Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ПланТех_метода.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
09.01.2026
Размер:
2.63 Mб
Скачать

ческой границы p-n-перехода. Так что полное сопротивление слоя соответствует x = 0:

Rсл =

1

=188,5Ом.

1,6 1019 0,1 104 3,316 1021

Сопротивление ионно-имплантированных слоев рассчитывается численным интегрированием по формуле (3.2). Разработчики полупроводниковых приборов и ИМС нередко используют усредненные характеристики слоев, в частности, среднее значение концентрации примесей в ионно-

имплантированном слое, которое можно определить как Nср = Q . x j

Таблица 3.1

Числовой расчет сопротивления диффузионного слоя

Параметр

 

 

 

 

 

x∙104, см

 

 

 

 

0

0,1

0,2

0,3

0,4

 

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

 

 

Na(x)·10–18, см–3

14,20

13,28

10,85

7,75

4,84

 

2,64

1,26

0,53

0,19

0,061

0,017

N(x)·10–18, см–3

14,20

13,28

10,85

7,75

4,84

 

2,64

1,26

0,53

0,19

0,060

0,016

N (x)·10–18, см–3

14,20

13,28

10,85

7,75

4,84

 

2,64

1,26

0,53

0,19

0,062

0,018

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ(x), см2/(В·с)

54,8

55,2

55,4

58,9

63,6

 

72,4

89,2

122

181

272

370

N(x) µ(x)·10–20,

7,79

7,33

6,12

4,57

3,08

 

1,91

1,13

0,64

0,35

0,16

0,060

(В·с·см)–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N(x) µ(x)·10–21,

3,32

2,54

1,80

1,19

0,73

 

0,43

0,24

0,12

0,058

0,024

0,007

(В·с·см)–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rсл, Ом/□

188

246

346

524

851

 

1465

2658

5102

10700

26320

85230

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

4.1. Конструктивно-технологические особенности биполярных транзисторов интегральных микросхем

Основу структуры биполярного транзистора составляют 2 близко расположенных взаимодействующих перехода: эмиттерный и коллекторный. Из существующих двух типов биполярных n-p-n- и p-n-p-транзисторов транзистор n-p-n-типа является базовым элементом полупроводниковых микросхем. Связано это с тем, что более высокие электрические параметры (усилительные и частотные) технологически проще получить для n-p-n-транзисторов. Пассивные элементы микросхем (резисторы, конденсаторы, диоды) конструируются таким образом, чтобы технология их изготовления совмещалась с процессом изготовления транзисторов, т. е. они строятся на основе опреде-

42

ленных слоев или p-n-структур, получаемых одновременно с областями транзисторов. Таким образом, выбор структуры однозначно определяет основные электрические параметры микросхем.

Изготавливаемые по планарной технологии биполярные транзисторы имеют, как правило, вертикальную структуру, т. е. границы перехода эмит- тер–база и база–коллектор расположены параллельно поверхности исходной полупроводниковой пластины.

Типовые структуры вертикальных интегральных n+-p-n-транзисторов со скрытым подколлекторным n+-слоем с изоляцией p-n-переходами и с комбинированной изоляцией (с оксидом и p-n-переходами), получившие широкое распространение в ИМС, показаны на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Структуры биполярных транзисторов ИМС: а – изоляция p-n-переходами; б и в – комбинированная изоляция; г – изоляция диоксидом кремния

Эти транзисторы изготовлены по планарно-эпитаксиальной технологии. Оба p-n-перехода (эмиттерный и коллекторный) сформированы методом диффузии или ионной имплантации примесей (сначала акцепторной в эпитаксиальный слой n-типа, затем донорной в сформированную область p-типа). В процессе первой диффузии (или ионной имплантации) формируется базовая область транзистора и p-n-переход база–коллектор (коллекторный). В процессе второй диффузии (имплантации) формируются область эмиттера и p-n-переход эмиттер–база (эмиттерный). Рабочей (активной) областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттера. Остальные области транзистора являются пассивными, т. е. в ка- кой-то мере паразитными. Их присутствие обусловлено конструкторскотехнологическими причинами.

43

Скрытый сильнолегированный n+-слой на границе коллектора и подложки обеспечивает низкоомный путь току от активной коллекторной области к коллекторному контакту, не снижая значения пробивного напряжения перехода коллектор–база. Конструктивно этот слой располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплотьдо дальней от базы стороны коллекторного контакта. В биполярных ИМС необходимо изолировать отдельные транзисторы (элементы) друг от друга, в противном случае все элементы ИМС окажутся электрически связанными между собой через подложку.

Существует несколько способов изоляции в ИМС. До сих пор продолжает использоваться исторически появившийся первым способ изоляции обратносмещенным p-n-переходом (рис.4.1, а), поскольку этот способ обладает высокой технологичностью (создание изолирующей области требует только одной операции фотолитографии и одной операции диффузии), хотя и имеет ряд недостатков: площадь изолирующей области сравнима с площадью транзистора и даже превышает ее, велика паразитная емкость изолирующего перехода, необходима подача на изолирующий переход обратного напряжения смещения и др.

Комбинированная изоляция, основанная на использовании в изопланарной технологии локального окисления кремния, сочетает технологичность изоляции p-n-переходом и высокие качества диэлектрической изоляции: элементы микросхем со стороны подложки изолированы обратносмещенными p-n-переходами, а с боковых сторон – диоксидом кремния. Таким образом, изоляция p-n-переходом заменяется изоляцией диэлектриком в наиболее уязвимом (с точки зрения пробивного напряжения) приповерхностном слое и с боковых сторон (рис. 4.1, б, в).

В основе технологических процессов данного способа изоляции лежит локальное сквозное «проокисление» тонкого (1…1,2 мкм) эпитаксиального слоя кремния n-типа. В результате этот слой оказывается разделенным на островки, в которых формируются элементы микросхем. Комбинированная изоляция с применением локального окисления позволяет увеличить степень интеграции элементов в ИМС за счет сокращения площади, отводимой под изоляцию, и уменьшить паразитные емкости. Полная изоляция диэлектриком элементов ИМС заметно уменьшает влияние паразитных эффектов на их работу, но усложняет технологию и ухудшает эксплуатационную надежность ИМС из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения полупроводника и диэлектрика.

44

Биполярные транзисторы с функциональной точки зрения принято разделять на 2 большие группы: усилительные, применяемые в аналоговых ИМС для преобразования сигнала с минимальным искажением формы, и переключательные, применяемые в цифровых ИМС. В большинстве случаев различие структур усилительного и переключательного транзисторов, определяющее их электрические параметры, заключается в значениях толщины и удельного сопротивления эпитаксиального слоя, а следовательно, глубин залегания эмиттерного и коллекторного переходов и распределения примесей в слоях. Для изготовления биполярных ИМС используются пластины, ориентированные в направлении (111). В пластинах с эпитаксиальным слоем n-типа (ρ = 0,2…0,8 Ом·см) подложка p-типа более высокоомная (ρ= 1…10 Ом·см), что уменьшает паразитные емкости схемы.

Толщина эпитаксиального слоя (эп) 1,5…10 мкм. Толщина базового слоя (глубина залегания перехода база–коллектор) определяется требуемой граничной частотой транзистора и составляет 0,5…5 мкм, а его сопротивление – 100…6000 Ом/□. Толщина эмиттерного слоя (глубина залегания перехода эмиттер–база) – 0,2…2,5 мкм, а его сопротивление – 5…30 Ом/□. Начало диапазона рассмотренных параметров характерно для переключательных транзисторов, что обеспечивает минимальное последовательное сопротивление во включенном состоянии (в режиме насыщения). В усилительных транзисторах эти параметры обычно больше, что обеспечивает их более высокое пробивное (а следовательно, и рабочее) напряжение (однако ухудшает частотные свойства). Распределение примесей в готовой транзисторной структуре, изготовленной методом диффузии или ионной имплантации, в одномерном приближении показано на рис. 4.2.

Для повышения эффективности эмиттера концентрация примесей в базе должна быть заметно меньшей, чем в эмиттере. Целесообразно поверхностную концентрацию базовой примеси в структуре иметь на уровне 5·1017…5·1018 см–3. Уменьшение NsБ приводит к резкому повышению сопротивления слоя активной базы (между эмиттером xЭБ и коллектором xБК), что вызывает заметный эффект вытеснения тока на край эмиттера (а следовательно, уменьшает эффективность эмиттера). Кроме того, при

NsБ 1017см3 может сформироваться высокоомный базовый контакт или даже выпрямляющий переход из-за сегрегации бора, происходящей при раз-

45

Соседние файлы в предмете Основы планарной технологии