Электрическая изоляция элементов полупроводниковых ИС

Монолитная интегральная схема представляет собой небольшой кристалл полупроводника, чаще всего кремния, на котором размещается множество транзисторов и других элементов, которые необходимо изолировать друг от друга. Наиболее распространенной является изоляция р—" -переходами. Пример такой изоляции представлен на рис. 7.1, где показана структура п^¥—р—л*-транзистора в составе ИС, изолированного от соседних элементов р—" переходом. Транзистор «—р—» типа создан в эпитаксиальном «слое, который, в свою очередь, сформирован на подложке р кремния. Особенности такого «⁺—р— «⁺-транзистора со скрытым п» -слоем будут описаны в следующем параграфе. Изолирующий р—» переход создается путем диффузии акцепторов на глубину эпитаксиального слоя. В результате весь эпитаксиальный слой разбивается на отдельные «области, изолированные посредством р-областей. Для надежной изоляции необходимо, чтобы р—» переход между диффузионным р-слоем и «эпитаксиальным слоем был смещен в обратном направлении. Однако эта изоляция не идеальна, так как между изолированными областями и р подложкой существует ток утечки ~ 1 нА/мм² (при Т = 300 К) и паразитная барьерная емкость изолирующего р—» -перехода. Эта емкость (С_бар) зависит от уровней легирования соответствующих областей и от напря;

Рис. 7.1.

Рис. 7.2.

жения смещения (при (7_обр =10^бар ~ 100 пФ/мм²). Типичное значение емкости С_6ар составляет величину порядка 1пФ.

Весьма эффективный способ повышения плотности упаковки ИС состоит в том, чтобы взамен разделительной р' -диффузии использовать коллекторную изолирующую диффузию (рис. 7.2). В этом случае на р подложке создается скрытый диффузионный я⁺-слой, поверх которого осаждается тонкий (~ 2 мкм) слой р-типа. После этого проводится я±диффузия, глубина которой выбирается таким образом, чтобы верхняя я*-область слилась с нижней, образовавшейся в результате обратной диффузии примеси из подложки. Верхняя я⁴-область, контактирующая с выводом коллектора, обеспечивает не только изоляцию транзисторных структур, но и создает глубокую приконтактную область, уменьшающую последовательное объемное сопротивление коллектора, что улучшает параметры интегрального транзистора (см. п. 7.3). Изоляция транзисторов друг от друга осуществляется с помощью обратносмещенных р—я-переходов, образованных диффузионной я*-областью и эпитаксиальным р-слоем. В такой структуре разброс размеров ширины базы больше, чем в транзисторах, изолированных с помощью двойной диффузии (см. рис. 7.1). В результате разброс значений коэффициентов усиления по току больший и, как следствие, имеет место худшее согласование характеристик транзисторов. Кроме того, поскольку я~-область контактирует с р базой, снижается напряжение пробоя коллектор—эмиттер.

Изоляция с помощью диэлектрических слоев является хотя и более трудоемкой, но более совершенной. Процесс формирования диэлектрической изоляции включает нижеследующие технологические стадии. Сначала на подложке я-типа создается диффузионный я⁺-слой, в котором формируется сетка пересекающихся ячеек. При последующем анизотропном травлении образуются К-образные канавки, стенки которых после термического окисления покрываются оксидным слоем 8Ю₂. Далее методом химического осаждения из газовой фазы на поверхность 8Ю₂ наносится толстый слой поликристаллического кремния. Слой получается поликристаллическим из-за того, что кремний наносится на 8Ю₂ (двуокись кремния), а не на чистый кремний. После этой операции кремниевые пластины монтируются на полировальном круге поликристаллическим слоем вниз и подложка я-типа осторожно сошлифовывается до вершин К-образных канавок (рис. 7.3). В результате получается матрица участков монокристаллического кремния /1-типа, изолированных от поликристаллической кремниевой подложки и друг от друга. Подложка из поликристаллического кремния обеспечивает механическую прочность ИС.

Диэлектрическая изоляция имеет большие преимущества для высоковольтных и радиациенно стойких ИС. Диэлектрическая прочность 8Ю₂ составляет величину порядка 600 В/мкм. В ИС с изолирующими р—/г-переходами напряжение пробоя не превышает значений * 50 В.

Под действием ионизирующего излучения в кремнии может возникнуть большое количество избыточных свободных электронов и дырок, которые создают значительные приращения токов утечки р—/г переходов, что сильно ухудшает параметры ИС. При использовании диэлектрической изоляции ИС более устойчивы к воздействию ионизирующего излучения из-за наличия оксидного слоя 8Ю₂.

Разновидностью диэлектрической изоляции являются схемы типа «кремний-на-сапфире» (КНС). Из-за различия параметров кристаллических решеток кремния и сапфира на границе их раздела возникают значительные механические напряжения, формирующие структурные дефекты, что снижает время жизни неосновных носителей заряда в кремнии. Это ограничивает применение КНС-структур в биполярных схемах, но КНС с успехом могут быть применены в МОП-схемах, например, в конфигурациях КМОП/КНС, поскольку малые паразитные емкости повышают быстродействие схем.

В настоящее время, помимо рассмотренных способов изоляции, широко применяется изопланарная технология, являющаяся комбинированным методом. В ее основе лежит локальное сквозное прокисление тонкого (2…3мкм) эпитаксиального слоя кремния /г типа (рис. 7.4), который в результате оказывается.

Рис. 7.3.

Рис. 7.4.

разделенным на отдельные карманы «типа аналогично разделительной диффузии (см. рис. 7.1), но с тем отличием, что боковые изолирующие слои являются не полупроводниковыми, а диэлектрическими.

Однако данные части карманов по-прежнему разделены встречно включенными р—я переходами. Заполненные окислом области, отделяющие коллектор от эмиттера и базы, позволяют снизить емкость коллектор—подложка и повысить напряжение пробоя, изолирующего р—л-перехода. Главное преимущество изопланарной технологии — повышение плотности упаковки, которое достигается благодаря тому, что эмиттерные л-области и базовыер-области могут непосредственно контактировать с изолирующими участками окисла.