RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (5 1) IntCl6: H01L21/76 (54) Sposób wykonania półprzewodnikowego układu scalonego z izolacją dielektryczną (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 04/95 (73) Uprawniony z patentu: Wołosiak Zdzisław, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/98 (72) Twórca wynalazku: Zdzisław Wołosiak, Warszawa, PL PL B1 (57) 1. Sposób wykonania półprzewodnikowego układu scalonego z izolacją dielektryczną wykorzystujący płytkę krzemową z naniesioną warstwą epitaksjalną, w której wykonane są dyfuzje domieszek a na warstwie tej osadzona jest warstwa pasywująca, w której wytrawione są okna kontaktowe połączone ze sobą następnie za pomocą ścieżek metalicznych, znamienny tym, że w płytce krzemowej (1) wytrawia się na głębokość większą niż wynosi grubość warstwy epitaksjalnej (2) rowki (5), oddzielające poszczególne struktury układów scalonych, następnie płytkę (1) przykleja się stroną wykonanych rowków (5) do płytki podłożowej (6) za pomocą kleju izolacyjnego (7), szlifuje się i trawi płytkę krzemową (1) aż do odsłonięcia wykonanych wcześniej rowków, następnie wykonuje się warstwę maskującą (8) i trawi płytkę (1) aż do odsłonięcia warstwy pasywującej (3), po czym trawi się odsłoniętą warstwę pasywującą aż do połączeń metalicznych (4), stanowiących miejsca połączeń drutowych do elementów zewnętrznych. Fig. 4

2 Sposób wykonania półprzewodnikowego układu scalonego z izolacją dielektryczną Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wykonania półprzewodnikowego układu scalonego z izolacją dielektryczną wykorzystujący płytkę krzemową z naniesioną warstwą epitaksjalną, w której wykonane są dyfuzje domieszek a na warstwie tej osadzona jest warstwa pasywująca, w której wytrawione są okna kontaktowe połączone ze sobą następnie za pomocą ścieżek metalicznych, znamienny tym, że w płytce krzemowej (1) wytrawia się na głębokość większą niż wynosi grubość warstwy epitaksjalnej (2) rowki (5), oddzielające poszczególne struktury układów scalonych, następnie płytkę (1) przykleja się stroną wykonanych rowków (5) do płytki podłożowej (6) za pomocą kleju izolacyjnego (7), szlifuje się i trawi płytkę krzemową (1) aż do odsłonięcia wykonanych wcześniej rowków, następnie wykonuje się warstwę maskującą (8) i trawi płytkę (1) aż do odsłonięcia warstwy pasywującej (3), po czym trawi się odsłoniętą warstwę pasywującą aż do połączeń metalicznych (4), stanowiących miejsca połączeń drutowych do elementów zewnętrznych. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po odsłonięciu połączeń metalicznych (4), osadza się drugą warstwę metaliczną, a następnie trawi ją selektywnie tworząc dodatkowe połączenia (7). * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób wykonania półprzewodnikowego układu scalonego, w którym poszczególne przyrządy są odizolowane dielektrycznie od podłoża i od przyrządów sąsiednich. Jednym z podstawowych problemów technologii wytwarzania półprzewodnikowych układów scalonych jest zagadnienie izolowania elektrycznego sąsiadujących ze sobą przyrządów, wchodzących w skład układu scalonego. Powszechnie znana metoda izolowania przy użyciu złącza p-n, ma wady, dyskwalifikujące ją w wielu zastosowaniach. Dlatego opracowano szereg sposobów wytwarzania układów, w których poszczególne przyrządy są odizolowane dielektrykiem od podłoża i od siebie nawzajem. Jednym z nich jest sposób znany z amerykańskiego opisu patentowego nr W monokrystalicznej płytce krzemowej typu "n" z wytworzoną przy powierzchni warstwą "n+" wytrawiane są wgłębienia, oddzielające powstałe w ten sposób wyspy, w których później wykonane zostaną poszczególne przyrządy półprzewodnikowe. Następnie powierzchnię płytki utlenia się, po czym osadza na niej grubą warstwę krzemu polikrystalicznego (polikrzemu). Po nałożeniu krzemu polikrystalicznego szlifuje się, a następnie trawi płytkę wyjściową na taką grubość, aby odsłonić naniesioną uprzednio warstwę krzemu polikrystalicznego. Uzyskuje się w ten sposób "zatopione" w płytce polikrzemowej wyspy krzemu monokrystalicznego oddzielone od podłoża warstwą tlenku krzemu, w których można wykonywać żądane przyrządy półprzewodnikowe, takie jak tranzystory, diody czy rezystory. Powyższy sposób ma jednak poważne wady. Występuje tu mianowicie konieczność nanoszenia grubej warstwy krzemu polikrystalicznego, aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość całości po usunięciu prawie całej grubości płytki wyjściowej. Dlatego, naprężenia przy nanoszeniu polikrzemu powodują deformacje wytworzonej w ten sposób płytki polikrzemowej. Ponadto, grubość odizolowanych od siebie wysp krzemu monokrystalicznego jest zróżnicowana na całej płytce ze względu na to, że do ich wytworzenia trzeba płytkę wyjściową pocienić o μm, tak aby pozostała warstwa o grubości kilku do kilkunastu mikrometrów. Efektem

3 tego jest znaczny rozrzut parametrów tranzystorów na płytce, a co za tym idzie, niskie uzyski w produkcji. Innym sposobem wytwarzania przyrządów izolowanych dielektrycznie jest technologia SOS (Silicon On Sapphire). W technologii tej, na płytce wykonanej z szafiru, który jest materiałem dielektrycznym, osadza się cienką warstwę epitaksjalną krzemu monokrystalicznego. W warstwie krzemu wytwarza się następnie struktury przyrządów, składających się na układ scalony, po czym izolację pomiędzy przyrządami uzyskuje się wytrawiając krzem pomiędzy nimi, aż do szafirowego podłoża. Technologia SOS nie znalazła szerokiego zastosowania ze względu na trzy podstawowe jej wady: wysoki koszt podłoży szafirowych, trudna obróbka płytek, oraz niska jakość epitaksjalnej warstwy krzemu na podłożu szafirowym wynikająca z niedopasowania sieci krystalicznej krzemu i szafiru. Znany jest również sposób wytwarzania układów scalonych z izolacją powietrzną. Według tego sposobu oddzielone od siebie wyspy krzemu monokrystalicznego są "zawieszone" na grubych warstwach połączeń metalicznych (belkach) stanowiących konstrukcję nośną układu. Sposób ten wymaga wielu dodatkowych operacji, a ponadto, ze względu na wymagania wytrzymałościowe, połączenia metaliczne w układzie muszą być grube i stosunkowo szerokie. Uniemożliwia to stosowanie tej technologii nawet dla układów o niezbyt dużej skali integracji. Celem wynalazku jest taki sposób wykonania półprzewodnikowego układu scalonego z izolacją dielektryczną, który byłby pozbawiony wymienionych wyżej wad, a ponadto byłby stosunkowo prosty. Sposób według wynalazku polega na tym, że w płytce krzemowej z naniesioną warstwą epitaksjalną, w której wykonane są dyfuzje domieszek i wytworzone okna kontaktowe oraz wykonane między nimi połączenia za pomocą ścieżek metalicznych, wytrawia się na głębokość większą niż wynosi grubość warstwy epitaksjalnej, rowki oddzielające poszczególne struktury układów scalonych, a następnie płytkę tę przykleja się stroną wykonanych rowków do płytki podłożowej za pomocą kleju izolacyjnego. W kolejnym kroku szlifuje się, a następnie trawi wyjściową płytkę krzemową aż do odsłonięcia wykonanych wcześniej rowków, po czym wykonuje się warstwę maskującą i trawi płytkę krzemową aż do odsłonięcia warstwy pasywującej. Następnie trawi się warstwę pasywującą do momentu odsłonięcia połączeń metalicznych stanowiących miejsca połączeń drutowych do elementów zewnętrznych. Takie skojarzenie podanych wyżej środków dało nowy efekt techniczny, przejawiający się głównie w możliwości wytwarzanie w stosunkowo prosty sposób półprzewodnikowych układów scalonych, których elementy są izolowane dielektrycznie względem siebie i podłoża. Wynalazek zostanie bliżej omówiony na przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia materiał wyjściowy, fig. 2 - materiał po wykonaniu dyfuzji, fig. 3 - materiał po wykonaniu okien i ścieżek metalicznych, fig. 4 - materiał po wykonaniu rowków, fig. 5 - materiał po przyklejeniu do płytki podłożowej, fig. 6 - materiał z płytką podłożową po szlifowaniu, fig. 7 - materiał z płytką podłożową po naniesieniu warstwy maskującej, fig. 8 - płytkę podłożową z odizolowanymi elementami, fig. 9 - płytkę podłożową z odizolowanymi elementami i odsłoniętymi miejscami zaplanowanych połączeń drutowych, a fig płytkę podłożową z odizolowanymi elementami i dodatkowymi połączeniami metalicznymi. Materiałem wyjściowym do wykonania przyrządu półprzewodnikowego według wynalazku jest płytka krzemowa 1 typu "n +" z naniesioną warstwą epitaksjalną 2 typu "n" o grubości i rezystywności wynikającej z planowanych parametrów wykonywanego przyrządu. Do warstwy epitaksjalnej 2 osadzonej na płytce 1 wykonuje się niezbędne dyfuzje domieszek, a w szczególności dyfuzje boru i fosforu, w celu wytworzenia w niej obszarów o wymaganym typie przewodnictwa. Po wykonaniu dyfuzji wytrawia się w warstwie pasywującej 3 okna kontaktowe i wykonuje połączenia za pomocą ścieżek metalicznych 4. W wyniku takich kolejnych działań w płytce powstają przyrządy półprzewodnikowe, takie jak tranzystory, diody i rezystory, wraz z połączeniami, ale na tym etapie jeszcze bez jakiejkolwiek izolacji między nimi. W płytce tej, po stronie ścieżek metalicznych wytrawia się, na głębokość większą niż wynosi grubość warstwy epitaksjalnej 2, rowki 5 oddzielające poszczególne struktury układów scalonych. W kolejnym kroku następuje przyklejenie po stronie tak wykonanych rowków, płytki podłożowej 6, za

4 pomocą kleju izolacyjnego 7, po czym szlifuje się, a następnie trawi wyjściową płytkę krzemową 1, aż do odsłonięcia wykonanych wcześniej rowków. Rowki te wykorzystuje się potem jako bazę do centrowania maski w kolejnym procesie fotolitografii. W wyniku tego powstaje zbiór oddzielonych od siebie struktur naklejonych stroną połączeń metalicznych 4 na wspólną płytkę podłożową 6. W kolejnym kroku następuje selektywne trawienie poprzez okna w warstwie maskującej 8 tak wytworzonych struktur, aż do odsłonięcia warstwy pasywującej 3, na której były wytworzone połączenia metaliczne 4, po czym trawi się odsłoniętą warstwę pasywującą 3 w celum wykonania okien do odpowiednio poszerzonych ścieżek metalicznych 4 układu, w miejscach zaplanowanych połączeń drutowych do elementów zewnętrznych. Powstaje w ten sposób zbiór przyrządów półprzewodnikowych znajdujących się na oddzielnych wyspach krzemu monokrystalicznego, połączonych według zaplanowanego schematu. Sposób według alternatywy, przedstawiony na fig. 2 różni się od opisanego powyżej tym, że wykonywane są dodatkowe połączenia metaliczne 9 na tak utworzonej powierzchni. Takie skojarzenie podanych wyżej środków technicznych dało nowy efekt, przejawiający się głównie w możliwości wytwarzania w stosunkowo prosty sposób półprzewodnikowych układów scalonych z izolacją dielektryczną, mających dobrze zdefiniowaną grubość obszaru czynnego i nie ulegających deformacji w procesie wytwarzania. Ponadto, sposób według alternatywy umożliwia wykonanie w układzie scalonym tranzystora bipolarnego o zmniejszonej w porównaniu do innych metod rezystancji szeregowej kolektora.

5 Fig. 6 Fig. 7 Fig. 8 Fig. 9 Fig 10

6 Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł