Эпитаксиально планарного

Пример организации БМК с И2Л-структурами представлен на 2.20. В центре кристалла из материала р-типа расположена изолированная я-область, в которой формируется матрица ячеек из И2Л-структур. В конструкциях, изготовляемых по эпитаксиально-планарной технологии, участки между соседними И2Л-структурами заполнены материалом п+-типа [1,5]. Это позволяет устранить паразитные

2.25. Топология и структура ячейки БМК на КМОП-тран-зисторах, изготовляемого по эпитаксиально-планарной технологии

Параметры переходов (при нулевом смещении) в эпитаксиально-планарной структуре ИС

1.5. Укрупненная схема технологического процесса изготовления ИС эпитаксиально-планарной структуры со скрытым п+-слоем

Точность выходных характеристик ИС непосредственно зависит от точности электрофизических параметров диффузионных областей. Поэтому важным этапом является межаперационный .контроль в процессе диффузии (обычно с помощью пластины-свидетеля). В табл. 1.3 даны характерные величины параметров эпитаксиально-планарной структуры ИС и допуски на них.

Физические основы процесса. Эпитаксия (от греческих «эпи» — на, «таксис» — располагать в порядке) — это процесс осаждения атомарного кремния на монокристаллическую кремниевую подложку, при котором полученная пленка является продолжением структуры основания. Практическое значение имеют осаждение легированной эпитаксиальной пленки на легированном основании. При различных типах электропроводности на границе пленки и основания возникает р-п-переход. В эпитаксиально-планарной структуре тонкая эдил-аксиальная пленка толщиной 2—25 мкм содержит элементы ИС, а основание толщиной около 200 мкм играет чисто конструкционную роль. В отличие от диффузии примесей в основание, позволяющей получать области только с более высокой концентрацией примесей, эпитаксия дает возможность получать слои с широким диапазоном удельных сопротивлений, не зависящих от сопротивления основания.

При значительной разности концентраций примеси в подложке и пленке (в эпитаксиально-планарной структуре эти концентрации отличаются на порядок) имеет место также заметное смещение р-я-перехода. В пленках малой толщины перераспределение примеси может существенно изменить свойства переходов коллектор — подложка и коллектор — база.

Транзисторы. Для всех конструктивно-технологических типов полупроводниковых интегральных схем транзисторы являются основными и наиболее сложными компонентами. В современной интегральной полупроводниковой технике используются транзисторы двух типов — биполярные и полевые (МДП-транзисторы). Специфическая особенность их заключается в том, что изготавливаются они по планарной или эпитаксиально-планарной технологии. Для структуры планарных транзисторов характерно расположение выводов в одной плоскости (плане). Плоская система позволяет простым способом — нанесением пленки двуокиси кремния — создать защиту от внешних воздействий. Благодаря защитному слою пла-нарные структуры получили наибольшее распространение при изготовлении интегральных схем.

Особый тип полупроводниковых интегральных микросхем составляют микросхемы, выполненные по так называемой совмещенной технологии. В этом случае активные элементы изготовляют по планарной или эпитаксиально-планарной технологии в объеме полупроводникового кристалла, а пассивные элементы — методами тонкопленочной технологии на его поверхности.

Создание изолирующих областей и р-п переходов наиболее успешно осуществляется с помощью эпитаксиально-планарной технологии. В этом случае используется процесс эпитаксиального наращивания тонкого монокристаллического слоя кремния п-типа на высокоомную подложку р-типа ( 9.4, а). В полученную эпитаксиальную пленку (толщина 20—25 мкм) методом диффузии

Параметры переходов (при нулевом смещении) в эпитаксиально-планарной структуре ИС

Конструкции биполярных транзисторов различаются прежде всего способами их изоляции. В первых микросхемах наибольшее распространение получили эпитаксиально-планарные транзисторы с изоляцией р-п переходами. Структура эпитаксиально-планарного транзистора показана на 3.1, а. Транзистор выполнен на высокоомной подложке / р~ - типа с удельным сопротивлением 5 ... 10 Ом-см и толщиной 200 ... 300 мкм в эпитаксиальном слое2«-типа (удельное сопротивление 0,5... 1 Ом-см, толщина 1ГЭ„ .--- 8 ...15 мкм). Локальной диффузией донорных примесей (мышьяка или сурьмы), имеющих малый коэффициент диффузии по сравнению с бором и фосфором, в подложке перед наращиванием эпитаксиального слоя 2 создают скрытый слой 3 л+-типа с низким удельным сопротивлением. Хотя первоначально скрытый слой формируют в подложке, при дальнейших высокотемпературных операциях (эпитаксии, окислении, диффузии примесей) он расширяется в сторону как подложки, так и эпитаксиального слоя. Чтобы исключить чрезмерное распространение доноров из скрытого слоя в эпитаксиальный, т. е. смыкание скрытого слоя с базовым, для него выбирают донорные примеси с малым коэффициентом диффузии, например мышьяк (см. § 2.3).

чительную площадь кристалла (по сравнению с площадью основных областей транзистора), так как их ширина 1„3 должна быть больше удвоенной толщины эпитаксиально-го слоя Won. Это условие свя-зано с изотропностью процесса диффузии: примеси диффундируют не только в глубь эпитаксиального слоя, но и в боковом направлении — под маску. Отметим также, что в структуре эпитаксиально-планарного транзистора большую часть площади занимают «лишние» с точки зрения его работы пассивные области базы 13 и коллектора 14, не занятые контактами (см. 3.1, б). По этим причинам на основе эпитаксиально-планар-ных транзисторов были разработаны и выпускаются промышленностью только микросхемы малой и средней степеней интеграции.

В структуре дискретного эпитаксиально-планарного транзистора 13] отсутствуют изолирующие р+-области, а контактная я+-область и вывод коллектора расположены снизу. Поэтому ряд параметров рассмотренного транзистора хуже, чем у дискретного: выше сопротивление коллекторной области, имеется ток утечки в подложку, ниже граничная частота и быстродействие из-за влияния барьерной емкости изолирующего р-п перехода.

Топология эпитаксиально-планарного МЭТ показана на 3.7, в. Здесь четыре эмиттера л+-типа расположены внутри общего базового слоя /j-типа, ограниченного с боковых сторон коллекторным р-п переходом. Заштрихованные участки — контактные отверстия к эмиттерным, базовой и коллекторной областям. Расстояние между эмит- 3.7 терными областями и базовым

57. Выразите минимальную площадь через параметры фотолитографии (А, 6) для: а) эпитаксиально-планарного транзистора (см. 3.1), б) изопланарного транзистора (см. 3.5, е), в) МДП-транзис-тора (см. 4.1), г) МЕП-транзистора на арсениде галлия (см. 5.1) д) резистора (см. 6.1) с заданной длиной L.

Пробивное напряжение коллекторного (и эмиттерного) перехода планарного или эпитаксиально-планарного транзистора может оказаться низким, во-первых, из-за инородных включений и дефектов, которые могут быть в исходном кристалле полупроводника или появиться в области объемного заряда переходов в процессе их формирования. Особенно велика вероятность инородных включений, трещин и других дефектов вблизи поверхности кристалла. Они остаются там после различных обработок поверхности. Инородные включения, естественно, отличаются от

4.49. Структуры эпитаксиально-планарного (а) и

Рассмотрим полупроводниковую структуру кремниевого эпитаксиально-планарного транзистора ( 4.4), которая характерна для большинства дискретных транзисторов. Поперечный разрез структуры показан на 4.4, а. На сильнолегированной подложке 1 п+-типа сформирован слаболегированный эпитаксиальный слой 2 n-типа толщиной W3n около 10 мкм. Методом диффузии примесей или ионным легированием созданы области базы 3 р-типа и эмиттера 4 п+-типа. Металлические тонкопленочные слои 5, 6 к 7 образуют соответственно электроды эмиттера, базы и коллектора. На поверхности полупроводника расположен тонкий защитный диэлектрический слой диоксида кремния SiO2.

Структура эпитаксиально-планарного транзистора будет взята за основу дальнейшего описания параметров и характеристик. Числовые примеры, если это не оговорено особо, относятся к транзистору со структурой и распределениями концентраций примесей, показанными на 4.4.

Приведенные результаты расчета распределения концентрации примесных атомов для двустадийных диффузионных процессов позволяют заключить, что при формирований базовых областей большинства эпитаксиально-планарных транзисторов интегральных схем диффузия идет из ограниченного источника. Это непосредственно следует из соотношения длительностей и коэффициентов диффузии, характеризующих процессы загонки и разгонки. Однако заметим, что формулы, описывающие распределение диффундирующих атомов примеси, были получены в предположении, что диффузионный процесс осуществляется из источника, содержащего примеси в элементарном состоянии. В технологии изготовления серийных интегральных схем донорные и акцепторные примеси, как правило, диффундируют соответственно из химических соединений фосфора и бора, причем одновременно с процессами диффузии на обеих стадиях происходит окисление поверхности кремниевой пластины. Поэтому при расчете диффузионного примесного профиля внутри базовой области эпитаксиально-планарного транзистора целесообразнее исходить из экспериментально измеренных величин удельного поверхностного сопротивления и глубины диффузии. Для этого будем пользоваться некоторыми эффективными величинами коэффициентов диффузии фосфора и бора, которые несколько отличаются от значений, приведенных в большинстве работ, посвященных исследованию диффузионных процессов.

Следующая технологическая операция — эпитаксиальное наращивание кремния «-типа на верхнюю поверхность подложки. Получаемый таким образом материал в дальнейшем будет выполнять роль коллектора эпитаксиально-планарного транзистора ИМС. Затем поверхность подложки вновь окисляют ( 2.6) и методом фотолитографии производят вытравливание окон в слое SiO2 под изолирующую диффузию ( 2.7). Окисел, частично оставшийся на поверхности подложки, играет роль своеобразного барьера, через который практически не диффундируют атомы примесей, поскольку их коэффициент диффузии в Si02 ничтожно мал по сравнению с коэффициентом диффузии в кремнии. Схематически процесс изолирующей диффузии иллюстрируется 2.8. Этот процесс, который, как правило, проводят в два этапа, выбирают так, чтобы атомы акцепторной примеси продиффундирокали через эпитаксиальный «-слой до поверхности исходной подложки р-типа. В результате образуется структура, показанная на 2.9, а. Сформированные подобным образом области создают островки кремния «-типа, окруженные областями р-типа. Следовательно, островки кремния ге-типа оказываются погруженными в кремний р-типа. Каждый островок кремния изолирован от окружающих участков п-р- и р-п-перехода-ми, что эквивалентно последовательному соединению двух встречно включенных диодов ( 2.9, б). Эти диоды выполняют роль изоляции, поскольку ток от одного островка кремния к другому не может протекать в любом направлении. Поэтому все островки кремния «-типа являются электрически изолированными друг от друга.