Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 [ 21 ] 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

приводящие к трещинам и прогибу пластин кремния. Слой поликристаллического кремния толщиной 300 ...600 мкм создают методом эпитаксиального наращивания.

При использовании изоляции тонкой пленкой диэлектрика паразитная емкость уменьшается на порядок по сравнению с изоляцией с помощью р - л-перехода. Кроме того, диэлектрическая изоляция позволяет получить малый ток утечки, слабо зависящий от температуры и уровня радиации.

Плотность компоновки при данном методе изоляции определяется шириной промежутка между изолированными областями: a=aaa+2kiH, где Опл - минимальный линейный размер в пленке SiOz; Я -глубина рельефа при глубинном травлении кремния (см. рис. 4.1.3, б); ki - коэффициент, учитывающий зависимость скорости травления от ориентации исходной пластины кремния. Для плоскости ориентации (111) fei = 0,8... 1,0, для (100) 0...0,1, для (ПО) 0,1 ...0,2.


Рис. 4.1.3. Структуры подложки из поликристаллического кремния с изолированными «островками» монокристаллического кремния я-типа с помощью диэлектрика (а) и полупроводииковой пластины с вытравленными каналами (6) и эпитаксиально выращенным слоем поликристаллического кремния (в);

/ - монокристаллический кремний п-типа; 2 - изолирующая пленка StOj; 3 - полнкри-сталлический кремний; 4 - заготовка из монокристаллического креминя л-типа; 5 -слой фоторезиста

При травлении пластины, ориентированной в плоскости (111), кремний растворяется практически с одинаковой скоростью как в вертикальном, так и в боковом направлении относительно поверхности пластины. В этом случае плотность компоновки при изоляции диэлектрической пленкой примерно такая же, как и при изоляции р - л-переходами. Более высокая плотность компоновки получается на пластинах кремния, ориентированных в плоскостях (100) и (110).

Основные недостатки изоляции диэлектрической пленкой следующие:

- достаточно сложный технологический процесс, характеризующийся низким выходом годных пластин после операции сошли-фовки монокристаллического кремния (причина - коробление пластин);

- ухудшение условий отвода тепла от элементов, сформированных в изолированных областях, так как тепловое сопротивление пленки окиси кремния примерно в 50 раз больше, чем кремния.

применение объемной диэлектрической изоляции позволяет существенно уменьшить паразитные емкости в конструкциях микросхем (емкости между изолированными областями и монтажные емкости коммутационных проводников), что дает возможность более чем на порядок повысить быстродействие ИС. Характерные конструкции подложек с объемной диэлектрической изоляцией областей монокристаллического кремния показаны на рис. 4.1.4.

/ 2

/у у/ у/ / у у /

/ /- у /

а) 2



Рчс 4 1.4 Полупроводниковые структуры с объемной диэлектрической изоляцией: КВД (а) и КНД (б) i -«островки» монокристаллического кремния; 2 -диэлектрик подложки

Рис. 4.1.5. Комбинированная изоляция полупроводниковых областей: боковая изоляция с помощью толстого окисла (а), с помощью незаполненных (б) и заполненных поликристаллическим кремнием (в) V-каналов; / - изолированна}, л-область; 2 - изолирующий торцевой р-л-переход; 3 - тонкий окисел (SIO2); 4 - изолирующий толстый окисел; 5 - изолирующие воздушные каналы; 5 - изолирующие V-каналы, заполненные поликристаллическим кремнием

Они различаются расположением изолированных областей относительно поверхности диэлектрической подложки. В конструкции на рис. 4.1.4,а области монокристаллического кремния «утоплены» в диэлектрик. Лицевая поверхность изолированных областей кремния совпадает с поверхностью диэлектрической подложки. Это подложки типа КВД (кремний в диэлектрике). В качестве диэлектрика используются ситаллы и керамические цементы. В конструкции рис. 4.1.4,6 изолированные области монокристаллического кремния расположены над несущей частью диэлектрической подложки. Это подложки типа КНД (кремний на диэлектрике). Если диэлектрическая подложка выполняется из сапфира, то используется условное название конструкции КНС (кремний на сапфире).

Диэлектрические подложки стойки к воздействию ионизирующего излучения, позволяют получить более высокие надежность и процент выхода годных ИС. Это объясняется тем, что при и.х применении существенно уменьшается площадь, занимаемая кревг-5* 131



нием в Кристалле ИС, и, следовательно, площадь соприкосновения металлической разводки с кремнием через изолирующую пленку Si02. В пленке Si02 возможны дефекты в виде проколов, через которые образуются короткозамыкающие мостики металл - кремний.

Характерным недостатком рассмотренных конструкций подложек является наличие внутренних механических напряжений в кремнии из-за различия ТКЛР кремния и материала подложки. Внутренние напряжения способствуют формированию большого количества, дефектов в монокристалличеоких изолированных областях.

Комбинированная изоляция. Комбинированные методы изоляции элементов ИС предусматривают совместное использование диэлектрической изоляции и изоляции р - п-переходом. Обычно торцевая поверхность «островков» монокристаллического кремния изолируется от полупроводниковой подложки р- п-переходом, а боковая - твердым диэлектриком или V-образными каналами, вытравливаемыми через фоторезистивную маску. Варианты конструкций подложек, в которых используются комбинированные методы изоляции, показаны на рис. 4.1.5.

В качестве твердого диэлектрика (рис. 4.1.5,а) используют толстый окисел кремния, получаемый термическим окислением кремния (п.ог1ла1!,1рный или эпипланарный процессы). Толщина изолирующего GK!:c.i;i должна быть несколько больше толщины эпитаксиального слоя. Такие пле.чки формируют при достаточно длительном (несколько часоз) высокотемпературном окислении.

Поверхность изолирующих У-образных каналов покрывается пленкой окиси кремния. Внутренняя полость каналов остается свободной (рис. 4.1.5,6) или заполняется поликристаллическим кремнием дляполучения гладкой поверхности подложки (рис. 4.1.5,в). Последнее важно с точки зрения получения качественной комхмутационной разводки. Анизотропное травление кремния позволяет получить достаточно узкие изолирующие области и соответственно высокий коэффициент компоновки ИС. Этот вид изоляции считается перспективным.

При применении комбинированной изоляции уменьшаются паразитные емкости изолированных областей на подложку и токи утечки по сравнению с изоляцией с помощью р - п-переходов вследствие устранения р-п-переходов в боковых участках карманов, кроме того, удается сохранить хорошие условия теплоотвода, характерные для изоляции с помощью р - п-переходов, получить высокий коэффициент компоновки ИС.

§ 4.2. Физические процессы в диодах и биполярных

транзисторах

Характеристики и электрические параметры диодов и транзисторов полупроводниковых ИС определяются электрофизически-

МИ параметрами материалов и геометрическими размерами полупроводниковых областей. Связь между электрическими параметрами приборов, свойствами материалов и геометрическими размерами полупроводниковых областей находят в результате решения уравнений непрерывности для электронов и дырок и уравнения Пуассона при соответствующих граничных (краевых) и начальных условиях. Чтобы упростить изложение материала, в дальнейшем ограничимся одномерными моделями диодов и транзисторов. Для одномерных моделей диодов и транзисторов основные уравнения имеют следующий вид:

дп 1 djn п - по dt q дх Тп

1 dip Р-Ро

dt q дX %р

дх 1

(4.2.1) (4.2.2) (4.2.3) (4.2.4)

ip + n-n-N).

дх д X 8о 8п

Здесь п, р я По, Ро-концентрации электронов и дырок в неравновесном состоянии и в условиях термодинамического равновесия (пир являются функциями координаты X и времени t); Dn, Dp- коэффициенты диффузии электронов и дырок; Цр - подвижности электронов и дырок; еоВп - абсолютная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; ф - электрический потенциал; Е-напряженность электрического поля; /, /„, jp - плотности полного тока, токов дырок и электронов; Лд, Na,- концентрации примесных атомов доноров и акцепторов; т„, Тр - время жизни электронов и дырок.

В результате подстановки (4.2.2) в (4.2.1) и (4.2.4) в (4.2.3) получим дифференциальные уравнения для неравновесных концентраций носителей в полупроводниковых структурах;

дп дп

д X др

dp

дх дЕ

П - Пг,

= -lipE-ii,p+a

дР Р~Ро

(4.2.5) (4.2.6)

dt дх дх "дх хр

Первые слагаемые этих уравнений учитываются при наличии в структурах неоднородных полупроводниковых областей, в которых имеются внутренние статические электрические поля, а вторые - при наличии, объемных зарядов. В стационарном режиме левые части этих уравнений равны нулю.

Полупроводниковые структуры с р-л-переходом. Диоды. Структуры, состоящие из полупроводниковых областей, разделен-



ных р - л-переходом, широко используются в конструкциях диодов и биполярных транзисторов полупроводниковых ИС. Несколько характерных разновидностей таких структур показано на рис. 4.2.1. Связь между неравновесными и равновесными концентрациями неосновных носителей заряда на границах смещенных

у/ ш


-x-xg„ -frO xypx-xm -ЛаОisup-хл finО ир-т "Ai n , S) в) S)

Рис. 4.2.1. Полупроводниковые структуры с р-йцереходом; ) W„»I,p. Wp»L„; б) Wp<L„; в) W„<Lp, Wp»L„: г) структура

с неоднородной п+-областью, Wp;§>I,„

р - л-переходов (краевые условия первого рода) при .х=0 и X--Лп устанавливается с помощью уравнения Больцмана:

пЛО) = Лроехр(( ф,), (4.2.7)

А Лр (0) = Лр (0)-Лро = Лро [ехр ( Ф,)-1]; (4.2.8)

/5п(-Лп) = /5„оехр(( ф,), (4.2.9)

А Рп {-Ы = Рп {-Ю-Рпо = Рпо [ехр (( Ф,) -1], (4.2.10) где {/ - напряжение смещения р - л-переходов (берется со знаком «-f» для прямосмещенных и со знаком «-» для обратно-смещенных переходов); ( = kTlq - тепловой потенциал {k - постоянная Больцмана; Т-абсолютная температура).

Условия на границах раздела полупроводник-металлический контакт зависят от уровней легирования полупроводниковых материалов у контактов. Для контактов рекомбинационного типа вводятся граничные условия в форме

jnrh=qDn

дп дх

= 8рекрА/?гк;

(4.2.11)

(4.2.12)

где /ргк, /пгк - нормальные составляющие плотностей дырочного и электронного токов иа границе с контактом; Артк> Алгк - кон-

центр ации избыточных дырок и электронов на границе; 5рекр. 5рек и - скорости поверхностной рекомбинации на границе раздела полупроводник - металл (Орекп, 5рекроо). Качественные омические контакты характеризуются значениями sjeKp, 5рекп-°°, следовательно, при любых значениях токов через такие контакты

А.>гк = (/5п-Ыгк»0; АПг„ = (Лр-Лро)гк»0. ,(4.2.13)

В кремниевых ИС для образования омических контактов широко применяется алюминий, который наносят на поверхность кремния вакуумным испарением. После термической операции вжига-ния алюминий растворяется в приповерхностных областях кремния, образуя акцепторные примеси, поэтому алюминий с кремнием р-типа имеет хороший омический контакт. Для обеспечения омического контакта с кремнием л-типа его приповерхностная область должна быть сильно легирована донорными примесями, которые компенсируют акцепторные примеси, образующиеся в результате растворения алюминия. Контакт металл-л+-полупровод-ник характеризуется очень узким потенциальным барьером, сквозь который достаточно легко туннелируют электроны.

Модель, изображенная на рис. 4.2.1,а имеет следующие особенности: однородное легирование полупроводниковых областей; контакты омические, толщины полупроводниковых областей Wn и Wp значительно больше диффузионных длин неосновных носителей Lp и Ln {Lp - диффузионная длина дырок в л-области, L„-диффузионная длина электронов в р-области). Найдем выражения для токов прямосмещенной структуры при низком уровне инжекции. Это допущение позволяет пренебречь дрейфовыми составляющими токов в л- и р-областях структуры, так как падения напряжений на объемных сопротивлениях этих областей малы и соответственно Е~0. Решения уравнений (4.2.5), (4.2.6) в стационарном режиме при граничных условиях (4.2.7) - (4.2.10), (4.2.13) имеют вид:

О <x<xp = Wp

Aлp(x) = Лpo(e--l)e-/"; при -Хкп < л; <-/г„ A/nW = /no(e--l)e+V/p,

(4.2.14) (4.2.15)

где Хкп, Хкр - координаты контактов.

Плотности дырочного и электронного токов на границах р-л-перехода определяются из уравнений (4.2.2), (4.2.4) при принятых выше допущениях:

х= -hn in

дрп дх дпр

х= -hn

--/.р(е -1), (4.2.16)

х = 0 135

(4.2.17)





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 [ 21 ] 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47