15. Применение диэлектрических материалов в микросхемах в качестве пассивных элементов в составе моп транзисторов.

Реальная структура МДП-транзистора с n-каналом, выпол­ненного на основе полупроводника, показана на рис. 4.2. Ме­таллический электрод, создающий эффект поля, называют за­твором (3). Два других электрода называют истоком (И) и стоком (С). Эти электроды в принципе обратимы. Стоком явля­ется тот из них, на который ( при соответствующей полярности напряжения) поступают рабочие носители канала. Если канал n-типа, то рабочие носители — электроны и полярность стока положительная. Исток обычно соединяют с основной пласти­ной полупроводника, которую называют подложкой (П).

Диэлектрик

Рис. 4.2. Структура МДП-транзистора с индуцированньш „.каналом

Глава 4. Униполярные транзисторы

Подложку МДП-транзисторов стараются делать из материа­ла с высоким удельным сопротивлением, с тем чтобы облегчить образование канала и увеличить пробивное напряжение пере­ходов истока и стока.

Подложки тонкопленочных ГИС должны прежде всего обла­дать хорошими изолирующими свойствами. Кроме того, жела­тельны малая диэлектрическая проницаемость, высокая тепло­проводность, достаточная механическая прочность. Темпера­турный коэффициент расширения должен быть близким к температурным коэффициентам расширения используемых пленок.

Типичные параметры подложек следующие: р = 10¹⁴Ом•см; ε = 5-15; tgδ = (2-20) •10^-4; TKL = (5-7)•10^-6.

В настоящее время наибольшее распространение в качестве подложек имеют ситалл и керамика.

Ситалл представляет со­бой кристаллическую разновидность стекла (обычное стекло аморфно), а

керамика — смесь окислов в стекловидной и крис­таллической фазах (главные составляющие А1₂О₃ и Si₂O).

Толщина подложек составляет 0,5-1 мм в зависимости от площади. Площадь подложек у ГИС иногда больше площади кристаллов у полупроводниковых ИС. Стандартные размеры подложек лежат в пределах от 12x10 до 96x120 мм. Требования к гладкости поверхности примерно такие же, как и в случае кремния: допустимая шероховатость не превышает 25x50 нм (класс шероховатости 12-14).

Обычно ГИС, как и полупроводниковые ИС, изготавлива­ются групповым методом на ситалловых или иных пластинах большой площади. По завершении основных технологических операций, связанных с получением пленочных пассивных эле­ментов и металлической разводки, проводится выходной тесто­вый контроль и, если необходимо, подгонка параметров

7.2. Изоляция элементов

Элементы биполярных полупроводниковых ИС нужно изолировать друг от друга с тем, чтобы необходимые соединения осуществлялись только путем металличе­ской разводки.

В случае изготовления на одной подложке МДП-транзисторов истоки и стоки смежных элементов оказываются разделенными встречно-включенными p-n-переходами и такая связь не столь губительна, как в биполярных элементах. Одна­ко с ростом степени интеграции и «сближением» элементов, об­ратные токи разделительных p-n-переходов растут и принуж­дают разработчиков ИС искать способы изоляции не только би­полярных, но и МДП элементов.Сравнительная оценка способов изоляции. Все известные способы изоляции можно разделить на два главных типа:

изо­ляцию обратносмещенным р-п-переходом и изоляцию диэлект­риком.

Обедненный слой p-n-перехода, особенно при большом обратном смещении, имеет очень высокое удельное сопротивление, близкое к удельному сопротивлению диэлектриков. Поэтому указанные два типа изоляции различаются не столько удельным сопротивлением изолиру­ющего слоя, сколько его структурой. Изоляцию p-n-переходом отно­сят к однофазным способам, имея в виду, что материал по обе стороны и в пределах изолирующего слоя один и тот же — кремний. Изоляцию диэлектриком относят к двухфазным способам, имея в виду, что мате­риал (фаза) изолирующего слоя отличается от материала подложки — кремния. Учитывая, что при разработке ИС происходит постоянное снижение рабочих напряжений, изоляция р-я-переходом применяет­ся все реже и реже.

Изоляция р-n-переходом сводится к осуществлению двух встречно-включенных диодов между изо­лируемыми элементами — так же, как в МДП-транзисторных ИС . Для того, чтобы оба изолирующих диода находи­лись под обратным смещением (независимо от потенциалов коллекторов), на подложку задают максимальный отрицатель­ный потенциал от источника питания ИС1.

Изоляция p-n-переходом хорошо вписывается в общий тех­нологический цикл биполярных ИС, однако ее недостатки — наличие обратных токов в p-n-переходах и наличие барьерных емкостей.

Изоляция диэлектриком более совершенная и «радикаль­ная». При комнатной температуре токи утечки в диэлектрике на 3-5 порядков меньше, чем обратные токи р-n-перехода. Что касается паразитной емкости, то, разумеет­ся, она имеет место и при диэлектрической изоляции. Однако ее легко сделать меньше барьерной, выбирая материал с малой Диэлектрической проницаемостью и увеличивая толщину диэ­лектрика.

Так же поступают в МДП-транзисторных ИС.

Большое распространение полу­чила так называемая технология кремний на сапфире (КНС, англ. S0S— Silicon On Sapphire).

Сапфир имеет такую же структуру кристал­ лической решетки, как и кремний. Поэтому на сапфировой пластине (подложке) можно нарастить эпитаксиальный слой кремния , а затем протравить этот слой на­сквозь до сапфира, так чтобы образо­ вались кремниевые «островки — карманы» для будущих элементов ИС

Эти карманы с нижней стороны изолированы друг oт сапфиром — диэлектриком, а с боковых сторон -воздухом. Поэтому технологию КНС часто относят к классу воздушной изоляции

Недостатком этого метода является рельефность поверхности, которая затрудняет осуществление металличе­ской разводки

.

а) б)

Рис. 7.9. Технология «кремний на сапфире» (КНС): а — исходная структура; б — рельефные карманы