Изоляция В МОП и КМОП ИС.

Изоляция V-канавками

Полипланарная технология

Эпипланарная технология

Изопланарная технология

Комбинированный метод

Кремний на сапфире технология

Изоляция диэлектриком

Изолирующая диффузия

Встречная диффузия

Тройная диффузия

Стандартной технологии (планарноэпитаксиальной с использованием разделительной диффузии)

Изоляция обратно-смещенным p-n переходом

Возникновение дефектного слоя

Сложность технологических установок

Точное соответствие легированной области размерам окна маски

Возможность легирования различными примесями

Возможность точного задания конфигурации примеси по глубине и по площади

Изотопная частота ионов легирующей примеси

Хорошо контролируемая воспроизводимость

Низкая температура процесса

Недостатки:

4.3. Элементы полупроводниковых ИС

4.3.1. Изоляция элементов полупроводников ИС

Планарная технология и способ электрической изоляции элементов ИС являются фундаментальными открытиями в технологии изготовления полупроводниковых ИС.

Общие сравнительные характеристики методов изоляции

Недостатки:

- наличие обратных токов

- наличие барьерных ёмкостей

- относительно низкая стабильность работы ИС в диапазоне температуры

- пониженная стойкость к радиации

Достоинства:

- хорошо вписываются в технологический процесс

Методы изоляции:

Токи утечки на 3-5 порядков ниже. Паразитные ёмкости на 3-5 порядков ниже. Недостатком является наличие дополнительных технологических операций.

Методы изоляции в зависимости от используемого материала и способов технологической реализации:

1) EPIC – технология

2) Декальп – технология

В основу изготовления изоляции положены процессы, обеспечивающие формирование элементов с изолирующими p-n переходами, их горизонтальных участков и диэлектрикам – вертикальных боковых областей.

Методы изоляции:

В одинаковых МОП транзисторах истоки и стоки смежных транзисторов разделены встречно включенными p-n переходами. Между транзисторами находится кремний с низким удельным сопротивлением. Связь между транзисторами обусловлена наличием малых обратных токов p-n переходов.

Обмен носителей между каналами возможен только при размерах менее 5 микрон. Изоляции между отдельными МОП или КМОП транзисторами не требуется, это определяет значительное уменьшение трудоёмкости изготовления (на 40%).

В КМОП ИС для изоляции – выполняются изолирующие карманы n(p) типа и соответственно изоляции не требуется.

4.3.2. Интегральный n-p-n транзистор

n-p-n транзистор выполняется по стандартной эпитаксиальной технологии.

В ассиметричной области ток коллектора протекает только в одном направлении, в симметричной – ток коллектора протекает с трех сторон.

Основными параметрами n-p-n транзистора являются:

коэффициент усиления (100¸200), допуск ±30%;

предельная рабочая частота 200¸500 МГц, допуск ±20%;

коллекторная емкость 0,3¸0,5 пФ, допуск ±10%;

напряжение пробоя коллектор-база 40¸50 В, эмиттер-база 80 В;

Интегральная микроэлектроника позволяет получать транзисторы со структурой, несвойственной дискретным транзисторам (многоэмиттерные (МЭТ) и многоколлекторные (МЭТ)). Количество эмиттеров может быть от 5 до 8.

Структура МКТ не отличается от структуры МЭТ. МКТ является основой цифровых ИС. Основная проблема при разработке МКТ – повышение нормированного коэффициента передачи тока от общего n-эмиттера к каждому n-коллектору.

Для изготовления ИС на биполярных транзисторах наибольшее распространение получила планарно-эпитаксиальная технология. Коллектор изготовляется эпитаксиальным наращиванием слоя кремния, база и эмиттер – диффузией примесей в эпитаксиальный слой. Выводы всех элементов получаются в плане (планарная технология).

Технологический процесс:

1. Окисление исходной пластины кремния (получение SiO₂).
2. Фотолитография для вскрытия окон SiO₂.
3. Диффузия сурьмы или мышьяка для образования n+ области.
4. Удаление SiO₂ и эпитаксиальное наращивание n-кремния.
5. Окисление.
6. Вторая фотолитография для формирования окон под разделительную диффузию.
7. Разделительная диффузия бором в 2 стадии с образованием изолирующей области p-типа.
8. Образование базовой области.
9. Окисление.
10. Третья фотолитография для создания окон.
11. Базовая диффузия в 2 стадии.
12. Образование эмиттера и получение катода диода или обкладки емкости.
13. Окисление.
14. Четвертая фотолитография.
15. Диффузия фосфором для создания области коллектора n+ и эмиттера n+.
16. Окисление.
17. Пятая фотолитография для получения окон под омические контакты.
18. Металлизация или химическое напыление алюминия.
19. Шестая фотолитография для получения внутренних соединений и контактных площадок.
20. Формирование защитного покрытия и вскрытие окон на контактных площадках.
21. Зондовый контроль.

По данной технологии изготовляется ППИС первой и второй степени интеграции. Технология сравнительно проста и хорошо освоена в промышленности.

Контроль параметров сложен и экономически не выгоден. Отбраковка происходит после выполнения межсоединительных контактов на этапе проверке ИС на функционирование.

4.3.3. Интегральные диоды и стабилитроны

В качестве диода можно использовать любой из p-n переходов транзистора. Отличие интегрального диода от дискретного заключается в наличие паразитной емкости в транзисторной структуре.

В качестве диодов используются отдельные элементы n-p-n или p-n-p структур. Наибольшее применение нашли Э-Б, К-Б. Характеристики типов диодов приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Рис. 14. Интегральные диоды

На рис. 14 представлен вид интегральных диодов (1 – металлические контакты; 2 – защитная пленка; 3 – полупроводниковый кристалл; 4 – изолирующий слой).

Для ГИС диоды изготовляются на n-n кристалле по диффузионной технологии. Технологический процесс:

1. Окисление исходной пластины с получением SiO₂.
2. Фотолитография с получением окон под диффузию.
3. Вторая фотолитография.
4. Диффузия донорной примеси для получения области n+.
5. Третья фотолитография – получение окон областями p и n+.
6. Осаждение омических контактов методом напыления.
7. Скрайбирование на отдельные кристаллы.

Стабилитроны получают в зависимости от напряжения стабилизации:

5¸10 В – используется обратное включение диода база-эмиттер в режиме пробоя;

3¸5 В – используется обратное включение диода база-эмиттер-коллектор;

Возможны случаи, когда стабилитрон рассчитывают на напряжение равное или кратное напряжению на открытом p-n переходе. В таких случаях используют один или несколько последовательно включенных диодов база-коллектор-эмиттер, работающих в прямом направлении.

4.3.4. Полупроводниковые резисторы и конденсаторы

Диффузионный резистор – это полоска базового слоя с омическими контактами, полученная путем локальной диффузии.

Рис. 15. Диффузионный резистор

Сопротивление определяется по формуле:

, , где

R_s – удельное поверхностное сопротивление слоя.

r - удельное сопротивление обьёмного диффузного слоя.

При значении R_s=200Ом/ð максимальная мощность равна 0,1 Вт, при точности d = ±0,2%. a»1¸5мм , b»10¸15мкм, эти значения ограничиваются возможностями фотолитографии. Для данных типовых значений максимальное сопротивление равно 20кОм.

Для повышения значения сопротивления изготавливают зигзагообразные конструкции с числом петель N=3. При этом обеспечивается R_max=50-60кОм, но погрешность составляет 15-20%. Погрешность определяется неточностью процессов диффузии и фотолитографии. Сопротивление таких резисторов зависит от частоты т.к. присутствуют паразитные ёмкости.

Для получения малых номинальных сопротивлений используется низкоомный эпитаксиальный эмиттерный слой (R_s=5-15Ом/ð, d=5-20% и R_min=3-5Ом).

Ионно-легированный резистор получают локально-ионной имплантацией примесей, толщина слоя 0,2-0,3 мкм, R_s=10-20кОм/ð, R_max=300кОм, d=±5-¸10%. Здесь p-область создается диффузией, а n-область – локально-ионной имплантацией примесей.

Рис. 16. Ионно-легированный резистор

Диффузионный конденсатор – это ёмкость созданная на границе обратно смещенного p-n перехода (коллектор - база)

Рис. 17. Диффузионный конденсатор

Емкость диффузионного конденсатора определяется по формуле:

, где

С₀₁, С₀₂ удельная ёмкость донной и боковой части p-n перехода.

Оптимально, когда a=b, то С₀₁ > С₀₂ . С₀₁=150пФ/мм²; С₀₂=пФ/мм² При использовании эмиттерного перехода C_max в 5-7 раз больше из-за большей удельной ёмкости p-n перехода.

Недостаток заключается в том, что ёмкость зависит от напряжения приложенного к переходу и имеет малую добротность и работает в строго определенной полярности.

Конденсаторы метал-оксид кремния-полупроводник (МОП) – это конденсаторы, нижняя обкладка которых является сильно легированным n+-слоем (слой с низким удельным сопротивлением), а верхняя обкладка – это слой напыленного алюминия.

Рис. 18. МОП конденсатор

Толщина слоя диэлектрика (SiO2) = 0.12-0.05 мкм. Ёмкость определяется как и составляет 350¸650 пФ/мкм. МОП конденсатор работает при любой полярности, но его ёмкость зависит от напряжения и от частоты (ёмкость мала при высоких частотах >2МГц).

4.3.5. МОП и КМОП транзисторы

В настоящее время технология изготовления МОП и КМОП занимает лидирующее положение.

Сравнительные оценка характеристики параметров биполярных и МДП ИМС:

Таблица 3.

Комплиментарная пара в логике инвертор

Рис. 19. Комплиментарная пара

С начала 70-х годов развивалась технология РМОП ИС с металлическим затвором, затем они были заменены на РМОП ИС с кремниевыми затворами, а еще позже – на МОП транзисторы с кремниевыми затворами. Применение данных схем приводит к некоторым проблемам: