2.6. Биполярные технологии изготовления бис и сбис

Современные проблемы создания биполярных структур связаны с реализацией БИС и СБИС на одном кристалле, так как почти половина площади кристалла расходуется на электрическую изоляцию. Поэтому особое внимание уделяется разработке конструктивно-технологических решений, в которых эта площадь минимальна.

Одним из последних достижений в этой области является применение пленок поликристаллического кремния (ППК – технология), усовершенствованная КИД – технология, «Изопланар- », И²Л - технология, ИШЛ – технология, И³Л – технология и ПСС – технология.

На рис. 2.25 показана структура изопланарного транзистора с применением ППК для создания контактов к области транзистора, резисторов и одного уровня разводки.

Рис. 2.25. Структура биполярного изопланарного транзистора с ППК: 1 – пленки SiO₂; 2 – пленка PtSi; 3 – ППК

Сопротивление проводников ППК можно снизить, сформировав на них пленки сплава PtSi.

Усовершенствованная КИД - технология базируется на том, что эмиттерная область транзистора формируется диффузией с размерами, равными минимально возможным размерам в маскирующем слое оксида. Из-за боковой диффузии донорной примеси при формировании эмиттера отпадает необходимость оставлять на поверхности слой оксида, ограничивающий контакт металла к эмиттеру (металлизация к эмиттеру осуществляется в те же окна, что и диффузия). В этом случае упрощается совмещение при формировании эмиттерной области и контакта к ней, а размер эмиттерной области сокращается с мкм (для обычной КИД - технологии) до мкм. Тем самым достигается пропорциональное уменьшение всех структурных областей транзисторов. Вследствие сокращения площадей - переходов резко уменьшаются и их емкости. Данная технология предусматривает двухслойную металлизацию. В настоящее время ее используют для изготовления БИС преобразователей, 16-разрядных микропроцессоров, а также СБИС нескоммутированных логических матриц, содержащих более 100 тыс. вентилей на кристалле.

Технология «Изопланар - » представляет собой непрерывно совершенствуемый и развивающийся процесс, основанный на пропорциональной миниатюризации всех структурных областей транзисторов. Для ее осуществления используют непосредственное пошаговое репродуцирование уменьшенных изображений на пластины, формирование эмиттерных областей легированием мышьяка и изолированных оксидом, прецизионную металлизацию из алюминиево-медно-кремниевых соединений, формируемых плазменным травлением.

На рис. 2.26, а - г проиллюстрирован процесс уменьшения геометрических размеров транзисторных структур, причем последовательность выполнения операций аналогична обычному процессу.

Важным достоинством данной технологии является формирование БИС на кристаллах малых размеров. Так, для изготовления БИС ЗУПВ емкостью 4 К бит площадь кристалла составляет 8 мм², а для БИС емкостью 64 К бит - всего 16 мм². По технологии «Изопланар - » изготовляют в основном цифровые БИС и СБИС ТТЛ- и ЭСЛ - типов высокого быстродействия, в том числе БИС ППЗУ емкостью 64 К бит.

Рис. 2.26. Схемы транзисторных структур различной площади, изготовленных по технологии: а - планарно-эпитаксиальной; б - «Изопланар – I», в - «Изопланар – II»; г - «Изопланар - »

И²Л (инжекционная интегральная логика) - технология предусматривает изготовление БИС на основе самых перспективных функционально-интегрированных элементов - многоколлекторных транзисторов с инжекторным переходом и, следовательно, создание БИС с инжекционным питанием. И²Л - технология предназначена для формирования в пластине кремния расположенных в одной области горизонтального транзистора типа p-n-p и вертикального транзистора типа n-p-n. Последовательность формирования такой структуры состоит в том, что на исходной пластине кремния n⁺-типа выращивают эпитаксиальный n-слой (рис. 2.27, а), в котором формируют локальные p^--области (рис. 2.27, б). Затем по периметру p^--области (внутри нее) и на некотором расстоянии формируют локальные p⁺-области (рис. 2.27, в).

После этого в локальных p^--областях, окруженных p⁺-областями, формируют n⁺-области (одновременно формируют и охранные кольца) и осуществляют металлизированную разводку (рис. 2.27, г). И²Л - технология отличается простотой, БИС имеют функциональную плотность 200-300 вентилей/мм². По этой технологии изготовляют маломощные цифровые БИС, в том числе микропроцессорные наборы.

Рис. 2.27. Последовательность формирования И²Л схем

Использование комбинированной изоляции в И²Л - технологии позволило модифицировать ее и создать так называемую И³Л - технологию, (изопланарная интегральная инжекционная логика). В И³Л-технологии используется изопланарная изоляция и ограниченные оксидом эмиттеры обоих транзисторов (n-p-n и p-n-p), что позволяет изготовлять БИС с высокой плотностью упаковки (площадь интегрированного элемента составляет 450 - 1500 мкм²), не очень высоким быстродействием (время задержки на элементе менее 5 нс) и малой потребляемой мощностью (менее 1 мВт). Наиболее перспективным является изготовление по И³Л-технологии БИС ЗУ (ЗУПВ и ПЗУ) емкостью 16 - 64 К бит, микропроцессорных и периферийных БИС. На основе И³Л – технологии возможно изготовление большого количества дешевых специализированных БИС для электронных игр и часов, устройств управления и связи.

Сочетание в одном технологическом цикле процессов изготовления совмещенных транзисторов типов n-p-n и p-n-p и диодов Шотки позволило выделить так называемую ИШЛ - технологию (инжекционная-Шотки-логика), по которой диоды Шотки формируют одновременно с эмиттерами транзисторов типа n-p-n. Существует несколько модификаций ИШЛ - технологии в зависимости от расположения инжектора (горизонтального или вертикального). Структура ИШЛ - вентиля, сформированного по одному из вариантов данной технологии и соответствующая схеме рис. 2.28, а, приведена на рис. 2.28, б. По ИШЛ - технологии целесообразно изготовлять быстродействующие БИС микропроцессоров, делители частоты и др. Хотя площадь таких БИС примерно в 1,4 раза больше БИС И²Л - типа, быстродействие в 3 - 5 раз выше.

Рис. 2.28. ИШЛ – вентиль: а - электрическая схема;

б - структура (1 - вход; 2 - источник тока; 3,4,5 - выходы)

В ПСС - технологии (поликремниевая самосовмещенная) формирование межэлементных соединений происходит одновременно с формированием p-n-переходов. Последовательность основных операций ПСС - технологии для изготовления биполярных БИС включает: формирование коллекторных и базовых областей и нанесение слоя поликристаллического кремния (рис. 2.29, а); локальное легирование поликристаллического кремния мышьяком с одновременным формированием эмиттерной n⁺-области (рис. 2.29, б); локальное легирование поликристаллического кремния бором (для получения резисторов) и последующее нанесение слоя PtSi₂, обеспечивающее легирование поликристаллического кремния платиной для уменьшения сопротивления разводки (рис. 2.29, в). Сформированные по этой технологии вентили имеют площадь менее 2000 мкм², что обеспечивает высокую плотность упаковки, и быстродействие в единицы наносекунд. Используют ПСС - технологию для изготовления БИС ЗУ и делителей частоты.

Рис. 2.29. Последовательность формирования БИС по ПСС - технологии: а - формирование соединений; б - формирование p-n-переходов; в - формирование резисторов и поликристаллического кремния