2.9 Арсенид галлия в производстве имс

Арсенид галлия широко применялся в производстве таких приборов микроэлектроники, как диоды Ганна, светодиоды и приемники излучений, лавинно-пролетные диоды, транзисторы для СВЧ-диапазона. Длительное время применение GaAs для производства ИМС, в отличие от кремния, сдерживалось рядом технологических проблем, среди которых следует отметить:

• диссоциацию вещества c выделением As при температурах более 600 С при нормальных давлениях;

• отсутствие совместимых диэлектрических пленок на GaAs;

• несовместимость с кремниевой технологией по маскирующим покрытиям и условиям проведения диффузии;

• повышенная дефектность структуры как эпитаксиальных пленок, так и массивных кристаллов;

• технологическая сложность и высокая стоимость, в сравнении с кремнием, производства кристаллов.

Развитие технологии производства кремниевых ИМС, освоение процессов ионной имплантации, плазменного осаждения пленок, сухого травления, лучевых методов литографии позволили в 90-х годах прошедшего века перейти к производству арсенидо-галлиевых ИМС.

Для производства ИМС GaAs выпускается в виде монокристаллов, легированных и полуизолирующих. Монокристаллы электронного типа проводимости легированы теллуром или оловом. В дырочном GaAs применяют в качестве примеси цинк, а в полуизолирующем GaAs — хром, железо. Диаметр монокристаллов в 3–4 раза уступает кремниевым слиткам и длина составляет (3–5) диаметров.

Донорами для GaAs являются атомы элементов шестой группы таблицы Менделеева, а акцепторами — второй группы.

Преимущественное распространение GaAs получил в производстве ИМС с ограниченным числом слоев в структуре — что соответствует структурам с полевыми приборами. Высокая подвижность электронов в GaAs позволяет функционировать приборам в радиочастотном СВЧ-диапазоне. Обсуждение специфичности технологии производства приборов и ИМС на основе GaAs выходит за пределы пособия.

2.10 Технологические варианты структур бпт

Основные конструктивно-технологические разновидности структур биполярных транзисторов изображены на рисунках 2.11—2.16.

Структура планарного транзистора, сформированного тройной диффузией (см. рис. 2.11), находит ограниченное применение, что объясняется достаточно большим сопротивлением коллекторного слоя БПТ и занижением рабочих напряжений вследствие значительного различия концентраций на поверхности и глубине коллекторного и базового слоев структуры.

Вструктуре БПТ изображенной на рисунке 2.12, коллекторная область формируется с эпитаксиальным наращиванием на пластину кремния слоя с противоположным ей типом проводимости.

Диффузией примесей в эпитаксиальном коллекторном слое (ЭПСК) формируются изолированные p-n-переходом разделительные кольцевые области, охватывающие в ЭПС островки — «карманы». В карманах размещаются БПТ и (или) иные элементы ППИМС.

Дополнительное снижение сопротивления коллекторного слоя на работу БПТ структуры обеспечивается размещением под базовым слоем в ЭПСК скрытого диффузионного слоя того же типа проводимости с концентрацией атомов примеси Nдсс > (Nэпс = Nдк). Скрытый диффузионный слой формируется перед эпитаксиальным наращиванием ЭПС коллектора (ЭПСК). Максимальный уровень концентрации примеси Nдсс и толщина скрытого слоя выбираются таким образом, чтобы не ухудшить электрическую прочность изоляции донной части структуры с ЭПСК (рис. 2.12). Распределение примесей в скрытом слое соответствует многоэтапной диффузии. Существенным недостатком структуры с ЭПСК являются значительные потери площади кристалла, связанные формированием разделительной области. Так, при толщине ЭПСК не менее (5–6) мкм и глубине разделительной диффузии не менее (7–8) мкм, на поверхности пластины ширина кольца разделительной области занимает не менее (18–22) мкм.

Половина ширины разделительного кольца по периметру изолируемого БПТ включается в площадь, занятую транзистором.

В структуре БПТ, изображенной на рисунке 2.13, базовый слой выполнен эпитаксиальным наращиванием по локальным «скрытым» коллекторным диффузионным слоям. Выводы от «скрытого» коллектора на поверхность кристалла формируются разделительной диффузией примесей, обеспечивающих тип проводимости раздели-тельной области,аналогичный типу проводимости кол-лекторного слоя. Благодаря этому структура известна как структура с разделительной коллекторной диффузией (КИД-структура). Так как эпитаксиальная технология формирования слоев применяется однократно для структуры БПТ, то далее эта структура будет обозначаться как структура с эпитаксиальным слоем базы (структура с ЭПСБ).

В ЭПСБ-структуре толщина ЭПС составляет (2–3) мкм, разделительная область одновременно используется для размещения коллекторного контакта, что позволяет существенно уменьшить плоскостные размеры БПТ в сравнении со структурой с ЭПСК.

Недостатками структуры с ЭПСБ являются снижение быстродействия, вследствие отсутствия ускоряющего поля в базе БПТ, и снижения рабочих напряжений из-за повышенных концентраций и их градиентов в разделительной области.

Структура БПТ с однородно легированной коллекторной областью и скрытым слоем, изолированная от подложки пленкой окисла SIO₂, изображена на рисунке 2.14.

Позиционным обозначениям (1–6) на рисунке соответствуют следующие области структуры:

1 — пассивное несущее основание (поликремний или ситалл);

2 — «скрытый» диффузионный или ЭПС легированный слой;

3 — коллекторный монокристаллический слой;

4 — слой диэлектрической изоляции (пленка окисла SIO₂ для кремния);

5 — легированная область под контактом к коллекторному слою;

6 — защитный слой изоляции контактов к электродам структуры БПТ.

Эмиттер и база БПТ формируются процессами диффузии примеси, с возможным применением ионной имплантации на стадии загонки примеси или формирования тонкого эмиттера.

Структура БПТ (см. рис. 2.14) может быть реализована различными методами. Ее различные варианты известны как:

• ЭПИК-структура (эпитаксиальная с изоляцией пассивирующей пленкой);

• КВД-структура (п/п карман в диэлектрике);

• ДИАК модификации (изоляция кармана алюмокерамикой);

• ДЕКАЛЬ модификации (изоляция кармана воздушными зазорами).

Толщина коллекторного слоя структур определяется спецификой реализации диэлектрической изоляции с применением метода травления и составляет не менее (5–8) мкм. Не менее этого значения составляют расстояния между изолированными карманами. Распределение примесей в слоях структуры может отличаться от структуры с ЭПСК только квазиравномерным распределением примеси в скрытом слое.

Несмотря на различия вариантов изоляции карманов диэлектриками, конечным результатом является конструкция ИМС с диэлектрической подложкой, в которую погружены или на поверхности которой сформированы монокристаллические карманы с элементами ИМС. Технология производства конструкций кристаллов с полной диэлектрической изоляцией достаточно сложна, так как представлена совокупностью плохо совместимых процессов травления, механической обработки, нанесения инородных материалов после применения к формированию элементов диффузии, эпитаксиального наращивания, ионной имплантации. Отсюда следуют повышенный производственный брак, значительные потери площади кристалла и повышенные расходы.

Вопределенной степени ослабить недостатки производства конструкций БПТ с полной диэлектрической изоляцией позволяют конструкции с комбинированной изоляцией. Примеры таких конструкций — структуры БПТ с боковой диэлектрической изоляцией «толстым» диэлектриком (а) и V-каналами (б) изображены на рисунке 2.15.

В этих структурах донные поверхности коллекторной области изолиров

аны от подложки р-n-переходом, а боковые — диэлектриком, что позволяет существенно уменьшить емкости всех p-n-переходов структуры БПТ.

Транзисторы со структурой, представленной на рисунке 2.15, а, изготовляют по изопланарной (формирование слоев структуры и изоляции со стороны одной поверхности кристалла) технологии. Боковую изоляцию формируют путем локального окисления кремния. Для сокращения длительности локального окисления используют тонкие эпитаксиальные пленки. При формировании базовой области и частично эмиттера диффузия производится в «колодец», образуемый стенками «толстого» окисла. Это позволяет получить малые размеры интегрального транзистора, снизить боковые составляющие емкостей коллекторного и, частично, эмиттерного переходов и существенно ослабить требования к точности совмещения при выполнении фотолитографических процессов. Распределения примеси в структуре аналогичны распределениям для БПТ с ЭПСБ.

Структура с комбинированной изоляцией, в которой «толстый» разделительный диэлектрик заменен V-каналом (образующимся в результате анизотропного травления кремниевой подложки, поверхность которой ориентирована по кристаллографической плоскости (100)), показана на рисунке 2.15, б. Глубина V- канала (d) c шириной окна в маске (L) связана соотношением d=L/√2.

Сцелью повышения быстродействия (расширения частотного диапазона ИМС) реализованы структурына кристаллических диэлектрических подложках (КНД — кремний на диэлектрике). Распространенный вариант такой структуры показан на рисунке 2.16, где в качестве коллекторного слоя используются островки-карманы 1 эпитаксиальной пленки кремния на диэлектрической подложке (сапфире) 2 (КНС-структура).

Недостатками структуры КНС являются:

• высокая плотность дефектов в эпитаксиальной пленке и, как следствие, низкий процент выхода годных кристаллов;

• технологические дефекты в соединениях приборов из-за перепада высот рельефа поверхности структуры;

• ухудшение отвода тепла через диэлектрик (как в структурах КВД).

Совершенствование технологии и оборудования формирования полупроводниковых, проводящих, изоляционных, маскирующих и защитных пленок и слоев позволило для рассмотренных структур уменьшить размеры и предложить их более совершенные структурные модификации.