2.8.7. Быстродействующие транзисторы с уменьшенными размерами элементов
Пропорциональное уменьшение геометрических размеров всех областей элементов микросхемы является традиционным направлением увеличения ее быстродействия, что связано прежде всего с уменьшением паразитных емкостей p-n-переходов.
Первенство по быстродействию сохраняют за собой биполярные n+-p-n-транзисторы, к физической структуре и характеристикам областей которых предъявляются специфичные и одновременно противоречивые требования: высоколегированный эмиттер с малой глубиной залегания p-n перехода и большим градиентом концентрации примеси в области эмиттерного p-n перехода; тонкая активная база с достаточно высокой концентрацией примеси, малым сопротивлением и одновременно сравнительно высокими значениями напряжения пробоя перехода и прокола базы.
Минимальный геометрический размер топологии определяется возможностями литографии. В настоящее время осуществляется переход к минимальному проектному геометрическому размеру топологии 0,15 мкм и менее /5/.
Существенное уменьшение глубин залегания p-n переходов связано прежде всего с освоением технологии ионного легирования, которое, однако, обладает существенным недостатком: очень высок уровень дефектности областей кремния, непосредственно подвергшихся ионной бомбардировке. Эти недостатки могут быть устранены следующим образом: на подложку с эпитаксиальным слоем наносится пленка поликристаллического кремния, которая и подвергается локальной ионной бомбардировке. Затем проводится диффузионный отжиг, в процессе которого легирующая примесь диффундирует из поликремния в монокристаллическую подложку на небольшую глубину. Конструкция сформированного таким образом быстродействующего транзистора показана на рис. 2.41. Она сформирована в эпитаксиальном слое n-типа толщиной 1,5 мкм, глубина эмиттерного перехода составляет 0,2 мкм.
Рис. 2.41. Структура быстродействующего биполярного
транзистора: 1 - подложка; 2 - скрытый слой; 3 - изолирующая область; 4 - эпитаксиальный слой; 5 - термический окисел, 6 - область пассивной базы; 7 - область активной базы; 8 - эмиттерная область; 9 - пленка поликристаллического кремния; 10 - алюминиевая разводка
2.8.8. Транзисторы с эмиттерами на гетеропереходах
Гетеропереходы - это переходы между двумя материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны. В обычных транзисторах используются гомопереходы, так как ширина запрещенной зоны кремния по обе стороны перехода одинакова и равна 1,1 эВ. Теоретически преимущества гетеропереходов известны давно, но технология их формирования не была разработана.
Транзисторы с гетеропереходами изготавливаются (рис. 2.42, а) с использованием легированного фосфором низкоомного полуизолирующего поликристаллического кремния в качестве материала эмиттера, который предложившая эту технологию японская фирма Sony назвала Sipos (semi-insulting polycrystalline silicon — полуизолирующий поликристаллический кремний). Этот материал представляет собой смесь поликристаллического кремния и двуокиси кремния и имеет ширину запрещенной зоны 1,3...1,4 эВ. Разница в ширине запрещенной зоны в 0,2...0,3 эВ материалов, образующих эмиттерный переход, обеспечивает значительно более высокий коэффициент инжекции. Это означает, что в полном токе через эмиттерный переход отношение тока электронов к току дырок получается намного выше. От коэффициента инжекции непосредственно зависит коэффициент усиления транзистора. В обычном кремниевом транзисторе (рис. 2.42, б) единственный способ повышения этого параметра состоит в увеличении концентрации примеси в эмиттере и уменьшении концентрации примеси в базовой области. В транзисторах с эмиттерами на гетеропереходах высокий коэффициент инжекции можно обеспечить и при относительно сильно легированной базовой области. Меньшее сопротивление пассивной области базы дает возможность значительно повысить быстродействие транзисторов без уменьшения или даже с увеличением коэффициента усиления по току. В гетеропереходе (рис. 2.42, а) пленка полуизолирующего поликристаллического кремния толщиной около 0,2 мкм контактирует непосредственно с базовой областью транзистора. Поверх нее наносится обычная пленка легированного поликристаллического кремния толщиной 0,3...0,5 мкм, с которой контактирует металлическая разводка.
Рис. 2.42. Вертикальная структура интегрального транзистора с эмиттером на гетеропереходе (а) и ее сравнение со структурой интегрального планарно-эпитаксиального транзистора (б)
Технологическая реализация транзисторов микросхем с гетеропереходами не связана со сложными усовершенствованиями отдельных операций или уменьшением геометрических размеров транзисторов. По этой технологии возможно получение микросхем с рабочим быстродействием в 1...5 ГГц.