2.3. Планарно-эпитаксиальные технологии с изоляцией элементов p-n-переходами
Стандартный метод разделительной или изолирующей диффузии находит широкое применение вследствие своей простоты и хорошей совместимости с планарной технологией. Сущность этой технологии состоит в том, что транзисторные структуры формируются локальной диффузией в тонком эпитаксиальном слое n-типа, выращенного на подложке p-типа, а изолирующие области создаются путем проведения разделительной диффузии на всю глубину эпитаксиального слоя толщиной не более 5-10 мкм. При такой малой глубине проблема изоляции существенно упрощается: время диффузии не превышает 2-3 часа, а расширение изолирующих p-слоев на поверхности, обусловленное боковой диффузией, в несколько раз меньше, чем при методе встречной диффузии (рис. 2.6, б). При этом коэффициент использования площади кристалла имеет приемлемую величину. Схема разделительной или изолирующей диффузии приведена на рис. 2.9.
Рис. 2.9. Основной способ изоляции элементов с помощью переходов в планарно-эпитаксиальных ИС
«Островки» n-типа, оставшиеся в эпитаксиальном слое после разделительной диффузии, называют карманами. В этих карманах на последующих этапах технологического процесса осуществляют необходимые элементы ИС, в первую очередь - транзисторы.
Простейшие карманы показанные на рис. 2.9, находят ограниченное применение. Транзисторы, изготовленные в таких карманах (рис. 2.10, а) характеризуются большим горизонтальным сопротивлением коллекторного слоя rкк (100 Ом и более). Уменьшать удельное сопротивление эпитаксиального слоя нерационально: при этом уменьшается пробивное напряжение коллекторного перехода и возрастает коллекторная емкость. Поэтому типовым решением является использование так называемого скрытого n-слоя, расположенного на дне кармана. Роль такого низкоомного слоя очевидна из рис. 2.10, б.
Скрытые слои получают диффузией, которая проводится до наращивания эпитаксиального слоя. Во время эпитаксии донорные атомы скрытого слоя под действием высокой температуры диффундируют в нарастающий эпитаксиальный n-слой. В итоге скрытый слой частично расположен в эпитаксиальном, и дно кармана в этом месте оказывается «приподнятым» на несколько микрон. Для того, чтобы предотвратить чрезмерное распространение доноров из скрытого слоя в эпитаксиальный (что может привести к смыканию скрытого n+- слоя с базовым p-слоем), выбирают для скрытого слоя диффузант со сравнительно малым коэффициентом диффузии - сурьму или мышьяк.
Рис. 2.10. Структура интегрального n-p-n-транзистора:
а — без скрытого слоя; б — со скрытым n-слоем
Использование скрытого n+-слоя обеспечивает не только меньшее сопротивление коллектора (первоначальное назначение скрытого слоя), но и некоторые другие преимущества, в том числе большой инверсный коэффициент усиления транзистора и меньший избыточный заряд в коллекторном слое, накапливающийся в режиме двойной инжекции.
Разделительная диффузия в эпитаксиальный слой является в настоящее время наиболее простым и распространенным вариантом изоляции n-p-n-переходом.
КИД – технология, основанная на коллисторной изолирующей диффузии, является более сложным вариантом предыдущего метода. Вместо разделительной диффузии для завершения изоляции используют коллекторную диффузию, что экономит площадь кристалла и сокращает технологический цикл создания ИМС на 1-2 фотолитографические операции. Схема КИД – технологии представлена на рис. 2.11.
Метод КИД характерен тем, что эпитаксиальный слой (толщиной 2-3 мкм) имеет проводимость p-типа. В этом слое расположены заранее созданные скрытые n+-слои. Разделительная диффузия в данном случае осуществляется с помощью донорной примеси (фосфора); глубина диффузии соответствует расстоянию от поверхности до скрытого слоя. В результате получаются карманы p-типа (будущие базовые слои), а скрытый n+-слой вместе с разделительными n+-слоями образует область коллектора. Как видим, в данном случае разделительные слои выполняют полезную функцию и, следовательно, не влияют на коэффициент использования площади. Последний при методе КИД оказывается значительно больше, чем в основном варианте (рис. 2.9). Кроме того КИД – технология позволяет уменьшить токи утечки за счет высокой концентрации примеси в коллекторной области и время жизни неосновных носителей. Однако из-за большой концентрации примеси в n+-слоях методу КИД свойственны меньшие пробивные напряжения коллекторного перехода и большие значения коллекторной емкости. Кроме того, чтобы сделать базу неоднородной и тем самым создать в ней внутреннее ускоряющее поле, в p-карманы приходится дополнительно проводить диффузию акцепторной примеси.
Рис. 2.11. Метод изоляции элементов коллекторной диффузией
Недостатком КИД – технологии также является наличие эпитаксиальной базы и отсутствие дрейфа носителей от эмиттера к коллектору из-за отсутствия градиента концентрации базовой примеси, что снижает быстродействие.
Базовая изолирующая диффузия (БИД - технология) проще КИД – технологии, так как требует только четырех операций фотолитографии и формирование базовых и изолирующих областей происходит одновременно.
При изготовлении ИМС по БИД - технологии также используют пластину p-типа, на которой выращивают тонкий эпитаксиальный слой n-типа (рис. 2.12, а). В отличие от структур с коллекторной изолирующей диффузией скрытый слой n+-типа не обязателен.
Рис. 2.12. Схема БИД – технологии
Затем в эпитаксиальный слой проводят локальную диффузию акцепторной примеси, в результате чего формируют базовые области p-типа и изолирующие области p-типа, окружающие базовые области (рис. 2.12, б). Диффузионные процессы создания эмиттеров и коллекторных контактных областей осуществляют обычным путем. При этом изолирующие области p-типа, сформированные одновременно с базовыми, проникают не на всю глубину эпитаксиального слоя. Изоляция достигается за счет приложения к изолирующим областям отрицательного напряжения так, что область объемного заряда изолирующего p-n-перехода расширяется до смыкания с подложкой p-типа (рис. 2.12, в).
Несмотря на то, что БИД - технология проще КИД - технологии, она имеет ограниченное применение, поскольку требует дополнительный источник питания для обратного смещения изолирующих областей.
Технология на основе двойной диффузии (метод самоизоляции n-областью) – процесс, в котором формирование структуры в кристалле осуществляется одновременной диффузией фосфора и мышьяка.
На первом этапе в исходной пластине кремния p-типа создают локальную область n+-типа одновременной диффузией фосфора и мышьяка (рис. 2.13, а). Затем выращивают тонкий эпитаксиальный слой p-типа; при этом в результате обратной диффузии фосфора в эпитаксиальный слой образуется область n-типа (рис. 2.13, б). В таких областях формируют биполярные транзисторы и другие элементы (рис. 2.13, в). Такая технология позволяет уменьшить размеры элементов и повысить в два раза плотность их размещения по сравнению с изоляцией за счет сквозной диффузии.
Рис. 2.13. Схема технологии на основе двойной диффузии
Дальнейшее совершенствование типовых процессов изготовления биполярных ИМС с изоляцией p-n-переходами направлено на уменьшение площади элементов и изолирующих областей, что достигается заменой процессов диффузии ионным легированием, применением тонких эпитаксиальных слоев, маскирующих слоев из нитрида кремния вместо оксида.
Использование пленок поликремния в технологии изготовления биполярных микросхем позволило реализовать принцип самосовмещения, резко сократить размеры элементов, формировать высокоомные резисторы с малой паразитной емкостью. Это приведет к иной, чем в обычной планарно-эпитаксиальной технологии, последовательности операций, позволит повысить плотность упаковки элементов и быстродействие элементов микросхемы.