ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

40

– материал подложки должен иметь высокую теплопроводность для обеспечения отвода тепла от элементов микросхем.

Для подложек типа КНД этим требованиям удовлетворяют сапфир и шпинель, а для подложек типа КВД — специальное стекло марки С-40-2.

Структуры типа КНД получают гетероэпитаксией кремния на сапфировых подложках (КНС) толщиной 250...300 мкм. Их обозначают и расшифровывают следующим образом:

2 КДБ 15

КНД

60 с 250

— это пластина с гетероэпитаксиальным слоем кремния толщиной 2 мкм, дырочной проводимости, легированным бором, с удельным объемным сопротивлением 15 Ом·см, выращенным на сапфировой подложке (в знаменателе буква «с») диаметром 60 мм и толщиной 250 мкм. Кристаллографическая ориентация эпитаксиальных слоев на структуре типа КНС устанавливается в плос-

кости (100).

Исполнение структур КНС затрудняется сложностью технологии выращивания бездефектных слоев.

Из структур КВД более распространен вариант КСДИ (кремниевая структура с полной диэлектрической изоляцией). Изготавливаются три варианта КСДИ, различающиеся как наличием скрытого слоя, так и его геометрией (рисунок. 2.10). Толщи-

а— без скрытого слоя; б — со скрытым слоем 3;

в— с выходом скрытого слоя 3 на поверхность Рисунок 2.10

41

ны структур равны (200±10) и (300±10) мкм при диаметрах пластин, равных 40 и 60 мм. Толщина изолированного кармана без скрытого слоя равна (7...20) мкм, со скрытым слоем — (10...25) мкм. Толщина скрытого слоя (5...8,5) мкм с допуском ±1мкм; толщина изолирующего окисла (1,5…3,5).

20 КЭФ 4,5 (100) [n+ -M]

Обозначение КСДИ 60

300 SiO2 2,5

соответствует кремниевой пластине диаметром 60 мм с диэлектрической изоляцией; толщина монокристаллических областей из кремния электронной проводимости, легированного фосфором, с удельным сопротивлением 4,5 Ом·см с кристаллографической ориентацией (100) составляет 20 мкм. В квадратных скобках указывается наличие скрытого n+-слоя, легированного мышьяком (буква М) и выходящего на поверхность структуры. Если скрытый слой не имеет выхода на поверхность, эти данные заключаются в круглые скобки. В знаменателе указывается толщина структуры 300 мкм, вид диэлектрика 2,5 мкм. Структуры для микросхем с диэлектрической изоляцией могут создаваться на предприятиях, производящих ИС, но более целесообразно осуществлять их производство централизованно по заказам предпри- ятий-изготовителей ИС.

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;

42

–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 арсени- до-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 заниже-

43

нием рабочих напряжений вследствие значительного различия концентраций на поверхности и глубине коллекторного и базового слоев структуры.

В структуре 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

45

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

сдиэлектрической подложкой, в которую погружены или на поверхности которой сформированы монокристаллические карманы

сэлементами 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. От-

46

сюда следуют повышенный производственный брак, значительные потери площади кристалла и повышенные расходы.

В определенной 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.

а б

Рисунок 2.15

В этих структурах донные поверхности коллекторной области изолированы 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 под-

47

ложки, 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.

С целью повышения быстродействия (расширения частотного диапазона ИМС) реализованы структуры на 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) Рисунок 2.16 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.

2.11 Параметры слоев структур БПТ ИМС

В проектировании ИМС выполняются работы по выбору структур приборов плоскостных конфигураций и расчету их размеров. Расчеты конструкций опираются на совокупность исходных ограничений и параметров, которые условно делятся на две группы:

–первичные;

–вторичные.

48

К первичным целесообразно отнести ограничения и параметры, контролируемые или принимаемые в процессе выбора или формирования слоя. К ним могут быть отнесены:

–поверхностная концентрация примеси в слое Nо[см–3];

–толщина слоя Xо[см];

–закон распределения примеси в слое N(x);

–усредненное удельное объемное сопротивление слоя ρ [Ом·см]) или удельная электропроводность (σ = 1/ ρ);

–удельное сопротивление омического контакта к слою, Rо [Ом·см–2];

–сопротивление квадрата слоя, R□ [Ом];

–диффузионная длина носителей заряда, Ln,p [см];

–подвижность носителей заряда, М n,p [cм–2/В сек];

–время жизни носителей заряда, Тn,p [сек];

–напряжение пробоя изоляции, Uпр [В].

Этот список можно продолжить, так как прямым или косвенным способом возможно экспериментально определить практически любой параметр, который введен как показатель свойств слоя. Однако обычно экспериментально определяют или задают минимальное число параметров слоя, а все другие доопределяют расчетным путем, используя известные аналитические соотношения, табличные и графические зависимости. К доопределяемым параметрам слоев относится понятие «вторичные параметры».

Деление параметров на первичные и вторичные не является самоцелью. Для выполнения проектных расчетов конструкций элементов ИМС требуется определенная совокупность параметров слоев, которую необходимо всякий раз формировать как исходный справочный материал. Поэтому если необходимый параметр не обнаружен в перечне первичного справочного материала, то он неизбежно попадает в группу вторичных параметров и должен быть доопределен.

Приводимые далее соотношения и зависимости между известными (первичными) и доопределяемыми (вторичными) параметрами позволяют доопределять одни параметры слоя, если известны другие.

Расчетные соотношения и зависимости приводятся исключительно для слоев структур, выполняемых на кремнии.

49

2.11.1 Оценка параметров слоя

Полагая известными концентрацию No, толщину слоя xo, закон распределения примеси в слое, определяют все (или почти все) другие недостающие параметры.

Удельную объемную электропроводность (σ) для равно-

или применяют графические зависимости (см. рис. 2.2) для слоя электронного или дырочного типа проводимости.

Для неравномерно легированных слоев применяют анали-

тический и графоаналитический способы определения.

Для аналитического способа пользуются соотношением

где M(Nc(x)) — зависимость подвижности основных носителей от суммарной концентрации Nc примеси в слое;

Np(x) — разностная концентрация примеси в слое;

x2, x1 — пределы интегрирования числителя (0≤ x1<x2); q =1,6 10–19 К — заряд электрона.

Графоаналитический расчет выполняется с применением графических планшетов, построенных на основе табулированных значений, рассчитанных по формуле (2.9). Примеры планшетов (известных под названием планшетов Ирвина) приведены на рисунке 2.17. Координатами планшетов являются поверхностная концентрация Nо в слое и удельная усредненная по слою электропроводность σ.

Параметром графиков на планшете являются градации отношения x1/x2. Множество планшетов разделено на подмножества, различающиеся:

–типом проводимости слоя (n-, p-тип);

–законом распределения примесей в слое (Гаусса, дополнительная функция ошибок);

–значением исходной концентрации примеси в пластине до внесения легирующей примеси (Nисх).