2.8.9. Эволюция конструктивно-технологических вариантов биполярных транзисторов

Разработка новых и совершенствование базовых технологических операций позволило вернуться к классическим стандартным технологиям на более высоком уровне. Так, например, применение точной ионной имилантации для создания коллекторной области n-типа позволяет реализовать БИД – технологию (рис. 2.12) и формировать n-p-n-транзисторы в подложке p-типа без эпитаксии (рис. 2.43).

Рис. 2.43. Структура биполярного транзистора, выполненного

по БИД – технологии без эпитаксии

Представленные выше конструктивно-технологические варианты просты в осуществлении, дают высокий выход годных микросхем при сравнительно малой их стоимости и используются в производстве микросхем средней и высокой степеней интеграции, но площади элементов недостаточно малы для плотностей упаковки, требуемых в СБИС. Из-за довольно больших площадей велики емкости переходов, у транзисторов с коллекторной изоляцией мала предельная частота коэффициента усиления , а у транзисторов, изготовляемых по методу тройного легирования, велико последовательное сопротивление коллектора. По этим причинам данные варианты не позволяют получить ни малых значений произведения мощности на время задержки, ни малого времени задержки распространения сигнала.

Для создания быстродействующих БИС и СБИС необходимы: малые активные площади транзисторов (определяющие плотность упаковки и величину емкостей), мелкие слои, резкие профили распределения примесей (повышающие ), а также малые последовательные сопротивления.

Разработка новых конструкций преследует следующие цели:

свести к минимуму площадь эмиттера для уменьшения емкости перехода база - эмиттер и последовательного сопротивления базы (наилучший эффект благодаря эффекту оттеснения тока дает очень узкая эмиттерная полоска);

разместить контакт базы как можно ближе к эмиттеру для уменьшения площади базы (снижения емкости перехода база - коллектор и последовательного сопротивления базы);

применить комбинированную изоляцию для получения эмиттерных и базовых областей с диэлектрическими «стенками», благодаря чему снижаются емкости переходов база - эмиттер и база - коллектор, и емкости коллектор - подложка. Такая изоляция позволяет создавать p-n-p-транзисторы с переходом малой площади с диэлектрическими «стенками».

Конструктивно-технологические варианты биполярных транзисторов с комбинированной изоляцией и пристеночными областями эмиттера и базы (разд. 2.5) уже достаточно хорошо отработаны и в настоящее время являются базовыми для производства БИС. В них используются эпитаксиальные слои n- или p-типа, при тонких эпитаксиальных слоях получаются транзисторы достаточно малых размеров и выход годных БИС довольно высок.

В таблице приведены параметры транзисторов, изготовленных по планарно-эпитаксиальному процессу (рис. 2.10, б) при толщине эпитаксиального слоя 3 мкм и минимальном проектном геометрическом размере 5 мкм, и транзисторов, изготовленных с использованием комбинированной изоляции при толщине эпитаксиального слоя 1,2 мкм и минимальном проектном геометрическом размере 3 мкм. Оба транзистора имеют один базовый контакт.

Параметры транзисторов с изоляцией p-n переходами и комбинированной

Параметр	Планарно-эпитаксиальный транзистор с переходами	Транзистор с комбинированной изоляцией и диэлектрическими «стенками»
Площадь, мкм2	1500	500
Емкость перехода база - эмиттер, пФ	0,10	0,07
Емкость перехода база - коллектор, пФ	0,12	0,05
Емкость перехода коллектор - подложка, пФ	0,52	0,13
Последовательное сопротивление базы, Ом	250	800
Сопротивление эмиттера, Ом	6	9
Сопротивление коллектора, Ом	40	20
Предельная частота , ГГц	1	3…5

Из таблицы видно, что плотность упаковки транзисторов с комбинированной изоляцией в БИС в три раза выше, у них меньше емкости и сопротивления за исключением последовательного сопротивления базы. Для снижения последовательного сопротивления базы можно дополнительно легировать бором область пассивной базы или создать базовый контакт по обе стороны эмиттера, но это, конечно, увеличит размеры транзистора. В некоторых логических схемах, например И²Л (см. рис. 2.27), n-p-n-транзисторы включены инверсно, и тогда скрытый слой работает как эмиттер.

Для получения резкого диффузионного профиля между эмиттером и базой и ширины базы, почти не зависящей от толщины эпитаксиального слоя, разработана технология восходящей диффузии: перед выращиванием эпитаксиального n-слоя в подложку локально имплантируется примесь p-типа (бор), которая при последующей высокотемпературной обработке диффундирует вверх в растущую эпитаксиальную пленку n-типа, благодаря чему формируется вертикальный n-p-n-транзистор с сильно легированным эмиттером n⁺-типа, тонкой областью (0,3 мкм) базы p-типа и слабо легированной коллекторной областью (рис. 2.44). Затем создается омический контакт к заглубленной базе p-типа и производится выделение эпитаксиальной коллекторной области p-типа путем кольцевой диффузии примеси p⁺-типа вниз через эпитаксиальный n-слой до касания с базой. Этот метод можно сочетать с методом комбинированной изоляции.

Рис. 2.44. Структура n-p-n-транзистора

со скрытым эмиттером

В случае горизонтального p-n-p-транзистора (рис. 2.37) эмиттер и коллектор формируются при совместимой с процессом изготовления n-p-n-транзистора мелкой p-диффузии (база n-p-n-прибора), а эпитаксиальный n-слой служит базой p-n-p-транзистора. Ширина базы p-n-p-транзистора определяется разрешающей способностью фотолитографии и зависит от боковой диффузии бора под окисел (в силу технологических ограничений трудно получить с хорошей воспроизводимостью базу шириной менее 0,5 мкм). Инжекция дырок из эмиттера p-типа вниз в эпитаксиальный слой приводит к избыточному количеству в нем неосновных носителей, которые, диффундируя через скрытый слой к подложке, создают паразитный ток (т. е. как бы образуется паразитный вертикальный p-n-p-транзистор). По этой причине горизонтального p-n-p-транзистора невелика, и коэффициент усиления по току тоже мал.

У специальных инверсно включенных p-n-p-транзисторов коллектором служит диод Шоттки (рис. 2.45). Их называют также p-n-m-транзисторами (m-металл). Достоинство p-n-m-транзистора заключается в том, что его фиксация диодом Шоттки происходит автоматически. такой транзистор можно создать совместно в технологическом процессе производства вертикальных n-p-n-транзисторов; для этого требуется дополнительная область p⁺-типа, полученная восходящей диффузией примеси p-типа из подложки.

Рис. 2.45. Структура инверсионно включаемого p-n-m-транзистора, представляющего собой p-n-p-транзистор с диодом Шоттки в качестве коллектора (КШ)

Применение пленок поликристаллического кремния (ППК) (см. разд. 2.3, 2.4, 2.5) открывает новые способы повышения плотности упаковки и рабочих характеристик биполярных транзисторов. На рис. 2.46 представлены биполярные структуры с использованием ППК.

На рис. 2.46, а представлена структура интегрального биполярного транзистора с выступающими поликремниевыми электродами. Здесь источником примеси при диффузии для создания эмиттера, а также в качестве выступающих электродов эмиттера и коллектора служит поликристаллический кремний, легированный мышьяком, обрабатываемый так, чтобы он образовывал нависающий край. Напыленная сверху металлическая пленка в области нависающего края имеет разрыв, благодаря чему достигается экономия площади, отводимой на зазоры между электродами базы и эмиттера. В этих схемах размеры эмиттера составляют мкм², площадь базы - 64 мкм² , последовательное сопротивление базы 111 Ом, = 7ГГц.

Другая конструкция транзистора с ППК дана на рис. 2.46, б (см. рис. 2.21). Здесь эмиттер также создается диффузией примеси из поликристаллического кремния, легированного мышьяком.

Рис. 2.46. Конструктивно-технические варианты транзисторных структур БИС и СБИС с использованием пленок поликристаллического кремния: а - с выступающими поликремниевыми электродами и изоляцией переходом; б - с выступающими поликремниевыми электродами и комбинированной изоляцией; в - с самосовмещенными базой и эмиттером и комбинированной изоляцией; г - с двумя слоями поликремния и изоляцией переходами; 1 - термический окисел; 2 - металлические проводники; 3 - пленки поликристаллического кремния; 4 - пленка защитного диэлектрика

Окисляя поликристаллический кремний и проводя селективное травление, можно удалить окисел с базы транзисторов, сохранив его на поликристаллическом кремнии. Тогда можно осаждать металл, который контактирует с базой и изолирован от эмиттера. Металлический контакт к эмиттеру расположен в другом сечении (рис. 2.46, б).

На основе показанной на рис. 2.28 структуры транзистора путем нанесения ППК, локального ионного легирования ее мышьяком и бором и последующей диффузией этих примесей из ППК в монокристаллический кремний для создания эмиттерной области и p⁺-области базового контакта получают транзистор, изображенный на рис. 2.46, в. Размер такого транзистора может быть очень мал, но существует некоторое дополнительное сопротивление базы за счет последовательного сопротивления легированного бором поликристаллического кремния, поэтому конструкция непригодна для создания микросхем с очень высоким быстродействием. Резисторы формируются одновременно с транзисторной структурой на основе легированного бором поликристаллического кремния; это дает возможность уменьшить паразитные емкости и расстояния между резисторами.

Конструкция транзистора с самосовмещением и с применением поликристаллического кремния, аналогичная предыдущим, показана на рис. 2.46, г. Различие состоит в том, что электроды из поликристаллического кремния и межэлементные соединения сплавлены с платиной для уменьшения удельного сопротивления до 3 Ом/. В наиболее перспективном варианте конструкции используют два слоя поликристаллического кремния, что позволяет получать малые эмиттеры, близко расположенные базовые контакты и перекрывающиеся электроды (рис. 2.46, г). Эмиттеры шириной 1 мкм создаются методом точной литографии и маскирования с помощью нитрида кремния. Этим методом уже изготовлены транзисторы с размерами эмиттера мкм², площадью базовой области 42 мкм, емкостью перехода база - эмиттер 0,013 пФ, емкостью перехода база - коллектор 0,022 пФ, емкостью перехода коллектор - подложка 0,110 пФ и последовательным сопротивлением базы 370 Ом.

Закрытый поликристаллическим кремнием эмиттер транзистора дает определенные преимущества. Во-первых, это предотвращает взаимодействие с монокристаллическим кремнием при создании контактов из силицида платины. Во-вторых, если между поликремнием и монокристаллической областью эмиттера находится очень тонкий слой SiO₂, то формируется гетеропереход и возрастает коэффициент усиления транзистора по току (см. п. 2.8.8).

Ощутимое улучшение характеристик И²Л-схем (рис. 2.27) дает использование поликремния в качестве контактов с n⁺-областями многоколлекторного транзистора (рис. 2.47).

Рис. 2.47. Структура И²Л - ячейки, изготовленной с применением легированных пленок поликремния с самосовмещением контактов к коллекторным областям и с диэлектрическими «стенками»: 1 – термический окисел; 2 – металлические проводники; 3 – пленка поликристаллического кремния

При использовании легированного поликремния в качестве источника примеси при диффузии для создания n⁺-коллекторных областей, контакты к ним получаются самосовмещенными, в результате чего площадь транзистора резко сокращается, что увеличивает его предельную частоту и быстродействие. Внешние базовые области между коллекторами n⁺-типа электрически объединены металлической перемычкой, в результате чего резко снижаются последовательные сопротивления коллекторов и сводится практически к нулю различие времен переключения между первым и последним коллекторами. При размере 2,5 мкм И²Л – схемы имеют время задержки на один логический элемент 0,8 нс при токе 100 мкА, что соответствует произведению мощности на время задержки 0,1 пДж.

Анализ рассмотренных выше перспективных вариантов биполярных структур говорит о том, что требованиям СБИС (максимальная рассеиваемая мощность меньше 200 мкВт на логический элемент, плотность упаковки более 200 логических элементов на 1 мм²) удовлетворяют схемы: эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ), а также И²Л-схемы. При их изготовлении необходимо использовать комбинированную изоляцию элементов и применять элементы на основе поликристаллического кремния с трехмикронными нормами на проектирование. У И²Л-схем наивысшая плотность упаковки, но сравнительно низкое быстродействие; ЭЛС и ТТЛШ могут быть реализованы в виде СБИС при условии ограничения мощности рассеяния до 200 мкВт на один логический элемент, поскольку большинство корпусов микросхем для кристаллов средних размеров не допускает мощности рассеяния более 1 Вт, а для больших кристаллов СБИС 4...5 Вт. Все три этих типа схем будут иметь задержку на распространение около 1 нс. Можно ожидать в будущем, что с переходом к субмикронным нормам на проектирование быстродействие микросхем и плотность упаковки повысятся.