Wybrane technologie i konstrukcje scalone

W układach bipolarnych realizowanych nawet na wysoko rezystywnym podłożu, prawie wszystkie elementy muszą być wykonane w odrębnych wyspach. Podstawową techniką izolowania wykorzystującą warstwę zaporową nieprzewodzącego złącza p-n jest wykonywanie takich wysp w warstwie epitaksjalnej nałożonej na podłoże o przeciwnym typie przewodnictwa. Właściwa polaryzacja złącza izolującego wymaga utrzymywania podłoża typu p na najniższym potencjale w układzie.

Klasyczną, coraz rzadziej stosowaną wersją w pełni złączowej izolacji jest dzielenie warstwy epitaksjalnej na odrębne wyspy kolektorowe „słupami izolacyjnymi” wykonanymi przez głęboką dyfuzję domieszki przeciwnego typu niż ta warstwa. Wytworzenie takiej struktury przedstawionej na rys. 1.1 wymaga tylko jednego dodatkowego procesu dyfuzji izolacji p+. Ta wersja izolacji złączowej posiada jednak wiele wad:
-    duża powierzchnia, zwłaszcza dla dużych napięć polaryzacji (rozszerzanie się warstwy zaporowej złącza w funkcji napięcia),
-    upływności dla prądu stałego czułe na wzrost temperatury i promieniowanie jonizujące,
-    sprzężenia dla sygnału zmiennego przez pojemność warstwy zaporowej złącza izolacji CCS,
-    możliwość wpływu czynnych elementów pasożytniczych (tranzystor podłożowy pnp).

Rys. 1.1 Struktura tranzystora bipolarnego z izolacją LOCOS

O jakości tej izolacji decydują przede wszystkim obszary boczne utworzone przez słupy p+. Ze względu na wyższe koncentracje domieszek niż w złączu izolującym dolnej części wyspy, pasożytnicza pojemność jednostkowa obszarów bocznych jest większa, a ponadto możliwe są dodatkowe upływności w przypowierzchniowej części złącza ze względu na dodatkowe zanieczyszczenia i defekty strukturalne.

Lepsze właściwości ma izolacja złączowo-dielektryczna, w której najsłabszą część izolacji złączowej, czyli słupy izolacyjne p+, zastąpiono dielektrykiem. Dwutlenek krzemu SiO₂ jako materiał izolujący ma szereg zalet w stosunku do spolaryzowanego zaporowo złącza p-n:
-    mniejsze upływności stałoprądowe o kilka rzędów wielkości,
-    odporność na wzrost temperatury i promieniowanie jonizujące,
-    mniejsze sprzężenia pojemnościowe przy tej samej grubości co warstwa zaporowa, ponieważ:

$\varepsilon _{SiO_{2}}\approx \frac{1}{3}\varepsilon _{Si},$
 
-    niezależność grubości od wartości napięć polaryzacji i możliwość uzyskania wyższych napięć przebicia.

Technologia wytwarzania układów scalonych z tym rodzajem izolacji nazywana bywa LOCOS (Philips: Local Oxidation of Silicon). Przedstawiony opis jest uproszczony, pomija szereg szczegółów etapów technologicznych (operacji krótko opisanych module Podstawy Mikroelektroniki - wprowadzenie).

Proces technologiczny rozpoczyna się tak jak w klasycznej technologii z izolacją złączową:
•    wykonanie warstwy zagrzebanej n+ w podłożu p (rys. 1.1),
•    nanoszenie warstwy epitaksjalnej n,

Kluczowym, specyficznym etapem jest:
•    wykonanie azotku krzemowego Si₃N₄ (na warstewce buforowej SiO₂) do maskowania przy selektywnym utlenianiu krzemu,
następnie, celu planaryzacji powierzchni, przed utlenianiem
•    trawienie warstwy epitaksjalnej (ok.55%), ponieważ grubość wytworzonego SiO₂ jest ponad dwukrotnie większa od grubości zużytego krzemu: 

Rys. 1.2 Przygotowanie płytki do selektywnego utleniania w technologii LOCOS

i wreszcie:
•    selektywne, głębokie utlenianie, aż do podzielenia warstwy epitaksjalnej na odrębne wyspy.

Kolejne operacje domieszkowania służą wykonaniu poszczególnych obszarów tranzystora:
•    usunięcie warstwy maskującej w szerszym obszarze wyspy i domieszkowanie akceptorami obszaru bazy,
•    usunięcie pozostałej warstwy maskującej Si3N4,
•    maskowanie rezystem fragmentu bazy dla zdefiniowania obszaru emitera,
•    domieszkowanie donorami emitera i obszaru podkontaktowego kolektora:
•    pasywacja powierzchni dwutlenkiem krzemu, wytrawienie okien kontaktowych,
•    wykonanie kontaktów i pierwszej warstwy metalizacji:

 
Rys. 1.3 Struktura tranzystora bipolarnego z izolacją LOCOS

Ostatnim etapem jest realizacja połączeń wewnątrzukładowych i wyprowadzeń zewnętrznych:
•    kolejne operacje nanoszenia (CVD) warstwy izolującej szkliwa i warstw metalizacji połączone z operacjami maskowania i litografii (lekcja 1) dla realizacji przepustów (połączeń między warstwami metalizacji) i określenia kształtu ścieżek przewodzących.
•    montaż i hermetyzacja.

Powyższa technologia ma szereg wariantów. Na przykład, jeżeli nie jest wymagane duże napięcie przebicia złącza C-B, można zastosować cieńszą warstwę epitaksjalną typu p, która stanowi obszar bazy, tworzącej to złącze bezpośrednio z warstwą zagrzebaną. W przedstawionym wyżej opisie procesu technologicznego należy wówczas zastąpić domieszkowanie obszaru bazy – domieszkowaniem donorami (dla przekompensowania akceptorów w całej grubości warstwy epitaksjalnej) węższego obszaru wyspy stanowiącego część obszaru kolektora.

Przedstawiony wariant izolacji LOCOS redukuje problem dyfuzji bocznej (od krawędzi maski) i lateralnego rozszerzania się warstw zaporowych dzięki „ogranicznikom” w postaci słupów izolacyjnych SiO₂. Powierzchnia zajmowana przez układ jest zredukowana o ok. 40% w stosunku do izolacji złączowej.

W zastosowaniach specjalnych, np. układach narażonych na duży wzrost temperatury i promieniowanie jonizujące, można stosować pełną izolację dielektryczną. Interesującym wariantem jest technologia wykorzystująca anizotropię trawienia krzemu (w kierunku krystalograficznym 111 szybkość trawienia jest ok. 35 razy wolniejsza niż w kierunku 100) w celu wykonania tzw. V-rowków: 

 
Rys. 1.4 Trawienie V-rowków pod izolację dielektryczną

Powyższa właściwość pozwala dobrze kontrolować głębokość trawienia regulując szerokość okien w warstwie fotorezystu maskującego krzem.
Po usunięciu fotorezystu, utlenia się całą powierzchnię w celu wytworzenia izolacji. Następnie nanoszona jest (CVD) gruba warstwa krzemu (polikrystalicznego), która przejmuje rolę nośnika mechanicznego po usunięciu pierwotnego podłoża. Gdy usuwanie podłoża monokrystalicznego (szlifowanie i trawienie) dociera do wierzchołków V-rowków pozostałe jego fragmenty tworzą wyspy izolowane dielektrycznie:

 
Rys. 1.5 Izolacja dielektryczna V-ATE

Izolacja w pełni dielektryczna oprócz wymienionych wcześniej zalet SiO2 jako izolatora, pozbawiona jest czynnych elementów pasożytniczych. Jest to jednak bardzo droga technologia i dlatego stosowana tylko w układach specjalnych.