12 Лекция №11. Получение конфигурации элементов полупроводниковых микросхем, основные методы

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

12.1 Основные вопросы

- понятие конструкции полупроводниковой МС;

- методы изоляции элементов полупроводниковых ИМС;

- виды структур полупроводниковых МС;

- реализация резисторов, конденсаторов в полупроводниковых МС.

12.2 Текст лекции

12.2.1 Понятие конструкции полупроводниковой МС – до 35 мин

Существенным в технологии полупроводниковых ИМС является то, что отдельные элементы схемы можно создавать с помощью локального изменения исходного полупроводникового материала путем введения внутрь атомов примеси (легирования). Последовательность формирования топологического слоя в объеме кристалла приведена на рис. 12.1. Таким образом, полупроводниковый кристалл является носителем электронных процессов, проходящих в ЭВМ.

Путем многократного повторения операций окисление поверхности (SiO₂) — фотолитография с образованием оксидной маски — внедрение легирующей примеси через окна маски — стравливание окисла создаются элементы МС. Рисунок оксидной маски определяется рисунком фотошаблона, используемого в процессе фотолитографии.

Рисунок 12.1 – Последовательность формирования топологического слоя в объеме кристалла: а – окисление поверхности, б – фотолитография, в – внедрение примеси, г – стравливание окисла.

Конструкция полупроводниковой МС полностью определяется ее физической структурой (совокупностью слоев в кристалле, отличающихся материалом и электрофизическими свойствами) и топологией (формой, размерами, относительным расположением отдельных областей и характером межсоединений по поверхности кристалла). Можно также сказать, что, структура — это чертеж поперечного сечения кристалла ИМС, а топология — вид в плане.

Процессы легирования, а также наращивания слоев различных материалов призваны сформировать вертикальную физическую структуру ИМС.

Необходимые форма и размеры элементов и областей в каждом слое структуры (топология) обеспечиваются процессом фотолитографии.

Биполярные транзисторы изготавливают по планарной технологии. В основном используют биполярные транзисторы n⁺-n-pтипа, хотя в отдельных случаях используют и транзисторыp⁺-n-pтипа.

На рис 12.2 (а) приведен фрагмент структуры ИМС, представляющей собой n⁺-р-n-транзистор, и включенный в коллекторную цепь резистор, а на рис. 12.2 (б) — топология этого же участка.

Приведенная структура получила название эпитаксиально-планарной. Она предполагает взаимную изоляцию смежных элементов за счет обратносмещенных p-n-переходов на границах изолирующего слоя. Высоколегированный скрытый слой (n+) служит для уменьшения сопротивления коллекторов транзисторов и за счет этого повышения их быстродействия. Областиnпод коллекторными контактами исключают образование потенциального барьера (барьера Шотки), обеспечивая, таким образом, омический контакт со слаболегированным коллектором, и принадлежат эмиттерному слою.

Рисунок 12.2 – Фрагмент ИМС: а – структура (эпитаксиально-планарная со скрытым слоем); б – топология; 1 – исходная монокристаллическая подложка, 2 – скрытый слой, 3 – эпитаксиальный слой, 4 – базовый слой, 5 – эмиттерный слой, 6 – разделительный слой, 7 – изолирующий слой с контактными окнами, 8 – слой металлизации, 9 – защитный слой.

Каждый из слоев 2—6 представляет собой совокупность отдельных островков (областей), имеющих одинаковые толщины, тип проводимости (электронная nили дырочная р) и характер распределения примеси по толщине. Это достигается одновременным введением примеси через окна защитной маски изSiO₂, формируемой предварительно на поверхности пластины-кристалла. В отличие от слоев 2—6 слои 7, 8 и 9 получают путем формирования сплошной пленки и последующего избирательного травления с использованием фотошаблона. В результате изолирующий слой 7 (SiO₂) содержит контактные окна, слой металлизации 8 (обычноCu,AI) — систему соединительных проводников и периферийные монтажные площадки, а слой 9 — окна над монтажными площадками.

Последовательность формирования полупроводниковой структуры следующая. В исходной пластине-подложке p-типа формируются области скрытого слоя (n+). Далее осаждается сплошной монокристаллический (эпитаксиальный) слой кремнияn-типа, поверхность которого окисляется. Затем формируются области разделительного слоя (р+) с таким расчетом, чтобы они сомкнулись с подложкой. Образующиеся при этом островки эпитаксиального слоя образуют коллекторный слой (n). Внутри коллекторных областей формируютсяp-области (базовый слой), а внутри базовых областей — эмиттерные (эмиттерныйn+-слой). В дальнейшем обработка происходит на поверхности — формируются изолирующий слой (SiO₂), слой металлизации (Cuили А1) и защитный слой (SiO₂). При этом обработка осуществляется по циклу «нанесение сплошной пленки — фотолитография».

12.2.2 Методы изоляции элементов полупроводниковых ИМС– до 35 мин

В технологии изготовления биполярных ИМС могут использоваться несколько методов изоляции, важнейшими из которых являются:

1) изоляция обратно смещенными p-n переходами;

2) изоляция диэлектрическими материалами (оксидом кремния, нитридом кремния, поликристаллическим кремнием, ситаллом, оксидом аммония);

3) изоляция путем формирования активных и пассивных элементов на непроводящих подложках;

4) изоляция путем создания меза-структур с помощью вертикального анизотропного травления.

Для смещения перехода в обратном направлении необходимо приложить положительный потенциал к n-зоне, а отрицательный – к p-зоне. Изоляция обратно смещенными p-n переходами используется во многих структурах, в часности, в рассмотренной выше эпитаксиально-планарной структуре.

Изоляция обратно смещенными p-n переходами имеет следующие недостатки: достаточно большие площади изолирующего p-n перехода, а значит низкая степень интеграции. Кроме того, изолирующие переходы мешают нормальной работе схемы (электрические потери, токи утечки). Немаловажная роль в потерях принадлежит p-n-p транзисторам, возникающим между базой и изолирующим слоем p+ типа (рис. 12.3).

Рисунок 12.3 – Изоляция обратно смещенным p-n переходом.

Изоляция диэлектрическими материалами не имеет предыдущих недостатков.

При этом методе на подложку наносится эпитаксиальный слой того же типа проводимости, но с большей концентрацией основных носителей (рис. 12.4).

Рисунок 12.4 – Подложка с нанесенным эпитаксиальным слоем.

Затем поверхность окисляют в сухом кислороде и глубокой фотолитографией вытравливают канавки. Далее на внутренней поверхности канавок создают слой оксида кремния. Затем со стороны окисленных канавок наращивают поликристаллический кремний Si, который является опорным. С нижней стороны шлифовкой убирается часть подложки до достижения оксида кремния. Затем образец переворачивается, и в образовавшихся нишах формируются элементами одним из вышеописанных методов (рис. 12.5).

Рисунок 12.5 – Изоляция диэлектрическими материалами.

Очень часто используют изоляцию и обратно смещенными p-n переходами, и диэлектрическими материалами. Существует несколько вариантов структур с такой комбинированной изоляцией.

Структура с изоляцией путем формирования активных и пассивных элементов на непроводящих подложках носит название «кремний на изоляторе».

12.2.2 Методы получения элементов в полупроводниковых ИМС– до 20 мин

Диффузионные резисторы, применяемые в полупроводниковых ИМС, формируют на той же подложке, что и остальные элементы схемы (транзисторы, диоды, конденсаторы). Поскольку для изготовления транзисторной структуры требуется большое количество высокотемпературных процессов, резистивный элемент может быть получен одновременно с какой-либо из областей транзистора. Резистор чаще всего формируют на базовом слое транзисторной структуры. Выбор этого слоя представляет компромиссное решение между большими геометрическими размерами, которые были бы необходимы при использовании эмиттерного слоя, и высоким температурным коэффициентом сопротивления резистора, который получался бы при очень слабом легировании кремния, т.е. при выборе в качестве материала резистора коллекторного слоя транзистора. Следует, однако, отметить, что эмиттерный слой можно применять при формировании низкоомных термостабильных резисторов.

Для биполярных схем создание конденсаторов на основе p-n перехода не требует введения дополнительных технологических операций, поскольку они выполняются на переходах, предназначенных для формирования структуры интегральных транзисторов. В МДП-схемах можно воспользоваться способом формирования МДП-конденсатора на основе двуокиси кремния. Эти конденсаторы отличаются лучшими электрическими характеристиками и находят применение в широком классе перспективных полупроводниковых ИМС, в том числе в линейных полупроводниковых ИМС. Процесс изготовления интегральных МДП-конденсаторов не требует дополнительных технологических операций, так как получение оксида, используемого в качестве диэлектрика, можно легко совместить с одной из операций локальной диффузии.