технологія з заглибленим n⁺ - шаром і ізоляцією обернено зміщеним p-n-переходом була однією із перших технологій виробництва біполярних інтегрованих мікросхем, за якою створювалися перші операційні підсилювачі, комутатори струму, помножувачі, модулятори і ін. мікросхеми (рис. 1.2). Технологія добре відпрацьована, легко освоюється в виробництві, забезпечує високі і стабільні електричні параметри мікросхем. Пройшла свій розвиток від перших мікросхем з топологічними розмірами в десятки мікрометрів до мінімального топологічного розміру 10 мкм, а після – до 5 і навіть 3 мкм топологічних норм, за яких забезпечується хороша відтворюваність електричних параметрів мікросхем.

Інтегровані мікросхеми за цією технологією частіше всього створюють у високоякісних напівпровідникових епітаксійних плівках, осаджених на напівпровідникових пластинах монокристалічного силіцію, отриманого методом Чохральського, марки ЕКДБ - 10/0,1. В позначенні літера Е визначає область застосування силіцію - епітаксійне нарощування плівок, К значить силіцій, Д – діркової провідності, Б – легований бором. Цифра 10 указує, що питомий опір пластини 10×10^-2 Ом.м (10 Ом×см), а довжина вільного пробігу носіїв 0,1 мм або 100 мкм. Величина мікронерівностей поверхні пластини р -типу відповідає 14-у класу.

При виготовленні біполярних напівпровідникових ІМС можуть використовувати двох або трьохшарові пластини, що мають таку структуру: силіцієва основа р -типу, на поверхню якої епітаксійно нарощено високолегований шар силіцію n ⁺-типу з питомим опором (2 - 5).10^-2 Ом.м, а на його поверхню нанесено низьколегований епітаксійний шар n -типу з питомим опором (0,1 - 0,5).10^-2 Ом.м.

Розглянемо послідовність основних технологічних операцій виготовлення біполярної напівпровідникової ІМС (рис. 1.2), що складається з транзистора VT, резистора VR і конденсатора VC (рис. 1.3).

Якщо як вихідний матеріал використовують пластину з уже підготовленою до необхідного класу чистоти поверхнею, то першою технологічною операцією буде оксидування робочої поверхні пластини (рис. 1.2, а). Плівка діоксида силіцію виконує в технологічному процесі дві найважливіші функції: захищає поверхню напівпровідника від забруднення сторонніми домішками і забезпечує можливість проведення локальної дифузії, йонної імплантації або локальної епітаксії при створенні елементів мікросхеми.

Наступною технологічною операцією буде перша фотолітографія, за допомогою якої в необхідних місцях пластини створюють вікна в оксиді під локальну дифузію. Виконують дифузію донорної домішки в напівпровідникову пластину p – типу провідності, створюючи заглиблені n +- області (рис. 1.2, б). При створенні заглибленої n +- області як легуючий матеріал використовують стибій або арсен, що мають у порівнянні з фосфором менший коефіцієнт дифузії. Тому на наступних термічних технологічних операціях створені області n +- типу не будуть помітно змінювати свої геометричні розміри.

Після цієї технологічної операції частина матеріала пластини, де створено n +- області і над якими на наступних ТО буде створено колекторну область транзистора, стає низькоомною. Це дозволяє істотно зменшити опір області колектора, створюваного транзистора.

Наступні ТО: зняття оксидного шару з поверхні пластини і епітаксійне нарощування силіцію n -типу на робочу поверхню пластини (рис. 1.2, в). Параметри заглиблених шарів і епітаксійних плівок для технологічного процесу з 10 – ти мкм топологічними нормами наведені в табл. 1.1. Для технологічних процесів з меншими топологічними нормами параметри областей будуть змінені пропорційно прийнятим коефіцієнтам масштабування.

 

Таблиця 1.1. Параметри заглиблених n ⁺-шарів і епітаксійних плівок

NN пп	Параметр	n ^+-шар арсен	n ^+-шар стибій
11.	Питомий поверхневий опір заглибленого n +-шару, Ом/		20-75
2.	Товщина заглибленого n +-шару, мкм	7 2
3.	Товщина епітаксійного n -шару, мкм	7,5 - 9,5	10 - 15
4.	Питомий обьємний опір епітаксійного n -шару, Ом.м	(0,1-0,4).10^-2	(1,5 –2,5).10^-2

 

Поверхню епітаксійної плівки оксидують і виконують другу фотолітографію, за допомогою якої у визначених місцях пластини створюють вікна в оксидній плівці під розділювальну дифузію. Виконують розділювальну ізолювальну дифузію (рис. 1.2, г, рис. 1.3, б). У відкриті вікна проводять дифузію акцепторної домішки. Оксид, що частково залишився на поверхні пластини, виконує функції маски, через яку практично не дифундують атоми легуючої речовини, оскільки коефіцієнт дифузії дифузанта в діоксиді силіцію менший у порівнянні з коефіцієнтом дифузії дифузанта в силіції. Після виконання цієї операції острівці силіцію n -типу виявляються оточеними зі всіх боків силіцієм p -типу. Тому вони є електрично ізольованими один від іншого n-p -переходами. Оскільки розділювальну ізолювальну дифузію виконують у дві стадії, на областях p -типу на другій стадії вирощують шар діоксида силіцію, який для легуючої домішки виконує функції віддзеркалюючої границі і одночасно захищає поверхню від дифузії небажаних елементів.

Виконують третю фотолітографію. Створюють вікна в діоксиді силіцію для проведення базової дифузії. Якщо разом їз областями бази створюють високоомні резистори, то у відповідних областях пластини відкривають вікна під резистивні смужки високоомних резисторів. Виконують дифузію акцепторної домішки (бор), створюючи області бази і резистивні смужки високоомних резисторів (рис. 1.2, д). Як і на попередній ТО, дифузію виконують у дві стадії і на поверхні нарощують шар діоксида силіцію, який буде виконувати маскувальні функції на наступних ТО. У залежності від значення опору резистора його конфігурація може бути різною. У даному випадку резистор виконано у формі меандру (рис. 1.3, в).

Виконують четверту фотолітографію. Створюють вікна в діоксиді силіцію для проведення емітерної дифузії і формування нижньої обкладинки конденсатора (рис. 1.2, е). Концентрація легуючої домішки в емітерній області повинна бути набагато більшою, ніж у вихідному епітаксійном шарі. Провідність силіцію в області емітера дуже висока, що дозволяє зробити його високоефективним. Крім того, це дає можливість виготовити нижню обкладку конденсатора низькоомною. На рис. 1.3, г зображено вид зверху частини пластини після закінчення емітерної дифузії. Поверхню пластини знову оксидують.

Виконують п’яту фотолітографію. Відкривають вікна в оксидному шарі під контакти до областей транзистора, резистора, конденсатора й ін. (рис. 1.2, є). На поверхню пластини наносять алюмінієву плівку (рис. 1.2, ж). Таку ТО називають металізацією.

По металізації виконують шосту фотолітографію (рис. 1.2, з). На поверхні кристала формують систему комутаційних провідників, включаючи верхню обкладинку конденсатора. На рис. 1.3, д зображена частина робочої поверхні кристала після формування шару провідників.

Готові пластини піддають випробуванням і відбракуванню, а потім розділюють на окремі кристали. Придатні кристали монтують у корпус. Установлення кристалів у корпус вирішує два основні завдання: захищає кристал від зовнішніх впливів і забезпечує електричний зв’язок із кристалом через систему виводів. Розроблено багато типів корпусів і способів складання і монтажу кристалів.

У залежності від технології виробництва, названі вище основні технологічні операції у конкретному технологічному процесі можуть повторювати по декілька разів. Навіть у розглянутій спрощеній схемі технологічного процесу виробництва біполярних інтегрованих мікросхем (рис. 1.2.) технологічний процес фотолітографії повторювали шість разів. Оскільки фотолітографію досить широко використовують у технологічних процесах виробництва як біполярних, так і МДН - інтегрованих мікросхем як окремий технологічний процес, то доповнимо розглянутий технологічний процес (рис.1.2) технологічними операціями фотолітографії.

Фотолітографія призначена для створення в плівці нітрида силіцію або діоксида силіцію рельєфного зображення одного топологічного шару мікросхеми. Рельєфне зображення топологічного шару мікросхеми виконує функції маски на поверхні пластини, через яку на наступних ТО виконують локальну дифузію, локальну йонну імплантацію, локальне епітаксійне нанесення монокристалічних плівок, локальне оксидування, локальне йонно – плазмове або хімічне травлення і інш.

Технологічний процес фотолітографії складається із декількох ТО:

1. Нанесення фоторезисту на поверхню оксидної плівки напівпровідникової пластини (рис. 1.4, а). Фоторезист – це світлочутливий матеріал, який наносять на поверхню, наприклад, пульверизацією або цетрифугуванням. Товщина фоторезистивної плівки може бути від 500 до 1000 нм. Використовують два типа фоторезистів: позитивний і негативний.

2. Сушіння фоторезистної плівки, в процесі якого відбувається видалення розчинників із фоторезиста. Сам резист набуває вигляду напівтвердої плівки.

3. Суміщення і експонування. Покриту фоторезистом пластину поміщають у пристрій суміщення, де вона суміщується із фотошаблоном. Положення пластини і фотошаблона регулюють так, щоб спеціальні мітки на фотошаблоні (реперні знаки) збігалися із відповідними на пластині. Фотошаблон виготовляють на скляній пластині, на одному боці якої в тонкій плівці металу або фотоемульсії створюють матрицю оптично контрастних зображень одного топологічного шару мікросхеми в масштабі 1:1. Фотошаблон площиною з малюнком притискають до пластини і вмикають джерело ультрафіолетового випромінювання (рис. 1.4, б). Високоенергетичне випромінювання через оптично прозорі області фотошаблона проникає до поверхні фоторезисту, в якому відбуваються фотохімічні реакції.

4. Проявлення. Позитивний фоторезист при опроміненні через фотошаблон і наступному проявленні створює пряме зображення рисунка фотошаблону. У областях фоторезисту, опромінених ультрафіолетом, відбуваються фотохімічні реакції деструкції. Тому під дією проявника експоновані області фоторезисту легко розчиняються і видаляються з поверхні. Неекспоновані області фоторезисту залишаються на поверхні практично нерозчинними (рис. 1.4, в). Негативний фоторезист при опроміненні через фотошаблон і наступному проявленні створює обернене зображення рисунка на фотошаблоні. У областях фоторезисту, опромінених ультрафіолетом, відбуваються фотохімічні реакції полімеризації і фоторезист стає стійким проти дії проявника.

5. Задублювання фоторезисту. За температури приблизно 150 ^оС відбувається сушіння фоторезисту, покращується його адгезія до оксидної плівки і кислотостійкість. Після цієї ТО на поверхні діоксиду силіцію створюється фоторезистна маска рисунка фотошаблону.

6. Перенесення зображення фоторезистної маски на плівку діоксиду силіцію. Зображення можна переносити різними способами: хімічним травленням, плазмовим і плазмо – хімічним видаленням і ін. Для розглянутого технологічного процесу перенесення виконують хімічним травленням. Пластини поміщають у розчин фтористоводневої кислоти і виконують ізотропний процес травлення діоксидної плівки в місцях не захищених фоторезистною маскою. Після травлення діоксиду силіцію в діоксидному шарі створюється рисунок вікон, який повторює рисунок у шарі фоторезисту і, відповідно, рисунок фотошаблону (рис. 1.4, д). Із поверхні пластини знімають фоторезист. Тривалість травлення контролюють з високою точністю: вона повинна бути достатньою для повного видалення діоксиду силіцію у вікні і не досить великою, щоб не допустити значного підтравлювання діоксиду під фоторезистною маскою. Бічне підтравлювання призводить до збільшення розмірів вікон у масці діоксиду силіцію у порівнянні із заданими при проектуванні.

Розглянутий процес перенесення зображення із фоторезистної маски на маску із діоксиду силіцію називають “вологим” травленням, в основі якого лежить процес ізотропного хімічного травлення. Такий процес хімічного травлення використовують у розглянутій технології.

Нині використовують сучасні методи перенесення зображення, до яких належать плазмові і плазмо - хімічні методи. У основі реалізації названих методів лежить процес анізотропного травлення. Тому такі методи називають методами “сухого” травлення. У методах сухого травлення за високого ступеня анізотропії, травлення у напрямку перпендикулярному до поверхні пластини відбувається значно швидше, ніж у боковому. Завдячуючи анізотропії травлення отримали субмікронні розміри елементів інтегрованих мікросхем.

Розглянута спрощена схема технологічного процесу виробництва біполярних інтегрованих мікросхем за планарно – епітаксійною технологією з заглибленим n ⁺- типу і ізоляцією обернено зміщеним p – n – переходом включала лише основні технологічні операції.

 

Таблиця 1.2. Склад ТП виготовлення кристала біполярних інтегрованих мікросхем за планарно – епітаксійною технологією по видам ТО

Кількість ТО	Основні	Вимірювальні	Контрольні	Підготовчі
	Кількість	%	Кількість	%	Кількість	%	Кількість	%

 

Типовий технологічний процес виробництва однієї із серій ІМС за розглянутою технологією складається із 131 технологічної операції виготовлення кристала і 39 складальних технологічних операцій. Всі ТО умовно поділяють на основні, вимірювальні, контрольні і підготовчі. У табл. 1.2. указано кількість технологічних операцій по названим групам для технологічного процесу виготовлення кристала.

Групи технологічних операцій виробництва ІМС за особливостями фізико – хімічних перетворень властивостей вихідного матеріалу і використовуваним обладнанням виконують на окремих участках. Перелік можливих участків і розподілення ТО виготовлення кристала по участкам технологічного процесу наведено в табл. 1.3.

 

Таблиця 1.3. Розподілення ТО виготовлення кристала по участкам

№ пп	Участки	ТО	Основні	Вимірюв.	Контрольні
Кільк	%	Кільк	%	Кільк	%	Кільк	%
1.	Хімічний					-	-
2.	Термічний
3.	Фотолітографії					-	-
4.	Напилення							-	-
5.	Епітаксії					-		-	-
6.	Підготовки					-	-	-	-

 

Розглянутий технологічний процес виробництва ІМС характеризується повторюваністю однотипних ТО. Так із 131 ТО виготовлення кристала на 24 виконують хімічне оброблення поверхні пластин, на 42 – дифузію, термічне оксидування і інш., на 56 – фотолітографічні технологічні операції і лише дві ТО: епітаксійне нарощування монокристалічної плівки на поверхні пластини і металізацію поверхні пластини виконують по одному разу.

Структура і топологія біполярного транзистора, виготовленого за планарно –епітаксійною технологією із заглибленим n ⁺ - шаром і ізоляцією обернено зміщеним p – n – переходом зображена на рис. 1.5: 1 – основа p – типу провідності, 2 – ізоляційна область p ⁺ – типу, 3 – область колектора, 4 – заглиблений n ⁺ - шар, 5 – область бази p – типу провідності, 6 – область емітера n ⁺ - типу, 7 – область n ⁺ - типу створюють разом із областю емітера і призначена вона для отримання омічних контактів до високоомної колекторної області 3.

Бічні поверхнi областi 2 та верхня поверхня областi 4 є межами колекторної областi 3. На основу 1 i з'єднану з нею iзоляцiйну область 2 подають негативну напругу, яка зворотно змiщує ізоляційний p – n - перехід між областями 2 і 3. Оскільки зворотний струм iзоляцiйного переходу малий, забезпечується задовiльна iзоляцiя транзистора вiд основи. Областi, оточенi з усiх бокiв iзоляцiйними p-n -переходами, називають кишенями або iзольованими областями. В них розмiщують не тiльки БТ, але й iнші елементи IМС (рис. 1.2).

Низькоомний заглиблений шар 4 шунтує розмiщений над ним епітаксійно вирощений високоомний шар n - типу, зменшуючи опiр колекторної областi 3. Це дозволяє також полiпшити частотнi властивостi транзистора, зменшити напругу насичення U_{CE sat} і таким чином знизити напругу низького рiвня цифрових IМС, в яких транзистори увiмкнено за схемою спільний емітер i функціонують у режимi насичення.

Розглянуту технологію використовують для IМС малого та середнього ступеню iнтеграцiї. Основна перевага цього методу iзоляцiї та конструкцiї біполярного транзистора - проста технологiя, однак iзоляцiя p-n -переходом не досконала: iзоляцiйнi областi - типу займають значну площу кристала; iзоляцiйний перехiд утворює бар'єрну ємнiсть, яка збiльшує затримку перемикання цифрових IМС i знижує граничну частоту аналогових IМС; при пiдвищеннi температури i iонiзуючому опромiненнi збiльшується зворотний струм, погiршуючи iзоляцiю. У структурi транзистора, iзольованого p-n -переходом, крiм основного - p – n – транзистора є паразитний p-n-p -транзистор.

За розглянутою технологією виготовляють різні серії біполярних ІМС: транзисторно – транзисторної логіки, Шоттки транзисторно – транзисторної логіки, емітерно – сполучено логіки, операційні підсилювачі, модулятори, комутатори і інш.

2. Планарно-епітаксійна технологія із заглибленим n⁺ - шаром і колекторною ізолювальною дифузією (КІД - технологія). У цій технології використано ефективний спосіб підвищення густини упакування елементів ІМС і одночасно ступеня інтеграції мікросхем. Сутність його в тому, що для ізоляції елементів мікросхем використано колекторну ізолювальну дифузію замість розділювальної дифузії p ⁺ - типу, як це зроблено у попередній технології.

Спрощена схема технологічного процесу, що відображає особливості КІД – технології, зображена на рис. 1.6. Як і у попередній технології, основою є силіцій p - типу провідності, поверхню якого оксидують і в необхідних місцях відкривають вікна для створення заглиблених n ⁺ - областей (рис. 1.6, а). Проводять локальну дифузію донорної домішки для створення заглиблених областей n ⁺ - типу (рис. 1.6, б).

Із поверхні пластини знімають оксид силіцію, виконують хімічне очищення і нарощують тонкий (приблизно 2 мкм) монокристалічний епітаксійний шар силіцію p – типу (рис.1.6, в). На поверхню епітаксійної плівки наносять оксидну плівку і в ній фотолітографією відкривають вікна для створення ізоляційних областей транзистора (рис. 1.6, г).

Локальною дифузією донорної домішки створюють ізоляційні області n ⁺⁺ - типу на всю глибину епітаксійного шару до зімкнення із заглибленим шаром n ⁺ - типу. Створені дифузійні області n ⁺⁺ - типу оточують області заглибленого n ⁺ - шару і знаходяться з ним у фізичному і електричному контакті. Як наслідок, утворюються ізольовані від основи колекторним шаром n ⁺ - типу локальні епітаксійні області p – типу (рис. 1.6, д), в яких будуть створені базові і емітерні області транзисторних структур. Області n ⁺⁺ - типу виконують дві функції: здійснюють ізоляцію транзисторних структур і утворюють глибокі високолеговані приконтактні області до колектора, які зменшують послідовний опір колектора.

Із поверхні пластини знімають діоксид силіцію і через всю поверхню пластини виконують тонку базову p ⁺ - дифузію (рис.1.6, е). Оскільки базову дифузію виконують без діоксидної маски, то із технології виключаються процеси нанесення маскувальних шарів і фотолітографії, чим спрощується технологічний процес.

Нанесення тонкого базового p ⁺ - шару вирішує декілька важливих проблем у конструкції транзистора:

- зменшується перехідний опір між рівномірно легованим епітаксійним шаром p - типу і металевим контактом до області бази, що виключає утворення випрямляльного контакту;

- поверхневий опір області бази, утворений дифузійним p ⁺ - шаром і рівномірно легованим епітаксійним шаром p – типу, набуває необхідного значення для створення високоомних резисторів.

На наступних ТО оксидують поверхню пластини, фотолітографією відкривають вікна в захисній плівці SiO₂ під області емітера, проводять мілку дифузію або йонну імплантацію донорної домішки в базові області p - типу для створення емітерних областей транзистора (рис. 1.6, є). За цієї ТО поверхневий p ⁺ - шар відтісняється у глибину епітаксійного шару p – типу, зменшуючи товщину області і опір активної області бази під емітером. Як наслідок, зростає частота функціонування транзистора і, відповідно, швидкість перемикання в цифрових ІМС і гранична частота функціонування мікросхем у лінійному режимі.

Відкривають вікна в діоксиді силіцію під контакти до областей транзистора, виконують металізацію поверхні і фотолітографією створюють систему провідників (рис. 1.6, ж). На поверхню пластини наносять пасивуючий шар діоксиду силіцію і відкривають вікна над зовнішніми контактними площинками. В результаті створюють транзисторні структури, ізольовані зворотно зміщеними p - n ⁺⁺ - переходами між дифузійними областями n ⁺⁺ - типу і епітаксійним шаром p – типу, хоча фактичної ізолювальної дифузії не проводили.

У біполярних транзисторів, створених за КІД технологією, товщина бази залежить від товщини епітаксійного шару, товщини зворотної n ⁺ - дифузії заглибленого шару і глибини емітерної дифузії з поверхні. За таких обставин розкид товщини бази буде значно більшим ніж для БТ, ізольованих розділювальною дифузією. Тому в такій технології більший розкид коефіцієнтів підсилення транзисторів за струмом і гірше узгодження характеристик. Тонкий епітаксійний шар p – типу бази обмежує пробивну напругу колектор – база. Крім того, оскільки n ⁺ - область колектора безпосередньо контактує із областю бази p – типу, то зменшується напруга пробивання колектор – емітер. Область колектора транзистора сильно легована, тому для збільшення швидкодії транзисторів немає необхідності проводити додаткову дифузію золота для зменшення тривалості життя неосновних носіїв струму, як це необхідно робити для попередньої технології.

Біполярні транзистори, виготовлені за КІД – технологією, мають розмір 5 х 5 мкм. Структура і топологія біполярного транзистора, виготовленого за КІД – технологією, зображена на рис. 1.7: 1 – основа p – типу провідності, 2 – ізоляційна область n ⁺⁺ – типу, 3 – область бази, 4 – заглиблений n ⁺ - шар (колектор), 5 – область емітера n ⁺ - типу.

КІД - технологія простіше стандартної (нараховує менше технологічних операцій), забезпечує більший відсоток придатних ІМС, має в 1,5...2 рази вищу густину розміщення елементів та швидкодію. Завдяки названим перевагам, КІД – технологія широко використовується для виготовлення як лінійних, так і цифрових ІМС.

3. Планарно - епітаксійна технологія із базовою ізолювальною дифузією (БІД – технологія). Технологія із базовою ізолювальною дифузією простіша ніж КІД – технологія, але для забезпечення нормального функціонування ІМС, виготовлених за такою технологією, необхідно мати додаткове джерело для зворотного зміщення ізолювальних областей. Крім того, розміри транзистора, виготовленого за БІД – технологією, 9 х 9 мкм більші ніж подібного, виготовленого за КІД – технологією.

Спрощена схема технологічного процесу, що відображає особливості БІД – технології, зображена на рис. 1.8. Як і у КІД - технології, основою є силіцій p - типу провідності, на поверхню якого нарощують монокристалічний епітаксійний шар силіцію n – типу (рис.1.8, а). Поверхню епітаксійної плівки оксидують і першою фотолітографією відкривають вікна для створення базових і кільцевих ізолювальних областей p⁺ - типу навколо бази (рис. 1.8, б). Одночасно виконують дифузію акцепторної домішки в область бази і в кільцеві ізолювальні області. Ізолювальні області p ⁺ - типу проникають не на всю глибину епітаксійного шару (рис. 1.8, в). Проводять другу фотолітографію, - відкривають вікна під області емітера і контакти до області колектора (рис.1.8, г). У відкриті вікна виконують дифузію донорної домішки, створюючи області емітера і контакти до області колектора (рис. 1.8, д). На наступних ТО відкривають вікна під контакти до областей транзистора і до ізолювальних областей, виконують металізацію і створюють систему комутаційних провідників (рис. 1.8, е).

Структура і топологія біполярного транзистора, виготовленого за БІД – технологією, зображена на рис. 1.9: 1 – основа p – типу провідності, 2 – ізолювальна область p ⁺ – типу, 3 – область колектора, 4 – область бази, 5 – область емітера n ⁺ - типу. Iзоляцiя транзисторiв здiйснюється функцiонально. Для забезпечення надійної ізоляції транзисторів на ізолювальні області 2 подають негативний полюс, а на епітаксійний шар n - типу – позитивний полюс додаткового джерела зміщення. Область просторового заряду (ОПЗ) ізолювального p – n - переходу розширюється до зімкнення з ОПЗ p – n - переходу основа – епітаксійний шар n – типу 6. Зiмкнувшись, вони створюють iзольовану область колектора 3.

4. Планарно-епітаксійна технологія із заглибленим n⁺ - шаром і ізоляцією подвійною дифузією. У розглянутій планарно – епітаксійній технології із заглибленим n ⁺ - шаром і ізоляцією обернено зміщеним p – n – переходом глибина розділювальної p ⁺-дифузії повинна бути досить великою, щоб розділювальна область пройшла крізь епітаксійний шар n – типу і досягла основи p – типу (рис. 1.2, д). За великої глибини дифузії відбувається також значна бокова дифузія під край вікна. Тому розділювальна p ⁺ - область буде досить широкою і займатиме на кристалі значну площу. За товщини епітаксійної плівки 10 мкм сумарна ширина p ⁺ - області на поверхні пластини буде від 30 до 50 мкм. Як наслідок, збільшуються розміри транзистора і зменшується ступінь інтеграції. Ізоляція елементів ІМС подвійною дифузією значно зменшує площу розділювальної області і кристала.

Схема технологічного процесу виготовлення біполярних мікросхем із ізоляцією подвійною дифузією зображена на рис. 1.10. Основою є силіцій p - типу провідності, поверхню якого оксидують. Проводять першу фотолітографію, в місцях розміщення розділювальних областей відкривають вікна в SiO₂ для створення заглиблених p ⁺ - областей (рис. 1.10, а). Виконують локальну дифузію акцепторної домішки для створення заглиблених областей p ⁺ - типу (рис. 1.10, б).

Проводять другу фотолітографію, в необхідних місцях відкривають вікна в SiO₂ для створення заглиблених n ⁺ - областей (рис. 1.10, в). Через маску в SiO₂ виконують локальну дифузію донорної домішки для створення заглиблених областей n ⁺ - типу (рис. 1.10, г).

Із поверхні пластини знімають діоксид силіцію, виконують хімічне очищення і нарощують тонкий (приблизно 2 мкм) монокристалічний епітаксійний шар силіцію n – типу (рис.1.10, д). При нарощуванні епітаксійного шару із областей p ⁺ - типу і n ⁺ - типу відбувається дифузія акцепторної і донорної домішки в нарощуваний монокристалічний шар. Області збільшуватимуться як у вертикальному, так і в горизонтальних напрямах.

На поверхню епітаксійної плівки наносять плівку діоксиду силіцію. Виконують третю фотолітографію, відкривають вікна для створення ізолювальних областей транзистора. Локальною дифузією акцепторної домішки створюють ізолювальні області p ⁺ - типу. Дифузію виконують приблизно на половину товщини епітаксійного шару (рис. 1.10, е). На наступних високотемпературних ТО дифузії і оксидування відбувається зустрічна дифузія акцепторної домішки в епітаксійний шар n - типу із заглиблених областей p ⁺ - типу і верхніх ізолювальних областей p ⁺ - типу до їх зімкнення.

Виконують четверту фотолітографію, відкривають вікна для створення контактних областей до заглибленого n ⁺ - шару. Проводять дифузію донорної домішки приблизно на половину товщини епітаксійного шару n - типу Створені дифузійні області n ⁺ - типу кільцем оточують області n - типу (рис. 1.10, ж).

На наступних ТО дифузією або йонною імплантацією створюють області бази і емітера, на поверхню пластини наносять шар металізації і виконують формотворення комутаційних провідників. В процесі виконання високотемпературних ТО дифузії і оксидування відбувається зустрічна дифузія в епітаксійний шар n - типу із заглиблених областей n ⁺ - типу і верхніх контактних областей n ⁺ - типу до їх зімкнення. (рис. 1.10, з). Після виконання всіх ТО заглиблені області p ⁺ - типу зімкнуться із поверхневими ізолювальними областями p ⁺ - типу, створивши надійне кільце ізолювальних областей навколо транзистора. Контактні області до колектора n ⁺ - типу зімкнуться із заглибленою n ⁺ - областю. Як наслідок, утворюються ізольовані зі всіх боків і від основи локальні епітаксійні області n – типу - колектори, в яких створюють базові і емітерні області транзисторних структур. Області n ⁺ - типу здійснюють ізоляцію транзисторних структур і створюють високолеговані приконтактні області до колектора, які зменшують послідовний опір колектора і покращують електричні параметри транзистора.

У розглянутій технології площа ізолювальних областей значно зменшена, але зросла кількість технологічних операцій, в тому числі дуже критичних, що ускладнило технологічний процес.

Структура і топологія біполярного транзистора, виготовленого за планарно – епітаксійною технологією із заглибленим n ⁺ - шаром і ізоляцією методом подвійної дифузії зображена на рис. 1.11: 1 – основа p – типу провідності, 2 – кільцева заглиблена ізолювальна область p ⁺ – типу, 3 – поверхнева кільцева ізолювальна область p ⁺ – типу, 4 – заглиблений n ⁺ - шар, 5 – кільцева контактна область колектора n ⁺ - типу до заглибленого n ⁺ - шару, 6 - область емітера n ⁺ - типу, 7 – область бази p - типу.

Відносну складність технологічних процесів характеризують кількістю технологічних операцій фотолітографії і основних технологічних операцій. У табл. 1.4. наведено порівняльні дані для розглянутих технологічних процесів.

Основними перевагами розглянутих технологічних процесів виробництва біполярних мікросхем із ізоляцією елементів обернено зміщеними p – n – переходами є: відносно простий ТП, відсутність критичних ТО, високий відсоток виходу придатних мікросхем. До недоліків слід віднести: значні розміри біполярного транзистора, обмежена ступінь інтеграції, велика тривалість технологічного циклу і недостатня ізоляція елементів мікросхем, яка проявляється через зворотні струми насичення p – n – переходів. Крім того, за великих площ ізолювальних p – n – переходів значно зростають струми споживання від джерела живлення.

 

Таблиця 1.4. Порівняльні характеристики для розглянутих ТП виробництва біполярних мікроссхем

Технологічний процес	Кількість операцій фотолітогр.	Кількість основн. операцій
Планарно- епітаксійна із ізоляцією обернено зміщеним p -–n - переходом
Планарно- епітаксійна із ізоляцією подвійною дифузією
Планарно- епітаксійна із ізоляцією колекторною ізолювальною дифузією
Планарно- епітаксійна із ізоляцією базовою ізолювальною дифузією
Планарно- епітаксійна із формотворенням трьома фотошаблонами