Крапивиной Евгении М Диэлектрики в микроэлектронике

Важнейшие свойства диэлектриков диэлектрическая проницаемость диэлектрические потери электрическая прочность удельная электропроводность способность поляризоваться

Принципы конструктивной компоновки микросхем «слоёная» плёночная технология обработка объёма п/п материала диффузией, окислением, эпитаксией тонкоплёночные и толстоплёночные ИС полупроводниковые ИС

Классификация диэлектриков Пассивные Электроизоляция В электрических конденсаторах Активные Активные элементы схем Сегнетоэлектрики Пьезоэлектрики Электреты Люминофоры Жидкие кристаллы Электрооптические материалы

Классификация по способу изоляции Изоляция диффузией разделяющая диффузия (изоляция обратносмещенным р -n переходом) коллекторная изолирующая диффузия базовая изолирующая диффузия метод трех фотошаблонов самоизоляция n-областью (метод двойной диффузии) Диэлектрическая изоляция " эпик"-процесс и его модификации изоляция диэлектриком и поликристаллическим кремнием (VIР-процесс) воздушная изоляция ("декаль"-метод) вертикальное анизотропное травление изготовление элементов ИС на диэлектрических подложках изопланарная технология локальная эпитаксия

Изоляция p-n-переходом Рис.1. Последовательность формирования эпитаксиально- планарной структуры: аисходная пластина; бстравливание окисла, подготовка поверхности; вэпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности; гвскрытие окон в окисле под изо­лирующую (разделительную) диффузию примеси; д диффузия акцепторной примеси, окисление поверхности; е готовая структура после формирования диффузионных базовых и эмиттерных областей, а также получения межсоединений

Изоляция диэлектриком и поликристаллическим кремнием Рис.2. Последовательность формирования изолированных областей в структу­ре с диэлектрической изоляцией: а исходная пластина; б избирательное травление окисла, глубокое травление кремния, окисление поверхности; в осаждение поликристаллического кремния; г шлифование и полирование обратной стороны пластины; д окисление поверхности; е готовая струк­тура после базовой и эмиттерной диффузии и получения межсоединений

Изопланарная технология Рис. 3 Последовательность формирования изолированных областей в изопланарной структуре: апластина с эпитаксиальным и скрытым слоями; б нанесение слоя нитрида кремния; в избирательное травление нитрида кремния по контуру будущих элементов; г глубо­кое окисление кремния; д стравливание нитрида кремния и окисление поверхности; еготовая структура после формирования базовых и эмиттерных областей а также межсоединений

Изготовление ИС на диэлектрических подложках (КМДП-КНС-структуры) Рис. 4 Последовательность формирования КМДП-КНС-структуры: аисходная пластина «сапфирэпитаксиальный кремнийокись кремния»; бизбира­тельное анизотропное травление кремния с помощью оксидной маски (образование остров­ков); визбирательная диффузия акцепторной примеси; г снятие маски с островков; д маскирование островков с помощью SiO2; е избирательное покрытие фосфорсиликатным стеклом (ФСС) р-островков и общее покрытие боросиликатным стеклом (БСС); ж структура после диффузии примесей и стравливания БСС, ФСС и SiO2, з готовая струк­тура после нанесения SiO2 и формирования межсоединений

Сравнение способов изоляции способдостоинстванедостатки изоляция p-n- переходом самая старая, самая простая технология дает наибольшую степень интеграции сравнительно дешевый качество изоляции в значительной мере зависит от рабочей температуры пагубно действует радиационное облучение большая удельная паразитная емкость диэлектрическая изоляция меньше удельная паразитная емкость на порядок ниже ток утечки более высокое пробивное напряжение (выше 800 В) лучшая стойкость к радиации выше частота линейных и быстродействие цифровых микросхем недос­таточно хороший теплоотвод сравнительная сложность используемого оборудования труднее реализовать технологически большая стоимость

Сравнение методов диэлектрической изоляции методдостоинстванедостатки изопланарная технология (комбинированн ый) уменьшаются паразитные емкости и токи утечки хорошие условия теплоотвода наиболее перспективны для получения высоких плотностей размещения элементов микросхем сложно реализовать технологическ и дороговизна изготовление ИС на диэлектриче ских подложках практически полная изоляция участков кремния др. от др., отсутствие проводимости по подложке быстродействие ИС на таких подложках на 1-2 порядка выше, чем приборов аналогичного типа, но на проводящих подложках стойки к воздействию ионизирующих факторов устойчивы к температурным и радиационным воз­действиям более высокая надежность больше процент выхода годных внутренние напряжения в кремнии неодинаковые КТР кремния и материала подложки

Материалы подложек Требования: высокие объемное и поверхностное удельные сопротивления, низкие диэлектрические потери, высокая теплопроводность, согласование коэффициентов линейного расширения подложки и осаждаемых пленок, высокая механическая прочность, достаточная термостойкость при пайке и сварке, должны обеспечивать хорошую адгезию осаждаемых пленок к подложке, стойкость к химическим воздействиям

Сравнительный анализ материалов применяемые материалы достоинстванедостатки стекло боросиликатное, алюмосиликатное бесщелочное С-41-1 и С-48-3 повышение химической стойкости и стабильности тонкопленочных ИС недостаточная прочность, низкая теплопроводность, недостаточная хим. стойкость, сильное газовыделение при нагреве, нестабильность свойств керамика высокоглиноземистая (алюмооксидная) 22ХС, бериллиевая (брокерит) более теплопроводна, большая механическая прочность и лучшая химическая стойкость, сопротивление, электрическая прочность и диэлектрические потери, превосходят керамику Аl 2 O 3. По твердости, прочности на сжатие и жесткости превосходит большинство металлов, выдерживает высокие темпера­туры (>1650°С) и резкие тепловые перепады в больших интервалах, радиационно- стойкий материал плохо поддается полировке, большие размеры зерен керамических материалов не позволяют получить удовлетворительный микрорельеф поверхности для тонкопленочных ИС. Полировка мелкозернистой керамики снижает микронеровности, однако вызывает существенные и трудно устранимые загрязнения ее поверхности. Поэтому такая операция не позволяет получить подложки, пригодные для тонкопленочных ИС. Относительно высокая хрупкость, высокая стоимость, токсичность при обработке (готовые изделия не токсичны)

ситаллыхорошая обрабатываемость, электрическая прочность не уступает керамике, а механическая - в 23 раза выше, чем у стекла, хорошо прессуются, вытягиваются, прокатываются, диэлектрические свойства лучше, чем стекол, и они практически не уступают керамике лейкосапфир (чистый монокристалл ический окисел алюминия α- модификации) хорошие диэлектрические свойства, быстродействие МОП-схем на КНС в 5-10 раз выше, чем монолитных очень высокая концентрация дефектов в строении кристаллической решетки, что заметно снижает подвижность носителей заряда (практически невозможно использование биполярной технологии). Влияние загрязнения: сапфир действует как непрони­цаемый барьер, концентрирующий внешние загрязнения в пленке, технология получения (обычно вытягивание монокристаллов по методу Чохральского) не позволяет получить пластины больших размеров низкой стоимости шпинельпо кристаллической структуре и ве­личине КТР более близки к кремнию, чем сапфировые, имеют меньшую твердость (легче обрабатывается), в 10 раз меньший уровень автолегирования

Изолятор затвора Требования: высокая химическая однородность и малая плотность структурных дефектов, а, следовательно, и высокая электрическая прочность, малая плотность поверхностных дефектов, стабильность (отсутствие изменения характеристик под воздействием температуры и электрического поля), радиационная стойкость, совместимость технологических операций получения диэлектрического слоя с планарной технологией

Межслойная изоляция Как изоляция проводящих элементов друг от друга ди­ электрическая пленка должна обладать Требования: высоким пробивным напряжением, стойкостью к воздействию температуры, напряжения и радиации, низкой паразитной емкостью (для выполнения этого условия желательно применять диэлектрик с максимально возможной толщиной и малой диэлектрической проницае­мостью), физико-химическая совмести­мость диэлектрика с материалом проводника, чтобы избе­жать диффузии последнего в диэлектрик

Материалы масок Требования: полная защита п/п подложки от проникновения в неё диффузантов, химическая стойкость и стабильность во времени, однородность и бездефектность, высокое удельное сопротивление, высокая механическая прочность

Материалы для тонкоплёночных конденсаторов Требования: определённые значения удельной емкости и электрической прочности, минимальная гигроскопичностью, высокая механическая прочность при циклических изменениях температуры, хорошая адгезия к подложкам

Рис. 5. Упрощенная схема (вверху) и сечение (внизу) современного МОП-транзистора, изготовленного по технологии 90 нм. Между истоком 3 и стоком 5 находится канал в напряженном кремнии 4, который управляется затвором из поликремния 6 и металла 1 через тонкий диэлектрик 2. Сверху - пассивирующий слой 7. Перспективы