第十二章隔离

用热氧化法可以生长高质量的氧化层，但 生长速率低，用外延的方法淀积二氧化硅， 其生长速率高，但质量不如热氧化法。因 此，常将两种方法结合起来，先热氧化生 长一层0.3微米左右的氧化层，再外延生长 一层2到4微米的氧化层。外延生长二氧化 硅是通过氢气、四氯化硅和二氧化碳的气 相反应生成的，化学反应如下：
引言
隔离是集成电路设计和生产中必须解决的问题。因为 半导体集成电路是在同一块半导体硅片上，通过平面 工艺技术制造许多元件和器件（如电阻、电容、二极 管、三极管等），并按需要将它们连接在一起，形成 具有一定功能的电路。这些元件和器件所处的电位不 同，相互之间必须绝缘隔离，否则半导体本身的电导 将这些元件相互连通，就不可能在一个单晶片上制作 集成电路。为此，必须设法使它们在电性能方面隔离 开来，这就是隔离工艺所要达到的目的。
二、几种常见的pn结隔离特性的分析
pn结隔离特性可以用伏-安特性显示仪进行检查。
扩不透的原因有以下几点 （1） 外延层电阻率太低，因而造成外延层向衬底推移深 度较多。（2）外延层较厚。（3）隔离区上有二氧化硅或 系统漏气，杂质不能很好地扩入硅片。
三、pn结隔离的优缺点 pn结隔离工艺的优点是方法简单，易于制造，无 须特殊技术和制造设备，成本低而同时能基本上 满足电路的性能要求，因此，成为集成电路生产 中应用较多的隔离技术，特别是在早期阶段和一 般无特殊要求的民用中小电路中。然而pn结隔离 也存在许多不足之处： （1）隔离性能不够理想，一般漏电流为毫微安数 量级，耐压在几十伏左右，很难作得更高，这是 pn结本身决定的
（2）隐埋层扩散杂质源的选择 为了降低集电 极串联电阻，在集成电路中必须引入隐埋层，即 n 在集电区外延层下面隐埋一层低电阻率的 薄层， 以减小集电极的体电阻，降低饱和压降，同时要 n 求 隐埋层在以后的热处理过程中尽量减少推 移，以免使集电结击穿电压下降。因此应选择在 硅中的固溶度大，而扩散系数小的杂质为扩散源。 根据以上分析，最好的杂质源应该是砷，但是砷 的剧毒性妨碍了砷的广泛使用，为此历史上采用 锑源较多。现在采用掺砷二氧化硅乳胶源已逐渐 较多。
（4）隔离扩散深度的考虑 隔离扩散的目的，是 将高浓度的p型杂质有选择地穿透外延层，并与p 型衬底 连通，使外延层有目的地分隔开。由此看来，隔离扩散深 度只要超过外延层厚度就可以了，但这仅是理想的估计。 实际上，隔离扩散时，硅片要经过长时间的高温处理 （1200度；4小时左右），n型外延层中的杂质磷将向衬底 扩散，使p型衬底的一部分转变为n型，即外延层向衬底推 移。通常把它叫做外延层的反扩散（见下图）。
（7）生长多晶硅 要求致密，与二氧化硅有良好的
黏附性；有足够的厚度（约300到400微米）。
（8）研磨多晶硅 以单晶硅为基准，将多 晶面磨去约100微米左右，余下300微米左右 的多晶层，要求多晶面和单晶面相平行。
(9)研磨单晶 多晶磨平后,反过来再以多晶面 为基准磨单晶(磨去约200微米)直到显示出隔离槽 图形,然后进行抛光,到隔离槽有一定宽度为止.这 时,各个n型隔离岛也就形成.介质隔离的研磨对基 准面要求很严格,因而对原始n型单晶面研磨的要 求也很高,要求硅片两面平行,否则研磨中不易确 定基准面.
2N A x j 2 Dt erf 1 N0
1
外延层的反扩散，相当于外延层加厚。所以考虑隔离扩散 深度时，必须把外延层推移深度计算在内，即隔离扩散的 深度应大于外延层厚度与外延层推移深度之和。外延层推 移深度可由下式计算出来。 式中 N A为p型衬底杂质浓度
• 随着集成电路的发展，隔离工艺不但成为 提高集成度的关键，而且还直接影响电路 的性能，因此隔离工艺的改进，成为半导 体集成技术的重要课题之一，它基本上可 分为三类：（1）pn结隔离。（2）介质隔 离。（3）pn结-介质混合隔离。下面作一 些简单的介绍。
12-1 pn结隔离
一、pn结隔离的原理
pn结隔离是集成电路生产中比较常用的方法，特 别是在一些无特殊要求的小规模集成电路中。它 是利用pn结反向偏置时呈高电阻性，来达到各元 件互相绝缘隔离的目的。实现隔离有多种方法， 但用得最多的还是一次外延、二次扩散pn结隔离 工艺，简称标准pn结隔离或pn结隔离。
1.基本原理
由图上看出两个n区被两个背靠背的二极管隔离开。
2.工艺中的几个问题
pn结隔离工艺流程如下图所示
（1） 衬底材料的选择 为了实现pn结隔离， 衬底材料必须选用p型单晶，以便和n型外延层之 间形成pn结。这一pn结击穿电压的大小主要取决 于衬底电阻率的高低。从提高击穿电压和减小隔 离结寄生电容考虑，衬底的电阻率高一点好。但 选得过高，在长时间的隔离扩散中，会增加外延 层向衬底的推移，使隔离时间加长。同时高阻的 单晶较贵，因此电阻率不能取得太高，在一般电 路中为8到13欧姆厘米。为了得到平坦均匀的扩散 结面，还应选用＜111＞ 晶向的硅单晶。厚度一 般为300到350微米，应选用位错密度较低（一般 应小于3000个/平方厘米），有害杂质少的硅单晶 片。
（2）氧化 单晶片经研磨、抛光后，用热氧 化法生长1至2微米厚的氧化层，作为以后 选择刻槽的掩蔽物。 （3）隔离区光刻 光刻隔离区工艺与一般光 刻二氧化硅工艺基本相同，但由于隔离区 氧化层较厚，而且面积也较大，所以针孔 比一般光刻严重，成为影响成品率的主要 因素。为此，采用铝层和氧化层两层作为 保护膜来刻槽。
1019 cm3 例如，当隐埋层表面浓度为
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
，外延层电阻率为
0.5 cm 隔离扩散温度为1200度，时间为4小时，经计算得出
隐埋层向外延层推移深度近似为3.7微米。 3.氧化使硅片厚度减薄。在隔离扩散氧化和基区扩散氧化 时，硅的一部分转变为二氧化硅，使硅片厚度减小。隔离 扩散的氧化层厚度约为1.2微米，基区扩散的氧化层厚度 约为0.5微米，共计1.7微米。已知生长单位体积的二氧化 硅需要消耗0.45体积的硅，因此，硅片减薄的厚度为0.8 微米。 综上所述，外延层厚度应该大于上述三部分之和，在数字 电路中外延层厚度一般选取7到9微米。
二氧化硅介质隔离工艺流程如下：
（1）n型硅单晶的选择 单晶材料电阻率、晶向、 位错、少子寿命的选择都应根据电路元件的电参 数来决定。对于数字电路，其参数和pn结隔离中 外延层的要求类同。
单晶片厚度由腐蚀刻槽深度决定，要求刻槽后硅 片最薄的地方厚度不小于200微米，以保证硅片的 机械强度，因此硅片厚度约300微米。为保证显示 图形的一致性，把单晶片按小于10微米的误差分 挡。
（4）刻槽 光刻后，用化学腐蚀法在硅片表面腐蚀出一 定的槽沟。常用的腐蚀液由浓硝酸（浓度为90%以上的发 烟硝酸）与氢氟酸（浓度为42%）按体积比5:1配制而成。 刻槽深度d的确定原则如下， 式中 d1 隐埋层（n ）的扩散深度，一般为4微米左右；
d 2 在各道工艺中热处理过程中隐埋层的推移距离， 约为4到5微米；
d 4 研磨单晶显示图形时需要磨去的厚度，约
15微米。在生产实践中，通常刻槽深度为50微米。
n （5）高浓度n 埋层扩散（也可采用外延生长法） 103欧 厘米 。 埋层的厚度为几微米，电阻率为
（6）生长二氧化硅 二氧化硅的质量是介质隔离 的关键，要求氧化层结构致密，绝缘性能良好， 耐压在100伏以上。
（5）外延层厚度的考虑 从隔离工艺考虑，减小外延 层厚度可以减小隔离区的尺寸，从而减小隔离寄生电容， 缩短隔离扩散所需时间。但外延层的厚度不可能很薄，它 受到以下因素的限制：
1.它要大于硼扩散基区结深与集电极反向势垒宽度之和。 一般电路中为2.5到3.0微米。
2.隐埋层的反扩散。隐埋层表面浓度很高（约 1019 cm3 ）， 在各次氧化及扩散等高温热处理过程中，隐埋层也将向四 周扩散。埋层反扩散的结果，使外延层杂质浓度增大。如 果这个区域推移到了基区边缘，就会大大降低bc结的击穿 电压。在各次氧化和扩散中，以隔离扩散的温度最高，时 间最长，因此，隐埋层向外延层中推移的深度基本上取决 于隔离扩散，仍 可采用外延层向衬底推移深度的计算方 法。
（3）外延层电阻率的选择 外延层质量的 好坏，对器件性能及隔离性能都有影响。 外延层电阻率越高，晶体管集电结电容及 隔离寄生电容就越小，并且集电结击穿电 压也越高。由此，应取较高的电阻率。但 从降低晶体管的饱和压降考虑，要求外延 层电阻率取得低些好。从隔离工艺本身来 讲，希望外延层电阻率高一些，以减少外 延层的推移深度，从而缩短隔离扩散的时 间。因此应兼顾各项要求，进行合理地选 择。对于数字电路，一般选用电阻率为0.3 到0.5欧姆厘米。
（3）容易制造互补电路。在pn结隔离中研 制互补电路比较困难，为了提高npn晶体管 的性能，常需掺金，而掺金对于pnp管的性 能不利。在介质隔离中，二氧化硅具有阻 止金扩散的掩蔽作用，所以，可采取选择 扩散法，制造出互补的晶体管。
（4）抗辐射的能力强。 辐射能在pn结上产生光电流，当 光电流足够大时，能使隔离结本身参与晶体管工作。而用 介质隔离，则可避免这种现象。 缺点 （1）n型单晶层厚度和均匀性不易精确控制。例如 对尺寸小的晶体管，单晶层厚，容易使集电极串联电阻增 大；单晶层太薄，又可能因晶体管与重掺杂区相连，使击 穿电压下降和特性变坏。为了得到电路的最佳性能和较高 的成品率，必须把单晶厚度控制在比较小的公差范围内， 因此要求原始单晶片两面平行，而且在研磨过程中精确控 制。这就增加了研磨难度，工艺控制很困难。
12-2
介质隔离
介质隔离就是把包围隔离岛的反向pn结用绝 缘性能良好的介电材料来代替。它主要用于 对隔离性能有特殊要求的高频线性放大集成 电路和超高速数字集成电路中。 绝缘介质 可以是二氧化硅、氮化硅等。二氧化硅是目 前最常用的一种介质。
一、二氧化硅介质隔离
1.基本原理与工艺 制作二氧化硅介质隔离的方法很多， 最常用的是反外延二氧化硅介质隔离。这种隔离是在多晶 硅的衬底上形成若干个外面包有一层二氧化硅的n型单晶 岛，然后把电路的元件制作在这些单晶岛上，从而实现了 隔离。