Планарлы-эпитаксиальды транзисторлар.

Жаппай ИМС өндірісінде p-n өткелді элемент изоляциясы бар планарлы –эпитаксиальды технология анағұрлым экономды болып табылады.Сондықтан планарлы-эпитаксиальды транзисторлар әр түрлі микросхемаларды құруда өте кең таралған.Сонымен бірге планарлы-эпитаксиальды технология бойынша әзірленген транзисторлар планарлы-диффузиондыға қарағанда жақсартылған параметрлер мен сипаттамаларға ие болады.Планарлы-эпитаксиальды технология p-n өткелмен элемент изоляциясы бар негізгі түрден басқа бірнеше модификациясы бар;олардың ішіндегі перспективалық болып табылатыны изопланарлы және технологиялық процесс,онда элемент изоляциясы коллектор диффузиясы кезінде іске асады.

3.7-сурет.Планарлы-диффузионды және планарлы-эпитаксиальды транзисторлардың структуралары.1-кремний пластинасы, 2-поликристалды кремний, 3-кремний қышқылы, 4-жасырын n⁺ қабат.

Планарлы-диффузионды(а) және планарлы-эпитаксиальды(б,в) транзисторлардың структуралық облыстарында легірлейтін қоспа атомдарының таралуы.

3.7-суретте ИМС-те кең қолданылатын планарлы-диффузия әдісімен әзірленген және планарлы-эпитаксиальды технологияның әртүрлі модификациясы бойынша дайындалған тразистор құрылымы көрсетілген,ал 3.8-cуретте планарлы-диффузиялық және планарлы-эпитаксиальды транзисторлардың негізгі структуралары үшін легірленген қоспа атомдарының таралуы көрсетілген.

p-n өткелді изоляциясы бар планарлы-диффузионды транзисторларды(3.7 а-сурет)p-типті пластинаға коллекторлы,эммиттерлі және базалы облыстарды қалыптастыру үшін легірленген қоспалардың локальды диффузиясын жалғасты жүргізу жолымен даярлайды.Изоляцияланған p-n өткел коллекторлы диффузиялы облысты қалыптастыру процесінде қалыптасады.Планарлы-диффузионды транзисторлардың артықшылығы коллекторлы облыстағы қоспа концентрациясының тең емес таралуы, және үлкен мәнге жететін коллектор денесінің бірдей емес кедергісі..(3.8 а-сурет)

Планарлы-эпитаксиальды транзисторларлы (3.7 б-сурет) екілік диффузия әдісімен дайындайды.Осыдан базалық және эмиттерлік облыстар эпитаксиальды n-қабатқа қоспаның локальды диффузиясымен қалыптасады,p-типті кремний пластинасында өсірілген және коллектор болып табылатын,p-n өткелді изоляция эпитаксиальды қабаттың барлық тереңдіктеріне локальды бөлгіш диффузиямен жүзеге асады,базалық және эмиттерлік облыстарды қалыптастырудың алдында транзистордың барлық периметріне жүзеге асады.Мұндай транзисторлар коллектордағы қоспаның бірдей таралуы болып табылады.(3.8-б сурет)

Планарлы-эпитаксиальды транзисторларда коллектор денесінің кедергісін азайту үшін және подложканың әсер ету деңгейін азайту үшін коллекторда жасырын n-қабат құрылады.(3.7 в-сурет).Оларды эпитаксиальды өсіруге әкелетін донорлы қоспаның қосымша локальды диффузиясымен алады.Жасырын қабаттың болуы коллектордағы бірдей емес қоспаның таралуымен байланысты(3.8 в-сурет),ол ішкі статикалық электрлі өрістің құрылуына әкеледі.Бұл өріс қанығу режимі кезіндегі базадан коллекторға инжекцияланатын негізгі емес заряд тасушылардың қозғалысын тежейді.Жасырын қабаттың болуы қанығу режимінде артық негізгі емес заряд тасушылар коллектордың жоғарыомды облысына қатысты жиналады.Бұдан подложка коллектордағы негізгі емес заряд тасушылардың таралуына әлсіз әсер етеді,және транзистор параметріне.

Диэлектрлі изоляциясы бар планарлы-эпитаксиальды транзисторлар (3.7 г-сурет) локальды диффузия жолымен базалы және эмиттерлі облысты қалыптастыру үшін арнайы қалтаға дайындайды.Мұндай транзисторларда қоспаның таралуы p-n өткелді изоляциясы бар планарлы эпитаксиалды транзисторлардағы таралуға ұқсас.Бірақ та берілген структура үшін изоляциядағы аз шығындар коллекторлы облыстағы салыстырмалы кедергінің минимал мәні, жоғары жиіліктік қасиеті тән.

Коллектордағы изоляцияланған диффузия технологиясы бойынша дайындалған транзисторларда, изоляцияланған p-n өткел жасырын n⁺ -қабатымен жақындасқанға дейін жұқа эпитаксиалды p-қабат арқылы n-типті қоспаның терең диффузиясымен құрылады.

Құрылған тұйықталған n-облыс коллектор болып табылады, ал оның арасындағы орналасқан p-облыс –транзистор базасы,эмиттер базалы облысқа n-типті қоспаның локальды диффузиясымен құрылады(cурет 3.7 .д).Мұндай транзисторлардың ерекшелігі коллекторлы облыстың салыстырмалы кедергісі төмен,инверсті режимдегі күшейту коэффициентінің жоғарылылығы және коллекторлы өткелдегі пробой кернеуінің төмендеуі болуы жатады.

Изопланарлы технология бойынша дайындалған транзисторларда қышқылдау n⁺-типті жасырын қабатпен жақындасқанға дейін n-типті эпитаксиалды кремниймен қол жеткізеді.Si₃N₄ нитридімен қорғалған эпитаксиалды қабаттың бөлігі қышқылдануға ұшырайды және жалғасқан локальды диффузиямен p-базалы және эмиттерлі n-облысы қалыптасатын коллекторлы облыс қызметін атқарады.(cурет3.7-е).Нәтижесінде комбинирленген изоляциясы бар планарлы-эпитаксиалды транзисторлар қышқыл және p-n өткелмен құрылады.

Планарлы-эпитаксиалды транзисторлар үшін дайындау әдісімен изоляцияға тәуелсіз негізгі параметрлер және транзисторлардың қасиетін анықтайтын сипаты бар,базалық және эмиттерлік облыстардағы бірдей емес қоспа таралуы айрықша болып табылады.Транзистордың құрылымын қалыптастырғаннан кейін әрбір структуралы облыстағы диффундирленген қоспаның таралуы 3.8-суретте көрсетілген түрге сәйкес.Бұдан базалы облыстағы қоспа таралуы Гаус функциясына бағынады,ал эмиттерлі облыста ол erfc функциясына жақын.Бірақ транзистордың негізгі параметрлеріне анық әсер беретін нәтижелі қоспа таралу сипаты болып келеді,ол былай анықталады:

(3.1)

Мұндағы - донорлы қоспа концентрациясы;

- акцепторлы қоспа концентрациясы.

x_э эмиттерлі және x_н коллекторлы нүктесінде металлургиялық өткелдің қоспаның нәтижелі концентрациясы нөлге тең.

(3.2)

Мұндай нәтижелі қоспаның бірдей емес таралуы транзисторлы структура ішкі статикалық электр өрісі пайда болуына әкеледі,оның кернеулігі әрбір структуралық облыс үшін ток тығыздығы теңдеуін шешуінен анықталады.

Негізгі заряд тасушылар электрондар болып табылатын донорлы қоспаның иондалған атомдарымен шарттасылған эмиттерлі облыста ішкі статикалық өріс туады,оның кернеулігі

(3.3)

Бұл өрістің кернеулік векторы эмиттерлі өткелге бағытталған, және өріс базадан эмиттерге эмиттерлі өткелмен инжекцияланатын негізгі емес заряд тасушылар үшін тежеуші болып табылады.

Негізгі заряд тасушылар кемтіктер болып табылатын базалы облыста ішкі статикалық өріс кернеулігі

(3.4)

Бірақ функциясы знакопеременный болып табылады,себебі x_э-x_к участогындағы туындысы өзінің белгісін өзгертеді,сондықтан электр өрісінің кернеулік векторы екі өзара қарама-қарсы бағытпен сипатталады. участогында ол эмиттерлі өткелден бағытталған. шамасы –базаға инжекцияланатын,ішкі статикалық өрісі негізгі емес заряд тасушыларды тежейтін базалық облыстың участогы болып табылады. x_к-x_т участогында өріс жылдамдатылған болып табылады.Транзистордың планарлы эпитаксиалды структурада ішкі статикалық өрістің болуы ,заряд тасушылардың тасымалдау сипаттамасын анықтап қана қоймай,сомен бірге оның негізгі параметрлеріне әсер етеді.Жалпы түрде изоляцияланған p-n өткелі бар планарлы-эпитаксиалды транзистор төрт қабатты n⁺-p-n-p-структура болып табылады,яғни негізгі n⁺-p-n және паразитті p-n-p транзисторлардың байланысуы ретінде қарастырады.Бірақ нақты структурада коллектор қабаты арқылы подложкаға ток өткізу коэффициенті анағұрлым аз , сондықтан планарлы-эпитаксиалды транзисторды коллекторына С_n изоляцияланған p-n өткелдің паразит,орташаландырылған сыйымдылығы қосылған n⁺-p-n-транзистор ретінде қарастырамыз.Осы модельге диэлектрик қабатымен изоляцияланған транзистор да сәйкес келеді.Статикалық және өткелдік режимдегі транзистордың жұмысын сипаттайтын негізгі параметрлері – тура В және инверсті В₁ режиміндегі транзистор тогының күшейту коэффициенті болып табылады.В шамасы-үлкен инжекция тогы кезіндегі эмиттерлі өткелдегі рекомбинация тогымен елемеуге болатын эмиттерлі өткелдің инжекция коэффициентімен анықталады:

(3.5)

Мұндағы I_n-базаға электрондардың инжекция тогы;I_p-базадан эмиттерге қарай кемтіктердің инжекция тогы;I_э-эмиттердің толық тогы.

I_n және I_p токтарын және γ коэффициентті – Е_э(x) және Е_б(x) мәндерімен транзистордың базалық және эмиттерлік структуралық облыстары үшін үздіксіздік теңдеуін шешу арқылы анықтайды.Планарлы-эпитаксиалды транзисторларда В₁ инверсті күшейту коэффициенті аз болады.Бұл былай түсіндіріледі:коллекторлы өткел жанындағы қоспа концентрациясы осы өткелдің басқа жағындағы базадағы қоспа концентрациясы анағұрлым аз.Және коллекторлы өткелдің инжекция коэффициенті төмен болады,B₁-дің төмен мәнін қамтамасыз етеді.

Қанығу режиміндегі транзистордың негізгі статикалық сипаттамасы кіріс және шығыс сипаттамасы болып табылады.Транзисторда U_кн қанығу кернеуі В₁-дің өсуінен және r_к-ның төмендеуі әсерінен азаяды.Планарлы транзисторлардың ерекшелігі транзистордың бетіндегі бір жазықтықтың негізгі облысына контактларды орналастыру болып табылады, r_к-коллектор денесінің кедергісінің анағұрлым жақсы таралуын қамтамасыз етеді.r_к-ны азайтудың ең тиімді әдісі ол коллекторда жасырын n⁺-қабатты құру және эмиттерді қалыптастыру процесінде коллекторлы контакт астына донорларды енгізу. U_кн кернеудің кейбір төмендеуін коллектордың екі шығысын қолдану арқылы қол жетіземіз,оның біреуі жүктемеге қосылады,ал екіншісі шығысы болып табылады.

Осымен қанығу режиміндегі транзистордағы U_кн қалған кернеу мәні үш параметрге тәуелді:В,В₁ және r_к,бұлар транзистордың жұмыс режимі және структура параметрімен анықталады.

Транзисторлың жиіліктік сипаттамасы негізінен негізгі емес заряд тасушылардың τ_пр база арқылы және С_э эмиттерлі және С_к коллекторлы өткел сыйымдылығымен ұшу уақыты арқылы анықталады.База арқылы заряд тасушылардың ұшу уақыты коллекторлы өткелдегі инжекцияланған Q электрондардың зарядтарының жинақталу уақыты сияқты анықталады:

(3.6)

• - базада инжекцияланған электрондардың таралуы; -база ені.

Коллекторлы және эмиттерлі өткелдердің сыйымдылығы- қоспа концентрациясының градиентіне тәуелді және кернеудің өткеліне берілген көлемдік зарядтың өткел ауданы және облыс енімен анықталады:

Мұндағы S_к,S_э-коллекторлы және эмиттерлі өткелдердің аудандары; φ_кк, φ_кэ- коллекторлы және эмиттерлі өткелдердегі контактылы потенциалдар айырымы.

(3.7), (3.8) формулаларынан С_к және С_э сыйымдылықтар- транзисторлардың басқа да қасиеттерін анықтайтын шама болып табылатын нәтижелі қоспаның концентрация градиентіне пропорционалды тәуелді. С_к және С_э-ның минимал мәндерін алу үшін транзисторларды шағын ауданмен дайындайды,шекаралық күшейту коэффициенті-f_гр =500÷100 МГц.

үлестіру характері транзисторлардың кейбір параметрлеріне шектік мәндеріне де үлкен әсер етеді.U_к.пр коллекторлы өткелдің пробой кернеуі факторлар ретіне тәуелді(қисайған өткел,бетіндегі заряд шамасы), бірақ анықтайтын қоспа концентрациясының градиенті болып табылады.Бірінші жақындасуда:

төмендеуі пробой кернеуінің жоғарылауына әкеледі.Эмиттерлі өткелдің пробой кернеуі аналогиялық тәуелділікпен анықталады.

Базаның қабысу кернеуі U _кб.с эмиттерлі өткелдегі көлемдік заряд облысы коллекторлы өткелдегі көлемдік заряд облысымен қабысатын( яғни жақындасады) кернеуді сипаттайды ,планарлы-эпитаксиалды транзисторлар үшін базалы облыстағы нәтижелі қоспа концентрациясы градиентімен анықталады.

ε кремнийдің диэлектрлі өткізгіштігі.

Транзистордың жылдам әрекетін сипаттайтын маңызды параметрі- транзистордың қанығу режимінен отсечка режиміне өткендегі t_p коллекторындағы артық зарядтардың жайылу уақыты болып табылады.

t_p-ны азайту үшін транзистордың дайын структурасына алтынды қосымша диффузиялау жүргізеді.

Планарлы-эпитаксиалды транзисторлардың параметрлеріне подложка айтарлықтай әсер етеді,ол p-n өткелмен изоляциялан транзисторларда паразитті транзистор ретінде жұмыс істейді.Подложканың ең аз әсері кышкыл бетімен изоляцияланған транзисторларда бақыланады.

Сол үшін планарлы-эпитаксиальды транзисторлардың параметрлері структуралы облыста нәтижелі қоспаның концентрациясының таралуымен анықталады, бөлек параметрлеріне әсер ету характері қарама-қайшы.Сондықтан талап ететін параметрлі және характеристикасы бар транзисторларды істегенде оптимизациясы және өткелдің терең орны,яғни оптимизациясы.

Ең кең таралған ИМС-тегі транзисторлар изоляцияланған p-n өткелі бар,қышқыл қабығы бар,алтынмен легірленген планарлы-эпитаксиалды технология бойынша жасалған транзисторларда -та негізгі параметрлері келесідей:

Коллектордың изоляцияланған диффузиясы технологиясымен дайындалған транзисторлар үшін ал изопланарлы технология бойынша дайындалғандарда U_к.пр=10В.Қалған параметрлердің мәні алдыңғы келтірілгендермен сай келеді.