Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 [ 27 ] 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

тельность переключения диода с барьером Шотки в основном определяется емкостью барьера и составляет доли и единицы наносекунд.

§ 4.4. Конструкции биполярных транзисторов ИС

Транзистор является основным элементом полупроводниковых ИС. Это объясняется не только наиболее широким применением транзисторов вообще, но и тем, что все остальные элементы (диоды, резисторы, конденсаторы) формируются на основе полупроводниковых материалов областей транзисторной структуры.

Планарные транзисторы с поперечной (вертикальной) структурой. В планарных транзисторах с поперечной структурой носители зарядов переносятся от эмиттера к коллектору в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла. Основные конструктивно-технологические разновидности биполярных транзисторов с поперечной структурой показаны на рис. 4.4.1-4.4.7.

Конструкция планарного транзистора, сформированного тройной диффузией (рис. 4.4.-1), несмотря на простоту технологии изготовления д высокую плотность компоновки, пюлучаемую при



♦eft

A3


Рис. 4.4.1. Конструкция транзистора, сформированного методом тройной диффузии, и распределение концентраций атомов примесей

применении метода диффузии, находит ограниченное применение. Это объясняется достаточно большим сопротивлением тела коллекторной обла СТИ г ТК-

Область л-типа, формируемая диффузией, имеет неоднородное легирование по глубине. Концентрация донорной примеси уменьшается в направлении от коллекторного перехода к переходу коллектор - подложка. Эта слаболегированная п-область характеризуется повышенным объемным сопротивлением у. Применение ионной имплантации для формирования коллекторной области позволяет значительно уменьшить ее сопротивление.

В конструкции эпитаксиально-планарного транзистора (рис. 4.4.2) коллекторная область однородна (ом. картину распределения примесей). Она формируется с помощью эпитаксиального наращивания слоя п-типа на подложку р-типа и разделительной диффузии экцепторной примеси (участки материала р-типа). Для снижения сопротивления тела коллектора и уменьшения влияния подложки на работу транзистора применяется сильнолегированный (скрытый) слой «-типа с концентрацией атомов донорной

примеси Л/дсс (рис. 4.4.3), который формируется диффузией перед эпитаксиальным наращиванием коллекторного слоя п-типа. Высо-коомная область тела коллект.ора, прилегающая к коллекторному р-«-переходу, необходима для получения высокого рабочего напряжения [/ц-в и снижения барьерной емкости этого перехода.


N, -Von

Рис. 4.4.2. Конструкция эпитаксиально-планарного транзистора

Влияние степени легирования коллекторной области на удельную емкость и электрическую прочность коллекторного перехода иллюстрируется данными табл. 4.4.1, которые относятся к эпи-




Рис. 4.4.3. Конструкция эпитаксиально-планарного транзистора со скрытым

«+-слоем

Таблица 4.4.1

Типичные значения емкости (при нулевом смещении) и напряжений пробоя переходов для эпитаксиально-планарных транзисторов

Удельное сопротивление области коллектора, Омсм

0,1 1

Переход

Емкость аа единицу площади, пФ/мм

Напряжение пробоя, В

Емкость на единицу площа-ци, пФ/мм

Напряжение пробоя. В

Емкость на еднни-;у площади, пФ/мм

Напряжение пробоя, в

Эмиттер-

Боковая стенка

1000

1000

1000

Коллекторный

Коллектор- подложка

Боковая стенка



таксиально-планарному транзистору со следующими параметрами конструкции: среднее удельное поверхностное сопротивление слоя эмиттера 2...3 Ом/П, слоя базы 200 Ом/П; удельное объемное сопротивление материала подложки 10 Ом-см; глубина расположения эмиттерного перехода 2,3 мкм, коллекторного перехода 2,7 MiKM, перехода коллектор - подложка 10,5 мкм.

В табл. 4.4.1 приведены типичные значения удельных емкостей и для других переходов эпитаксиально-планарного транзистора. Необходимо обратить в-нимание на то, что удельная емкость боковых областей эмиттерного перехода и перехода коллектор -> подложка при низкоомном коллекторе значительно больше удельных емкостей торцевых областей (дно перехода). Это различие объясняется различной степенью легирования полупроводниковых материалов, образующих боковые и торцевые области переходов.

В интегральных транзисторах с комбинированной изоляцией коллектора (рис. 4.4.4) торцевая поверхность коллекторной области изолирована от подложки р-«-переходом, а боковая - диэлектриком, что позволяет существенно уменьшить емкость Скп-


Рис. 4.4.4. Конструкции интегральных транзисторов с комбинированной изоляцией коллекторов

Транзистор со структурой, представленной на рис. 4.4.4,а, изготовляют по (Изопланарной технологии. Боковую изоляцию формируют путем локального окисления кремния. Для сокращения длительности локального окисления используют тонкие эпитаксиальные пленки. При формировании базовой области и частично эмиттера диффузия производится как бы в «колодец», образуемый стенками толстого окисла. Это позволяет получить очень малые размеры интегрального транзистора, ликвидировать боковые составляющие емкостей коллекторного и частично эмиттерного переходов и существенно ослабить требования к точности совмещения при выполнении фотолитографических процессов.

Транзисторную структуру, изображенную на рис. 4.4.4,6, формируют с помощью полипланарного процесса. Боковую изоляцию осуществляют пленкой двуокиси кремния, покрывающей поверхность узких канавок, сформированных анизотропным травлением кремния по заданному рисунку. Пластину кремния ориентируют по плоскости 100 для уменьшения ширины канавок, чтобы повысить коэффициент использования площади пластины. Для сглаживания рельефа поверхности пластины канавки заполняют поли-

кристаллическим кремнием. Малая емкость коллекторного перехода обеспечивается также частичным удалением боковой составляющей, так как переход частично выходит на боковую поверхность канавки, покрытую пленкой ЗЮг-

Распределение атомов примесей в рассматриваемых транзисторных структурах такое же, как и в структуре эпитаксиально-планарного транзистора со скрытым «♦-слоем.

Интегральный биполярный транзистор, изолированный от подложки пленкой диэлектрика (рис. 4.4.5), имеет также однородно легированную коллекторную область со скрытым «+-слоем. Конструкция отличается качественной изоляцией коллектора, отсутствием активного воздействия подложки на работу транзистора и малой паразитной емкостью Си-

Интересна и перспективна конструкция транзистора, структура которого изображена на рис. 4.4.6. Этот транзистор формируют так называемым -методом КИД (коллекторная изолирующая диффузия). На поверхность подложки р-типа с предварительно полученным диффузией локальным слоем «+-типа наносят базовый эпитаксиальный слой р-типа. С помощью диффузии донорной примеси формируют области «+-

типа, выделяющие локальные ба- полинришаллтешй Рретий зовые области р-типа. Раздели- конструкция биполярного

тельные области «+-типа совмест- транзистора, изолированного плеи-но с сильнолегированным «+-сло- кой диэлектрика

ем образуют коллекторную область транзистора, изолированную от подложки р-«-переходом. Эмиттер формируют диффузией.

При изготовлении ИС с такими транзисторами сокращается одна операция диффузии, что позволяет уменьшить количество фотошаблонов и увеличить выход годных. Для получения высоких



Рис. 4.4.6.Конструкция транзистора, сформированная методом КИД, и распределение концентраций атомов примесей

усилительных свойств транзистора эпитаксиальный слой должен быть тонкий. Кроме того, в этом случае разделительные области п+-типа занимают малую площадь на кристалле (ширина разделительных областей несколько больше удвоенной толщины эпитаксиального слоя), что позволяет получить высокую плотность ком-



поновки ИС. В транзисторе, полученном методом КИД, активная база однородно легарована. С одной стороны, это снижает быстродействие транзистора, с другой - повышается инверсный коэффициент передачи по току и соответственно снижается напряжение насыщения [/э нас- В тонкий поверхностный слой базы диффузией вводят акцепторную примесь Ы\б (без маски). Граница этого слоя показана на рис. 4.4.6 штриховой линией. Диффузионный слой необходим для устранения поверхностных инверсных каналов (эпитаксиальный слой высокоомный), сведения к 1минимуму краевой инжекции эмиттера, снижения эффективной скорости поверхностной рекомбинации из-за тормозящего статического электрического поля. Этот слой не влияет на усилительные свойства транзистора, так как его глубина меньше глубины залегания эмиттера.

Коллекторная область транзистора выполнена из сильнолегн-рованного материала (кремний легирован сурьмой). Область коллектора имеет малое сопротивление Гтк- Однако такой транзистор характеризуется низким рабочим напряжением [/ (около 3 В), и его можно использовать только в схемах с низким питающим напряжением. Рассматриваемая транзисторная структура является перспективной с точки зрения применения ее в цифровых БИС с малым потреблением энергии.

Топология биполярного транзиетора оказывает влияние на его динамические параметры и особенности работы при повышенной мощности. От варианта топологии и геометрических размеров областей транзисторной структуры зависят емкости переходов Сэ, Ск, Скп, сопротивления базы Гб и тела коллектора Гтк- Применяемые варианты топологии транзисторов в упрощенном виде показаны на рис. 4.4.7.

Топология, представленная на рис. 4.4.7,а, наиболее проста. Транзистор с такой топологией, имеющий по одному выводу от


у в)


Рис. 4.4.7. Некоторые разновидности топологий интегральных транзисторов

эмиттера, базы и коллектора, характеризуется минимальными размерами базовой и коллекторной областей и, следовательно, минимальными емкостями коллекторного перехода и перехода коллектор- подложка Скп- В то же время он имеет повышенные значения сопротивлений Гб и Гтк-

Транзистор с топологией, показанной на рис. 4.4.7,6, имеет два вывода коллектора. Это позволяет уменьшить сопротивление Гтк и, -следовательно, напряжение насыщения [/кэ нас. Наличие двух выбодов коллектора иногда позволяет упростить топологию микросхемы. Однако применение двух выводов коллектора ведет к увеличению размеров области коллектора и емкости коллектор- подложка. Транзистор с топологией, изображенной на рис. 4.4.7,в, имеет два вывода базы. Это позволяет уменьшить сопротивление базы, однако в этом случае заметно увеличиваются размеры области базы и соответственно емкость коллекторного перехода, существенно влияющая на длительность фронтов включения и выключения транзисторного ключа. На рис. 4.4.8 показано сечение эпитаксиально-планарного транзистора с соблюдением масштаба. Конструкция транзистора имеет два вывода базы и кольцевой вывод коллектора.

10 10 10 10. 10 уо


Рис. 4.4.8. Сечение биполярного эпитаксиально-планарного «-р-«-транзистор.!

(без металлизации):

/ - подложка р-типа; 2 - скрытый п4-слой коллектора; 3 - коллектор «-типа (эпитаксиальный слой); 4 - разделительный слой р+-типа (формируется при разделительной диффузии)- 5 -толстый окисел SiOs (толщина ~1 мкм); 6 -тонкий окисел ЗЮг (0,6 мкм); 7 - база р-типа; « - эмиттер «+-типа; 9 - коллекторный контакт п4-типа

В Транзисторах с повышенной мощностью применяется несколько выводов эмиттера и базы (решетка) (рис. 4.4.7,г, д), что позволяет существенно ослабить вытеснение эмиттерного тока к пери(}>ерии эмиттера.

На рис. 4.4.9 для сравнения приведены ориентировочные габаритные размеры биполярных транзисторов с различным конструктивно-технологическим исполнением [8]. Сравниваемые транзисторы имеют простейшую топологию. При разработке топологии принят минимальный размер окна в защитной пленке окисла для диффузии эмиттера 10 мкм. При этом размер окна под контакт выбран равным размеру окна под диффузию. Минимальное рас-



maxbetslots.com

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 [ 27 ] 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47