Глава 19. Биполярные структуры в микроэлектронике

Транзисторы полупроводниковых микросхем имеют существенные отличия от обычных дискретных приборов. По технологическим и ряду других причин, связанных с электрофизическими параметрами полупроводниковых материалов, в микросхемах используют только кремниевые биполярные транзисторы. Наиболее широко применяют n-р-n транзисторы, так как вследствие большей подвижности электронов в базе они имеют более высокие граничные частоты и быстродействие.

Главные различия структур биполярных транзисторов полупроводниковых микросхем и дискретных транзисторов заключаются в том, что первые содержат дополнительные области, изолирующие их от общей полупроводниковой подложки, и все выводы от областей транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Такая структура называется планарной. Она позволяет соединять транзисторы между собой и

с другими элементами микросхемы пленочными металлическими проводниками, формируемыми на той же поверхности.

Биполярный транзистор n-p-n типа является ключевым элементом полупроводниковых микросхем. Остальные элементы микросхемы выбираются и конструируются таким образом, чтобы они совмещались с основной структурой. Их изготавливают одновременно с созданием n-p-n транзистора, поэтому конструкция и технология изготовления транзисторов

также должна обеспечивать возможность одновременного создания и других элементов (диодов, резисторов, конденсаторов и т. д) на основе полупроводниковых слоев, образованных при формировании эмиттерной, базовой или коллекторной областей транзистора. Таким образом, выбор

физической структуры транзистора однозначно определяет все основные электрические параметры микросхемы. В этом состоит важное требование конструктивно-технологической совместимости элементов полупроводниковых микросхем. Кроме того, к структурам биполярных транзисторов, как и других элементов микросхем, предъявляется специфическое требование – площадь, занимаемая ими на полупроводниковой подложке, должна быть минимально возможной для повышения плотности упаковки элементов и степени интеграции.

В отличие от дискретных полупроводниковых приборов в ИМС важное значение имеет изоляция отдельных элементов ИМС друг от друга. Вид

изоляции в основном определяет конкретную схему технологического процесса. Различают три основных способа:

∙Изоляция с помощью обратно смещенного n-р перехода;

∙ИМС с диэлектрической изоляцией;

∙ИМС с комбинированной изоляцией.

375

Каждый из видов изоляции имеет множество разновидностей и модификаций.

19.1. Транзисторы с изоляцией на основе n-p перехода

Данный способ изоляции получил наибольшее распространение при изготовлении микросхем малой степени интеграции. Поскольку обратный ток изолирующего перехода мал, обеспечивается удовлетворительная

изоляция транзистора от подложки и других элементов кристалла микросхемы. Области, окруженные со всех сторон изолирующим переходом, называют карманами. В них размещают не только биполярные транзисторы, но и другие элементы микросхемы. Обычно в каждом кармане формируют один элемент, но в некоторых случаях размещают несколько биполярных транзисторов, у которых согласно принципиальной электрической схеме соединены коллекторы.

Структура транзистора ИМС данной группы показана на (рис. 19.1).

а)

б) в)

Рис. 19.1. Структура(а) и варианты топологии (б, в) интегрального эпитаксиально-планарного n-p-n транзистора: 1 – изолирующая область, 2 – эпитаксиальный слой, 3 – скрытый слой, 4 – базовая область, 5 – эмиттерная область, 6 – коллекторная приконтактная область

376

Транзистор формируется на высокоомной подложке р–-типа толщиной 200–300 мкм в эпитаксиальном слое n-типа. Локальной диффузией донорных примесей (мышьяка или сурьмы), имеющих малый коэффициент диффузии по сравнению с бором и фосфором, в подложке перед наращиванием эпитаксиального слоя создают скрытый слой n+-типа с низким удельным сопротивлением. Хотя первоначально скрытый слой формируют в подложке, при дальнейших высокотемпературных операциях (эпитаксии, окислении, диффузии примесей) он расширяется в сторону как подложки, так и эпитаксиального слоя.

Диффузией бора через маску из диоксида кремния на глубину, превышающую толщину эпитаксиального слоя, формируют изолирующую область р+-типа, окружающую коллекторную область n-типа с боковых сторон.

Базовую область р-типа получают следующей локальной диффузией бора на глубину 2–3 мкм (глубина залегания металлургической границы коллекторного перехода). Граница базы одновременно является границей коллекторного n-р перехода и определяет его площадь. Последняя локальная диффузия используется для формирования эмиттерной области n+-типа и коллекторной приконтактной области. Донорной примесью в этом случае обычно служит фосфор, обладающий повышенным коэффициентом диффузии и повышенной растворимостью в кремнии.

Впленке диоксида кремния (толщина 0,5...1 мкм), покрывающей поверхность кристалла, создают контактные отверстия, через которые напылением пленки алюминия формируют контакты к эмиттеру, базе, коллектору и подложке. Одновременно создают внутрисхемные проводники, соединяющие элементы микросхемы. Коллекторная контактная область с высокой концентрацией доноров необходима потому, что при напылении пленки алюминия на слаболегированный слой n-типа получается выпрямляющий контакт (диод Шотки), что недопустимо.

К подложке в периферийной части кристалла микросхемы создают омический контакт (на рисунке не показан). При использовании микросхемы на этот контакт подают напряжение, при котором изолирующий переход всегда смещен в обратном направлении.

Вструктуре дискретного транзистора отсутствуют изолирующие р+- области, а контактная n+-область и вывод коллектора расположены снизу. Поэтому ряд параметров рассмотренного транзистора хуже, чем у дискретного: выше сопротивление коллекторной области, имеется ток утечки

вподложку, ниже граничная частота и быстродействие из-за влияния барьерной емкости изолирующего n-р перехода.

Основное достоинство метода изоляции n-р переходом – простота технологии формирования изолирующих областей р+-типа. Для их создания применяют такие же технологические процессы (фотолитографию, диффузию примесей), что и для получения основных областей транзистора – базовой и эмиттерной. Однако изоляция n-р переходом не является совершенной: обратный ток этого перехода резко увеличивается при

377

повышении температуры и под воздействием ионизирующих излучений. Изолирующий переход вносит барьерную емкость, которая снижает

граничную частоту аналоговых микросхем и увеличивает задержку переключения импульсных схем.

Кроме того, изолирующие области n+-типа занимают значительную площадь кристалла (по сравнению с площадью основных областей транзистора), так как их ширина должна быть больше удвоенной толщины эпитаксиального слоя. Это условие связано с изотропностью процесса диффузии: примеси диффундируют не только в глубь эпитаксиального слоя, но и в боковом направлении – под маску.

Важной конструктивной особенностью эпитаксиально-планарных транзисторов является скрытый слой n+-типа, предназначенный главным

образом для уменьшения объемного сопротивления коллекторной области и напряжения насыщения транзистора. Уменьшение удельного сопротивления

коллекторной области за счет увеличения степени легирования всего объема нерационально, так как снижается напряжение пробоя перехода коллектор– база и увеличивается емкость этого перехода, что ухудшает характеристики транзистора. Решением данной проблемы является создание скрытого высоколегированного n+-слоя на границе коллектора и подложки.

Низкоомный скрытый слой шунтирует расположенный над ним более высокоомный коллекторный слой n-типа и в десятки раз уменьшает

объемное сопротивление коллекторной области между коллекторным переходом и коллекторной контактной областью.

В области средних и больших токов (> 1 мА) существенную роль играет эффект вытеснения тока в эмиттере. При увеличении рабочего тока в транзисторе происходит увеличение плотности тока эмиттера. Напряжение в

любой точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего напряжения UЭБ и падения напряжения в объеме базы, которое возрастает по мере удаления этой точки от базового контакта (рис. 19.2). В результате напряжение в центральной части эмиттера меньше напряжения у его краев, и край эмиттера приобретает большее прямое смещение, чем середина его площади, значит, внешние области эмиттера будут работать при больших плотностях тока по сравнению с внутренними. Это в свою очередь приводит

к повышению рекомбинационных потерь носителей в области краев эмиттера и уменьшению коэффициента усиления.

Рис. 19.2. Эффект оттеснения эмиттерного тока

378

Для уменьшения этого эффекта необходимо выбирать топологию мощных транзисторов таким образом, чтобы обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Для транзистора средней мощности можно использовать две эмиттерные области, включенные параллельно, для мощного транзистора использовать «гребенчатую» структуру, т.е. область в которой эмиттерные и базовые области чередуются

(рис. 19.3).

Для уменьшения сопротивления коллектора также используют семеричную конфигурацию коллектора (рис. 19.3). В этом случае коллекторный ток протекает к эмиттеру с трех сторон, и сопротивление коллектора оказывается примерно в три раза меньше, чем в структуре с одним выводом коллектора. Для конструкции транзистора симметричной конфигурацией облегчается разработка топологии металлической разводки,

так как в ней оказывается возможным часть коллекторной области разместить под окислом, а поверх оксида над коллектором провести проводник к эмиттерной или базовой области.

Рис. 19.3. Поперечное сечение (а) и топология (б) биполярного n-p-n

транзистора повышенной мощности с симметричным коллектором и эмиттером гребенчатой структуры

В структуре транзистора, изолированного n-р переходом, помимо основного транзистора существует паразитный р-п-р транзистор. Его эмиттером является базовый слой основного транзистора, базой – коллекторная область со скрытым слоем, а коллектором является подложка.

Рис. 19.4. Схема включения паразитного р-п-р транзистора

379