2.2. Планарно-диффузионные технологии с изоляцией элементов p-n-переходами и резистивной изоляцией

Методы тройной и встречной (или двухсторонней) диффузии изначально использовались в чисто планарной технологии. Схемы возможных вариантов этих методов представлены на рис. 2.6, обоим методам присущи недостатки.

В структуре на рис. 2.6, а коллекторный n- слой, получаемый на этапе 1-й диффузии, является неоднородным: концентрация примеси возрастает от донной части к поверхности. Поэтому на границе с базовым слоем концентрация примеси оказывается достаточно большой и соответственно пробивное напряжение коллекторного перехода получается сравнительно низким. Кроме того, сложна сама технология тройной диффузии.

В структуре на рис. 2.6, б изоляция элементов достигается общей диффузией акцепторной примеси (бор) через нижнюю поверхность пластины n-типа и локальной диффузией той же примеси через верхнюю поверхность. Глубина обеих диффузий составляет половину толщины пластины, так что обе диффузионные области смыкаются. В верхней части пластины образуются «островки» исходного кремния n-типа, которые являются коллекторными слоями будущих транзисторов. При данном методе, в отличие от предыдущего, коллекторный слой оказывается однородным. Главный недостаток этого метода необходимость проведения глубокой диффузии (100-150 мкм). Время такой диффузии составляет 2-3 суток и более, что экономически невыгодно. Кроме того, из-за боковой диффузии протяженность изолирующих p-слоев на поверхности оказывается порядка толщины пластины, т.е. превышает размеры обычных транзисторов. Соответственно уменьшается коэффициент использования площади.

Рис. 2.6. Возможные варианты методов тройной диффузии – а (l_k - размеры окна под коллекторную диффузию и встречной (двусторонней) диффузии – б (l_p - размер окна под разделительную диффузию))

Метод тройной диффузии получил продолжение при использовании ионного легирования: при этом максимальная концентрации ионов примеси может быть сосредоточена на определенной глубине подбором массы и энергии имплантированных ионов.

Трехкратная имплантация последовательно ионами n-, p-, и n-типа с последующими диффузионными и активационными отжигами позволяет создавать транзисторные структуры с малыми глубинами залегания p-n-переходов, оптимальными результирующими профилями распределения примесей, высокой плотностью упаковки элементов и высокой степенью интеграции. Несмотря на то, что в современной технологии используется ионная имплантация примесей, она по-прежнему называется 3Д - технология, т.е. технология тройной диффузии. Только теперь этот процесс имеет определенные преимущества перед планарно-эпитаксиальным, поскольку не содержит сложной и дорогостоящей операции эпитаксиального наращивания кремния.

Планарно-диффузионные ИМС с резистивной изоляцией отличаются тем, что в них элементы изолируются друг от друга с помощью высокоомного сопротивления материала самой пластины, включенного последовательно с элементами (рис. 2.7). Такая изоляция возможна при работе микросхемы на высоких частотах. Структура данного типа ИМС создается также методом тройной диффузии, однако используется пластина n-типа.

Рис. 2.7. Структура планарно-диффузионной ИМС с резистивной изоляцией

Технология трех фотошаблонов интересна использованием только трех фотошаблонов для формирования биполярной структуры в пластине кремния.

Технологический процесс на основе трех фотошаблонов применяют для изготовления полупроводниковых ИМС на транзисторах с вертикальными p-n-переходами. При этом в пластину из слаболегированного кремния p-типа (с удельным сопротивлением 1000 Ом·см) проводят неглубокую диффузию акцепторной примеси для получения базовых областей p-типа (рис. 2.8, а). Эмиттерные и коллекторные области имеют электропроводность n⁺-типа и создаются путем локальной диффузии в базовую область. Эмиттерная область формируется путем диффузии одновременно с коллекторной, но располагается внутри коллекторного кольца (рис. 2.8, б). Изоляция обеспечивается благодаря большой области объемного заряда, сосредоточенной в высокоомной подложке, при обратном смещении перехода коллектор - подложка (рис. 2.8, в).

Применение данной технологии ограничено специфическими свойствами транзисторов с вертикальными p-n-переходами.

Рис. 2.8. Схема технологии трех фотошаблонов