Изоляция электронно-дырочным переходом

Методы изоляции элементов в полупроводниковых ИС

Все элементы полупроводниковых интегральных схем и компонентов гибридных интегральных схем, выполненные в объёме кристалла, должны быть изолированы друг от друга для исключения паразитного взаимодействия между ними.

На рис 2.1 показаны два n-p-n- транзистора и диод, выполненные в общей кремниевой подложке n-типа. Видно, что коллекторы транзисторов и катод диода оказались принудительно связаны через подложку. Кремниевая подложка является плохим изоляционным материалом, так как удельное сопротивление кремния обычно лежит в пределах от 0,5 Ом·см до 100 Ом·см. Чтобы перекрыть пути для токов утечки между схемными элементами ИС, карманы области, где формируются эти элементы, специально изолируют друг от друга, чтобы необходимые соединения осуществлялись только путём металлической разводки.

Рис.2.1. Внутренняя связь элементов биполярных ИС через

подложку в отсутствие изоляции

Исключение составляют только МДП - транзисторы. Однако с ростом степени интеграции и «сближением» элементов, обратные токи разделительных pn-переходов растут и принуждают разработчиков искать способы изоляции не только биполярных, но и МДП элементов.

Основные способы изоляции следующие:

- изоляция с помощью p-n переходов

- изоляция диэлектриком

- изоляция с применением сапфира

- комбинированные способы изоляции

Изоляция электронно-дырочным переходом

Принцип такой изоляции заключается в том, что для каждого элемента в кристалле формируется свой «островок», окружённый pn- переходом, который при работе микросхемы смещается в обратном направлении. Ток утечки такой изоляции обычно не превышает 10^-7А. Обеднённый слой pn- перехода, особенно при большом обратном смещении, имеет очень высокое удельное сопротивление, близкое к удельному сопротивлению диэлектриков. Изоляцию pn- переходом относят к однофазным способам, имея в виду, что материал по обе стороны и в пределах изолирующего слоя один и тот же –

кремний. Учитывая, что при разработке ИС происходит постоянное снижение рабочих напряжений, изоляция pn- переходом применяется всё реже и реже.

Из рис.2.2 ясно, что изоляция pn- переходом сводится к осуществлению двух встречно-включённых диодов между изолируемыми элементами так же как в МДП-транзисторных ИС (рис.2.3). Для того, чтобы оба изолирующих диода находились под обратным смещением, на подложку задают максимальный отрицательный потенциал от источника питания ИС.

Рис.2.2. Изоляция элементов ИС с помощью pn-переходов

Рис.2.3. Отсутствие связи между элементами МДП-транзисторных ИС

Изоляция pn- переходом хорошо вписывается в общий технологический цикл биполярных ИС, однако её недостатки - наличие обратных токов в pn- переходах и наличие барьерных ёмкостей.

Простейшие «островки» или «карманы» находят ограниченное применение. Транзисторы, изготовленные в таких карманах имеют большое горизонтальное сопротивление коллекторного слоя (100 Ом и более). Уменьшать удельное сопротивление эпитаксиального слоя нерационально: при этом уменьшается пробивное напряжение коллекторного перехода и возрастает коллекторная ёмкость. Поэтому типовым решением является использование так называемого скрытого n-слоя, расположенного на дне кармана, роль которого очевидна из рис 2.4 .

Скрытые легированные n⁺- слоиполучают диффузией, которая проводится до наращивания эпитаксиального слоя. Во время эпитаксии донорные атомы скрытого слоя под действием высокой температуры диффундируют в нарастающий эпитаксиальный n- слой. В итоге скрытый слой частично расположен в эпитаксиальном, и дно кармана в этом месте оказывается «приподнятым» на несколько микрон. Чтобы предотвратить

распространение доноров из скрытого слоя в эпитаксиальный (что может привести к смыканию скрытого n⁺-слоя с базовым p-слоем), выбирают для скрытого слоя диффузант со сравнительно малым коэффициентом диффузии - сурьму или мышьяк. В результате под коллектором будущего транзистора появляется хорошо проводящая область, что и приводит к улучшению характеристик транзистора.

Рис.2.4. Структура интегрального npn-транзистора

а-без скрытого слоя; б-со скрытым слоем