4.3. Транзисторы с комбинированной изоляцией

Основным методом изоляции элементов современных биполярных микросхем является метод комбинированной изоляции, сочетающий изоляцию диэлектриком (диоксидом кремния) и р-п переходом, смещенным в обратном направлении. Существует большое число конструктивно-технологических разновидностей биполярных микросхем с комбинированной изоляцией. Широкое распространение получили микросхемы, создаваемые по изопланарной технологии.

Последовательность основных технологических операций, используемых в изопланарной технологии, и структуру изопланарного транзистора поясняет рис. 4.5. В высокоомной подложке р-типа локальной диффузией доноров формируют скрытый n⁺-слой. Затем на всей поверхности пластины наращивают тонкий ( =1 ... 3 мкм) эпитаксиальный слой n-типа (рис. 4.5, а). На полученную поверхность наносят слой нитрида кремния, из которого с помощью литографии формируют защитную маску. Не закрытые маской области эпитаксиального слоя подвергают травлению на глубину приблизительно 0,5 . Локальным ионным легированием бором через маску создают противоканальные области p⁺-типа, расположенные под вытравленными участками в подложке между скрытыми слоями n⁺-типа соседних транзисторов (рис. 4.5, б). Назначение этих областей поясняется ниже. Далее проводят селективное окисление кремния в вытравленных участках, где он не закрыт защитной маской, так что нижняя граница окисленных областей попадает в скрытый n+-слой. Слой диоксида кремния растет как вниз, так и вверх. Поэтому после окисления (при соответствующем выборе глубины травления) восстанавливается почти плоская поверхность пластины, (рис. 4.5, в).

В результате образуются карманы, в каждом из которых размещена структура n - n⁺ типа, изолированная с боковых сторон толстым слоем диоксида кремния, а снизу – n+ - р переходом. После этого пленку нитрида кремния удаляют и формируют маску из слоя диоксида кремния, закрывающую те участки, в которых будут создаваться коллекторные контактные области (рис. 4.5, г). Диффузией бора (или ионным легированием) получают базовый слой р-типа. При этом независимо от точности совмещения маски боковые границы базового слоя совмещаются с границами изолирующего диоксида кремния, так как он сам также служит маской. Таким методом получают самосовмещенную базу.

Различные методы самосовмещения, широко применяемые в производстве современных микросхем, заключаются в использовании элементов структуры, созданных на предыдущих этапах изготовления микросхем, в качестве маски при последующем формировании каких-либо областей.

Затем восстанавливают слой диоксида кремния на всей поверхности и создают из него маску, используемую при диффузии (или ионном легировании) фосфора в эмиттерную и контактную области n+-типа . На этом этапе применяют метод самосовмещения: в плоскости кристалла три границы эмиттерной области (за исключением четвертой, обращенной к базовому контакту) и все границы коллекторной контактной области определяются изолирующим диоксидом, используемым вторично в качестве маски. Вновь восстанавливают пленку диоксида кремния на всей поверхности пластины, вытравливают в ней контактные отверстия, напыляют слой алюминия, проводят его селективное травление и создают эмиттерный, базовый и коллекторный электроды и внутрисхемные соединения (рис. 4.5, д, е).

Главное достоинство изопланарного транзистора по сравнению с эпитаксиально-планарным (см. рис. 4.1) состоит в том, что при одинаковой площади эмиттерных переходов общая площадь изопланарного транзистора (с учетом площади изолирующих областей) меньше почти на порядок. Поэтому на основе изопланарных транзисторов можно создавать БИС и СБИС. Столь значительное снижение площади достигается в результате использования более тонкого эпитаксиального слоя, что приводит к уменьшению площади изолирующих областей. Кроме того, в конструкции изопланарного транзистора исключены пассивные области базы и коллектора, не используемые под контакты, так как все боковые стенки базовой и три боковые стенки эмиттерной области непосредственно граничат с изолирующим диоксидом кремния.

Рассмотрим назначение противоканальных областей p+-типа, расположенных под изолирующими областями (см. рис. 4.5, д). Известно, что на границе раздела кремний – диоксид кремния существует неподвижный положительный поверхностный заряд. Под влиянием этого заряда дырки отталкиваются в глубь подложки, а электроны из скрытых слоев n⁺-типа и подложки поступают к границе раздела. Поскольку концентрация акцепторов в подложке очень низкая (не более 10¹⁵ см^-3), то при отсутствии противоканальной области у поверхности под диоксидом формируется инверсный слой – канал n-типа. Этот канал замыкает коллекторные области соседних транзисторов, что недопустимо. Для предотвращения появления каналов n-типа и создают противоканальные области с повышенной концентрацией акцепторов, при которой для типичных значений плотности положительного поверхностного заряда формирование инверсного слоя исключается, так как концентрация поступивших к поверхности электронов оказывается ниже концентрации дырок.

Скрытый n⁺-слой в коллекторе изопланарного транзистора необходим для подсоединения к коллектору коллекторной контактной области. Он выполняет ту же функцию, что и в эпитаксиально-планарном транзисторе.

Изопланарный транзистор по сравнению с эпитаксиально-планарным имеет лучшие импульсные и частотные параметры. Поскольку при одинаковых площадях эмиттерных переходов сравниваемых транзисторов в изопланарном транзисторе значительно уменьшены площади коллекторного и изолирующего переходов то, следовательно, пропорционально снижены и барьерные емкости указанных переходов. Емкости всех переходов дополнительно уменьшаются еще и потому, что боковые стороны эмиттера, базы и коллектора граничат с диоксидом кремния, имеющим меньшую, чем кремний, диэлектрическую проницаемость. Кроме того, уменьшена площадь боковых стенок базы и коллектора из-за снижения периметра этих областей и толщины эпитаксиального слоя.