Курсовая работа (т): Проектирование интегрального параметрического стабилизатора напряжения

.1.3 БИД-технология

В данной технологии формирование изолирующих и базовых областей транзисторов совмещено во времени и осуществляется одновременно. Технологически этот процесс проще КИД-технологии, так как для него требуется только четыре операции фотолитографии.

При изготовлении ИМС по БИД-технологии также используют пластину р-типа, на которой выращивают тонкий эпитаксиальный слой n-типа (рис. 2.3, а). В отличие от структур с коллекторной изолирующей диффузией скрытый слой n⁺-типа не обязателен.

Рис. 2.3. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС по БИД-технологии

Затем в эпитаксиальный слой проводят локальную диффузию акцепторной примеси, в результате чего формируют базовые области р-типа и изолирующие области p-типа, окружающие базовые области (рис, 3.3,б). Диффузионные процессы создания эмиттеров и коллекторных контактных областей осуществляют обычным путем. При этом изолирующие области р-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 р-n-перехода расширяется до смыкания с подложкой р-типа (рис. 2.3, в).

Несмотря на то что БИД-технология проще КИД-технологии, она имеет ограниченное применение, поскольку для функционирования изготовленной по данной технологии ИМС требуется дополнительный источник питания (для обратного смещения изолирующих областей).

.1.4 Технология на основе двойной диффузии

Рис. 2.5. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС по технологии на основе двойной диффузии

Дальнейшее совершенствование типовых процессов изготовления биполярных ИМС с изоляцией р-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 и т. д. Простота и широкая освоенность этих процессов позволили не только наладить массовый выпуск ИМС, но и отработать новые схемотехнические решения - создание ИМС на основе интегральной инжекционной логики И²Л.

.1.5 Технология на основе трех фотошаблонов

Особенностью этой технологии является использование только трех фотошаблонов для формирования биполярной транзисторной структуры в пластине кремния без эпитаксиального слоя. При этом процессы фотолитографии по оксиду кремния проводят перед диффузией базы, совместной диффузией коллектора и эмиттера и при металлизации.

Рис. 2.4. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС с использованием трех фотошаблонов

Технологический процесс на основе трех фотошаблонов применяют для изготовления полупроводниковых ИМС на транзисторах с вертикальными р- n-переходами. При этом в пластину из слаболегированного кремния р-типа (с удельным сопротивлением 1000 Ом•см) проводят неглубокую диффузию акцепторной примеси для получения базовых областей р-типа (рис. 2.4, а). Эмиттерные и коллекторные области имеют электропроводность n⁺-типа и создаются путем локальной диффузии в базовую область. Эмиттерная область формируется путем диффузии одновременно с коллекторной, но располагается внутри коллекторного кольца (рис. 2.4, б). Изоляция обеспечивается благодаря большой области объемного заряда, сосредоточенной в высокоомной подложке, при обратном смещении перехода коллектор - подложка (рис. 2.4, в).

Применение данной технологии ограничено специфическими свойствами транзисторов с вертикальными р-n-переходами.

2.2 Диэлектрическая изоляция

.2.1 ЭПИК-технология

Данная технология основана на получении изолирующих областей из слоев оксида (нитрида) кремния и поликристаллического кремния. В зависимости от последовательности их формирования ЭПИК-технология имеет несколько модификаций. Последовательность формирования простой ИМС на биполярных транзисторах с диэлектрической изоляцией элементов слоем оксида кремния представлена на рис. 2.6. Вначале составляют партию кремниевых пластин n-типа с удельным сопротивлением 0,2- 10 Ом•см, которые подвергают очистке.

Затем в исходных пластинах n-типа диффузией сурьмы или мышьяка на глубину 1-2 мкм формируется скрытый n⁺-слой по всей площади пластины. Путем термического окисления пластин со стороны n⁺-слоя на поверхности пластины получают маскирующий слой оксида. Методом первой фотолитографии в этом слое создают окна под изоляционные области (рис. 2.6, а), а за счет травления кремния в не защищенных оксидом участках -канавки глубиной 8-15 мкм (рис. 2.6,б).

Рис. 2.6. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС, изготовляемой по ЭПИК -технологии:

-исходная пластина кремния n-типа; 2-диффузионный скрытый слой n⁺-типа;3-оксид кремния; 4-поликристаллическийкремний (подложка)

Для получения на рельефной поверхности пластины слоя оксида толщиной около 1 мкм используют пиролиз силана или термическое окисление (рис. 2.6, в). На поверхности пластин со стороны окисленных канавок наращивается поликристаллический кремний толщиной ~200 мкм (рис. 2.6, г), который является основанием (подложкой) будущей ИМС. После этого с противоположной поверхности пластины (со стороны кремния n-типа) сошлифовывают или стравливают слой монокристаллического кремния n-типа до оксидного слоя (рис. 2.6, д). Таким образом, получают области кремния n-типа со скрытыми n⁺-слоями, изолированные друг от друга слоем SiO₂. В этих областях методами окисления, фотолитографии и диффузии формируют элементы микросхемы. Дальнейший процесс изготовления начиная с формирования базовых областей проводят аналогично планарно-эпитаксиальному.

Данный технологический процесс позволяет получить хорошую изоляцию между элементами как по постоянному, так и по переменному току, поскольку емкость, образованная слоем оксида, может быть очень малой (30 пФ/мм² при слое оксида кремния толщиной 1 мкм). Измеренное сопротивление изоляции превышает 10¹² Ом при напряжении 100 В, а пробивное напряжение выше 800 В для слоя толщиной 1 мкм. Кроме того, ЭПИК-технология дает возможность изготовлять на одном кристалле высокочастотные и низкочастотные диоды, используя селективную диффузию золота, а также облегчает получение на одном кристалле транзисторов типов n-p-n и p-n-p. По такой технологии целесообразно изготовлять микромощные и быстродействующие цифровые и высокочастотные аналоговые ИМС. Но стоимость технологического процесса при этом высока по сравнению с процессами изоляции р-n переходами.

.2.2 Декаль-технология

Эта технология основана на создании изоляции воздушными зазорами, с помощью которых элементы ИМС отделены друг от друга с боковых сторон. При этом элементы ИМС удерживаются на едином конструктивном основании. По декаль-технологии изготовляют ИМС с балочными выводами, которые выполняют роль электрических соединений и механической опоры кристалла.

Рис. 2.7. Изготовление биполярных ИМС с изоляцией воздушными зазорами и балочными выводами:

а - формирование элементов; б- изготовление балочных выводов; в-локальное травление

По такой технологии (рис. 2.7.) сначала формируют элементы ИМС (рис. 2.7, а), затем создают систему соединений, используя слои титана, платины и золота (рис. 2.7,6), после чего с обратной стороны пластины локальным травлением удаляют лишние участки между элементами (рис. 2.7, в). Достоинством технологии является отсутствие механической обработки и высокотемпературных процессов на этапе формирования изолирующих областей.

.2.3 КНС-технология

Весьма перспективная технология кремния на сапфире (КНС) является разновидностью технологии с воздушной изоляцией. Она предусматривает создание изолированных островков кремния с помощью избирательного травления эпитаксиального слоя монокристаллического кремния, выращенного на поверхности сапфировой подложки (используется структура типа КНД-кремний на диэлектрике), и последующее формирование в этих островках элементов ИМС по обычной планарной технологии. КНС-технология применима для изготовления как биполярных, так и МДП-ИМС, где она наиболее целесообразна.

Дальнейшее развитие процессов полной диэлектрической изоляции направлено на увеличение диаметра исходных пластин (с 60 до 100 мм), использование ионного легирования для внедрения ионов азота в кремниевую пластину с целью создания изолирующих областей из нитрида кремния, формирование биполярных транзисторов с эмиттером из поликристаллического кремния. Процессы полной диэлектрической изоляции применяют в основном для изготовления ИМС первой и второй степеней интеграции (исключение составляет КНС-технология), к которым предъявляются особые требования по радиационной стойкости и электрической изоляции на частотах до нескольких гигагерц. По этим процессам изготовляют как цифровые, так и аналоговые ИМС, в том числе постоянные запоминающие устройства [3].

2.3 Комбинированная изоляция

.3.1 Изопланарная технология

Процессы изопланарной технологии основаны на использовании кремниевых пластин с тонким (2 - 3 мкм) эпитаксиальным слоем, селективного термического окисления кремния на всю глубину эпитаксиального слоя вместо разделительной диффузии, проводимой в обычном планарно-эпитаксиальном процессе. Реализация такого процесса достигается использованием при маскировании на первых стадиях формирования структуры ИМС специфических свойств нитрида кремния Si₃N₄. Нитрид кремния препятствует превращению кремния в SiО₂ в местах, где Si₃N₂ служит в качестве защитного слоя. Кроме того, нитрид кремния легко удаляется травителем на основе фосфорной кислоты, который не воздействует на оксид. Изопланарная технология позволяет создавать тонкие базовые области и небольшие коллекторные области с оксидными боковыми стенками и тем самым обеспечивает получение транзисторных структур малых размеров и высокого быстродействия.

Имеются две разновидности изопланарной технологии: «Изопланар-I» и «Изопланар-II». При изготовлении ИМС по процессу «Изопланар-I» в качестве исходной используют кремниевую пластину р-типа с эпитаксиальным n-слоем и скрытым n⁺-слоем. Начинают процесс с наращивания на поверхности пластины слоя нитрида кремния (рис. 2.8, а), в котором с помощью фотолитографии формируют окна под изолирующие области. Затем производят травление кремния на глубину, большую половины толщины эпитаксиального слоя (рис. 2.8, б), после чего окислением вытравленные канавки заполняют оксидом кремния (рис. 2.8, в). После удаления слоя нитрида при маскировании оксидом кремния в локализованных островках кремния («карманах») формируют транзисторные структуры и осуществляют металлизацию (рис. 2.8, г).

Процесс «Изопланар-II» отличается тем, что в формируемой транзисторной структуре эмиттерные области боковой стороной выходят на изолирующий слой, а приконтактные области коллекторов формируются в самостоятельных «карманах» и соединяются с базово-эмиттерными областями скрытыми n⁺-слоями. При этом упрощаются процессы совмещения и конфигурации фотошаблонов и улучшаются параметры транзисторов. Процесс имеет ряд разновидностей. Рассмотрим его более подробно. В качестве исходных используют двухслойные пластины кремния р-типа с эпитаксиальным и скрытым слоями (рис. 2.9, а). При этом в зависимости от структуры формируемых транзисторов эпитаксиальный слой может быть разной электропроводности: при изготовлении транзисторных структур с эпитаксиальной базой р-типа, а транзисторных структур с диффузионной базой n-типа.

После этого на поверхности создают слой нитрида кремния, из которого формируется защитная маска для создания транзисторов и резисторов. Не защищенные нитридом области кремния подвергают травлению на относительно большую глубину, что позволяет уменьшить высоту ступенек толстого изолирующего оксида на поверхности пластины (рис. 2.9,б). В результате длительного низкотемпературного окисления области глубокого травления кремния заполняются изолирующим оксидом, а участки, покрытые нитридом кремния, остаются неокисленными (рис. 2.9, в). При этом формируются изолированные оксидом области кремния, в которых далее создают транзисторы, диоды и резисторы.

Последовательность следующих операций зависит от типа электропроводности выращенного эпитаксиального слоя. Для структур с эпитаксиальной базой, т. е. в случае выращенного эпитаксиального слоя р-типа, следующей операцией является глубокая диффузия примесей n-типа к коллекторным областям транзистора. Для ее проведения осуществляют селективное травление нитрида кремния с соответствующих участков пластины, практически не затрагивающее изолирующий оксид. При этом для облегчения совмещения используют фотошаблоны с перекрытием областей изолирующего оксида. В результате проведения глубокой диффузии создаются участки электропроводности n⁺-типа, которые отделены от базовых областей изолирующим оксидом.

Далее при необходимости проводят фотолитографию в нитриде кремния, защищающем базовые области, для вскрытия окон под диффузию примесей р-типа. Такую диффузию проводят для получения резисторов с различным сопротивлением. При осуществлении данного процесса могут быть получены резисторы на различных слоях: базовом р-типа, эпитаксиальпом n-типа, скрытом и глубоком диффузионном n⁺ -типа. Глубокий диффузионный слой и скрытый слой можно использовать также для внутрисхемных соединений.

В случае изготовления структур с диффузионной базой, когда предварительно был выращен эпитаксиальный n-слой, после создания изолирующего оксида формируют базовые области р-типа. Для этого путем фотолитографии в нитриде вскрывают окна под базовые области и проводят диффузию примеси р-типа. При этом могут формироваться и диффузионные резисторы.

стабилизатор напряжение кремниевый стабилитрон

Затем независимо от типа изготовляемых структур создают эмиттерные области. С поверхности пластины удаляют нитрид, пластину подвергают термическому окислению. В слое оксида путем фотолитографии формируют окна под эмиттерные области и проводят диффузию примеси n⁺ -типа. В структурах с диффузионной базой одновременно с получением эмиттерных областей создают высоколегированные области n⁺ -типа к коллектору.

Завершается изопланарный технологический процесс изготовления кристаллов ИМС металлизацией - созданием контактов к структурным элементам и внутрисхемных соединений между ними (рис. 2.9, г) и нанесением защитного слоя. Осуществляют это с помощью обычных процессов фотолитографии в слое SiO₂, вакуумного напыления алюминия, фотогравировки по алюминию, вжигания алюминия и пассивации.

.3.2 Эпипланарная технология

Данная технология является разновидностью изопланарного процесса, в котором изменена последовательность формирования структур, а окончательная конструкция кристалла остается прежней.

Процесс (рис. 2.10.) основан на локальном селективном эпитаксиальном наращивании кремния в окнах толстого оксида кремния. Для этого на поверхности пластины кремния р-типа с эпитаксиальным n-слоем пиролитически осаждают слой оксида кремния толщиной 2,0-2,5 мкм, в котором вскрывают окна (рис. 2.10, а). Затем проводят локальное эпитаксиальное наращивание кремния n-типа (рис. 2.10,б) и в полученных таким образом «карманах» n-n⁺-типа формируют транзисторы и другие элементы (рис. 2.10, в). Эпипланарная технология позволяет реализовать в локальных эпитаксиальных слоях толщиной 2 мкм транзисторы с малыми паразитными связями. Она перспективна для ВЧ-микроэлектроники. Основной недостаток этой технологии - трудность воспроизведения процессов локальной эпитаксии, что сдерживает ее широкое применение.

Рис. 2.10. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС по эпипланарной технологии

.3.3 Полипланарная технология

В основу полипланарной технологии положено вертикальное анизотропное травление кремния с ориентацией (110), что позволяет формировать в эпитаксиальном слое V-образные разделительные области для межэлементной изоляции. Различают две разновидности этой технологии: V-ATE-процесс и VIP-процесс.