2.5. Технология изготовления имс с комбинированной изоляцией

Современные БИС и СБИС на биполярных транзисторах изготавливают с применением комбинированной изоляции элементов.

В основу этой технологии положены процессы, обеспечивающие формирование элементов с изоляцией p-n-переходами их горизонтальных участков и диэлектриком - вертикальных боковых областей.

Изопланарная технология (изопланар) - самый распространенный способ комбинированной изоляции. Эта технология обеспечивает повышение плотности размещения элементов ИМС, позволяет использовать эпитаксиальный слой p-типа для формирования транзисторов с эпитаксиальной базой и слой n-типа для формирования транзисторов с диффузионной базой.

Изопланарная технология позволяет создавать тонкие базовые области и небольшие коллекторные области с оксидными боковыми стенками и тем самым обеспечивает получение транзисторных структур малых размеров и высокого быстродействия.

Имеются две разновидности изопланарной технологии: «Изопланар - I» и «Изопланар - II». При изготовлении ИМС по процессу «Изопланар - I» в качестве исходной используют кремниевую пластину p-типа с эпитаксиальным n-слоем и скрытым n⁺-слоем (рис. 2.20, а). Начинают процесс с наращивания на поверхности пластины слоя нитрида кремния, в котором с помощью фотолитографии формируют окна под изолирующие области. Затем производят локальное сквозное прокисление тонкого (2-3 мкм) эпитаксиального слоя кремния n-типа. В результате локального прокисления эпитаксиальный n-слой оказывается разделенным на отдельные карманы n-типа — так же, как при методе разделительной диффузии (рис. 2.9). Однако в данном случае боковые изолирующие слои не полупроводниковые, а диэлектрические (окисные). Что касается донных частей карманов, то они по-прежнему разделены встречно - включенными p-n-переходами. Именно поэтому изопланар относится к комбинированным методам.

Каждый карман в свою очередь разделен окислом на две части (1 и 2 на рис. 2.20, а). В главной части (1) осуществляются база и эмиттер транзистора, а во второй (2) — омический контакт коллектора (рис. 2.20, б). Обе части связаны через скрытый n⁺-слой. Таким образом устраняются все четыре боковые (вертикальные) стенки коллекторного перехода, что способствует уменьшению коллекторной емкости.

Локальное прокисление эпитаксиального слоя нельзя проводить через окисную маску, так как при высокой температуре и при наличии кислорода ее толщина будет расти за счет толщины n-слоя. Поэтому в изопланаре для локального прокисления используют маски из нитрида кремния.

По сравнению с классическим методом разделительной диффузии изопланарный метод изоляции обеспечивает большую плотность компоновки элементов (т.е. лучшее использование площади), а также более высокие частотные и переходные характеристики транзисторов.

Рис. 2.20. Процесс «Изопланар - I»: а - структура до базовой диффузии; б - конечная структура транзистора

Процесс «Изопланар – II» отличается тем, что в формируемой транзисторной структуре эмиттерные области боковой стороной выходят на изолирующий слой, а приконтактные области коллекторов формируются в самостоятельных «карманах» и соединяются с базово-эмиттерными областями скрытыми n⁺-слоями. При этом упрощаются процессы совмещения и конфигурации фотошаблонов и улучшаются параметры транзисторов. В качестве исходных используют двухслойные пластины кремния p-типа с эпитаксиальным и скрытым слоями. В зависимости от структуры формируемых транзисторов эпитаксиальный слой может быть разной электропроводности: при изготовлении транзисторных структур с эпитаксиальной базой - p-типа, а транзисторных структур с диффузионной базой - n-типа. На рис. 2.21 представлена структура с диффузионной базой.

Преимущества изопланарной технологии:

1. Очень высокая плотность элементов вследствие уменьшения вдвое по сравнению с планарно - эпитаксиальными технологиями размеров транзисторов и главным образом, за счет уменьшения площади изолирующих областей. Снижение паразитных емкостей, определяемых только емкостью p-n-перехода коллектора (данной части) относительно подложки.

Рис.2.21. Формирование биполярной структуры

по технологии «Изопланар - II»

2. Снижение требований к точности совмещения части фотошаблонов. В связи с тем, что ограничена диффузия в боковом направлении, обеспечивается самосовмещение фотошаблона с подложкой. Сохраняются требования к точности совмещения тех фотошаблонов, которые должны обеспечить точный зазор между формируемой областью и краем окисла.

3. Снижение требования к дефектности фотошаблонов, следующих за фотошаблонами для формирования разделительных диэлектрических областей. Дефекты таких фотошаблонов, попадающие на область разделительного окисла, не оказывают влияния на выход годных.

Проблемы изопланарной технологии:

1. Длительность операции высокотемпературного окисления при формировании толстого разделительного окисла, что приводит к перераспределению примеси скрытого слоя, проникновению ее в эпитаксиальный слой, а также к формированию дефектов упаковки в монокристаллическом кремнии. Эту проблему можно частично разрешить, используя комбинированный метод окисления в сухом и влажном кислороде /9/.

2. Неоднородность маскирующей пленки нитрида кремния: нерегулярность химической структуры, наличие сквозных отверстий, трещин. Указанная проблема может быть преодолена тщательной разработкой технологии осаждения нитрида кремния, а также поиском и применением других маскирующих слоев.

3. Возникновение рельефа на поверхности. В процессе локального окисления кремния молекулы окислителя диффундируют под край маски. В результате форма слоя толстого окисла в этих участках искажается и происходит растрескивание приподнимающегося края маски.

4. Высокий уровень дефективности и неоднородности толщины тонких (1-2,5 мкм) эпитаксиальных слоев.

5. Образование паразитного канала n-типа под изолирующим слоем двуокиси кремния между скрытыми слоями соседних компонентов. Образование инверсного канала в p-области вызывается положительно встроенным зарядом в окисле кремния.

Для решения этой проблемы подлегируют разделительные канавки перед формированием изолирующего окисла либо бором (сразу после травления кремния), либо галлием (используя его высокий коэффициент диффузии в окисле и применяя в качестве маски слой нитрида кремния). Под областью изолирующего окисла образуется диффузионный p⁺-слой и образование инверсионных каналов предотвращается.

Разработан целый ряд усовершенствованных вариантов (модификаций) типовых процессов изопланарной технологии, в которых применяют:

селективное анодирование кремния (обработку в электролитах) с целью получения пористого кремния для боковой изоляции (вместо термического окисления);

ионное легирование для формирования базовых и эмиттерных областей, что сокращает количество операций диффузии и маскировки и улучшает параметры транзисторов. Поэтому можно утверждать, что изопланарный технологический процесс является наиболее перспективным и целесообразным для изготовления быстродействующих полупроводниковых ИМС и запоминающих устройств.

Эпипланарная технология (эпипланар) – является разновидностью изопланарного процесса, в котором изменена последовательность формирования структур, а окончательная структура остается прежней. Процесс основан на селективном эпитаксиальном росте слоя кремния на определенных участках подложки. Этот метод позволяет обеспечивать самосовмещение изолированных областей и скрытого n⁺-слоя. На рис. 2.22 представлены этапы формирования биполярной структуры по эпипланарной технологии.

Рис. 2.22. Формирование биполярной структуры

по эпипланарной технологии

Первоначально на поверхности пластины кремния p-типа с эпитаксиальным n-слоем пиролитически осаждают слой оксида кремния толщиной 2,0-2,5 мкм, в котором вскрывают окна (рис. 2.22, а). Затем проводят локальное эпитаксиальное наращивание кремния n-типа (рис. 2.22, б) и в полученных таким образом «карманах» n-n⁺-типа формируют транзисторы и другие элементы (рис. 2.22, в). Эпипланарная технология позволяет реализовать в локальных эпитаксиальных слоях толщиной 2 мкм транзисторы с малыми паразитными связями. Она перспективна для ВЧ - микроэлектроники.

Для успешной реализации технологии «эпипланар» необходимы отсутствие дефектов в подложке, эпитаксиальном слое и в поверхности раздела между ними и однородность по толщине и свойствам локально выращенных островков кремния.

Основной недостаток этой технологии – трудность воспроизведения процессов локальной эпитаксии, что сдерживает ее широкое применение.

Полипланарная технология (полипланар). В основу полипланарной технологии положено вертикальное анизотропное травление кремния с ориентацией (100), что позволяет формировать в эпитаксиальном слое V–образные разделительные области для элементной изоляции. Различают две разновидности этой технологии: V-ATE - процессе (Vertical Anisotropic Etsh) и VIP-процесс (V-brave Isolation Polisilecon).

V-ATE – процесс показан на рис. 2.23. Здесь используют двухслойные кремниевые пластины p-типа с эпитаксиальным n-слоем и скрытыми n⁺-слоями с ориентацией рабочей поверхности только по плоскости (100). В этом случае вместо сквозного прокисления эпитаксиального слоя используется его сквозное протравливание методом анизотропного травления /9/. При этом травление идет по плоскостям (111), и поскольку в этом направлении травление имеет наименьшую скорость, плоскость (111) и ограняет канавку. Размеры окна в маске делают такими, что грани (111) «сходятся» чуть ниже границы эпитаксиального слоя и образуют канавки V-образной формы, откуда и название метода. Зависимость между шириной и глубиной канавки строго определенная: l/d= . При глубине 4-5 мкм ширина канавки составит всего 6-7 мкм, т.е. потери площади под изоляцию получаются весьма незначительными. Недостатком метода является необходимость использования плоскости (100), которой свойственна повышенная плотность поверхностных дефектов.

Рис. 2.23. Схема структуры полученной по технологии «полипланар»

На рельеф, полученный в результате травления, осаждается трехслойный диэлектрик SiO₂-Si₃N₄-SiO₂ (в некоторых вариантах слой Si₃N₄ не формируют, а рельеф просто окисляется как и при ЭПИК - процессе).

VIP – технология является разновидностью V-ATE – процесса, вслед за формированием слоя (или слоев) диэлектрика осаждают поликремний до тех пор, пока V–образная канавка не будет заполнена.

В отличие от эпик-процесса, последующее напыление поликристаллического кремния имеет целью лишь выровнять рельеф поверхности для облегчения металлической разводки. Для этого достаточно заполнить поликремнием только канавки. Излишний поликремний сошлифовывают до получения плоской поверхности подложки (рис. 2.23). VIP – технология обеспечивает планарность приборов и облегчает разводку по сравнению с V-ATE – технологией.

Существует еще одна разновидность полипланарной технологии. При использовании метода реактивного ионного травления можно дополнительно уменьшить ширину канавки. Такой метод изоляции получил название изоляции -образными канавками (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Метод изоляции -образными канавками

Полипланарная технология обеспечивает создание ИМС, которые по удельной плотности размещения элементов и электрическим характеристикам аналогичны ИМС, изготовленным по изопланарной технологии, но имеют меньшую площадь изоляции. Однако эти процессы более трудоемки. Полипланарную технологию применяют для изготовления не только биполярных ИМС, но и МДП-ИМС, а также БИС с инжекционным питанием.

Механическая шлифовка является одной из основных и критичных операций в технологии «полипланар», она затрудняет получение структур с высокими техническими характеристиками.

Методы комбинированной изоляции наиболее перспективны поскольку во всех вариантах используются: групповая технология; планарность процесса; обычные для ИМС материалы; оборудование, характерное для производства ИМС по планарно-эпитаксиальной технологии; прогрессивные технологические операции.