чаев целесообразной формой организации процессов третьей группы является создание специализированных цехов или уча­стков (в зависимости от масштабов производства) в пределах одного предприятия.

Наиболее полно особенности структуры ИМС и главные чер­ты планарной технологии отражаются второй группой про­цессов. Несмотря на разнообразие физико-химических принци­пов, лежащих в основе процессов этой группы, их объединяет ряд характерных признаков, требующих концентрации этих про­цессов на различных участках одного предприятия. Важней­шими из этих признаков являются следующие:

1. взаимосвязь производственных участков, обусловленная цик­личностью технологического процесса (пластины многократно возвращаются на определенные участки для формирования очередного функционального слоя и для подготовки поверх­ности пластины или поверхности предыдущего функциональ­ного слоя к последующим технологическим операциям);

2. Ограниченное время межоперационного хранения партии пластин;

3. Высокие требования к производственной гигиене (1-2-й клас­сы помещений по климатическим параметрам и 1-2-й клас­сы по запыленности воздушной среды).

Характер и последовательность операций, составляющих процессы второй группы, полностью определяются типом струк­туры ИМС. Режимы обработки на отдельных операциях зави­сят от толщины и электрофизических свойств слоев и седель­ных областей структуры.

1.7. Основные тины структур интегральных микросхем

При сравнительной оценке различных типов структур ИМС обычно рассматривают ряд конструктивно-технологических по­казателей:

1. качество межэлементной изоляции, которое определяется удельной емкостью (пФ/мкм²);

2. площадь, занимаемую типичным функциональным элемент том ИМС-вентилем;

3. количество циклов легирования;

4. количество циклов фотолитографии.

Среди планарных структур, в которых использованы бипо­лярные транзисторы, исторически более ранней является диф-фузионно-планарная структура (см. рис. 1.30). Функции меж­элементной изоляции в ней выполняют p-n-переходы, смещен­ные в обратном направлении и ограничивающие области от­дельных активных элементов. Для получения обратно смещен­ного p-n-перехода в области подложки, разделяющей элементы, формируется омический контакт, связанный с наиболее низ­ким потенциалом источника питания, а к изолирующим обла­стям резисторов с помощью контактов подводится высокий по­тенциал.

В качестве исходной заготовки используют пластину моно­кристаллического кремния, равномерно легированную акцеп­торной примесью (дырочная электропроводность). После того как на заготовку нанесен слой оксида кремния Si0₂ (см. рис. 1.6) в этом слое с использованием фотолитографии избирательно вытравливают участки прямоугольной формы, которые назы­вают окнами, и через эти окна путем термической диффузии вводят атомы примеси-донора (см. рис. 1.6. а, б, в). Процесс диффузии совмещают с термическим окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплош­ной слой Si0₂.

Таким образом, одновременно создаются коллекторные об­ласти всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов партии пластин. За­тем вновь вскрывают окна меньших размеров в оксиде и после­дующей диффузией акцепторной примеси создают базовые об­ласти транзисторов р-типа проводимости, а также области n-типа проводимости анодов диодов и резисторов. В результате очередного (третьего) цикла фотолитографий, диффузий и окис­ления получают области эмиттеров, катодов диодов, а также высоколегированные области для последующего создания оми­ческих контактов к высокоомным коллекторным и изолирую­щим областям.

Для создания межэлементных связей в слое Si0₂ вновь вскрывают окна и на пластину наносят металлическую пленку (обычно алюминиевую). При этом в местах, свободных от Si0₂, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии (по пленке алюминия) позволяет создать систему токоведущих дорожек (межсоедине­ний), а также контакты по периферии кристаллов. Эти контак­ты будут использованы для коммутации кристаллов с внешни­ми выводами корпуса.

Планарный транзистор (независимо от типа структуры) име­ет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмит-терным контактами. Вследствие этого коллекторный ток пре­одолевает протяженный горизонтальный участок дна коллек­торной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.

В диффузионном коллекторе концентрация активной при­меси распределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверхности и равна нулю на дне коллектора, поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что уве­личивает напряжение насыщения и время переключения тран­зистора.

Равномерное распределение примеси по толщине коллекто­ра может быть получено с помощью процесса эпитаксиального наращивания кремния с дозированным количеством донорной примеси. Такой процесс применяют при создании эпитаксиаль-но-планарной структуры.

При формировании эпитаксиалъно-планарной структуры

в качестве исходной заготовки по-прежнему используют моно­кристаллическую пластину кремния, равномерно легированную акцепторной примесью. Для нанесения эпитаксиального слоя на одну из сторон пластины с ее поверхности стравливают, ок­сид и поверхность тщательно очищают (см. рис. 1.31). Затем проводят осаждение монокристаллического слоя кремния n-типа проводимости. Далее поверхность пластины окисляют и с ис­пользованием фотолитографии вскрывают окна в виде узких замкнутых дорожек, соответствующих контуру коллекторных и изолирующих областей ИМС. Проводя через окна диффузию акцепторной примеси до смыкания ее с р-областыо, получают таким образом изолированные друг от друга островки равно­мерно легированного эпитаксиального n-кремния.

Рассмотренный процесс диффузии называют изолирующей, или разделительной, диффузией. В полученной на данной ста­дии заготовке (рис. 1.31) в дальнейшем формируют базовые и эмиттерные области (диффузионным методом), а также кон­такты и межсоединения (так же, как в диффузионно-планар-ной структуре).

Концентрация легирующей примеси в эпитаксиальных плен­ках может изменяться в широких пределах. Однако с повыше­нием концентрации примеси в эпитаксиальном коллекторе сни­жается пробивное напряжение перехода база - коллектор (см. рис. 1.32).

Рис. 1.32. Характер зависимости проводимости эпитаксиального слоя и напряжения пробоя U_пр перехода от концентрации легирую­щей примеси n-типа проводимости

Компромиссное решение удается получить в эпитаксиаль-но-планарной структуре со скрытым слоем (см. рис. 1.33).

В этом случае эпитаксиальный коллектор легируют умеренно (необходимую концентрацию примеси рассчитывают из усло­вия пробоя перехода база — коллектор), а малое сопротивление коллектора обеспечивают параллельно включенным скрытым слоем (n⁺), имеющим высокую концентрацию примеси.

Основные операции технологического процесса получения эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем при­ведены на рис. 1.33. В поверхностном оксидном слое пласти­ны n-типа проводимости вскрываются окна, через которые в течение определенного времени проводят диффузию примеси, чтобы получить области с высокой концентрацией. Для того чтобы избежать значительного проникновения примеси в эпи­таксиальный коллектор при последующих циклах высокотем­пературной обработки (разделительная диффузия, базовая диф­фузия и т.д.), подбирают примесь с малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк). Далее поверхность освобожда­ют от оксида и наращивают эпитаксиальный слой кремния n-типа. После окисления поверхности процесс обработки проте­кает по той же схеме, что и для структуры без скрытого слоя. В диффузионно- и эпитаксиально-планарных структурах меж­элементная изоляция обеспечивается, как было отмечено ранее, обратносмещенными p-n-переходами. Напряжение смещения изолирующего p-n-перехода обычно составляет несколько вольт (напряжение питания). Такие переходы имеют достаточно вы­сокие значения токов утечки и емкостей. В результате умень­шается быстродействие микросхемы, а расстояние между эле­ментами приходится делать увеличенным.

Наилучшие значения параметров электрической развязки элементов на кристалле обеспечивает структура с диэлектри­ческой изоляцией (см. рис. 1.34). В этой структуре каждый эле­мент размещен в своеобразной области, представляющей собой область монокристаллического кремния, ограниченную слоем ок­сида кремния и напоминающую форму «кармана». При этом рас­стояние между элементами может быть уменьшено до 8-10 мкм.

На рис. 1.34 представлена последовательность формирова­ния-структуры с диэлектрической изоляцией. В исходной пла­стине кремния n-типа проводимости с использованием фотоли­тографии вытравливают участки оксида кремния, а затем и кремния по контуру будущих элементов. В результате образу­ются канавки по замкнутому контуру. Полученную рельефную

поверхность окисляют. Далее методом осаждения эту поверх­ность покрывают толстым слоем поликристаллического крем­ния. При осаждении из газовой фазы вследствие дезориентиру­ющего влияния оксидного слоя кремний имеет поликристал­лическую структуру и служит конструкционным основанием будущей ИМС. Обратную сторону кремниевой пластины шли­фуют, удаляя монокристаллический слой до вскрытия оксида кремния по границам областей, и производят доводку (для уда­ления нарушенного слоя). После протравливания и отмывки поверхности ее окисляют.

f Далее, в образовавшихся изолированных областях монокрис­таллического кремния n-типа проводимости термической диф­фузией формируют базовые области, диффузионные резисторы, эмиттеры, области под контакты. Напыляют металлические слои и формируют необходимой формы межсоединения на поверхно­сти пластины. Если исходная пластина содержит эпитаксиаль­ный n⁺-слои то транзисторы получаются со скрытым n⁺-слоем.

Структуры с диэлектрической изоляцией характеризуются большими затратами на их изготовление, главным образом из-за необходимости шлифования и полирований подложек. Кро­ме этого из-за нарушения монолитности подложки, обусловлен­ного нанесением толстого слоя поликристаллического кремния, в формируемой структуре возникают остаточные напряжения, которые могут вызвать коробление пластины после удаления монокристаллического слоя. Коробление пластины, в свою оче­редь, может привести к появлению трещин в пластине.

элементов на кристалле.

На рис. 1.35 (е) представлена изопла-

парная структура транзистора, в которой донная часть (2)

коллектора изолирована от монокристаллической пластины р-n-переходом, а боковая (1) — толстым слоем оксида кремния, полученным сквозным локальным окислением эпитаксиаль­ного слоя. Такая структура аналогична эпитаксиально-планар-ной, при изготовлении которой разделительная диффузия за­менена сквозным окислением.

Начальные стадии процесса получения изопланарной струк­туры следующие (см. рис. 1.35). На поверхность пластины, со­держащей эпитаксиальные и n-слои, осаждают (из газовой фазы) слой нитрида кремния Si₃N₄. С использованием фотоли­тографии в этом слое формируют защитную маску с окнами по контуру коллекторных областей. В процессе окисления нитрид-ная маска сохраняется. Затем ее стравливают и всю поверх­ность окисляют. Далее проводят диффузию для формирования базы и эмиттера, затем формируют контактные окна и межсое-

динения.

Недостатком изопланарной структуры является необходи-

мость при ее формировании длительного окисления для образо­вания разделительных областей Si0₂, что может вызвать неже­лательное перераспределение примеси из скрытого слоя в эпи­таксиальный коллектор. Для сокращения времени, затрачива­емого на окисление, уменьшают толщину эпитаксиального слоя и соответственно базы и эмиттера. На практике изопланарный процесс обычно выполняется при толщине эпитаксиального слоя не более 3-4 мкм.

Усовершенствованным вариантом рассмотренной структу-

ры является структура с изолирующими V-канавками (см. рис. 1.36, е). При ее формировании проводят сквозное протравлива­ние эпитаксиального слоя с последующим окислением поверх­ностей полученных канавок и заполнением оставшихся пустот поликристаллическим кремнием. Такая структура получила название полипланарной.

На начальных этапах получения полипланарной структуры (см. рис. 1.6) кремниевую пластину с предварительно сформи­рованными п⁺- и п-эпитаксиальными слоями окисляют. Затем с использованием фотолитографии в слое оксида кремния вскры­вают окна, замкнутые по контуру будущих элементов. Далее методом анизотропного травления получают канавки строго оп­ределенной (V-образной) формы. Ширина а канавки l на

рис. 1.36 (е) и ее глубина d связаны соотношением a/d=l,41. Для надежной изоляции на кристалле элементов ИМС глубина канавки должна быть немного больше толщины эпитаксиально­го слоя. Использование специальных травителей обеспечивает получение канавок практически без бокового подтравливания.

Рис. 1.36. Последовательность формирования изолированных облас­тей в полипланарной структуре: а - пластина с эпитаксиальным и скрытым слоями, покрытая оксидом кремния; б - избирательное

травление оксида кремния и анизотропное травление кремния; в - стравливание оксида кремния и окисление всей поверхности; г - осаждение поликристаллического кремния; д - шлифование, полирование и окисление поверхности; е — готовая структура после формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений

Затем поверхность окисляют и на нее осаждают поликрис­таллический кремний, толщиной, необходимой для полного заращивания всех канавок. Путем шлифования с последующим полированием снимают излишки кремния до вскрытия оксид­ной пленки. После окисления поверхности окончательно фор­мируют транзисторы, диоды и другие элементы ИМС.

Специфическим недостатком описанной структуры явля­ется необходимость применять пластины с ориентацией повер­хности в плоскости (100), которая не является наилучшей с точки зрения характеристик, необходимых для формирования активных элементов, но удовлетворяет требованиям анизотроп­ного травления. Существенным недостатком структуры явля­ется введение в процесс операций механической обработки —

шлифования и полирования поверхности пластины.

При изготовлений структур с диэлектрической и комбини­рованной изоляциями можно применять пластины со сформи­рованным сплошным скрытым слоем. У таких пластин тол­щина основания из p-S_t составляет 300-650 мкм (р = 10 Ом^.см), толщины эпитаксиального n-слоя —2,5—20 мкм (р = 0,15...7 Ом^.см), скрытого n⁺-слоя —3—15 мкм (удельное поверхностное сопротивление 10-50 Ом).

Анализ рассмотренных структур производства интегральных микросхем по биполярной технологии показывает, что их раз­витие от изоляции p-n-переходами до создания специальных изолирующих областей в кремниевой пластине обеспечило фор­мирование качественной изоляции, создало условия для более компактного размещения элементов на кристалле и в конеч­ном счете к улучшению электрических характеристик, в част­ности к значительному повышению быстродействия ИМС. При этом площадь, занимаемая транзисторами, а следовательно, и типовым элементом - вентилем — практически не изменилась.

Особый случай представляет структура интегральной ин-жекционной логики (И²Л), в которой формируются горизонталь­ный и вертикальный транзисторы, а резисторы, занимающие обычно большую площадь, заменены транзисторами, что позво-

Разрез и схема

лило существенно уменьшить размеры вентиля.

вентиля при изготовлении структуры И²Л будут рассмотрены после анализа структур интегральных микросхем, изготавлива­емых по технологии «металл-диэлектрик (оксид кремния)-по-лупроводник»: МДП или (МОП)-технологии.

Существенное уменьшение площади под вентиль с одновре­менным упрощением технологии имеет место при использова­нии структур «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП-струк-туры). Основным элементом микросхем на МДП-структурах является МДП-транзистор с индуцированными каналами п- или р-типа проводимости.

МДП(МОП)-транзистор имеет симметричную структуру (см. рис 1.37, е) На рисунке приведена структура с двумя транзис­торами, один МДП-транзистор с каналом п-типа проводимости, второй с каналом p-типа проводимости. Такая структура назы­вается структурой с взаимнодополняющими транзисторами или комплементарной структурой (КМДП-структурой). Она вклю­чает области истока, области стока и изолированные затворы,

с помощью затворов можно индуцировать каналы соответствен­но n- и p-типов проводимости и управлять величинами этих проводимостей. Так как переходы, ограничивающие области истоков и стоков, всегда смещены в обратном направлении и перенос основных носителей заряда происходит в тонком при­поверхностном слое полупроводника между истоком и стоком каждого транзистора, то дополнительных мер для взаимной изоляции приборов с одноименным типом проводимости кана­ла не требуется. Для предотвращения образования паразитных каналов вводят охранные (каналоограничивающие) области.

Рис. 1.37. Последовательность формирования КМДП-структуры: а - исходная пластина; б — последовательное получение р-, р⁺ и п⁺-

областей методом диффузии; в - избирательное травление SiO₂; г — термическое окисление кремния (получение подзатворного диэлек­трика); д - избирательное травление SiO₂ под контакты к истокам и стокам; е - готовая структура после получения межсоединений

Структура, содержащая МДП-транзисторы обоих типов, по­зволяет на 2-3 порядка по сравнению с п- или р-МДП-структу-рами снизить мощность, потребляемую устройством в стати­ческом режиме. Обычно КМДП-структуры формируют в плас­тине п-типа проводимости и все транзисторы с n-каналами объе­диняют в одной дополнительно сформированной р-области-кар-мане. Для взаимной изоляции МДП-транзисторов п- и р-типов проводимости в КМДП-структуре формируют дополнительную охранную область р⁺-типа проводимости.

Последовательность получения КМДП-структуры представ­лена на рис. 1.38. С использованием фотолитографии и диффу-

зии формируют р-области-карманы, далее создают р⁺-облаети истоков и стоков р-канальных приборов, а также охранные об­ласти р⁺-типа проводимости а затем в р-области-кармане - n⁺-области истоков и стоков n-канальных транзисторов. Для фор­мирования областей затворов с использованием фотолитогра­фии вытравливают окна в диоксиде кремния Si0₂, а затем ме­тодом термического окисления кремния получают в них тон­кие слои Si0₂ расчетной толщины (диэлектрик под будущим затвором). Далее вскрывают в окисле окна под контакты и фор­мируют межсоединения (включая и электроды затворов).

Рис. 1.38. Последовательность формирования КМДП-КНС-структуры: а - исходная пластина «сапфир - эпитаксиальный кремний- оксид

кремния»; б - избирательное анизотропное травление кремния с помощью оксидной маски (образование островков); в - избиратель­ная диффузия акцепторной примеси; г - снятие маски с островков;

д - маскирование островков с помощью Si0₂; е -избирательное покрытие фосфоросиликатным стеклом (ФСС) р-островков и общее покрытие боросиликатным стеклом (БСС); ж - структура после диффузии примесей и стравливания БСС, ФСС и Si0₂; з - готовая структура после нанесения Si0₂ и формирования межсоединений

Полная изоляция МДП-транзисторов обеспечивается при формировании их в виде островков на монокристаллической изолирующей пластине (см. рис 1.38, д). В качестве изолирую­щей пластины обычно используют синтетический сапфир, ко­торый имеет достаточно хорошую кристаллографическую со­вместимость с кремнием. Поэтому эти структуры получили: на­звание «структур кремний на сапфире», или сокращенно КНС-

структуры. Эпитаксиально выращенный на сапфире кремний имеет высокую плотность структурных нарушений (вакансии, дислокации), что заметно снижает подвижность носителей за­ряда. Вследствие этого структуры на биполярных транзисторах оказались не эффективными и наиболее широкое применение нашли МДП-КНС-структуры, особенно КМПД-КНС-структуры. В отличие от структур, изолированных p-n-переходом, когда используется высокоомная (низколегированная) пластина, струк­туры на изолирующей сапфировой подложке устойчивы к тем­пературным и радиационным воздействиям.

В процессе формирования КМДП-КНС-структуры (см. рис. 1.38) методом эпитаксиального наращивания (процесс гетеро-эпитаксии) создают сплошной слой высокоомного n-Si. После маскирования оксидом кремния и анизотропного травления по­лучают отдельные изолированные островки p-Si. Затем прово­дят повторное маскирование оксидом кремния и термической диффузией, часть островков легируют акцепторной примесью на всю глубину, превращая их в островки p-Si. После этого за­щищают маской из оксида кремния участки будущих каналов и избирательно покрывают р-островки фосфоросиликатным (Si0₂*P₂0₅), а n-островки - боросиликатным (Si0₂*B₂0₃) стекла­ми. Нагревая структуру осуществляют диффузию донорной (фосфор) и акцепторной (бор) примесей из фосфоро- и бороси-ликатных стекол в области стоков и истоков. Затем стекла и участки Si0₂ стравливают, наносят слой оксида кремния, выт­равливают участки оксида под затвор, выращивают тонкий качественный подзатворный слой диэлектрика и формируют металлические электроды затворов, а также межсоединения. Ге-тероэпитаксиальные слои, полученные в таких структурах, име­ют небольшую толщину (~1мкм), что обусловлено относитель­ным несовершенством кристаллической структуры кремния, выращенного на сапфире: с увеличением толщины пленки крем­ния плотности вакансий и дислокации увеличиваются.

МДП-микросхемы, в которых в качестве канала использует­ся тонкий приповерхностный слой, вполне Могут быть реали­зованы в тонких эпитаксиальных слоях порядка десятых до­лей микрометра. Однако тонкие эпитаксиальные слои практи­чески исключают возможность многократного образования ок­сида кремния за счет термического окисления, так как толщи­на слоя Si0₂, необходимого для защиты при термической диф-