1.2.9.3. Изоляция диэлектриком

 Для диэлектрической изоляции чаще всего используют двуокись кремния SiO₂. Можно применить и другие диэлектрические материалы, совместимые с технологией кремниевых ИМС (например, Si₃N₄, Al₂O₃).

По сравнению с изоляцией обратно смещённым p‑n переходом диэлектрическая изоляция позволяет снизить ёмкость между элементами ИС и подложки, на порядок снизить ток утечки изоляции. В связи с этим улучшаются их частотные характеристики. Кроме того, ИМС с диэлектрической изоляцией имеют более высокое пробивное напряжение и лучшую стойкость к радиации. Недостаток диэлектрической изоляции - плохой теплоотвод из-за низкой теплопроводности изолирующего слоя.

 Исторически первым способом изоляции диэлектриком явился так называемый эпик-процесс. Основные операции этого процесса показаны на рис.1.39.

В качестве исходного материала ис­пользуется n⁺-n эпитаксиальная стру­кту­ра кремния с толщиной эпитаксиальной плёнки 2…3 мкм (рис.1.39, а).

Через маску в пластине вытравливают канавки глубиной 10…15 мкм, после чего полученную рельефную поверхность окисляют SiO₂ (рис.1.39, б).

Далее, на окисленную рельефную поверхность (со стороны эпитаксиального слоя) в специальной установке для осаждения наращивают толстый (200…300 мкм) слой поликристаллического кремния (рис.1.39, в).

После этого исходную пластину n‑типа переворачивают и сошлифовывают подложку n-типа проводимости на всю толщину, вплоть до дна канавок. В результате получаются карманы n‑типа со скрытым n⁺-слоем, расположенные на поликристаллической подложке. Изоляция элементов обеспечивается слоем окисла SiO₂ (рис.1.39, г).

На заключительных этапах производится изготовление транзисторов путем диффузии n- и p‑примесей в эмиттерную, коллекторную и базовую области и проведения металлизации (рис.1.39, д).

Существенным недостатком эпик-метода изоляции диэлектриком является необходимость прецизионной шлифовки с погрешностью по всей поверхности в пределах 1…2 мкм.

Технология «кремний на сапфире». Большое распространение получила так называемая технология «кремний на сапфире» (КНС, английская аббревиатура SOS, Silicon on Saphire). Технологию КНС относят к классу технологий с воздушной изоляцией. В качестве исходного материала используют подложку из сапфира или алюминиево-магниевой шпинели с наращенной на них эпитаксиальной плён­кой n-Si толщиной 1…3 мкм (рис.1.40, а). Это возможно, потому, что искусственный сапфир α-Al₂O₃ или шпинель MgO·Al₂O₃ имеет параметр кристаллической решётки, близкий к параметру решётки кремния (a_Si=0,543072 нм). Кроме того, эти кристаллические структуры характеризуются изоморфностью кристаллических решёток.

При производстве транзисторов по технологии  КНС сначала в эпитакисальный слой кремния n-типа проводимсти производится диффузия примесей для создания n-p-n структур, регулярно распределённых на поверхности кристалла. Затем осуществляется протравливание n слоя Si насквозь до сапфира так, чтобы образовались кремниевые островки-карманы, со струткурой  n-p-n биполярных транзисторов (рис.1.40, б).

Эти карманы с нижней стороны изолированы друг от друга диэлектриком – сапфиром, а с боковых сторон – воздухом.   

Технология КНС находит применение в технике создания МОП приборов, дифференциальных или операционных усилителей, СВЧ и ВЧ-интегральных микросхем. Это связано с тем, что схемы на диэлектрической подложке отличаются малыми значениями паразитных емкостей (до 0,1—0,2 пФ/мм²) и значениями рабочих частот до 4 ГГц.