4. Элементная база на биполярных транзисторах

По технологическим и ряду других причин, связанных с электрофизическими параметрами полупроводниковых материалов, в интегральных схемах часто используют кремниевую технологию. Наиболее широко применяют n–p–n-транзисторы, так как вследствие большей подвижности электронов в базе они имеют лучшие электрические параметры - более высокие граничные частоты и быстродействие.

4.1. Формирование биполярных транзисторов

Основные различия интегральных биполярных транзисторов (ИБТ) полупроводниковых ИС от дискретных транзисторов:

1)ИБТ содержат дополнительные области, изолирующие их от общей подложки и друг от друга;

2)все выводы от областей ИБТ располагаются в одной плоскости на поверхности подложки; такая структура

называется планарной. Требования к структурам:

1)площадь, занимаемая ИБТ на полупроводниковой подложке, должна быть минимально возможной для повышения плотности упаковки элементов и степени интеграции;

2)конструкция и технология изготовления ИБТ должны обеспечивать возможность одновременного создания других элементов (диодов, резисторов, конденсаторов) на основе полупроводниковых слоев, исполь-

зуемых при формировании ИБТ. Используемые методы изоляции элементов:

1)с помощью обратносмещенных p–n-переходов;

2)с помощью окисных диэлектрических областей;

3)посредством комбинированной изоляции.

50

Метод изоляции с помощью обратносмещенных p–n-переходов по сравнению с другими характеризуется большими площадями изолирующих областей и более значительными паразитными емкостями.

Широкое распространение получили ИС, создаваемые по изопланарной технологии с диэлектрической изоляцией.

4.2. Основные операции в изопланарной технологии

Исходным материалом является подложка p-типа N 1015 см–3,

ориентированная по плоскости (111) или (100) (рис.4.1).

p

Рис.4.1. Исходная полупроводниковая пластина

1. Формирование скрытого слоя (рис.4.2):

A A

Фоторезист

SiO2

p n+

Рис.4.2. Формирование скрытого слоя: шаблон и структура

1)окисление SiO2;

2)покрытие фоторезистом;

3)фотолитография (т.е. засвечивание активных областей элементов);

4)вскрытие окон в маскирующем слое SiO2;

51

5) диффузия скрытого слоя (ионная имплантация мышьяка или сурьмы).

Имплантированный слой путем термической обработки разгоняют в глубь подложки

Nc.c = 1015 ÷1016 см−3;

ρ ( + ) = 15 ÷ 20 Ом/квадрат ;

S n − c.c

n+-скрытый слой используется в качестве сильнолегированной области коллектора, предназначенной для уменьшения сопротивления коллектора.

2. Наращивание эпитаксиального слоя (рис.4.3):

n-эп.сл

n+

p

Рис.4.3. Формирование эпитаксиального слоя

1)удаление окисла со всей поверхности подложки;

2)эпитаксиальное наращивание слоя n-типа, являющегося коллекторной областью n–p–n-транзистора.

3. Формирование на поверхности пластины защитных слоев

(рис.4.4):

Si3N4

n-эп.сл SiO2 p n+

Рис.4.4. Формирование защитных слоев

1)выращивание путем термического окисления SiO2 50 нм;

2)осаждение на поверхность Si3N4 100 нм.

52

SiO2 - буферный слой, предназначенный для защиты кремния от возникновения дефектов, обусловленных упругими напряжениями в ходе последующего высокотемпературного окисления.

Si3N4 плохо окисляется, предотвращая окисление лежащих под ним слоев.

4. Формирование изоляции (рис.4.5):

Рис.4.5. Формирование изолирующих областей: шаблон и структура

1)покрытие фоторезистом;

2)фотолитография изолированных областей;

3)удаление Si3N4, SiO2 и половины эпитаксиального слоя путем травления в местах изоляции элементов;

4)ионная имплантация бора в протравленные участки для формирования областей, ограничивающих распространение канала n- типа.

Цель операции - увеличение уровня легирования подложки p-типа под изолирующим окислом, предотвращающим инверсию проводимости поверхности слаболегированной подложки p-типа;

5)удаление фоторезиста;

6)термическое окисление SiO2;

7)удаление Si3N4.

Отметим, что высокотемпературные и длительные циклы проводятся до формирования активных областей транзистора, чтобы избежать слишком глубокой разгонки мелких p–n-переходов.

53

5. Формирование области базы (рис.4.6):

Шаблон

базы

Фоторезист

Рис.4.6. Формирование базовой области: шаблон и структура

1)окисление поверхности SiO2;

2)нанесение фоторезиста;

3)фотолитография области базы;

4)ионная имплантация бора в базовую область.

Имплантация бора проводится через пленку окисла, поэтому процесс каналирования ионов примеси ослабевает и отпадает необходимость в послеимплантационном отжиге в окисляющей среде;

54