КРЕМНИЕВАЯ СТРУКТУРА С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ МИКРОСХЕМ В МАЛОГАБАРИТНЫХ КОРПУСАХ

Предлагаемая полезная модель относится к конструкции кремниевых структур с диэлектрической изоляцией для высоковольтных микросхем, а именно - для микросхем в малогабаритных корпусах с напряжением питания более 200 В.
Известна 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, состоящей 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 в открытом состоянии, что снизит также выход годных.
13
2
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является 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 и высоковольтным планарным переходом на рабочей стороне кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией, состоящим из плоской части, по периферии которой расположены элементы, повышающие напряжение пробоя планарного перехода (патент RU 198255 от 29.06.2020).
Выявленным недостатком данной структуры является снижение эффективности элементов, повышающих пробивное напряжение, из-за дополнительного скрытого слоя, легированного фосфором.
Уменьшение напряженности электрического поля в объеме и особенно на поверхности монокристаллического кармана повышает напряжение пробоя.
Чаще всего наиболее эффективными элементами, повышающими напряжение пробоя, являются: полевой электрод, диффузионные делительные кольца, снятие фаски. Все эти элементы снижают напряженность поля и увеличивают радиус скругления напряженности поля вокруг планарного перехода.
Напряжение пробоя снижается из-за уменьшения радиуса кривизны линий напряженности поля планарного перехода, т.к. они замыкаются на скрытом слое, легированным фосфором, который имеет меньшее удельное сопротивление по сравнению с монокристаллическим карманом. Чтобы исключить влияние дополнительного скрытого слоя легированного фосфором, необходимо увеличивать толщину кармана, что ухудшает другие характеристики полупроводникового прибора.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение пробивного напряжения без увеличения прямого падения напряжения и толщины кристалла.
13
2
Указанный технический результат достигается тем, что кремниевая структура с диэлектрической изоляцией для высоковольтных микросхем, состоящая из подложки на основе кремния, изолированных диэлектриком от подложки кремниевых монокристаллических карманов с двумя скрытыми слоями, первым легированным мышьяком, и выходящим на рабочую поверхность структуры по боковым стенкам карманов, вторым на дне кармана легированный фосфором дозой в интервале (2,5-3,5)⋅10 ионов/см и глубиной больше глубины залегания мышьяка на 4-6 мкм и высоковольтным планарным переходом на рабочей стороне кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией, состоящим из плоской части, по периферии которой расположены элементы, повышающие напряжение пробоя планарного перехода, при этом второй скрытый слой сформирован только под плоской частью планарного перехода.
При обратном смещении область максимального электрического поля находится по периферии в области элементов, повышающих пробивное напряжение. Так как на дне кармана в этих областях отсутствует скрытый легированный фосфором слой, напряженность поля уменьшается, соответственно увеличивая напряжение пробоя.
Наличие скрытого легированного фосфором слоя только под планарным переходом не влияет на прямое падение напряжения.
При длине скрытого слоя меньше длины планарного перехода, увеличивается прямое падение напряжения, а при длине больше скрытого слоя уменьшается обратное напряжение пробоя.
В интегральных схемах в качестве элементов, повышающих напряжение, чаще всего используется структуры с полевым электродом, а в дискретных приборах - диффузионные делительные кольца.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурой. На фиг. 1 приведен разрез предлагаемой кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией для высоковольтных микросхем.
Позициями на фиг. 1 обозначены:
1 - кремниевый монокристаллический карман;
2 - скрытый слой легированный фосфором под плоской частью планарного перехода;
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 - высоковольтный планарный переход;
9 - элементы, повышающие напряжение пробоя планарного перехода (полевой электрод);
10 - металлизация;
х - разница в глубинах скрытого слоя фосфора и мышьяка.
Ниже описаны основные этапы изготовления кремниевой структуры с диэлектрической изоляцией для высоковольтных микросхем.
13
2
На пластинах монокристаллического кремния (см. фиг. 1) ориентации [100] n-типа проводимости с удельным сопротивлением 10 Ом⋅см локально проводится ионная имплантация фосфора с энергией 60 кэВ и дозой 3,0⋅10 ионов/см. Затем примесь термически обрабатывают 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 под плоской частью планарного перехода 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 формируются область высоковольтного планарного перехода 8. 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. Затем одновременно формируются элементы, повышающие напряжение пробоя планарного перехода (полевой электрод) 9 и металлизация 10, толщиной 1,6-1,8 мкм.
В таблице 1 приведены результаты измерений тестовых ячеек на одинаковых кремниевых структурах с диэлектрической изоляцией, отличающихся лишь расположением скрытого слоя, легированного фосфором.
Таким образом, экспериментально подтверждено, что второй скрытый слой, сформированный только под плоской частью планарного перехода (образец №2), увеличивает пробивное напряжение, не влияя на прямое падение напряжение.