Планарной структуре

Достичь необходимых надежности, компактности, экономичности по питанию и стоимости аппаратуры помогла микроэлектроника, появление которой стало возможным после того, как в 1959 г. была предложена так называемая планарная технология изготовления полупроводниковых приборов. В основе ее лежат следующие основные принципы:

Современная планарная технология включает ряд последовательных этапов изготовления полупроводниковых ИМС: наращивание на поверхности кремниевой подложки эпитаксиального слоя, окисление поверхности кремния, фотолитографию, диффузию, осаждение тонких металлических пленок контактного слоя [12].

Наиболее перспективной считается планарная технология, позволяющая создавать в исходной пластине полупроводника группу транзисторов (до тысяч штук) с минимальным разбросом параметров. Это название связано с геометрией структуры, у которой выводы коллекторной, базовой и эмиттерной областей выходят на одну плоскость. В основе планарной технологии лежит совокупность методов создания переходов: локальная диффузия примесей в подложку через маски с отверстиями; создание окисных пленок; фотолитография через фотошаблоны; химическое травление отдельных участков подложки и т.п. Одна из разновидностей этого метода включает химическое наращивание (эпитаксию) пленки кремния с заданными электрическими свойствами. Контактные выводы на поверхности кристалла создаются напылением алюминия или золота ( 3.10,я), а внешние токоотводы осуществляются с 4* 43

В производстве слаботочньгх тиристоров широко используется планарная технология, особенностью которой является формирование р—и-переходов на одной стороне таблеты с защитой их от внешних воздействий пленкой двуокиси кремния. Выбор кремния в качестве исходного материала и получение толстой базы обусловливают высокие рабочие напряжения прибора.

Для изготовления полупроводниковых ИМС используют пластины кремния толщиной не более 30—50 мкм и диаметром 50—100 мм, образующие подложку. На поверхности или в объеме таких подложек формируются элементы полупроводниковой ИМС. В основе формирования элементов на подложке лежит планарная технология, позволяющая групповым методом обрабатывать одновременно несколько десятков подложек с сотнями и тысячами полупроводниковых ИМС на каждой. Элементы, изготовленные по пленарной технологии, имеют плоскую структуру: р-п-пере-ходы и соответствующие контактные площадки выходят на одну плоскость подложки ( 3.1). Защитная пленка из двуокиси кремния SiCb, нанесенная на поверхность подложки, служит для защиты p-n-переходов от внешних воздействий. После оконча-

Планарная технология 69

3. Е. 3. Мазель, Ф. П. Пресс. Планарная технология кремниевых приборов.—М.: Энергия, 1974.

Планерная технология. При разработке электронной аппаратуры на электронных лампах и транзисторах всегда возникает необходимость в многочисленных соединениях приборов между собой с помощью пайки. Обилие паяных соединений резко снижает надежность аппаратуры и увеличивает ее стоимость вследствие множества сборочных и монтажных операций. В значительной степени избежать указанных недостатков позволяет так называемая планарная технология, широко используемая в настоящее время при производстве ИС.

Планарная технология обеспечивает изготовление разнотипных элементов в полупроводниковой пластине с расположением их выводов в одной плоскости. Это позволяет выполнять межсоединения элементов в едином технологическом цикле с помощью металлических полосок. При разработке сложных ИС для обеспечения необходимых межсоединений иногда используют несколько слоев металлических пленок, разделенных между собой диэлектрическими слоями.

Особенности реальных ПТ. При изготовлении современных ПТ широко используется планарная технология. Выводы приборов находятся в одной плоскости. При такой конструкции затвор не перекрывает полностью канал, поэтому имеются немодулированные сопротивления стока Rc и истока /?и. С целью улучшения усилительных свойств и мощности широкое применение находит параллельное соединение элементарных ячеек (транзистор КП103 содержит 5 ячеек, КП903 — 100).

При создании различных по функциональному назначению ИМС в настоящее время используется планарная технология, обеспечивающая воспроизводимые параметры интегральных элементов и групповые методы их производства. Локальные технологические обработки участков монокристалла кремния обеспечиваются благодаря применению свободных и контактных масок.

В расомотрвиной планарной структуре взаимная изоляция элементов осуществляется с помощью /?-«-лерехо-дов, образованных на первом этапе диффузии. В процессе работы схемы на р-га-шереходах поддерживается обратное напряжение для того, чтобы уменьшить пассивные (емкости и утечки) и активные (за счет паразитных приборов) дополнительные эффекты.

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

Наибольшее распространение получили эпитамсиаль-но-планарные структуры, достаточно полно удовлетворяющие электрическим и технологическим требованиям. В табл. 1.1 приведены параметры переходов в апитаксиаль-но-планарной структуре.

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.

Для повышения рабочих напряжений в мощном транзисторе необходимо увеличивать напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода. В эпитаксиально-планар-ных транзисторах, как отмечалось выше (см. § 4.5), пробой происходит на краях перехода, где переход имеет цилиндрическую область с малым радиусом кривизны. В ме-заэпитаксиально-планарной структуре, показанной на 4.38, а, краевые цилиндрические участки устранены с помощью травления, так что коллекторный переход имеет плоскую форму и характеризуется повышенным напряжением пробоя. Тот же эффект достигается в структуре сохранным кольцом, приведенной на 4.38,6. Здесь пассивные участки базы / имеют большие толщину и радиус кривизны на краях. Обе структуры позволяют повысить пробивное напряжение до 150—200 В, а более сложные структуры высоковольтных транзисторов — до 1000 В. Однако большая часть мощных транзисторов рассчитана на рабочие напря-

В расомотрвиной планарной структуре взаимная изоляция элементов осуществляется с помощью /?-«-лерехо-дов, образованных на первом этапе диффузии. В процессе работы схемы на р-га-шереходах поддерживается обратное напряжение для того, чтобы уменьшить пассивные (емкости и утечки) и активные (за счет паразитных приборов) дополнительные эффекты.

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

Наибольшее распространение получили эпитамсиаль-но-планарные структуры, достаточно полно удовлетворяющие электрическим и технологическим требованиям. В табл. 1.1 приведены параметры переходов в апитаксиаль-но-планарной структуре.

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.