3 Ионо-плазменное

Схема этого метода пока­зана на рисунке 3.7в. Главная его особенность по сравнению с методом катодного напыления состоит в том, что в промежутке между электродом 8 - мишенью (с нанесенным на нее напыляе­мым материалом) и подложкой 4 дейст­вует независимый, «дежурный» газовый разряд. Для этого типа разряда характерны: наличие специального ис­точника электронов в виде накаливае­мого катода 6, низкие рабочие напря­жения (десятки вольт) и большая плот­ность электронно-ионной плазмы. Подколпачное пространство, как и при катодном напылении, заполнено ней­тральным газом, но при более низком давлении (10^-3 - 10^-4 мм рт. ст.).

Процесс напыления состоит в следующем. На мишень относи­тельно плазмы подается отрицательный потенциал (2-3 кВ), достаточный для возникновения аномального тлеющего разряда и интенсивной бомбардировки мишени положительными ионами плазмы. Выби­ваемые атомы мишени попадают на подложку и осаждаются на ней. Таким образом, принципиальных различий между процессами ка­тодного и ионно-плазменного напыления нет. Различаются лишь конструкции установок: их называют соответственно двух- и трех - электродными.

Преимущества собственно ионно-плазменного метода по срав­нению с катодным состоят в большей скорости напыления и большей гибкости процесса (возможность ионной очистки, возможность от­ключения рабочей цепи без прерывания разряда и др.). Кроме того, на качестве пленок сказывается более высокий вакуум.

Вопрос № 55. Планарно-эпитаксиальный биполярный транзистор

4.2.1 Этапы изготовления

На подложке р-типа формируется эпитаксиальный слой n-типа (рисунок 4.4а). Затем проводится термическое окисление (рисунок 4.4б), и методом фотолитографии формируются окна под разделительную диффузию, т.е. маска из слоя SiO₂ остается на тех местах, где будут изготовляться биполярные транзисторы и другие элементы схемы (рисунок 4.4в).

Следующим этапом проводится разделительная диффузия акцепторной примесью (рисунок 4.4в) так, чтобы атомы примеси достигли подложки под эпитаксиальным слоем и в результате получается, что элементы схемы будут отделены друг от друга полупроводником р-типа.

Проводится второе термическое окисление, вторая фотолитография и вторая диффузия акцепторной примесью с тем, чтобы сформировать базовый слой транзистора (рисунок 4.4г). Эта диффузия требует меньшее время, так как глубина базового слоя 2,5-2,7 мкм меньше, чем при разделительной диффузии.

З атем проводятся ещё одно термическое окисление, фотолитография, при которой вскрываются окна под эмиттерную область и вывод коллектора, и проводится последняя диффузия донорной примесью (рисунок 4.4д). В этих областях создается максимальная концентрация примеси. Глубина n⁺- слоев составляет примерно 2 мкм. Максимальная концентрация примеси в месте вывода коллектора исключает появление выпрямляющего контакта металл-полупроводник (диод Шоттки).

После четвертого заключительного термического окисления и ещё одной фотолитографии вскрываются окна для межэлементных соединений металлической пленкой (рисунок 4.4е).

В результате термического напыления получается сплошная пленка алюминия (рисунок 4.4ж).

На заключительном этапе проводится последняя фотолитография, при которой из пленки Al формируются межэлементные соединения (рисунок 4.4з).

Таким образом, в процессе формирования транзистора использовались: пять фотолитографий, четыре термических окисления, три процесса диффузии, по одному процессу эпитаксии и термическому напылению алюминия не считая ряда вспомогательных операций: очистка, промывка, удаление фоторезиста и т.д.

Вопрос №56 Эквивалентная схема.

На рисунке 4.7а представлена четырехслойная структура биполярного транзистора совместно с подложкой. Эту структуру можно рассматривать как две трехслойных структуры (рисунок 4.7б) представляющие собой два транзистора: основной n-p-n и паразитный p-n-p (рисунок 4.7в).

Рисунок 4.7

Паразитный транзистор находится в режиме отсечки, когда основной работает в режимах отсечки или активном. Но когда основной транзистор работает в режиме насыщения, т.е. его коллекторный переход включен в прямом направлении, то паразитный транзистор находится в активном режиме, так как его эмиттерный переход – это коллекторный переход основного транзистора. В этом случае, через паразитный транзистор осуществляется связь между основными транзисторами, находящимися в режиме насыщения.

Резистор r_К (рисунок 4.7в) учитывает распределенное сопротивление коллектора, так как коллекторный слой имеет наименьшую концентрацию примеси. Его величина составляет примерно 100 Ом. Этот резистор совместно с ёмкостями С_КП и С_КБ образуют RC цепочку, которая ухудшает быстродействие транзистора и ограничивает его предельную частоту. Кроме того, в ЦИМС это приводит к тому, что возрастает уровень логического нуля U⁰. Для исключения выше отмеченных явлений между коллектором и подложкой формируют скрытый слой n⁺.

В случае диэлектрической изоляции паразитный p-n-p транзистор отсутствует, но ёмкость С_КП сохраняется. Она, как уже отмечалось, меньше, чем при изоляции p-n переходом примерно в три раза.

Вопрос №60 Диффузионные резисторы.

Для диффузионных резисторов чаще всего используется полоска базового р-слоя с двумя омичес­кими контактами (рисунки 4.17а и б), расположенного в коллекторном n-слое. Для изоляции резисторов на n-слой подается максимальное положительное напряжение.

Рисунок 4.17

Для такой полосковой конфигурации сопротивление резистора записывается в виде , (4. 1)

где - удельное сопротивление полупроводника, l, b, d – длина, ширина и глубина резистивного слоя (рисунок 4.17а и б). Поскольку удельное сопротивление и глубина р-слоя у всех резисторов одинаковы, то обозначим R_S =/d и назовем это - удельное сопротивление слоя. Отношение l/b называется коэффициент формы резистора К_Ф. Тогда

R=R_SК_Ф. (4.2)

И длина, и ширина резистора ограничены. Длина l не мо­жет превышать размеров кристалла, т. е. лежит в пределах 1-5 мм. Ширина b ограничена возможностями фотолитографии, боковой диффузией, а также допустимым разбросом (10—20%). Практичес­ки минимальная ширина составляет 10-15 мкм.

Подставляя в (4.2) значения R_S=200 Ом/ и l/b =50, по­лучаем максимальное значение сопротивления R_МАКС=10 KOм. Это значение можно повысить в 2-3 раза, используя не полосковую, а зигзагообразную конфигурацию резистора (рисунок 4.17в).

Количество «петель» в ко­нечном счете, ограничено пло­щадью, отводимой под резистор. Обычно n  3, в противном случае площадь резистора может достигать 15-20% площади всего кристалла. Максимальное сопротивление при n= 3 не превышает 20-30 кОм.

Температурный коэффи­циент резистора, вы­полненного на основе базово­го слоя, составляет 0,15- 0,30%/⁰С, в зависимости от значения R_S

Если необходимые номиналы сопротивлений превышают20-30 кОм, можно использовать так называемые пинч-резисторы. Струк­тура пинч-резистора показана на рисунке 4.17г. По сравнению с про­стейшим резистором пинч-резистор имеет меньшую площадь се­чения и большее удельное сопротивление (так как используется донная, т. е. слабо легированная часть базового р-слоя). Поэтому у пинч-резисторов удельное сопротивление слоя R_S обычно составляет 2-5 кОм/ и более, в зависимости от толщины. При таком значении R_S максимальное сопротивление может достигать значений 200-300 кОм даже при простейшей полосковой конфигурации.

Недостатками пинч-резисторов являются: больший разброс номиналов (до 50%) из-за сильного влияния изменения толщины р-слоя, больший температурный коэффициент сопротивления (0,3- 0,5%/°С) из-за меньшей степени леги -рования донной части р-слоя, нелинейность вольтамперной характеристики при напряжениях более 1-1,5 В.

Если необходимые номиналы сопротивлений составляют 100 Ом и менее, то использование базового слоя нецелесообразно, так как ширина резистора должна быть меньше его длины, что конструктивно трудно осуществить. Для получения резисторов с малыми номиналами сопротивлений используют низкоомный эмиттерный слой. При значениях R_S= 5-15 Ом/, свой­ственных этому слою, удается получить минималь­ные сопротивления 3-5 Ом с температурным коэффициентом 0,01- 0,02%/°С.

Вопрос № 61 конденсаторы ПП ИМС

В биполярных полупроводниковых ИМС роль конденсаторов иг­рают обратно смещенные р-n переходы. У таких конденсаторов хотя бы один из слоев является диффузионным, поэтому их называют диффузионными конденсаторами.

Типичная структура диффузионного конденсатора, в котором используется переход коллектор - база, показана на рисунке 4.18а. Емкость такого конденсато­ра в общем случае имеет вид:

С = C₀S, (4.3), где С₀- удельная емкость р-n перехода, S-площадь конденсатора. Опти­мальной, конфигурацией является форма близкая к квадрату.

Например, если C₀= 150 пФ/мм² и С =100 пФ, то S 0,8 мм. Как ви­дим, размеры конденсатора получи­лись сравнимыми с размерами кристалла.

Используя не коллекторный, а эмиттерный р-n переход, можно обеспечить в 5-7 раз большие значения максимальной ем­кости. Это объясняется большей удельной емкостью эмиттерного перехода, поскольку он образован слоями с более высокой концентрацией, а, следовательно, меньшей толщиной р-n перехода. Возможно совместное использование эмиттерного и коллекторного переходов.

О сновное преимущество при исполь­зовании эмиттерного перехода - большие значения максималь­ной емкости. По пробивному напряжению этот вариант уступает варианту с использованием коллекторного перехода.

Эквивалентная схема конденсатора приведена на рисунке 4.18б.

Необходимым условием для нормальной работы конденсатора является обратное смещение р-n перехода. Следовательно, напря­жение на конденсаторе должно иметь строго определенную полярность. Кроме того, емкость зависит от напряжения. Это значит, что конденсатор является нелинейным с вольт-фарадной характеристикой, как у варикапа. Однако чаще требуются линейные конденсаторы с постоянной емкостью, которые способны пропускать без искажения переменные сигналы и «блокировать» (т. е. не пропус­кать) постоянные составляющие сигналов, они успешно выполня­ет такую функцию при наличии постоянного смещения Е, превышающего амплитуду переменного сигнала.

С другой стороны, является возможность менять значение емкости, меняя смещение Е. Следовательно, конденсатор можно использо­вать не только в качестве «обычного» конденсатора с постоянной емкостью, но и в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью или, как говорят, конденсатора переменной емкости. Однако диапазон электрической регулировки ограничен: меняя смещение Е от 1 до 10 В можно изменить емкость конденсатора всего в 2-2,5 раза.

Из-за высокого сопротивления коллекторного n-слоя добротность таких конденсаторов низкая.

Вопрос №62 Оксидные МДП-конденсаторы.

Интегральным конденсатором, прин­ципиально отличным от диффузионного, является МОП-конденсатор. Его типич­ная структура показана на рисунке 4.18в.

З десь над эмиттерным n⁺- сло­ем с помощью дополнительных технологических процессов выра­щен слой тонкого (0,08-0,12 мкм) окисла. В дальнейшем, при осуществлении металлической разводки, на этот слой напыляется алюминиевая верхняя обкладка конденсатора. Нижней обкладкой служит эмиттерный n⁺ - слой.

Добротность выше, так как сопротивление r значительно ниже из-за n⁺-слоя.

Важным преимуществом МОП-конденсаторов по сравнению с диффузионным является то, что они работают при любой полярности на­пряжения, т. е. аналогичны «обычному» конденсатору. Однако МОП-конденсатор, как и диффузионный, тоже нелинейный. Паразитная емкость МОП-конденсаторов учитывается с помощью уже известной эквивалентной схемы (рисунок 4.18г), где под емкостью С_П следует понимать емкость между n-карманом и р-подложкой.

В заключение заметим, что в МОП-транзисторных ИМС, в отли­чие от биполярных, изготовление МОП-конденсаторов не связано с дополнительными технологическими процессами: тонкий окисел для конденсаторов получается на том же этапе, что и тонкий оки­сел под затвором, а низкоомный полупроводниковый слой - на этапе легирования истока и стока. Изолирующие карманы в МОП-технологии, как известно, отсутствуют.

Вопрос №41. ГИБРИДНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Гибридными интегральными микросхемами (ГИМС) называют микросхемы, в которых пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, индуктивности) выполнены в виде пленок на диэлектрической подложке, а полупроводниковые электронные приборы (диоды, транзисторы, диодные и транзисторные матрицы, ППИМС) – навесные.

Ф рагмент ГИМС приведен на рисунке 5.1.

Микросхемы с толщиной пленок менее 1 мкм называют тонкопленочными, а с толщиной более 1 мкм - толстопленочными ГИМС. Напыление тонких пленок осуществляется методами, описанными в разделе 3.6, а получение толстых пленок в 5.

Конфигурации тонко- и толстопленочных эле­ментов одинаковы, но их конкретные геометрические размеры (при заданных электрических параметрах) могут существенно различаться в связи с использованием совершенно разных материалов. Пленочные элементы нет необходимости изолировать друг от друга, так как все они выполняются на диэлектрической подлож­ке. Поскольку расстояния между элементами сравнительно большие, паразитные емкости практически отсутствуют и их учет на эквивалентных схемах обычно не имеет смысла.

Вопрос №41 основные элементы ГИМС