Структуры а—в на рис. 16.6 основаны на транзисторном переходе эмиттер — база и имеют низкие обратные напряжения. Структуры г и д основаны на переходе коллектор — база и обладают средними по значению обратными напряжениями. При использовании транзисторных структур с зашунтированным коллекторным переходом получают наименьшее время рассасывания накопленных носителей заряда, сравнимое с временем рассасывания быстродействующих дискретных диодов, используемых в ЭВМ. У таких диодов прямое падение напряжения меньше, чем у транзисторных структур с разомкнутым коллектором. Поэтому если допустимо низкое значение напряжения пробоя перехода, то в качестве диодов используют транзисторы с зашунтированными переходами коллектор — база.

Широкое применение в микросхемах находят диоды Шотки вследствие их высокого быстродействия, малых размеров, а также электрической, топологической и технологической совместимости с большинством типов ИМС. В основном диоды Шотки применяют для ограничения насыщения биполярных транзисторов. При незначительном увеличении площади, занимаемой транзистором на кристалле ИМС, удается сформировать диод Шотки, включенный параллельно переходу коллектор — база, что позволяет повысить ¦быстродействие схем насыщенного типа. Весьма эффективно применение диодов Шотки в схемах инжекционной логики, так как они способствуют повышению быстродействия и функциональной гибкости.

Изоляция элементов в ИМС. Для создания изолированных областей в полупроводниковых микросхемах используют обратносме-щенные р-я-переходы, покрытия из диэлектрика, комбинацию об-ратносмещенных переходов с диэлектриком и изоляцию воздушными промежутками.

Изоляция обратносмещенными переходами основана на диффузии и была рассмотрена в гл. 9. Серьезным ее недостатком является наличие тока утечки и емкости перехода, а также коммутация схемы таким образом, что изолирующие р-я-переходы всегда находятся под обратным смещением. Благодаря значительному снижению удельной емкости, высокому пробивному напряжению диэлектрическая изоляция обеспечивает широкие возможности при изготовлении ИМС. Изоляция диэлектриком состоит в том, что между областями полупроводникового материала размещают диэлектрический слой. Наиболее распространенным способом изоляции является эпик-процесс. Исходной структурой для него служит пластина кремния «-типа, на которой выращен эпитаксиальный п+-слой. Эпитаксиальный слой оксидируют и в диоксиде кремния с помощью фотолитографии вскрывают окна нужной конфигурации. В окнах кремний вытравливают химическим методом на глубину 20—30 мкм при ширине разделительной канавки 50—80 мкм. На поверхности эпитаксиального слоя и вытравленных канавок путем термического либо пиролитического оксидирования создают слой Si02 толщиной около 1 мкм. Затем на всю поверхность пла-354

стины наращивают поликристаллический кремний. Толщина era составляет 200—250 мкм, поэтому все канавки полностью зарастают. На прецизионном полировальном станке часть поликремния сошлифовывают, обеспечивая плоскопараллельность пластины. Пластину переворачивают и шлифуют монокристаллическую подложку до тех пор, пока не обнажатся канавки, заполненные поликремнием. Поверхность тщательно полируют и окисляют. Теперь подложкой структуры, по существу, является поликремний. В нега вкраплены отдельные участки монокристаллического кремния,, изолированные друг от друга пленкой Si02 и поликремнием.

Метод позитивной изоляции, названный по типу применяемого фотошаблона, позволяет получать «-слой с точно заданной толщиной и высокой однородностью. Исходной структурой служит я+-подложка с пленкой диоксида. На нее наращивают поликремний и доводят толщину «+-подложки до 8—10 мкм. На этот слой наращивают эпитаксиальный кремний л-типа заданной толщины и сопротивления. Кремний оксидируют и вытравливают разделительные канавки до поликремния. Стенки канавок оксидируют, после чего всю поверхность структур покрывают поликремнием, который заполняет канавки на всю глубину. Излишки поликремния сошлифовывают до обнажения поверхностного оксида. Диоксид растворяют и на структуре проводят планарный процесс для создания микросхемы.

Метод повторного нанесения поликремния сочетает приемы эпик-процесса и позитивного метода с двукратным нанесением поликремния. Окисленную эпитаксиальную л-я+-структуру покрывают поликремнием. Подложку сошлифовывают на большую глубину, чтобы я+-область была одного порядка толщины с л-областью. После оксидирования селективным травлением создают канавки до поверхности раздела между кристаллом и поликремнием. Канавки оксидируют и наносят на эту сторону пластины второй слой поликремния большой толщины. Первый слой поликремния удаляют, создавая структуры, аналогичные структурам, полученным позитивным методом.

Рассмотренные методы включают прецизионную механическую обработку, которая осложняется из-за прогиба подложки в результате различия ТКР кремния и поликремния, а также разных значений микротвердости этих материалов и диоксида кремния. Поэтому возникли комбинированные методы, в частности изопланарный, Изопланарный метод основан на применении в качестве изоляции термически выращенного диоксида кремния. После формирования в пластине скрытых коллекторных областей п+-типа на всей поверхности пластины выращивают тонкий эпитаксиальный ?-слой. На нем формируют маску из нитрида кремния и производят длительное термическое оксидирование кремния для образования изолирующих областей на тех участках, где в нитриде кремния были вскрыты окна. Затем нитрид удаляют, наносят пленку Si02 и формируют элементы микросхемы (рис. 16.7, а). Для повышения плотности размещения элементов используют полипланарный ме-

355

год изоляции, основанный на вертикальном анизотропном травлении в плоскости (100). Травление в этой плоскости происходит в 30 раз быстрее, чем в плоскости (111). Полученные таким образом V-образные канавки экономят площадь, необходимую для изоляции элементов (рис. 16.7,6). Дальнейшая обработка состоит в заполнении канавок поликремнием и изготовлении разводки.

Несмотря на достоинства методов диэлектрической изоляции, всегда имеется опасность повреждения пленки диэлектрика и возникновения паразитной связи через слой поликремния. С этой точки зрения методы воздушной изоляции являются почти идеальными. Они основаны на вытравливании отдельных островков кремния, которые соединяются друг с другом с помощью коммутирующей металлизации. Изоляция воздушным промежутком применяется в технологии балочных выводов, декаль-методе и технологии структур «кремний на сапфире» (КНС-технологии). Технология балочных выводов применяется в основном для схем малой степени интеграции. Она достаточно сложна и не обеспечивает высокой плотности размещения элементов, не позволяет проводить сложную коммутацию. Декаль-метод (от слова декалькомания — нанесение переводной картинки) состоит в напайке планарной стороны кремниевой пластины с полностью сформированной микросхемой на стеклянную подложку, удаления обратной стороны пластины до толщины 20— 30 мкм и химическом вытравливании воздушных промежутков вокруг каждого элемента вплоть до стеклянной подложки. Недостатками этого метода являются малая плотность упаковки, плохой теп-лоотвод и необходимость тщательного согласования ТКР кремния и стекла. Изоляция в КНС-технологии рассмотрена в § 16.4.

§ 16.4. Изготовление элементов МДП ИМС

Уникальными свойствами микросхем на МДП-транзисторах являются высокое (около 1015 Ом) входное сопротивление для сигнала любой полярности, простота технологии и обусловленный этим более высокий процент выхода годных изделий, меньшая стоимость, самоизоляция МДП-транзисторов от подложки, облегчающая построение ИМС, простота построения логических схем и возможность создания схем, содержащих одни МДП-транзисторы, малые геометрические размеры транзисторов по сравнению с би-

Рис 16.7. Комбинированные методы изоляции:

а — изопланарная; б — полипланарная

356

полярными, что обусловливает более высокую плотность размещения элементов, а также электрическая совместимость МДП ИМС с биполярными схемами различных типов.

МОП ИМС с каналами р- и ?-типов. Технология изготовления МОП-транзисторов с каналом р-типа была первой освоена в промышленном производстве и заложена в большинстве серийно выпускаемых ИМС. Пластину кремния с электропроводностью п-типа, удельным сопротивлением 4—8 Ом-см и ориентацией (111) подвергают термическому оксидированию. Выращивают толстый диоксид (около 0,5 мкм), в котором вскрывают окна и ведут диффузию бора на глубину 2—3 мкм для создания р+-областей стока и истока. При диффузии над р+-областями нарастает оксид толщиной 0,2—0,3 мкм. В нем вскрывают окна и пластину подвергают оксидированию в тщательно осушенном и очищенном кислороде для создания подзатворного оксида. Этот процесс является наиболее ответственной операцией, так как качество и свойства подзатворного диоксида определяют параметры и стабильность МДП-транзистора. Толщина диоксида составляет 0,05—0,1 мкм. Электроды затвора, стока и истока формируют с помощью алюминиевой металлизации.

Эта стандартная технология позволяет получать МОП-транзисторы с индуцированным каналом р-типа, работающие в режиме обогащения, со следующими типовыми параметрами: минимальная эффективная длина канала 5—7 мкм, плотность поверхностных зарядов 4· 10й см~2, пороговое напряжение —(4±0,5) В. Недостатком стандартной технологии является наличие значительного (порядка 5 мкм) перекрытия электродом затвора областей стока и истока, вызывающее увеличение паразитных емкостей затвор — сток и затвор — исток и снижение быстродействия схемы. Это перекрытие обусловлено запасами на разбросы и ошибками совмещения в процессе трех фотолитографий. Использование МДП-тран-зисторов с каналами м-типа, работающих в режиме обеднения, привело к повышению быстродействия ИМС, так как подвижность электронов в поверхностных инверсионных слоях в 2—3 раза выше подвижности дырок. Выпускаемые в последние годы микросхемы включают преимущественно транзисторы с каналами «-типа. Это обеспечивает совместимость с биполярными