КРЕМНИЕВАЯ СТРУКТУРА С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ МИКРОСХЕМ

Предлагаемая полезная модель относится к конструкции кремниевых структур с диэлектрической изоляцией для высоковольтных микросхем, а именно для микросхем с напряжением питания более 100 В.
Кремниевая структура с диэлектрической изоляцией для высоковольтных микросхем, состоящая из подложки на основе кремния, изолированных диэлектриком от подложки кремниевых монокристаллических карманов со скрытым слоем (см. книгу «Биполярные интегральные схемы с диэлектрической изоляцией», Никишин В.И., Сыноров В.Ф., Тарасов А.П. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1980, стр. 13).
Для получения скрытого слоя поверхность пластины перед формированием карманов кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией (КСДИ) легируют одной из примесей n-типа проводимости, а именно сурьмой, фосфором или мышьяком.
При легировании сурьмой скрытый слой имеет поверхностное сопротивление 12-30 Ом/, что недостаточно для современных транзисторов, работающих на повышенных токах. При легировании фосфором сопротивление скрытого слоя возможно получить величиной до 3-5 Ом/, однако при термообработках толщина скрытого слоя увеличивается до 12-15 мкм, что требует увеличения глубины карманов. При легировании мышьяком сопротивление скрытого слоя возможно получить величиной до 2-4 Ом/, а толщину скрытого слоя до 4-6 мкм. Однако при формировании карманов в монокристаллическом кремнии со скрытым слоем из фосфора или мышьяка происходит растрав сильно легированной поверхности кремния и, как следствие, потеря точных форм топологии карманов.
Указанный недостаток устранен в кремниевой структуре с диэлектрической изоляцией для высоковольтных микросхем, состоящая из подложки на основе кремния, изолированных диэлектриком от подложки кремниевых монокристаллических карманов со скрытым слоем легированным мышьяком и выходящим на рабочую поверхность структуры по боковым стенкам карманов (см. например, брошюру: Обзоры по электронной технике. Серия 3. Вып. №4 (1304). Кремниевые структуры с диэлектрической изоляцией для изделий микроэлектроники. Брюхно Н.А., Жарковский Е.М., Концевой Ю.А., Сахаров Ю.Г. М.: ЦНИИ «Электроника», 1987, стр. 31).
Недостатком данной структуры является то, что точность получения толщины монокристаллических карманов невелика и составляет порядка 6 мкм. При минимальной толщине кармана, появляется брак по напряжению пробоя высоковольтных структур, сформированных в карманах. Если увеличить номинал толщины карманов на технологический запас, например, на 6 мкм, то при максимальной толщине карманов увеличится падение напряжения на транзисторах в открытом состоянии, что снизит также выход годных.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение выхода годных за счет снижения влияния разброса толщины карманов на параметры высоковольтных микросхем.
13
2
Указанный технический результат достигается тем, что известная кремниевая структура с диэлектрической изоляцией для высоковольтных микросхем, состоящая из подложки на основе кремния, изолированных диэлектриком от подложки кремниевых монокристаллических карманов со скрытым слоем, легированным мышьяком, и выходящим на рабочую поверхность структуры по боковым стенкам карманов, дополнительно содержит скрытый слой на дне карманов, легированный фосфором дозой в интервале (2,5-3,5)⋅10 ионов/см и глубиной больше глубины залегания мышьяка на 4-6 мкм.
13
2
13
2
13
2
При дозах меньших 2,5⋅10 ионов/см влияние фосфора увеличивает прямые падения напряжения транзисторов в открытом состоянии. При дозах больших, чем 3,5⋅10 ионов/см скрытый слой фосфора снижает пробивное напряжения на транзисторах в закрытом их состоянии. Т.к. скрытый слой на дне карманов, легированный фосфором дозой в интервале (2,5-3,5)⋅10 ионов/см не влияет на скорость травления кремния, то при формировании изолированных карманов растрава и потери формы карманов не происходит. При глубинах залегания фосфора, меньших глубины залегания мышьяка на 4 мкм, влияние слоя фосфора на параметры высоковольтных структур не сказывается. Глубины залегания фосфора, большие глубины залегания мышьяка на 6 мкм, не целесообразны, т.к. при этом надо будет увеличивать толщину монокристаллических карманов.
На фиг 1 приведен разрез комплементарного транзистора, сформированного на предлагаемой кремниевой структуре с диэлектрической изоляцией для высоковольтных микросхем.
Позициями на фиг. 1 обозначены:
1 - кремниевый монокристаллический карман;
2 - скрытый слой легированный фосфором;
3 - скрытый слой, легированный мышьяком и выходящий на рабочую поверхность структуры по боковым стенкам кармана;
4 - боковая стенка кармана;
5 - изолирующий диэлектрик (двуокись кремния);
6 - поликремниевая подложка;
7- изолирующий и маскирующий окисел на рабочей стороне структуры;
8 - база биполярного транзистора;
9 - эмиттер биполярного транзистора;
10 - металлизация биполярного транзистора;
х - разница в глубинах скрытого слоя фосфора и мышьяка.
Ниже описаны основные этапы изготовления комплементарного транзистора, сформированного на предлагаемой кремниевой структуре с диэлектрической изоляцией для высоковольтных микросхем.
13
2
На пластинах монокристаллического кремния ориентации [100] n-типа проводимости с удельным сопротивлением 10 Ом⋅см по всей поверхности проводится ионная имплантация фосфора с энергией 60 кэВ и дозой 3,0⋅10 ионов/см. Затем примесь термообрабатывают в атмосфере кислорода при температуре 1200°С в течение 4 часов. В предлагаемой структуре, таким образом, в донной части кремниевого монокристаллического кармана 1 формируется скрытый слой, легированный фосфором, 2 с поверхностным сопротивлением 200-300 Ом/.
16
2
На следующем этапе пластины окисляют 15 мин при температуре 1150°С в сухом кислороде, затем 35 мин в водяном паре и 20 мин снова в сухом кислороде. В полученной пленке двуокиси кремния методом фотолитографии формируются окна, через которые вытравливаются канавки глубиной 41-43 мкм. После снятия окисной пленки проводится ионная имплантация мышьяка с энергией 60 кэВ и дозой 1,8⋅10 ионов/см. Разгонка примеси проводится в атмосфере кислорода при температуре 1220°С в течение 3 часов. В результате формируется скрытый слой, легированный мышьяком 3, выходящий на рабочую поверхность структуры по боковым стенкам кармана 4 с поверхностным сопротивлением не более 5 Ом/. Далее на полученном рельефе кремниевой пластины выращивают защитную пленку двуокиси кремния 5 методом термического окисления при 1200°С по следующему режиму: 60 мин в сухом кислороде, 270 мин в парах воды и 20 мин в сухом кислороде. Для выравнивания рельефа и формирования опорного слоя на пластинах проводится осаждение поликристаллического кремния, из которого получается поликремниевая подложка 6, при температуре 1180-1200°С до толщины не менее 380 мкм. Затем поверхность поликремния пластин шлифуется до получения ровной поверхности. Кремниевые монокристаллические области со скрытым слоем изолируют путем удаления монокристалла за пределами рельефа с обратной стороны рабочих пластин.
На полученной структуре интегральных схем с диэлектрической изоляцией компонентов путем локального окисления через маску нитрида кремния формируется слой диоксида кремния толщиной 1,3-1,5 мкм, который выступает в роли изолирующего и маскирующего окисла на рабочей стороне структуры 7. Затем через окна в окисле ионной имплантацией бора и фосфора формируются области базы 8 и эмиттера 9 высоковольтного биполярного транзистора. После проведения всех высокотемпературных обработок разница глубин скрытого слоя фосфора и мышьяка х составляет 4-6 мкм.
Перед формированием контактных окон на поверхность пластин наносится слой межуровневого диэлектрика, состоящий из пиролитического окисла толщиной 0,25 мкм и фосфоросиликатного стекла толщиной 0,5-0,7 мкм. В полученном слое плазмохимическим травлением формируются контактные окна к областям высоковольтных транзисторов. Затем формируется алюминиевая металлизация биполярного транзистора 10 толщиной 1,6-1,8 мкм.
В таблице 1 приведены результаты измерений биполярных транзисторов на одинаковых кремниевых структурах с диэлектрической изоляцией, отличающихся лишь дозой и разницей в глубинах залегания фосфора и мышьяка х. Глубины залегания фосфора, большие глубины залегания мышьяка на 6 мкм, не целесообразны, т.к. при этом надо будет увеличивать толщину монокристаллических карманов.
13
2
Таким образом, экспериментально подтверждено, что для дополнительного слоя легированного фосфором оптимальным является интервал дозы (2,5-3,5)⋅10 ионов/см и глубина больше глубины залегания мышьяка на 4-6 мкм (образец 5). Уменьшение дозы легирования, увеличивает прямое падение напряжения, увеличение дозы снижает пробивное напряжение биполярного транзистора, а разница в глубинах х менее 4 мкм снижает технический результат полезной модели.