Конструктивно-технологические варианты изоляции элементов микросхем друг от друга

При отсутствии изоляции элементов все они окажутся электрически связанными между собой через подложку. В полупроводниковых интегральных схемах используются следующие варианты изоляции.

1. Изоляция обратно смещенным р-n переходом.

Этот тип изоляции был исторически первым и является наиболее распространенным по настоящее время.

Этот метод обладает высокой технологичностью, так как операция создания разделительной диффузии гармонично вписывается в технологический процесс, не требует дополнительного оборудования и новых материалов. Недостатком данного метода является большая область изолирующей области, которая сравнима с площадью самого транзистора. Частично этот недостаток устраняют с помощью метода коллекторно-разделительной диффузии.

Изолирующая область сформирована диффузией примеси n-типа на всю длину эпитаксиального слоя до соприкосновения со скрытым n⁺-слоем. В результате этого между двумя транзисторами оказывается небольшая р-область.

Изоляция элементов полупроводниковых микросхем с помощью обратно смещенного р-n-перехода имеет следующие неустранимые недостатки:

- большая паразитная емкость изолирующих р-n- переходов;

- появление дополнительных паразитных элементов (транзисторов);

- необходимость подачи на изолирующий р-n-переход определенное по величине и знаку напряжение смещения;

- наличие четырехслойных n-p-n-p и p-n-p-n тиристорных структур, которые обладают ПОС по току (наличие эффекта защелкивания, при воздействии ионизирующих излучений резко возрастает ток через эти структуры).

Эти недостатки не позволяют добиться существенных успехов в росте и быстродействии микросхем, увеличении степени их интеграции, радиационной стойкости и температурной стабильности.

2. Изоляция диэлектриком

а) структура кремний в диэлектрике; б) структура кремний на диэлектрике

Пленка SiO₂ и непроводящая подложка кардинальным образом устраняет недостатки, присущие изоляции p-n переходу. Для осуществления этого способа необходим довольно сложный технологический процесс. Труден также подбор материалов для диэлектрической подложки, так как коэффициенты термического расширения подложки и монокристаллического кремния должны совпадать, иначе будут невозможны операции, связанные с нагревом.

Основные недостатки метода:

- сложность технологический процесс;

- маленький выход годных микросхем;

- плохой отвод тепла от элементов подложки (температурное сопротивление диэлектрика намного больше теплового сопротивления кремния);

- низкая воспроизводимость параметров элементов;

- высокая плотность дефектов в островках кремния;

- трудность разводки кремния на диэлектрике из-за перепада высот рельефа.

3. Комбинированная изоляция.

Сочетает в себе технологичность изоляции p-n-перехода и высокое качество диэлектрической изоляции. В этих конструкциях элементы изолированы обратно смещенным p-n-переходом со стороны подложки, а с боков – диэлектриком.

Таким образом, изоляция p-n-перехода устраняется в наиболее уязвимых местах: на поверхности и с боков.

Комбинированная изоляция позволяет уменьшить паразитные емкости изолированных областей засчет устранения боковых участков p-n-перехода, устраняет токи утечки в области выхода p-n-перехода на поверхности и на боковых участках. Кроме этого, комбинированная изоляция обеспечивает хороший теплоотвод и увеличивает степень интеграции элементов засчет сокращения площади под изоляцию.

а) локальное окисление (изопланарная технология)

б) вертикальное анизотропное травление с последующим заполнением канавок поликристаллическим кремнием (полипланарная технология)