Диэлектрический способ изоляции

Применение диэлектрической изоляции позволяет повысить рабочую частоту линейных и быстродействие цифровых ИМС, а также увеличить пробивные напряжения и практически свести до нуля ток утечки. При этом способе изоляции улучшается также радиационная стойкость ИМС. Рабочая частота и быстродействие увеличиваются вследствие того, что при диэлектрической изоляции примерно на два порядка уменьшается удельная паразитная емкость. При диэлектрической изоляции пробивное напряжение определяется электрической прочностью и толщиной диэлектри­ческого материала.

Пробивные напряжения при использовании диэлектрическо­го способа изоляции достигают нескольких сотен вольт.

В настоящее время наиболее распространены три способа ди­электрической изоляции:

1. тонкой пленкой диэлектрика;

2. воздушными промежутками;

3. диэлектрическими материалами.

Изоляция элементов имс тонкой пленкой диэлектрика

Наиболее характерным для этих способов изоляции является эпик - процесс (рис. 120). В качестве исходной подложки исполь­зуют монокристаллическую кремниевую пластину n-типа. На од­ной из сторон пластины наращивают эпитаксиальный слой n⁺-типа или создают диффузионный n⁺-слой. Затем проводят окисление поверхности подложки. С помощью процесса фотолитографии в пленке Si02 вскрывают окна, т.е. создается маска для глубинного травления. Через эту маску вытравливают канавку в кремнии, стен­ки которой затем снова подвергают окислению. Поверх пленки SiO, наращивают эпитаксиальный поликристаллический слой кремния толщиной 300-600 мкм. Затем пластину переворачивают, шлифуют и полируют со стороны монокристаллического кремния почти до пленки SiO,. Оставшийся перед пленкой Si02 слой моно­кристаллического кремния снимают в полирующем травителе. В результате получается подложка с изолированными областями (карманами) монокристаллического кремния. В каждом из кар­манов обычными приемами планарной технологии формируют не­обходимые структуры активных и пассивных элементов ИМС. Таким образом, изоляция элементов ИМС осуществляется тонкой пленкой SiO,. Слой поликристаллического кремния, в котором утоплены области монокристаллического кремния, выполняет роль несущей подложки.

Рисунок 120 – Изоляция диэлектрической пленкой

Все разновидности этого способа требуют прецизионной ме­ханической обработки, которая затруднена вследствие прогиба подложки. Прогиб обусловлен различием коэффициентов тепло­вого расширения монокристаллического кремния, а также раз­личиями значений микротвердости материалов (диоксида крем­ния, моно- и поликристаллического кремния). В связи с резким увеличением потерь в поликристаллическом кремнии при повы­шении частот предел рабочих частот ИМС не превышает 250 МГц.

ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Общие сведения

В последние годы стали все шире применять в телевидении, устройствах автоматики, телефонии, многоканальных линиях связи приборы с зарядовой связью (ПЗС). В простейшем виде ячейка ПЗС представляет собой МДП - конденсатор. В этих «приборах используют свойство МДП - конденсаторов накапливать и хранить заряды неосновных носителей, которые образуются под действием электрического поля обратного напряжения (рис. 121). При подаче обратного напряжения на МДП - конденсатор с N-обкладкой полупроводника основные носители — электроны — отталкиваются электрическим полем вглубь полупроводника, для неосновных носителей - дырок - создается минимум потенциальной энергии у поверхности диэлектрика - потенциальная яма - и электроны устремляются к поверхности, заполняя потенциаль­ную яму. Глубина потенциальной ямы, т. е. глубина проникнове­ния поля в полупроводник тем больше, чем тоньше слой диэлек­трика и чем выше обратное напряжение, ширина потенциальной ямы определяется шириной затвора.

Рисунок 121. Приборы с зарядовой связью

а - структура ПЗС с трехтактным питанием,

б - такт 1,

в - такт 2,

г - такт 3

Поместим рядом с данным МДП - конденсатором второй такой же, но с меньшей глубиной потенциальной ямы, т. е. на второй подадим меньшее обратное напряжение. Естественно, что в прост­ранстве между потенциальными ямами соседних МДП - конденсатopoв возникает электрическое поле, под действием сил которого дырки из менее глубокой потенциальной ямы переместятся в бо­лее глубокую. Таким образом, создается возможность накапли­вать заряды и перемещать их, меняя напряжение на ячейках ПЗС. Явление перемещения заряда из одной потенциальной ямы в другую под действием приложенных напряжений называется зарядовой связью, а приборы, работающие на этом принципе, — приборами с зарядовой связью.