14 Особливості ізоляції елементів в мікроелектроніці. Ізоляція V-кананавками. Епік процес. Інші засоби ізоляції елементів в мікроелектроніці.

Порівнянно з класичною радіоелектронікою, елемнти мікроелектроніки знаходяться під одним корпусом, що змінює проце створення ізоляції. Ізоляція між елементами створюється одночасно з нарощенням плати, або до нарощення. Для створення ізольованих областей в напівпровідникових мікросхемах використовують оберненозміщенний р-n-перехід, покриття з діелектрика,комбінацію оберненозміщенних р-n-перехів з діелектриком і ізоляцію повітряними проміжками.

Найрозповсюдженішою технологією є ізоляція діелектриком, а саме ЕПІК процес. Вхідним метеріалом слугує кремнієва пластина n-типу з вирощенним n+ шаром. n+ шар покривають SiO2, після чого, за допомогою літографії відкривають необхідні вікна (там де нема SiO2), далі у вікнах травлять хімічним методом канавки глибиною 20-30 мкм., потім усю структуру покривають SiO2 товщиною 1 мкм, а зверху все покривають полікремнієм повщиною 200 мкм (так щоб точно покрило). Потім пластину перевертають і шліфують поки не з'являться канавки.

Недолік у тому, що SiO2 та Si ма.ть ріхні градки, в наслідок чого виникає щільність поверхневих станів, яка впливає на все.

Ізопланарний метод (ізоляція Vканавками)заснований на застосуванні в якості ізоляції термічно вирощеного діоксиду кремнію. Після формування в пластині прихованих колекторних областей n+ типу на всій поверхні пластини вирощують тонкий епітаксійний n-шар. На ньому формують маску з нітриду кремнію і виробляють тривале термічне оксидування кремнію для створення ізолюючих областей на тих ділянках, де в нітриду кремнію були розкриті вікна. Потім нітрид видаляють, наносять плівку Si02 і формують елементи мікросхеми. Для підвищення щільності розміщення елементів використовують поліпланарний метод ізоляції, заснований на вертикальному анізотропному травленні в площині (100). Травлення в цій площині відбувається в 30 разів швидше, ніж у площині (111). Отримані таким чином V-подібні канавки економлять площу, необхідну для ізоляції елементів. Подальша обробка полягає в заповненні канавок полікремнію і виготовленні розводки.

Незважаючи на достоїнства методів діелектричної ізоляції, завжди є небезпека пошкодження плівки діелектрика і виникнення паразитної зв'язку через шар полікремнію. З цієї точки зору методи повітряної ізоляції є майже ідеальними. Вони засновані на витравлення окремих острівців кремнію, які з'єднуються один з одним за допомогою комутуючих металізації. Ізоляція повітряним проміжком застосовується в технології балкових висновків, декалями-методі і технології структур «кремній на сапфірі» (КНС-технології). Технологія балкових висновків застосовується в основному для схем малого ступеня інтеграції. Вона досить складна і не забезпечує високої щільності розміщення елементів, не дозволяє проводити складну комутацію. Декалями-метод (від слова декалькоманія - нанесення перекладної картинки) полягає в напайку планарної боку кремнієвої пластини з повністю сформованою мікросхемою на скляну підкладку, видалення зворотного боку пластини до товщини 20 - 30 мкм і хімічному витравлення повітряних проміжків навколо кожного елемента аж до скляної підкладки.Недоліками цього методу є мала щільність упаковки, поганий теп-лоотвод і необхідність ретельного узгодження ТКР кремнію і скла.

15.Польові транзистори в мікроелектроніці. МДН транзистор-базовнй елемент сучасної мікроелектроніки. їх характеристики. Ефект насичення струму в каналі. Особливості конструкцій МДН транзисторів. Засоби зменшення порогової напруги та покращення швидкодії. НЕМТ транзистори.

Польові транзистори в мікроелектроніці. МДН транзистор-базовнй елемент сучасної мікроелектроніки.

Польовий транзистор (ПТ) - це транзистор, в якого провідність каналу між витоком і стоком змінюється залежно від прикладеної до заслону напруги, а струм дрейфу проходить у каналі під дією електрич­ного поля між витоком і стоком.

До польових транзисторів належать інтегровані метал-діелектрик- напівпровідник польові транзистори (МДНПТ), польові транзистори з керувальним р-п-переходом, польові транзистори з керувальним переходом метал-напівпровідник (МЕНПТ). Більшість сучасних цифрових інтегрованих мікросхем і значну частку аналогових виготовляють на польових транзисторах з ізольованим заслоном - МДНПТ. Це пов'язано з тим, що вони мають маленькі розміри, просту технологію виробництва, високий вхідний опір і хороші перемикальні властивості, а також можуть виконувати функції резисторів або конденсаторів. За основними конструктивно-технологічними та електричними показни­ками вони мають переваги перед біполярними транзисторами.

Площа сучасного інтегрованого МДНПТ становить приблизно

25 мкм² , що на порядок менше, ніж площа біполярного інтегрованого транзистора.

Завдяки своїм перевагам МДНПТ став основним елементом великих інтегрованих мікросхем (ВІС), на одному кристалі яких можна розмісти­ти близько 10⁷ транзисторів. У свою чергу, ВІС є елементами ЕОМ, систем зв'язку та телебачення, інформаційно-вимірювальних систем, сис­тем управління, транспортних систем та ін.

їх характеристики.

Статистичні характеристики. При деякій критичній напрузі на стоці, яке називають напругою насичення, різниця потенціалів між затвором і поверхнею в точці х= L(-довжина затвору) робиться рівною пороговій напрузі. Утворюється так звана«горловина» каналу.

Зазвичай, номінальним струмом МДП-ранзистора вважаєтьсяструм при напрузі Uзатвор-виток= 2U₀,( U₀- порогова напруга).Опір каналу R=1/b/(Uзатвор-виток-U₀), b- питома кривизна МДН Транзистора.

Малосигнальні параметри.

Кривизна Внутрішній опір Коефіціент підсилення

Ефект насичення струму в каналі.

У лінійній області вольт-амперних характеристик МДН-транзистора між витоком і стоком існує індукований канал з лінійним опором. Зі збільшенням напруги на стоці (U_DS струм крізь транзистор лінійно зростатиме. Такий режим відповідає початку кривих .

Збільшення напруги на стоці приведе до зростання напруги в об­ласті каналу біля стоку, яка протидіятиме напрузі на заслоні. За таких умов для збереження заряду в каналі потрібно збільшувати напруженість електричного поля заслону. Якщо напруга на заслоні U_GS залишається постійною, то провідність каналу біля стоку зменшуватиметься. Це приведе до насичення струму стоку й переходу транзистора в пологу область вольт-амперних характеристик.

Особливості конструкцій МДН транзисторів.

Перш за все, технологічна простота МОН-транзистора в порівнянні з біполярними: необхідні всього лише один процесціффузіі і чотири процесу фотолітографії (під дифузію, під тонкийоксид, під омические контакти і під металізацію). Технологічнапростота забезпечує менший брак і меншу вартість.

Відсутність ізолюючих кишень сприяє кращому використаннюплощі кристала, тобто підвищення ступеня інтеграції елементів.Однак, з іншого боку, відсутність ізоляції робить підкладкузагальним електродом для всіх транзисторів. Ця обставина може призвести до різниці параметрів у зовні ідентичнихтранзисторів. Дійсно, якщо на підкладку заданий постійний потенціал, а витоки транзисторів мають різні потенціали (така відмінність властиво багатьом схемами), то будуть різними інапруги Unu між підкладкою і витоками. Згідно (4.15) церівносильно розбіжності порогових напруг МДП-транзисторів. Як відомо, головним чинником, що лімітує швидкодіюМДП-транзисторів, звичайно є паразитні ємності (див. с. 114-115). Металева розводка, використовувана в ІС, набагатокомпактніше дротяного монтажу, властивого вузлів і блокам,виконаним на дискретних компонентах. Тому паразитні ємностіінтегрального МОП-транзистора менше, ніж дискретного, а йогошвидкодія відповідно в кілька разів вище.

Засоби зменшення порогової напруги та покращення швидкодії.

Способи підвищення швидкодії. Підвищення швидкодіїМОН-транзисторів пов'язано насамперед із зменшеннямємностей перекриття. Істотне (приблизно на порядок) зменшенняємностей перекриття досягається при використанні технологіїсамозміщених затворів. Загальна ідея такої технології полягає втому, що шари витоку і стоку здійснюються не до, а після здійснення затвора. При цьому затвор використовується в якостімаски при отриманні шарів витоку і стоку, а значить, края затворуі цих шарів будуть збігатися і перекриття буде відсутнє.

Способи зменшення граничної напруги. Транзистори зіструктурою, що на рис. 7.31, зазвичай називаютьМОН-транзисторами з кремнієвим затвором. Такі транзисторихарактерні не тільки малою ємністю перекриття, а й малимпороговою напругою: 1-2 В замість звичайних 2,5-3,5 В. Це пояснюється тим, що матеріал затвору і підкладки - один і той же- кремній. Отже, контактна різниця потенціалів між ними (φмs) дорівнює нулю, що і призводить до зменшення граничної напруги. Приблизно такий же результат дає використаннямолібденового затвору.

Крім контактної різниці потенціалів, для зменшення граничної напруги можна варіювати та іншими параметрами, що входять у вирази (4.3). Наприклад, можна за нити тонкий оксид Si02 тонким напиленням шаром нітриду кремнію Si3N4, у якого діелектрична проникність (ε≈7) приблизно в півтора рази більше, ніж у двоокису кремнію (в = 4,5). Це призводить до збільшення питомої ємності С0, а значить до зменшення відповідних доданків порогового напруги. Нітрид кремнію в якості подзатворного діелектрика забезпечує також додаткові переваги: ​​менші шуми, велику тимчасову стабільність ВАХ та підвищену радіаційну стійкість МДП-транзистора. Можна замість пластин кремнію з традиційною кристалографічної орієнтацією (111) використати пластини з орієнтацією (100). При цьому збільшується щільність поверхневих станів , а разом з нею і заряд захоплюваних ними електронів. Відповідно зростає негативне доданок Q_0s/Co у формулі (4.3а), а алгебраїчна сума обох доданків, тобто напруга U_0F, зменшується. Зворотне вплив робить введення в тонкий оксид акцепторних атомів: вони захоплюють з приповерхневого шару кремнію частина електронів, породжених донорними домішками, які завжди присутні в оксиді У результаті заряд Q_0s зменшується. Введення акцепторів в окисел можна здійснювати за допомогою іонної імплантації. Поєднуючи перераховані методи, можна забезпечити порогові напруги практично будь-який як завгодно малої величини. Слід, однак, мати на увазі, що занадто малі значення порогового напруги (0,5-1 В і менше) в більшості випадків неприйнятні за схемотехническим міркувань (мала завадостійкість).

НЕМТ транзистори.

НЕМТ (High Electron Mobility Transistor). Це НВЧ-транзистор з низьким рівнем шумів. Структура такого НЕМТ- транзистора показана на рис.1. В якості підшарку використовують сапфір, SiC, Si, AlN або складні оксиди. Одним з найбільш важливих моментів у створенні гетероструктур є вирощування буферного шару (GaN, AlN), який служить для ізоляції дефектів в підшарку від робочої частини транзистора. Епітаксіальна структура містить буферний шар GaN товщиною ~100 нм, нелегований шар GaN товщиною ~2мкм, нелегований розмежувальний шар (спейсер) AlxGa1-xN товщиною ~5 нм для поступового переходу від нелегованого шару до легованого кремнієм шару AlxGa1-xN з концентрацією заряду ~5·10 ¹⁸см-3 товщиною ~10 нм та нелегований бар’єрний шар AlxGa1-xN товщиною ~10 нм, який зменшує вплив металізації заслону на леговану об ласть транзистора [4].

Для AlGaN/GaN HEMТ вирощених на SiC методом МПЕ (молекулярно-променевої епітаксії) густина вихідної потужност складає 11,2 Вт/мм2з ККД=58% при постійній напрузі 48 В на частоті 10 ГГц [6]. Модель AlGaN/AlN/GaN HEMT з високою рухливістю в каналі GaN. Пристрої продемонстрували дуже високу вихідну потужність 45,2 Вт на 8ГГц в неперервному режимі [9]. Розроблено широкосмуговий підсилювач на 400 Вт вихідної потужності на GaN HEMT для частот від 2,9 до 3,5 ГГц [10]. Напівпровідникові структури AlGaN/GaN HEMТ мають багато переваг, так як властивості нітриду галію забезпечують найкращі параметри на сьогодні. Максимальна частота генерації цих транзисторів сягає 350 ГГц [11].

16 Напівпровідникові резистори. Питомий опір шару. Пінч-резистор, Тонкоплівкові резистори. Напівпровідникові конденсатори в мікроелектроніці. Тонкоплівкові конденсатори в мікроелектроніці. Індуктивність в мікроелектроніці.

Спочатку в напівпровідникових ІС застосовувалися тільки дифузійні резистори (ДР), основу яких становив один з дифузійних шарів, розташованих в ізольованому кармані. В даний час велике поширення одержали також іонно-імплантованого резистори. Резистори Дифузійні резистори(7.35), найчастіше використовується смужка базового шару з двома омічними контактами . Для такої плоскоої конфігурації R=Rs(a/b)Довжина, іширинаплосковаДРобмежені.Довжина «а»не можеперевищуватирозмірівкристала. Ширина «b»обмеженаможливостямифотолітографії, бічною дифузією, атакождопустимимрозкидом(10-20%).ТиповезначенняRмакс=20кОм. Цезначення можнапідвищити в2-3рази, використовуючи неплоску,азигзагоподібнуконфігураціюДР(рис. б). Уцьомувипадкуопірзаписуєтьсявбільш загальномувигляді

ТемпературнийкоефіцієнтопоруДР, виконаного наосновібазовогошару, становить0,15-0,30% /°С, зрозкидопорівноміналустановить±(15-20)%. Прицьомуопоррезисторів, розташованихнаодномукристалі, змінюютьсяв однуітуж сторону.Тому ставленняопорівзберігаєтьсяз набагатоменшимдопуском (± 3% іменше), а температурнийкоефіцієнт длявідносиниопорівне перевищує±0,01% /°С.ЦяособливістьДРграєважливурольішироковикористовуєтьсяприрозробціІС.

Для >50-60кОм, використовують пинч-резистор(7.36.) У порівнянніз простимДРпинч-резистор маєменшуплощуперетину ібільший питомийопір(так як використовуєтьсядонна, тобтослаболегованачастина р-шару). Томуупинч-резисторів питомийопіршару зазвичайскладає2-5кОмібільше, залежновідтовщиниб, іRmax200-300кОм. Недолікипинч-резисторів :більшийрозкидноміналів(до50%) з-за сильноговпливузмінитовщиниp-шару, більшийтемпературнийкоефіцієнтопору(0,3-0,5% /°С) через меншуступінь легуваннядонноїчастинир-шару, нелінійністьвольт-амперної характеристики при напругах>1-1.5В

Іонно-леговані резистори(рис. 7.38). на відміну від ДР отримаються не дифузією, а локальної іонною імплантацією домішки.Структура іонно-легованого резистора така ж, як ДР, але глибина імплантованого р-шару значно менше глибини базового шару і складає всього 0,2-0,3 мкм. , іонна імплантація дозволяє забезпечити як завгодно малу концентрацію домішки в шарі.Як наслідок можна досягти високих питомих опорів шару - до 10-20 кОм . Rmax порядка сотні Kом.ТКСменше, ніжуДР, і лежитьвмежах3-5% /°С, арозкидопорівне перевищує±(5-10)%. Оскількитовщинаімплантованогошарумала, до ньоговажкоздійснитиомічніконтакти.Томупокраяхрізистивногошарунаетапібазовоїдифузіїздійснюютьвузькідифузійнір-шари, доякихомічнийконтактздійснюється звичайнимспособом.

Характерноюособливістю резисторівє наявність паразитної ємності щодо підкладки або ізолюючої«кишені». У найпростішому ДР (рис. 7.35) такою паразитною ємністю є бар'єрна ємність переходу між робочим р-шаром і епі-таксіальним n-шаром кишені.

Плівкові резистори(7.50)

Плівкові елементи немає необхідності ізолювати один від одного, тому що всі вони виконуються на діелектричній підкладці. Оскільки підкладка порівняно товста (не менше 500 мкм), а відстані між елементами порівняно великі, паразитні ємності практично відсутні і їх облік на еквівалентних схемах зазвичай не має сенсу. В загальному випадку конфігурація плівкового резистора така ж, як дифузійного. Зокрема, вона може бути плоскою. Питомий опір шару залежить від товщини шару і матеріалу.

-діапазон опорів плівкових резисторів незрівнянно ширше, ніж напівпровідникових (дифузійних і іонно-ле-легованих); -тонкоплівкова технологія забезпечує більш високу прецизійність і стабільність резисторів; -підгонка забезпечує суттєве зменшення розкиду (допусків) опорів; отже, можливість такої підгонки є важливою перевагою плівкових резисторів; -ставлення опорів, як і у випадку напівпровідникових ІС, характеризується меншим розкидом і меншим ТКС, ніж окремий опір. Підгонку резисторів можна здійснювати різними способами. Найпростіший, історично перший спосіб полягає в частковому механічному соскабліванія резистивного шару до того, як поверхня ІС захищається тим чи іншим покриттям. Більш досконалими є методи часткового видалення шару за допомогою електричної іскри, електронного чи лазерного променя. Зрозуміло, всі ці способи дозволяють тільки збільшувати опір резистора. Найбільш досконалий і гнучкий метод полягає в пропусканні через резистор досить великого струму. При струмового підгонці одночасно йдуть два процеси:

окислення поверхні резистивного шару і впорядкування його дрібнозернистої структури. Перший процес сприяє збільшенню, а другий - зменшення опору. Підбираючи силу струму і атмосферу, в якій ведеться підгонка, можна забезпечити зміну опору і в ту, і в іншу сторону на ± 30% з похибкою (по відношенню до бажаного номіналу) до часток відсотка.

Напівпровідникові конденсатори(7.41).У ІСрольконденсаторівграють«обратносмещенние»р-п-переходи. Утакихконденсаторівхочабодинзшарівєдифузійним, томуїхназиваютьдифузійнимиконденсаторами(ДК). Ємністьтакогоконденсатора взагальному випадку маєвигляд:С=С01(ab)+C02*2(a+b)d, деС01іС02-питоміємностідонноїта боковоїчастинр-п-переходу. Оптимальноюконфігурацією єквадрат при цьому«бічна»складова ємностівиявляєтьсявдесяткиразівменшедонної. Смакс=50-300пФ.Використовуючи неколекторний, аемітернийр-п-перехід, можназабезпечити в5-7разівбільшу СmaxЦепояснюється більшоюпитомоюємністюемітерногопереходу, оскількивона утворенабільшнизькоомнимишарами.

ВажливоюособливістюДКєможливістьмінятизначення ємності, змінюючизсувЕ. Електричне регулюванняємності, круче механічні. Однак діапазонелектричного регулюванняобмежений:змінюючизсувЕвід1до10В, можназмінитиємністьДКв2-2,5рази.

Плівкові кондесатори(7,51) Питома ємність конденсатора визначається за формулою Сом=ξ0ξ/d, де товщина діелектричної плівки d істотно залежить від технології: для тонких плівок 4 = 0,1-0,2 мкм, для товстих е = 10-20 мкм. Тому при рівних умовах питома ємність товстоплівкових конденсаторів менше, ніж тонкоплівкових. Однак різниця в товщині діелектрика може компенсуватися завдяки відмінності діелектричних проникності-стей матеріалів.

-питоміємностіплівковихконденсаторів (при належному виборідіелектрика)вкілька разів інавіть на порядокперевищуютьпитомуємністьМОП-конденсаторів і тимбільшедифузійнихконденсаторів; -максимальніємностіплівковихконденсаторівможутьбутинакількапорядківбільше, ніжємностінапівпровідниковихконденсаторів, головнимчиномзавдякибільшійплощі(оскільки площа підкладокгібриднихІСзначноперевищує площукристалівнапівпровідниковихІС);

-товстоплівковіконденсаторинезначнопоступаютьсятонкоплівковихза більшістю параметрів, завинятком, можебути, температурногокоефіцієнта;

Котушки індуктивності(рис. 7.52), представляють собою плоскі спіралі, зазвичай прямокутної конфігурації. Для зменшення опору в якості матеріалу використовується золото. Ширина металевої смужки становить 30-50 мкм, просвіт між витками 50-100 мкм. За таких геометричних розмірах питома індуктивність лежить в діапазоні 10-20 нГн/мм2, тобто на площі 25 мм2 можна отримати індуктивність 250-500 нГн. Добротність котушок індуктивності на високій частоті визначається виразомQ= ώL/rв де гв - опір високочастотних втрат.Добротність котушки зростає із збільшенням частоти. Тому плівкові котушки можуть успішно працювати в діапазоні надвисоких частот (НВЧ), при частотах 3-5 ГГц. При цьому число витків становить 3-5.

17   Диференціальний каскад, йогоконструктивні та електрофізичнівластивості. Використаннядиференціальнихкаскадів для створенняонераиійннчпідсилювачів. Використаннядиференціальнихкаскадів для створеннялогічнихелементів та запам'ятовуючихпристроїв.

Д иференційний каскад або диференційний підсилювач – електронний підсилювач з двома входами, вихідний сигнал якого пропорційний диференціальному складовій вхідного. Використовується коли треба виділити і підсилити малу різницеву складову сигналу на фоні великої синфазної складової.

В основу принципу роботи покладено тотожність опорів і транзисторів , що гарантує при однаковій зміні рівність потенціалів на колекторах в обох плечах, тобто нульову вихідну напругу.

В ідеальному ДК дрейф вихідної напруги відсутній, хоча в кожному з плечей він може бути великим.

Якщо подати на ДК синфазний сигнал ( , то такий сигнал викличе зміну потенціалу на емітерах ( ). Якщо джерело струму ідеальне ( ), то це не призведе до зміни струмів у плечах ДК, колекторні потенціали не зміняться, вихідна напруга залишиться рівною нулеві. Якщо , то зміна призведе до зміни струмів у плечах і зміні колекторних напруг, але завдяки симетрії підсилювача ця зміна буде однаковою і не вплине на .

В ідеальному ДК синфазні сигнали не впливають на вихідну напругу.

Якщо подати на ДК диференціальний сигнал ( , то однаково розподілиться між обома емітерними переходами. Приріст токів у плечах і колекторних потенціалів буде однаковим, але протилежним за знаком: .

Ідеальний ДК реагує тільки на диференціальну складову.

Неідеальність джерела струму призводить до того що синфазний сигнал на вході викликає синфазний сигнал на виході, а неідентичністьплечей до виникнення диференційного сигналу на виході.

Коефіцієнт підсилення диференціальної складової:

,

де – колекторний опір, – коефіцієнт передачі струму, – опір джерела сигналу, - внутрішній опір бази, – внутрішній опір емітера.

ДК притаманний значно більший коефіцієнт підсилення ніж у простих підсилювачів.

, , – коефіцієнти підсилення синфазного сигналу, коефіцієнт що визначає вплив диференціальної складової сигналу на синфазну складову вихідної напруги, коефіцієнт що характеризує вплив синфазної складової сигналу на диференційну складову вихідної напруги.

Основна характеристика ДК, що визначає його якість - коефіцієнт ослаблення за синфазним сигналом:

У якісних ДК він сягає 80-100 дБ.

ДК є доволі популярним у мікроелектроніці, т. я. тільки у ІС де елементи розташовані на відстані десятків мікрометрів можна забезпечити ідентичність їх параметрів, температурних коефіцієнтів і тп.

Л огічним продовженням ДК є тригер, який є складовою частиною запом’ятовуючих пристроїв, а також елементів логіки. Як видно схема тригеру аналогічна до схеми ДК, за винятком додавання зв’язку сигналу із колектором (резистори ).

Також ДК використовується у операційних підсилювачах, як один з структурних блоків – вхідний каскад, що забезпечує підсилення при малому рівнішуму, великий вхідний опір. Звичайномає диференціальний вихід.