2.4 Изоляция элементов

Легированные полупроводниковые пластины, применяемые в производстве ИМС (кремний, арсенид галлия, германий), характеризуются сравнительно низким (1–20) Омсм удельным сопротивлением. Если не предусмотреть специальных мер, то между элементами ИМС образуются гальванические паразитные связи, нарушающие работу соответствующей схемы. Для исключения или существенного ослабления нежелательных гальванических связей между элементами в ИМС применяют изоляцию [1, 3, 4]:

• p-n-переходами;

• диэлектрическими слоями;

• сочетанием p-n-перехода с диэлектрическими слоями (комбинированная изоляция).

Изоляция p-n-переходами. Высокое сопротивление обратно смещенных p-n-переходов позволяет использовать их для изоляции элементов полупроводниковых ИС. Для этого в приповерхностном объеме кристалла с определенным типом проводимости соответствующими технологическими способами создаются «островки» определенных размеров с противоположным типом проводимости. «Островки» отделены от материала подложки изолирующими p-n-переходами. Обычно подложка находится под нулевым потенциалом, а на «островки» подается смещающее обратное напряжение относительно подложки. Изолированные «островки» называют карманами. В кармане формируется один или несколько БПТ с общей коллекторной областью, но «изолированных» от транзисторов, размещенных в других карманах структуры ИС. Иные элементы, исполняемые на основе слоев изолированных транзисторов, используют собственную изоляцию р-n-переходами от других элементов внутри кармана и общую изоляцию кармана для изоляции от групп элементов, размещенных в других карманах.

Ток гальванической связи областей, разделенных обратно смещенным p-n-переходом, оценивается уровнем (10^–6–10^–9) А и зависит от ширины запрещенной зоны материала кристалла ИМС, и дефектов, вносимых в процессе производства, и температуры кристалла.

Величина тока гальванической паразитной связи может многократно увеличиться на несущую пластину или смежный карман вследствие образования паразитных транзисторов или тиристоров между слоями структуры ИМС. Такие явления имеют место в изолированных p-n-переходом БПТ и некоторых вариантах структур диодов, выполненных на основе структуры БПТ. Для учета влияния паразитных структурных образований необходимо предвидеть последствия влияния или обеспечивать для них режим отсечки.

Емкостная паразитная связь между слоями определяется барьерной емкостью изолирующего p-n-перехода, удельная величина которой на единицу площади находится в пределах (50–200) пф/мм².

Достоинством изоляции p-n-переходом является совмес-тимость ее технологической реализации с производством элементов ИМС. Недостатки связаны с зависимостью гальванических токов от температуры и радиации, с образованием паразитных транзисторных структур, с повышенной барьерной емкостью, в сравнении с распространенными диэлектриками. Этот вид изоляции, при использовании наиболее широко применяемого метода разделительной диффузии, не позволяет получить высокую плотность компоновки элементов микросхем.

Диэлектрическая изоляцияпозволяет создавать ИМС с улучшенными показателями (увеличить напряжение пробоя изоляции, на (4–6) порядков уменьшить токи гальванической связи, исключить возможность образования паразитных транзисторных и тиристорных структур, на (1–2) порядка уменьшить паразитные емкости изоляции). В результате обеспечивается повышение рабочих частот аналоговых и быстродействие цифровых ИМС и их стойкость к действию радиации. Пример структуры с изоляцией карманов (под исполнение элементов) диэлектриком изображен на рисунке 2.3.

В качестве изолирующего диэлектрика для кристаллов кремния используются слои окисла SIO₂, нитрида, карбида кремния либо их сочетания.

В качестве несущего основания используются поликристаллический кремний или иные совместимые композиционные материалы. Изоляция диэлектриком не лишена недостатков, из которых следует особо отметить:

• усложнениетехнологии;

• повышение процента бракованных кристаллов;

• завышение размеров разделительных зон между смежными карманами;

• ухудшение условий отвода тепла от элементов.

Комбинированная изоляция элементов ИМС является компромиссным вариантом, сочетающим технологичность изоляции p-n-переходом и высокие качества изоляции диэлектриком. Здесь элементы ИМС со стороны пластины по донной части структуры кармана изолированы обратно смещенным p-n-переходом, а с боковых сторон, с выходом на поверхность пластины, диэлектриком.

Таким образом, изоляция p-n-переходом заменяется изоляцией диэлектриком в приповерхностном слое с боковых сторон, где удельная емкость p-n-перехода повышена и напряжение пробоя для изоляции пониженное.

Вариант структуры кармана с комбинированной изоляцией представлен на рисунке 2.4. В основе технологии лежит локальное протравливание тонкого слоя монокристалла, в результате чего этот слой оказывается разделенным на островки-карманы, в которых можно формировать элементы ИМС. Маской при локальном травлении и последующем окислении кремния служит нитрид кремния. Предварительное (перед общим окислением) локальное окисление кремния осуществляют на (60–70) % от общей толщины слоя, с тем чтобы образовавшаяся канавка при окислении «заросла» окислом точно до краев, т.к. удельный объем окисла примерно вдвое больше удельного объема кремния. Этим обеспечивается планарность поверхности структуры для последующих процессов формирования структур элементов и их соединений. Комбинированная изоляция применяется при толщине разделяемых карманов не более (2–3) мкм с использованием локального травления и не более (1,5–2) мкм при окислении разделительных зон без предварительного травления.