Elemente der integrierten Halbleiterschaltungen

Полупроводниковые интегральные схемы – это интегральные схемы, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Конструктивной основой ИС является подложка из кремния р-типа или арсенида галлия толщиной 200–300 мкм. Элементы ИС формируются в изолированных от подложки локальных областях n-типа, называемых карманами. Изоляция карманов от подложки может быть осуществлена несколькими способами. Идеальной является изоляция посредством пленки двуокиси кремния (рис. 1.4, bis). Однако такой способ технологически трудоемок. Наиболее простым является способ изоляции с помощью обратно смещенного р-n-перехода (рис. 1.4, und), но он не является совершенным из-за наличия обратного тока. Основным способом изоляции в современных ИС является метод комбинированной изоляции (рис. 1.4, in), сочетающий изоляцию диэлектриком и обратно смещенным р-n-переходом.

Биполярные транзисторы и диоды

Биполярные n–р–n-транзисторы являются основным схемным элементом полупроводниковых ИС. Наибольшее распространение получили транзисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки (рис. 1.5).

Рис. 1.5

Такие структуры формируются в карманах n-типа, глубина которых составляет несколько микрометров, а ширина несколько десятков микрометров. Рабочей областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттера. Остальные области структуры являются пассивными, они выполняют функции соединения рабочих областей с внешними выводами и обладают значительными сопротивлениями. Изоляция транзистора от подложки обеспечивается путем подачи на коллектор положительного напряжения относительно подложки.

Изопланарные n–р–n-транзисторы также имеют вертикальную структуру и выводы, расположенные на поверхности подложки (рис. 1.6); они отличаются от планарно-эпитаксиальных меньшими размерами и лучшей изоляцией от подложки. При одинаковой площади эмиттерных переходов общая площадь изопланарного транзистора (с учетом площади изолирующих областей) меньше почти на порядок. Поэтому изопланарные транзисторы находят применение в БИС и СБИС. Глубина залегания эмиттера составляет 0,2…0,4 мкм, толщина базы 0,1…0,2 мкм. В структуре имеются противоканальные области р⁺-типа, расположенные под вертикальными изолирующими областями. Их назначение – устранить паразитные проводящие каналы между соседними структурами. Для предотвращения появления инверсных каналов создают р⁺-области, охватывающие электронные карманы в виде кольца.

Рис. 1.6

Транзисторы р–n–р-структуры в ИС играют вспомогательную роль. Их изготовляют одновременно с n–р–n-транзисторами и они, как правило, имеют горизонтальную структуру. В такой структуре эмиттерная и коллекторная области изготовляются одновременно с созданием базовых областей n–р–n-транзисторов. Перенос носителей заряда в таком транзисторе происходит в горизонтальном направлении.

В полупроводниковых ИС в качестве диода можно использовать один из n–р-переходов вертикального n–р–n-транзистора или их комбинацию. Получение диодов таким путем значительно проще, чем формирование специальных диодных структур. Возможны пять вариантов диодного включения n–р–n-транзистора (рис. 1.7). Первый вариант, когда коллектор соединен с базой (И_kb = О), обеспечивает наиболее высокое быстродействие диода (t_восст » 1…10 нс), так как избыточный заряд, определяющий быстродействие, накапливается в базе за счет инжекции электронов только со стороны эмиттера. Во всех остальных вариантах накопление избыточного заряда имеет место не только в базе, но и в коллекторе, поэтому быстродействие таких вариантов значительно ниже (t_восст » 10…100 нс).

Рис. 1.7

Для получения высокого пробивного напряжения используют диоды на основе коллекторного перехода.

Многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы

Многоэмиттерные транзисторы составляют основу цифровых ИС транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Имея общие коллектор и базу, транзистор содержит до 16 эмиттеров. Структура трехэмиттерного транзистора показана на рис. 1.8. Ее можно рассматривать как интегрированную совокупность транзисторов, обладающую двумя особенностями.

Рис. 1.8

Во-первых, соседние эмиттеры образуют паразитную горизонтальную n–р–n-структуру, коэффициент усиления которой должен быть уменьшен путем увеличения расстояния между эмиттерами. Это расстояние должно быть больше диффузионной длины электронов. Практически оно составляет 10…15 мкм.

Во-вторых, при закрытом эмиттерном переходе и открытом коллекторном вертикальная n–р–n-структура переходит в инверсный режим, в результате чего в цепи закрытого эмиттерного перехода возникнет ток, обусловленный инжекцией из коллектора. Чтобы уменьшить этот ток, необходимо уменьшить инверсный коэффициент передачи тока, что достигается путем увеличения расстояния, проходимого электронами через базу. С этой целью внешний вывод базы соединяют с активной областью транзистора через узкий перешеек, обладающий сопротивлением 200…300 Ом.

Многоколлекторные транзисторы находят применение в схемах инжекционной логики. Структура такого транзистора показана на рис. 1.9. Общим эмиттером в этой структуре является n-слой, а коллекторами n⁺-область.

Такая структура не позволяет получить достаточно высокий коэффициент передачи тока эмиттера ввиду Si низкой эффективности эмиттера, имеющего не высокую концентрацию (рис. 1.9) примеси. Практически за счет приближения скрытого n⁺-слоя к базовому слою и расположения коллекторов как можно ближе друг к другу удается получить коэффициент a = 0,8…0,9.

Рис. 1.9

Транзистор с диодом Шоттки

Транзисторы с диодом Шоттки (ДШ) находят широкое применение в цифровых ИМС благодаря более высокому быстродействию по сравнению обычными транзисторами. В отличие от обычного планарного транзистора у транзистора с диодом Шоттки базовое контактное отверстие расширено в сторону коллекторной области n-типа (рис. 1.10, und), в результате чего образуется общий алюминиевый вывод от базовой и коллекторной областей. Слой алюминия, расположенный на базовом слое р-типа, образует с ним обычный омический контакт, хорошо пропускающий ток в обоих направлениях, а слой алюминия, расположенный на относительно высокоомной коллекторной области n-типа создает с ней выпрямляющий контакт, хорошо пропускающий ток в направлении от металла к полупроводнику, и плохо пропускающий ток в противоположном направлении, т. е. контакт металла с высокоомным электронным полупроводником является диодом Шоттки, включенным между коллектором и базой, как это показано на рис. 1.10, bis. На принципиальных схемах транзисторы с ДШ изображают так, как это показано на рис. 1.10, in. Применение транзисторов с ДШ позволяет повысить быстродействие цифровых ИС в 2…5 раз, так как ДШ имеющий пороговое напряжение U* = 0,2…0,3 В, открывается раньше, чем коллекторный переход транзистора (U* = 0,5…0,7 В) и не позволяет транзистору переходить в режим насыщения. В результате накапливаемый в транзисторе избыточный заряд и время рассасывания существенно уменьшаются.

Рис. 1.10

Металл, диэлектрик, полупроводник-транзисторы

МДП-транзисторы имеют относительно простую конструкцию, не требуют дополнительной изоляции в схеме и имеют меньшие по сравнению с биполярными транзисторами размеры, что позволяет повысить степень интеграции. В современных ИС обычно применяют МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа и поликремневым затвором (рис. 1.11).

Рис. 1.11

Транзисторы формируются на кремневой подложке р-типа. Соседние транзисторы разделяются слоями толстого оксида, под которыми расположены сильно легированные р⁺-области, необходимые для исключения возможности возникновения паразитных n-каналов, соединяющих n⁺-области соседних транзисторных структур. Длина канала в транзисторах СБИС составляет 0,2–1,0 мкм. Чтобы уменьшить пороговое напряжение, увеличивают концентрацию примесей в области, расположенной между истоком и стоком, в которой индуцируется канал. Толщина подзатворного диэлектрика составляет 0,02–0,1 мкм, толщина поликристаллического кремния не превышает 0,5 мкм, а толщина защитного окисла составляет примерно 1 мкм. Выводы от истока и стока осуществляются через окна в пленке Si02, вывод от поликремниевого затвора также осуществляется через контактные окна, но за пределами МДП-структуры.

Комплементарные МДП-структуры (КМДП) представляют собой сочетание транзисторов с каналами n- и p-типа, соединенных последовательно. В такой структуре транзистор с каналом n-типа формируется непосредственно на кремниевой подложке р-типа, а транзистор с каналом р-типа – в специальном кармане n-типа. В целях повышения степени интеграции разработаны опытные образцы двухслойных КМДП-структур. В такой структуре на подложке р-типа создается обычный транзистор с n-каналом и поликремниевым затвором, а над n-канальным транзистором создается пленка отожженного поликремния, по своим свойствам приближающаяся к монокристаллу, в которой формируется транзистор с каналом р-типа. Оба транзистора имеют общий поликремниевый затвор. Созданная таким способом комплементарная пара вместе с соединениями занимает такую же площадь, как один транзистор с каналом n-типа.

Резисторы и конденсаторы

В качестве резисторов можно использовать объемные сопротивления эмиттерной, базовой или коллекторной областей.

Наиболее часто в полупроводниковых ИС применяются резисторы на основе базовой области (рис. 1.12). Чтобы изолировать резистор от подложки паразитный р–n–р-транзистор должен находиться в режиме отсечки. С этой целью на вывод К от n-слоя подают высокий потенциал. Отклонение от номинального значения сопротивления составляет 10…20 %. Помимо резисторов на основе типовой
n–р–n-структуры в современных ИС в качестве резисторов используют тонкие резистивные пленки, создаваемые методом ионного легирования, когда примеси внедряются в подложку путем бомбардировки ее поверхности потоком ионов. В этом случае удается получить резистивные пленки толщиной 0,1…0,3 мкм.

Рис. 1.12

В некоторых случаях в полупроводниковых ИС применяют тонкопленочные резисторы, напыляемые на поверхность двуокисикремния. Такие резисторы отличаются более высокой точностью изготовления.

В полупроводниковых ИС в качестве конденсаторов используют либо емкости р–n-переходов, либо МДП-структуры. Если в качестве конденсатора используется емкость р–n-перехода, то на переход должно быть подано обратное напряжение. При этом емкость кон­денсатора будет зависеть от величины этого напряжения. Чаще используется вариант с коллекторным переходом. Практически емкость рабочего конденсатора С_kb не превышает 300 пФ с допуском ±20 %

Лучшими свойствами обладают МДП-конденсаторы (рис. 1.13), у которых нижней обкладкой является эмиттерный n⁺-слой, диэлектриком слои SiO2, а верхней обкладкой металлическая пленка. Емкость такого конденсатора почти не зависит от величины и знака приложенного напряжения. Практически удельная емкость составляет от 400 до 650 пФ/см² при допуске ±20 %.

Таким образом, микроэлектронные технологии позволяют получить конденсаторы малой емкости, причем с низкой добротностью и точностью.

Рис. 1.13