Структура транзистора с изоляцией р-я переходом (плаиарная техно­логия)

Электрическая изоляция коллекторной области от соседних транзисторов (когда на схему будет иодаио положительное относительно подложки питание) обеспечивается наличием области глубокой разделительной диффузии примеси р-типа через эпитаксиальный слой в пластину. Эта диффузия проводится пер­вой. База образуется в процессе второй днффузни примеси р-типа вглубь эпитаксиалъной области коллектора (в это же время делаются базовые и пиич-резисторы). Типичное сопротивление слоя, образованного во время второй диффузии (например, диффузант бор, глубина области 2,7 мкм), составляет 200 Ом/П. Эмиттер представляет область я-типа, которая образована во время третьей диффузии (например, фосфора в область базы иа глубину около 2 мкм). Сопротивление слоя эмиттера составляет приблизительно 2 Ом/П. Глубина залегания переходов; эмиттер —база 2 мкм, коллектор — база 3 мкм, коллектор — подложка 25 мкм.

Топология транзистора дает представление о размещении такой структуры йа поверхности пластины. Эмиттер—это диффузионная область прямоуголь­ной формы с размерами 25X40 мкм. Ои формируется после диффузии л-пря-меси в область р-базы (площадь базы 64X102 мкм). Электрические контакты с областями эмиттера, базы и коллектора осуществлены алюминиевой металлизацией, эмиттериый контакт — полоской металлизации шириной 12,5 мкм. Контакт с базой осуществлен двумя полосками, расположенными по обе сто­роны от эмиттера. Контакт с коллектором осуществлен прямоугольной метал­лизированной полоской, этот контакт полностью окружает диффузионный пе­реход коллектор—база. Нетрудно видеть, что значительная часть поверхности полупроводника использована для изоляции соседних структур друг от друга областью разделительной диффузии, проводимой на глубину 25 мкм Поскольку процесс диффузии трехмерный, атомы примеси диффундируют не только вглубь, но и «растекаются» в боковых направлениях. Расстояние, на которое примеси распространяются в боковых направлениях, также равно примерно 25 мкм. Такая традиционная технология не позволяет достичь высокой степени инте­грации элементов на пластине

Совершенствование технологии изготовления интегральных полупроводни­ковых структур с высокой плотностью размещения элементов на пластине так или иначе связано с пассивной изоляцией элементов, тес заменой активных областей р-п переходов, электрически изолирующих активные элементы в обыч­ных биполярных микросхемах, диэлектрическим материалом Одним из первых пЬ времени разработки является метод, при котором электрическая изоляция элементов на пластине осуществляется термически выращенным окислом крем­ния При этом методе в качестве диэлектрической изоляции вместо диффузион­ных областей используется слой двуокиси кремния (рис 2 2) При диэлектри­ческой изоляции двуокись кремния образует как стенки, так и дно каждого интегрального элемента и структура располагается в диэлектрическом «кармане» (отсюда малые электрические утечки) Такая технология позволяет получать на пластине более высоковольтные интегральные элементы, чем при изоляции р-п переходами, однако конечный выигрыш в площади структуры невелик

Дальнейшим развитием технологии с изоляцией элементов двуокисью крем­ния является полипланарный процесс В ием поверхность изолирующих канавок покрывается двуокисью кремния, а сами они заполняются поликрнсталлнческнм кремнием, образуя иа пластине гладкую поверхность Гладкая поверхность пластины позволяет применять стандартную металлизацию, упрощает создание пересечения проводников на разных уровнях и повышает общую надежность ИС

Полипланарный процесс, как и процесс с изоляцией р-п переходами, на­чинается с селективного формирования диффузионных скрытых слоев л±типа на пластине р-типа (рис. 2 3), после чего на ней выращивается эпитаксиальный слой я-типа Затем на пластине выращивается слой окисла, в котором с по­мощью стандартной фотолитографической техники вытравливаются окна под изолирующими областями В незащищенных участках для формирования изо­лирующих углублений проводится анизотропное травление кремния, ориенти­рованного в кристаллографической плоскости (100) Их глубина определяется только геометрической шириной отверстия в маскирующем материале на по­верхности кремния

Затем в полученных углублениях выращивается достаточно толстый для создания необходимой диэлектрической изоляции слой двуокиси кремния После этого, в отличие от других процессов, основанных на травлении углублений, на поверхность пластины осаждается поликристаллический кремний, полностью заполняющий углубления Лишний кремний затем сошлифовывается, в резуль­тате остается гладкая поверхность пластины К этому моменту боковые стенки структуры оказываются полностью сформированными, и все последующие технологические операции не отличаются от стандартных, принятых в плаиарно-зпитакснальнон технологии

Для полиллаиаряой технологии характерны малые размеры элементов. Канавки окисла отделены друг от друга на расстояние 10 15 мкм При такой технологии площадь, необходимая для создания элемента, ограничивается лишь толщиной эпитаксиального слоя и минимальной шириной изолирующей канавки. При условии оптимизации параметров технологического процесса площадь за­поминающего элемента для ЗУ с произвольной выборкой может составлять примерно 0,004 мм2. Применение полипланарной технологии позволило значи­тельно повысить плотность компоновки и снизить размеры кристаллов по срав­нению со стандартными структурами. Так, биполярные п-р-п транзисторы вместе с окружающей их изолирующей областью могут иметь площадь около 0,3−103 мкм8 Площадь планарного эпитаксиальио-диффузионного транзистора, показанного на рис. 2.1, равна примерно 55−10s мкм2.

Для сравнения приведем цифры, показывающие плотность компоновки за­поминающих элементов с изоляцией р-п переходами, диэлектрической и полиплаиарной изоляцией. Полипланариая матрица запоминающих элементов емко* стью 1024 бит может быть размещена на кристалле площадью 2,6 мм2, тогда как для такой же матрицы с диэлектрической изоляцией нужен кристалл пло­щадью около 4 мма, а для матрицы с изоляцией р-п переходами — площадью около 5,2 мм2.

Стандартная изопланарная технология обеспечивает получение траизнсторов с наименьшими размерами за счет возможности создания тонких базовых об­ластей и небольших коллекторных областей с боковыми стенками из вкисла [7]. Процесс создания изопланарной структуры (рис. 2.4) начинается с форми­рования п+ -областей в кремниевой пластине р-типа. Затем на всей поверхности пластины выращивается тонкий эпитаксиальный слой р-типа. Эпитаксиальный слой покрывается слоем нитрида кремния, из которого фор­мируется защитная маска для создания транзисторов и резисторов. Незащи­щенные нитридом области стравливаются иа относительно большую глубину — почти до скрытого слоя. После этого проводится длительное низкотемпературное окисление, в результате которого области глубокого травления заполняются изолирующим окислом, а .области, покрытые нитридом, остаются неокислениыми. Для создания контактов с коллекторными областями проводится глубокая п±диффузия. Для этого осуществляется селективное травление нитрида с соот­ветствующих участков кремния, практически ие затрагивающее изолирующего окисла. Области глубокой диффузии оказываются окруженными изолирующим окислом, отделяющим их от базовых областей транзисторов. После создания резистивных областей оставшийся на поверхности пластины нитрид стравли­вается и заменяется окислом. В окисле формируются эмиттериые окна, в ко­торые проводится диффузия. Затем вскрываются контакты к базовым областям, осаждается алюминий, и его травлением заканчивается формирование структур.

Дальнейшее совершенствование этой технологии обеспечивает получение транзисторов с площадями, вдвое меньшими по сравнению с исходными струк­турами за счет возможности изготовления не только базовых, но и эмиттер-иых областей, непосредственно примыкающих к областям окисла.