изоляция. Методы изоляции прецизионных цепей
 Скачать 22.47 Kb.
|
|
Методы изоляции прецизионных цепей Качество и процент выхода тодных полупроводниковых ИМС в значительной мере зависят от совершенства методов изоляции элементов ИМС друг от друга. Выбор метода изоляции во многом определяет технологию производства микросхем. Наиболее широко используются следующие три способа изоляции элементов: обратно смещенным р-n-переходом, диэлектриком и путем комбинации обратно смещенного p-n-перехода с диэлектрической изоляцией. Изоляция элементов ИМС обратно смещенным р-п-переходом. Для этого способа изоляции характерны следующие разновидности: а) диодная изоляция (обратно смещенным р-n-переходом, созданным методом разделительной диффузии); б) коллекторная изолирующая диффузия (КИД); в) базовая изолирующая диффузия (ВИД); г) метод трех фотошаблонов; д) метод самоизоляции «-областью (метод двойной диффузии). Диодная изоляция. Достоинство этого наиболее распространенного способа изоляции, иллюстрируемого рис. 5.1, заключается в простоте и сравнительно малой стоимости изготовления ИМС. Однако этот способ изоляции имеет ряд недостатков. Самый большой недостаток структур с диодной изоляцией обусловлен наличием паразитных емкостей, ограничивающих быстродействие ИМС. Кроме того, при использовании такой изоляции большая часть площади кристалла занята изолирующими диффузионными областями. Это объясняется тем, что при проведении изолирующей диффузии примеси n-типа проникают в боковом направлении на расстояние, равное толщине эпитаксиального слоя, которая при стандартном методе диодной изоляции составляет 7... 10 мкм. Дальнейшее повышение плотности элементов и уменьшение паразитных емкостей было достигнуто с появлением возможности наращивания эпитаксиальных слоев толщиной 1...3 мкм. Коллекторная изолирующая диффузия. Этот способ основан на использовании кремниевых эпитаксиальных структур со скрытыми слоями. Однако тонкий эпитаксиальный слой (толщиной 1 ...2 мкм) имеет проводимость p-типа, а не n-типа, как в случае создания ИМС с диодной изоляцией. Для изоляции элементов ИМС проводят селективную диффузию донорной примеси через эпитаксиальный p-слой так, чтобы по периферии образовался контакт со скрытым слоем. Полученная диффузионная p-область полностью окружает каждый участок скрытого слоя и является контактом к коллекторной области. Затем проводится диффузия акцепторной примеси для создания тонкого p-слоя по всей поверхности пластины. Такая диффузия улучшает качество транзистора, и для ее проведения не требуется использование фотошаблона. Далее последовательно проводятся следующие операции: диффузия донорной примеси для формирования эмиттерных областей, травление контактных окон и создание алюминиевой металлизации. Эти операции проводятся так же, как и при изготовлении транзисторных структур с диодной изоляцией. Коллекторная изолирующая диффузия позволяет сократить площадь элементов в 3-4 раза по сравнению со стандартным методом диодной изоляции. С помощью КИД достаточно легко выполняются диффузионные перемычки, так как в этом случае не требуется изолирующая область. Кроме того, площадь, занимаемая диффузионной перемычкой, составляет лишь четверть площади, необходимой для создания такой же перемычки при диодном методе изоляции. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером и сопротивление насыщения получаемого при этом транзистора, представляющие собой важнейшие параметры переключения, значительно ниже соответствующих параметров транзистора с диодной изоляцией. При использовании КИД количество фотолитографических операций уменьшается на одну по сравнению с технологией изготовления ИМС с диодной изоляцией. Это позволяет повысить процент выхода годных и уменьшить стоимость изготовления ИМС. Базовая изолирующая диффузия. БИД применяется при изготовлении ИМС, работающих на малых уровнях мощности. При таком способе изоляции используется подложка р-типа с тонким эпитаксиальным слоем. В отличие от структур с коллекторной изолирующей диффузией, использование скрытого Технологически этот метод еще более прост, чем КИД. Формирование базовых областей и изолирующих участков p-типа вокруг базовых областей производится одновременно в процессе локальной диффузии акцепторных примесей. Эмиттсрныс области получают путем диффузии донорных примесей. Эта же диффузия используется и для создания омических контактов к коллекторной области. Диффузия акцепторной примеси проводится нс на всю глубину эпитаксиального слоя. Поэтому изоляция элементов ИМС осуществляется пугем приложения к изолирующим участкам p-типа отрицательного напряжения, вызывающего расширение обедненного слоя до подложки. Недостаток этого способа изоляции элементов ИМС обусловлен необходимостью использования дополнительного источника питания для обратного смещения изолирующих участков. Метод трех фотошаблонов. При использовании этого метода для создания и изоляции элементов ИМС требуются три операции фотолитографии. В структурах, изготовленных по этой технологии , ток протекает в горизонтальном направлении. Подложка выполняется из слаболегированного кремния р-типа с удельным сопротивлением около 1000 Ом-см. Для создания базовых областей в подложку на небольшую глубину проводят диффузию акцепторных примесей. Эмиттерные и коллекторные области создают одновременно путем диффузии донорной примеси сквозь базовую р'-область. При этом коллекторная область полностью окружает базовую и обеспечивает изоляцию в поперечном направлении. Эмиттер расположен внутри коллекторного кольца. Вертикальная изоляция обеспечивается широкой областью объемного заряда, возникающей в подложке под коллекторным кольцом при обратном смещении коллекторного p-n-перехода. Метод трех фотошаблонов наиболее прост по сравнению с рассмотренными методами изоляции, однако с его помощью нельзя обеспечить высокое быстродействие ИМС. Метод самоизоляции п-областью. Исходной в этом случае является кремниевая подложка /?-типа. Для получения скрытого слоя и подколлектора в эту подложку проводят локальную диффузию фосфора и мышьяка. Затем наращивают эпитаксиальный слой n-типа и подвергают структуру высокотемпературной обработке, в процессе которой идет диффузия фосфора и мышьяка в эпитаксиальный слой (процесс автолегирования). Поскольку коэффициенты диффузии этих примесей различны, то фосфор диффундирует на большую глубину, в результате чего образуется n-область. Последующие технологические процессы формирования элементов ИМС аналогичны процессам создания элементов ИМС с диодной изоляцией. Метод самоизоляции n-областью позволяет уменьшить размеры ИМС более чем вдвое по сравнению с обычным методом диодной изоляции, причем электрические характеристики ИМС не ухудшаются. Диэлектрический способ изоляции. Применение диэлектрической изоляции позволяет повысить рабочую частоту линейных и быстродействие цифровых ИМС, а также увеличить пробивные напряжения и практически свести до нуля ток утечки. При этом способе изоляции улучшается также радиационная стойкость ИМС. Рабочая частота и быстродействие увеличиваются вследствие того, что при изоляции диэлектриком примерно на два порядка уменьшается удельная паразитная емкость. При диэлектрической изоляции пробивное напряжение определяется электрической прочностью и толщиной диэлектрического материала: Unp = E d, где Е - диэлектрическая прочность; d - толщина. Пробивные напряжения при использовании диэлектрического способа изоляции достигают нескольких сотен вольт. В настоящее время наиболее распространены три способа диэлектрической изоляции: а) тонкой пленкой диэлектрика; б) воздушными промежутками; в) диэлектрическими материалами. Изоляция элементов ИМС тонкой пленкой диэлектрика. Наиболее характерным для этой группы методов изоляции является эпик-процесс. В качестве исходной подложки используют монокристаллическую кремниевую пластину л-типа. На одной из сторон пластины наращивают эпитаксиальный слой n-типа или создают диффузионный слой. Затем проводят окисление поверхности подложки. С помощью процесса фотолитографии в пленке SiO2 вскрываются окна, т.е. создается маска для глубинного травления. Через эту маску вытравливают канавку в кремнии, стенки которой затем снова подвергают окислению. Поверх пленки SiO2 наращивают эпитаксиальный поликристаллический слой кремния толщиной 300...600 мкм. Затем пластину переворачивают, шлифуют и полируют со стороны монокристаллического кремния почти до пленки SiO2. Оставшийся перед пленкой SiO2 слой монокристаллического кремния снимают в полирующем травителе. В результате получается подложка с изолированными областями (карманами) монокристаллического кремния. В каждом из карманов обычными приемами планарной технологии формируют необходимые структуры активных и пассивных элементов ИМС. Таким образом, изоляция элементов ИМС осуществляется тонкой пленкой SiO2. Слой поликристаллического кремния, в котором утоплены области монокристаллического кремния, играет роль несущей подложки. Изоляция элементов ИМС воздушными промежутками. Принципиальное отличие изоляции воздушными промежутками от изоляции тонкой пленкой диэлектрика заключается в наличии непроводящей подложки. Этим отличием обусловлены качественно новые характеристики ИМС. К методам изоляции элементов ИМС воздушными промежутками относятся: декаль-метод, метод балочных выводов, мсгод «кремний на сапфире» (КНС) и др. Комбинированный способ изоляции.Стремление к использованию преимуществ, которыми обладают методы изоляции с помощью обратно смещенного р-п-перехода и диэлектрической изоляции в единой структуре, привело к созданию комбинированного способа изоляции. При комбинированном способе изоляция элементов с боковых сторон осуществляется диэлектриком, а со стороны дна - обратно смещенным р-n-переходом. Способы комбинированной изоляции, (изоиланар, эпипланар, полипланар и др.) наиболее перспективны для получения высокой плотности размещения элементов и улучшения электрических параметров ИМС. |