Функционально-интегрированные элементы бис
При классической интеграции элементов в одном кристалле повышению степени интеграции и увеличению быстродействию препятствует большое число изолированных друг от друга активных и пассивных элементов. Одним из путей повышения быстродействия и степени интеграции является применение функциональных интегрированных элементов. Функциональные интегрированные элементы упрощают коммутацию, сокращают длину соединенных проводников и число контактных окон. В функциональных интегрированных элементах одна и та же область полупроводниковой структуры выполняет несколько функций, например, области “база” и “коллектор” транзистора могут одновременно использоваться в качестве резистора. Простыми примерами функциональных интегрированных элементов являются рассмотренные ранее составные транзисторы и транзисторы с диодами Шоттки. Типичным примером является ячейка элемента И2Л.
З
десь
база многоколлек-торного n-p-n
транзистора является одновременно
коллектором горизон-тального p-n-p
тран-зистора, а эмиттер n-p-n
транзистора служит базой p-n-p.
В БИС на основе функциональных
интегрированных элементов часто
организовываются цепи питания. Здесь
традиционные резисторы заменяются либо
на диоды, либо на транзисторы, либо на
инжекционные цепи.
В этой конструкции на поверхности кристалла отсутствуют шины электропитания. Они находятся внутри кристалла и образованы подложкой и эпитаксиальным слоем. Следующий пример:
В
этой конструкции сформирован ПИНЧ
резистор прямо в коллекторной области
n-p-n
транзистора. Для этого одновременно с
формированием базы проведена еще одна
диффузия примесей р-типа в коллекторной
области транзистора и за счет этого
уменьшено поперечное сечение.
Контакты к кремнию
В полупроводниковых микросхемах на биполярных транзисторах межэлементные связи осуществляются с помощью пленочных проводников, которые соприкасаются с участками кремниевых структур через окна, в слой термически выращенного окисла, образуя электрический контакт. Причем необходимо в этом месте сформировать невыпрямляющий низкоомный омический контакт. Наиболее распространенным материалом для контактов коммутационных шин и контактных площадок является алюминий. Он обладает большой электропроводностью, хорошей адгезией кремнию, пластичен, технологичен и образует низкоомный контакт кремнию, кроме этого, дешев. Однако алюминий имеет ряд нежелательных свойств: растворение кремния в алюминии и проникновение алюминия в кремний при нагреве. В первом случае снижается механическая прочность контакта, во втором – происходит сдвиг р-n перехода вглубь кремния, что нежелательно при небольшой глубине p-n перехода, и в некоторых случаях может образоваться выпрямляющий контакт. Поэтому алюминиевая разводка используется в маломощных микросхемах с невысокой надежностью, работающих на частотах до 1 ГГц. В микросхемах повышенной надежности используются коммутационные проводники и контакты кремния, состоящие из нескольких слоев различных материалов.
К
онтактный
слой призван обеспечить омический
контакт кремния любого типа в широком
диапазоне легирования. Контактный слой
призван обеспечить омический контакт
кремния с вышележащими слоями. Материал
контактного слоя должен иметь малую
растворимость и малую диффузионную
подвижность в кремнии, хорошую адгезию,
низкое сопротивление, способность к
восстановлению окисей кремния. В этих
целях используют молибден, никель, хром,
титан, платину, палладий и иридий.
Функции адгезионного слоя заключаются в обеспечении высокой прочности сцепления разводки с пленкой окисла кремния и контактного слоя. В качестве материала этого слоя используют титан, хром и молибден. Когда эти материалы используются в качестве адгезионного слоя, то контактный слой может отсутствовать.
Проводящий слой выполняет основные функции разводки, имеет низкое удельное сопротивление и обеспечивает надежность контактирования с внешними выводами. В качестве проводящего слоя используют алюминий и золото. Однако эти металлы образуют плохо проводящие интерметаллические соединения на границе с адгезионным слоем. Кроме этого, золото имеет высокую проникающую способность и проникает в кремний через контактный и адгезионный слои, поэтому приходится использовать буферный слой, который предотвращает образование интерметаллических соединений. В качестве буферного слоя применяют молибден, никель, платину, палладий.
Последний из выносимых слоев является диэлектрический защитный слой, который обеспечивает защиту интегральной схемы от внешних воздействий в межоперационный период. Проводящий слой золота сам выполняет защитные функции и может не покрываться диэлектриком.
Наилучшими эксплуатационными свойствами обладают следующие трехслойные системы: титан, платина, золото; титан, молибден, золото; силицид платины, платина, золото; а также четырехслойная структура: хром, титан, платина, золото. Последняя система обеспечивает хороший воспроизводимый контакт кремния и может работать на больших токах. В связи с необходимостью экономии драгоценного металла используются также системы:
Ni-Re
Ni-Nb
Ni-V
Re-Ti
Re-Hg
Ni-V-Re
Ni-Rb-Re
Ni-Re-Mo.
Толщина слоев обычно следующая:
контактные и адгезионные слои- 0.03÷0.25 мкм;
буферные слои- 0.15÷0.2 мкм;
проводящие слои- 0.5÷1 мкм.