Глава 3 Шалаөткізгішті интегралды микросхемалар

§ 3.1 Типтік конструкциялар және шалаөткізгішті имс құрылымы.

Конструктивті қатынаста шалаөткізгішті ИМС тікбұрышты немесе квадрат формадағы шалаөткізгіш кристалды білдіреді,көлемінде және бетінде бір-бірінен изоляцияланған элементтері жиналған,электр схема бойынша байланысқан.

Негізі схеманың әрбір элементіне шалаөткізгіш материалдың локальды облысы,дискретті элементтердің (транзистор,резистор,конденсатор) функциясын орындауды қамтамасыз ететін қасиеттер мен сипаттамалар сәйкес келеді.Дәл элементтің функциясын орындайтын әрбір локальды облыс басқа элементтен изоляцияны сұрайды.Электрлі схема бойынша элементтер арасындағы байланыс қалыпты жағдайда шалаөткізгішті кристал бетіне шаңдату көмегімен метал шалаөткізгіш немесе жоғары легірленген шалаөткізгіш жалғастырғыш көмегімен орындалады.Мұндай кристалл гермитизацияланған корпусқа түседі және микросхеманы практикалық қолдану үшін шығыстар жүйесі болады.Осыдан кейін шалаөткізгіш ИМС аяқталған конструкция болып табылады.Шалаөткізгіш ИМС-тың конструкция типі:шалаөткізгіш материал арқылы,локальды облысты технологиялық әдіспен құру және элементтерді қалыптастыру,кристалдағы элементтерді изоляциялау арқылы,қолданылған транзисторлардың типі және құрылымы арқылы анықталады.

Көптеген шалаөткізгіш ИМС-терді монокристалды кремний негізінде жасайды,кейде бөлек кезде германийді қолданады.Бұл былай түсіндіріледі:кремний германийге қарағанда ИМС элементтерін құруда маңызды физикалық және технологиялық артықшылықтарға ие.Кремнийдің германиймен салыстырғандағы физикалық артықшылықтары:

Кремнийдің тыйым салынған зонасының кеңдігі үлкен кері өту токтары аз болады,ИМС элементтерінің арасындағы паразитті байланысты азайтады, жоғары температурада жұмысқа қабілетті микросхемалар құруға мүмкіндік береді және жұмыс тогының (1мкА-дан аз) аз деңгейінде жұмыс істейтін микроқуатты схемалар құруға мүмкіндік береді.

Кремнийлі транзисторлар өте жоғары кернеуге ие болады және де бұл транзисторлардағы логикалық схемалар үлкен статикалық кедергітұрақтылықпен сипатталады.Кремний аз диэлектрлік өткізгіштікпен сипатталады,

Кремнийдің басқа шалаөткізгіш материалмен салыстырғандағы ең маңызды технологиялық артықшылығы кремний қосқышқылды қабатымен байланысқан,ол кремнийге жақсы адгезияға ие болады, оның жоғары температурада тотығуы арқылы кремнийлі пластинаның бетінде оңай алынуы мүмкін.

Кремнийдің қосқышқылды беті кремний негізіндегі ИМС технологиясында маңызды рөл атқарады және қолданылады:

Қоспаның локальды диффузия процесін жүргізгенде маска ретінде;

Қоршаған ортаның ықпалымен кристалдың бетін қорғау үшін;

Металдық коммутация үшін негізі ретінде;

Элементтің диэлектрлі изоляциясы үшін;

Оқшауланған затворы бар МДП транзисторда каналдан затвор изоляциясы үшін;

Таспалы конденсаторларың диэлектригі ретінде.

Микросхема жұмысының физикалық артықшылығы тұрғысынан қарағанда Галлий арсениді және басқа да шалаөткізгіш байланыстар үлкен потенциалдық мүмкіндікке ие болады.Өнеркәсіптік шартта кремний шалаөткізгіш ИМС ты жасау үшін көп қолданылады.Сондықтан шалаөткізгіш ИМС тың негізгі типі кремнийлі болып табылады.

Шалаөткізгіш ИМС ты дайындаудың негізгі технологиялық процесі шалаөткізгіш материалда локальды облыс құрылу көмегімен және құрылымның өткелі және схеманың элементтері жасалады.Оған кремнийдегі легірленген қоспаның локальды диффузиясы,ионды легірлеу және эпитаксальды электрөткізгіштің қарама-қарсы түрін білдіретін кремнийлі пластинаға кремний қабатын монокристалды өсіру жатады.Осыған байланысты барлық шалаөткізгіш ИМС –тер технологиялық белгісі бойынша екі топқа бөлінед:тек диффузия процесін қолдану арқылы дайындалатын ИМС-тер және қоспаны ионды енгізу және диффузия, эпитаксальды өсіру процесімен үйлесу арқылы дайындалатын ИМС-тер.Бірінші группадағы микросхемаларды дайындау технологиясы планарлы-диффузиялық,ал екінші группадағылар-планарлы эпитаксиальды деп аталады.Осы технологияның әр түрлі түрлері бар:қосарлы және изопланарлы технологиялар.Қосарлы технологияда ИМС-тың активті элементтері шалаөткізгіш материал көлемінде планарлы диффузиялық және планарлы-эпитаксиальды технология әдісімен дайындайды,ал пассивтілерді кристал бетіндегі жұқа пленкалы технология әдісімен дайындайды.

Элемент изоляциясы әдісі микросхеманың құрылымына әсер етеді.Шалаөткізгіш ИМС-терде элемент изоляциясы үшін келесі әдістерді кеңінен қолданады:p-n өткелінің кері жылжу изоляциясы,толық диэлектрлі изоляция,біріктірілген изоляция(p-n –өткелімен және диэлектрикпен изоляцияны үйлестіру)

Шалаөткізгіш ИМС-тің негізгі құрылымын транзисторлы құрылым құрайды,ол активті және пассивті элементтердің схемаға ену реализациясы үшін базалы болып табылады.Шалаөткізгіш ИМС-те базалы элемент ретінде биполяр транзисторды қолданады,ол электрөткізгіштіктің n-p-n- типімен ерекшеленеді және планарлы диффузиялық және планарлы эпитаксиальды технология бойынша дайындалады.Сонымен қатар униполяр транзисторлар қолданылады,каналдың электрөткізгіштігінің бір немесе екі типті МДП құрылымы болады және планарлы технология бойынша дайындалады.Шалаөткізгіш ИМС- тердің құрылымының артықшылығы барлық элементтер бір технологиялық процесс негізінде дайындалады.Сондықтан әртүрлі элементтің облысын құрайтын эпитаксиальды және диффузиялық беттердің параметрлері бірдей болады.Мысалы резисторды құру үшін биполярлы транзисторда эмиттер немесе базаны құрайтын қабаттар қолданылады,ал диод пен конденсаторды құру үшін транзистор құрылымындағы сияқты өткел қолданылады.Транзисторлы құрылым күрделі және микросхема құрылымында анықталатын болғандықтан басқа элементтердің реализациясына арналған қабаттар мен өткелдер транзистордың облысына сәйкес аталады.Шалаөткізгіш ИМС-тердің технологиялық әдістері және құрылым түрі бойынша локальды облысты алу тәсілі бойынша және транзисторлы құрылым өткелі,изоляция әдісі бойынша классификацияланады.

Шалаөткізгіш ИМС-тер технологиялық әдісі мен құрылымына қарай былай бөледі:

p-n-өткелді изоляциясы бар элементтің планарлы-диффузиялық түрі;

элементтің резистивті изоляциясы бар планарлы-диффузионды түрі;

p-n- өткелді элементтің изоляциясы бар планарлы-эпитаксиальды;

элементтің диэлектрлі изоляциясы бар планары-эпитаксиальды;

біріккен изоляциясы бар изопланарлы;

Электрөткізгіштіктің бір типі бар(МДП-ИМС) транзистордағы металл-диэлектрик –шалаөткізгіш;

Электрөткізгіштіктің өзаратолықтыратын түрдегі транзистордағы метал-диэлектрик –шалаөткізгіш;

Планарлы-диффузиялық ИМС-Те элементте электрөткізгіштіктің әр түрлі түрі бар облыспен сипатталады,ол ішінде кремнийдің монокристалды пластинасы бар легирленген қоспаның локальды диффузиясымен құрылған.Бұл элементтер бір бірінен кері p-n-өткел ауысуымен немесе жоғарыомды пластина көмегімен алшақтайды.Алшақтаған p-n өткелі бар шалаөткізгішті ИМС-тың құрылымы 3.1 а суретте көрсетілген.Алшақтаған облыстар p-n өткелін құру мақсатымен пластинаға қоспа диффузиясы жолымен алынады.Бұл облыстар не транзистордың коллекторы не басқа элементтер үшін алшақталған облыс болып табылады.Мұндай ИМС-тың құрылымы үштік диффузия әдісімен құрылады,яғни p-типті кремнийдің жоғарыомды легирленген пластинасының бір жағымен өтетін локальды диффузияның жалғасқан үш процесі жолымен.Резистивті изоляциясы бар планарлы-диффузиялық ИМС-тер былай ерекшеленеді:ондағы элементтер бір-бірінен пластина материалының жоғарыомды кедергісі көмегімен бір-бірінен алшақтайды.(3.1 б-сурет)

3.1-сурет.планарлы-диффузионды типтегі шалаөткізгішті ИМС құрылымы.

A –изоляциялайтын p-n өткелмен;б-резистивті изоляциямен.

Мұндай изоляция жоғары жиілікте жұмыс істейтін микросхема үшін мүмкін.Берілген ИМС-тың құрылымы сонымен бірге үштік диффузия әдісімен құрылады,бірақ n-типті пластина қолданылады.

Планарлы-эпитаксиальды ИМС-тер планарлы-диффузиондыға ұқсайды.Бірақ олардың құрылымын n-типті кремнийдің жұқа монокристалды қабатын эпитаксиальды өсіру әдісімен құрады және эпитаксиальды қабатқа легірленген қоспаның жалғасқан локальды диффузиясымен құрылады.Шалаөткізгішті кристалда схеманың элементіне локальды облысты қалыптастыру изоляция әдісімен анықталады.Планарлы-эпитаксиальды ИМС-те p-n-өткелімен элементтің изоляциясы эпитаксиальды қабаттың барлық қалыңдығына акцепторлы қоспаның біржақты диффузиясын өткізу жолымен қол жеткізеді.Осыдан n-типті электрөткізгіштігі бар эпитаксиальды қабаттың локальды облысы құрылады,ол барлық жағынан р-типті алшақтанған облыспен қоршалған.Бұл облыста транзисторлы құрылымды қалыптастыру үшін диффузияның екі жалғасқан процесі қолданылады.Алшақтанған p-n өткелі бар планарлы эпитаксиальды ИМС-тың құрылымы 3.2 а-суретте көрсетілген

3.2-сурет.Планарлы-эпитаксиалды типті шалаөткізгіш ИМС-тың құрылымы.

а-изоляциялайтын p-n өткелмен; б-диэлектрлі изоляциямен.

Диэлектрлі изоляциясы бар планарлы-эпитаксиальды ИМС-тер 3.2 б-суретте көрсетілгендей бір-бірінен диэлектрлі материал көмегімен алшақтанады.Берілген жағдайда диэлектрлі материал ретінде көбінесе қосқышқылды кремний қабатын,кремний нитридін,кремний карбидін,стекло,керамика және басқа да диэлектриктер қолданылады.Бұдан подложка ретінде поликристалды кремний,сапфир немесе керамика қызмет атқарады.

Диэлектрик ретінде ауаны қолдану баллонды шығысы бар ИМС деп аталатын жаңа құрылымның микросхемасын құруға мүмкіндік береді(3.3 cурет),онда транзисторлы құрылымдарды планарлы-эпитаксиальды технология бойынша құрылады,ал платина силицидтің,титанның,платинаның және алтынның жалғасқан электроосаждения жолымен шығыстарын және жоғары беріктіліктің элементаралық байланысы құрылады.

3.3-сурет.Балочный шығыстары бар шалаөткізгіш ИМС құрылымы.1-алтын;2-платина;3-титан;4-платина силициді;5-транзисторлар.

Металл қабаттар изоляцияланған балочный шығыстарды құру мақсатымен травленияға ұшырайды,олар схема элементтері арасындағы электрлі және механикалық қамтамасыз етеді.Схемадағы элементтерді изоляциялау оның барлық қалыңдығына травление жасау арқылы іске асады.Бұдан микросхеманың құрылымы элементтермен изоляцияланған,электрлі және механикалық баллонды шығыстармен біріккен островкаларды көрсетеді.Ауалы изоляция әдісін сапфирдағы кремний негізінде ИМС-ты құру үшін қолданады.

Биполярлы транзисторларда барлық схемадан изоляцияланған p-n өткелі бар планарлы-эпитаксиальды ИМС-тер және диэлектрлі изоляциясы бар ИМС-тер көп таралған.Бұл былай түсіндіріледі:транзистордың планарлы-эпитаксиальды структурасы планарлыға қарағанда электрлі параметрлері бойынша,дайындау технологиясы бойынша көп артықшылыққа ие болады.Эпитаксиальды қабатты қолдану транзисторлы құрылымды қалыптастырудың технологиялық процесін жеңілдетеді,бүтіндей микросхеманың және транзистордың параметрлерін жақсартуға мүмкіндік береді(орташа кешігу азайтады және бөгеуге қарсылықты көбейтеді).Изоляция әдісі бойынша планарлы-эпитаксиальды құрылымды салыстыруға келсек,онда изоляцияланған өткелді ИМС-тер технологиясы қарапайым болғандықтан жақсырақ.Бірақ мұндай ИМС-тердің изоляцияланған p-n-өткелдері кері ауысу жағдайында болуы керек.Изоляцияланған p-n өткелдерді қолдану схеманың жұмыс істеуіне кері әсер етіп,оның жиілік диапазонын шектеп,төртқабатты құрылымның пайда болуына,оң кері байланыстың пайда болуына әкеледі.Сонымен бірге өткір кернеу изоляцияланған облыстың қоспа концентрациясына кері пропорционал,ол өте үлкен азаю тогынан құтылу үшін минималды болу керек.

Бұл қиындықтар анағұрлым дәрежеде диэлектрлі изоляция жағдайында төмендейді.Диэлектрик ретінде қосқышқылды кремний қабатын қолданылатын құрылымды микросхемада паразитті сыйымдылықтар және азаю токтары 1-2 рет азаяды,ал өткір кернеу мен жылдамдатуды екі рет өсіруге болады.Мұндай құрылымда басқа диэлектрлі материалдарды қолдану ИМС-тің электрлі және эксплуатациялы параметрлерін анағұрлым жақсартуға мүмкіндік береді.Бірақ диэлектрлі изоляциясы бар микросхемаларды дайындау технологиясы p-n өткелді изоляциясы бар микросхема технологиясына қарағанда анағұрлым күрделі және қымбат.

Қосарлы ИМС-тер барлық активті элементтер және мүмкіндігінше пассивті бөлікті p-n өткелді изоляциясы бар планары-эпитаксиальды технология бойынша құрады,ал барлық немесе пассивті элементтер бөлігін кремний қосқышқылды қабатымен жабылған микросхеманың бетіне резистивті,өткізетін және диэлектрлі пленкаларды енгізудің пленкалы технологиясымен құрады.(3.4-сурет).Мұндай құрылымда шалаөткізгішті және пленкалы технологияның артықшылықтары қолданылады.

3.4-сурет.Қосарланған ИМС структурасы.

3.5-сурет.Біріктірілген изоляциясы бар изопланарлы ИМС структурасы.

Шалаөткізгіш ИМС-терді құрастыру кезіндегі бірінші ретті есеп- кристалдағы олардың геометриялық өлшемін біруақытта азайту және электрлі сипаттамасын жақсарту кезінде элементтердің орналастыру тығыздығын көбейту болып табылады.Осыдан p-n өткелді изоляциясы бар планарлы-эпитаксиальды ИМС-терде орын алған изоляцияланған облыстың ауданын азайту маңызды болып табылады.Берілген есепті шешудің тиімдісі ол біріктірілген изоляцияны қолдану.3.5-суретте изопланарлы технологиямен дайындалған біріктірілген изоляциясы бар шалаөткізгіш ИМС-тың структурасы көрсетілген.Транзисторлы структураның бүйір жақ беті диэлектрикпен изоляциялайды(кремнийдің қалың қосқышқылды қабатымен),ал төменгі беті p-n өткелімен.Элементтерді қалыптастыру қарапайым планарлы-эпитаксиальды технология бойынша n-типті эпитаксиальды жұқа қабатты қолдану арқылы іске асады.Біріктірілген изоляция транзистордың ауданын төмендетуге,жылдамдығын арттыруға,паразитті сыйымдылығын төмендетуге мүмкіндік береді.

МДП-транзистордағы ИМС-тың құрылымы n немесе p-типті электрөткізгіштігі бар кремнийлі пластина болып табылады,олар пларлы технология бойынша МДП-структуралар құрады,олар бір-бірімен электрлі схемаға сәйкес қосқышқылды кремнийдің қорғаныс қабатының бетін шаңдатылған металл шалаөткізгіштің көмегімен біріккен.Ең кең таралған- изоляцияланған затворы бар МДП-структуралар,онда диэлектрик ретінде қосқышқылды кремний қызмет етеді.МДП-ИМС құрылысының артықшылығы тек қана МОП-структураны қолдану болып табылады(МОП-транзисторлар активті және пассивті элемент ретінде қызмет етеді),бөлек структураның арасындағы изоляцияның болмауы,металданған пленкалы өткізгіш ретінде, жоғарылегірленген диффузиялы облыста ішкісхемалық байланыс үшін қолдануы болып табылады.Ең кең таралғандар:n- немесе p-типті индуцирленген каналы бар МДП-транзисторлардағы ИМС-тер,сомен қатар 3.6 а,б-суретте құрылысы көрсетілген электрөткізгіштіктің(КМДП-ИМС) өзаратолықтыратын типті каналы бар МДП-транзистордағы ИМС-тер.

3.6-сурет.МДП-ИМС структурасы.

а-p-типті каналы бар біртипті транзисторларда, б-электрөткізгіштіктің өзаратолықтыратын типті каналы бар транзисторларда, в-V-МОП транзисторларда,

МДП-ИМС қаптамасының тығыздығын жоғарылату және олардың жылдамәрекеті V-образды тереңдетуде орналасқан,кремнийдің анизотропты травлениесімен алынған,канал ұзындығы аз болатын МОП-транзисторлардың элементі негізінде қолдануға қол жеткізеді.V-МОП-транзисторы негізіндегі ИМС-Тер(3.6 в-сурет) жоғары дәрежелі интеграциялы МДП-ИМС тер арасындағы ең келешекке арналған болып табылады.

МДП-ИМС құрылысы биполярлы транзистордағы ИМС құрылысына қарағанда элементтің жоғары тығыздығын жіне функционалды тығыздығын қамтамасыз етеді.ОЛ былай түсіндіріледі:кристалдағы МОП-транзистордың орнын алатын аудан биполяр транзистордағыға қарағанда екі ретке кіші,МДП-структураны қолданғанда элементтер арасындағы изоляцияны қажет етпейді,ал биполяр транзисторға метал-кремнийдің үш контактысы қажет,сол сияқты МДП-транзисторға екеу қажет.Алдағы шалаөткізгіш ИМС-Терді құрылымдық дайындау қолданылатын корпус түрімен және герметизация әдісімен анықталады.