Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

2 кВ. В отличие от тиристоров (см. гл. 6) эти приборы имеют луч­ шее управление, высокое быстродействие и малое потребление

тока по цепи управления.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ)

представляют собой удачное сочетание входного полевого тран­

зистора с изолированным затвором и вертикальным каналом с

выходным биполярным п-р-п-транзистором. Имеются много разновидностей таких приборов, однако наибольшее распрост­ ранение получили приборы, которые в зарубежной литературе

имеют название Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).

Структура IGBT включает два биполярных транзистора - п-р-п (VT1) ир-п-р (VT2) и полевой транзистор с изолиро­ ванным затвором VT (рис. 6.11, а).

Как видно из приведенного рисунка, ток коллектора I ю транзистора VT1 влияет на ток базы транзистора VT2 , а коллек­

торный ток I к2 транзистора VT2 определяет ток базы VT1 • В ре­

зультате структура из двух транзисторов VT1 и VT2 имеет глубо­

кую внутреннюю положительную обратную связь.

Вводя коэффициенты передачи тока а1 для транзистора VT1 и а2 для транзистора VT2 , получим, что Iк2 = Iэ2а2, Iю = Iэ1а1 и,

Iк,А

поскольку токи Ic, Iю и Iк2 текут по параллельным ветвям,

суммируясь в точке, откуда вытекает ток I э• то I э = I ю + I к2 + I с

(см. рис. 6.11, а). В результате ток стока Ic, полученный из по­

следнего соотношения, равен Ic = Iэ(l - а1 - а2).

Поскольку ток стока полевого транзистора I с = SUз• ток IGВТ

транзистора равен

где Sэ = S/(l - а1 - а2) - эквивалентная крутизна биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), которая может

принимать большие значения при а1 + а2 ~ 1. Значения а1 и а2

можно изменять за счет сопротивлений R 1 и R 2 (см. рис. 6.11, а).

На рис. 6.11, б приведены БАХ одного из транзисторов типа

IGBT, где значение крутизны достигает 15 А/В.

Достоинством БТИЗ является значительное снижение паде­ ния напряжения на замкнутом транзисторном ключе; это объяс­

няется тем, что в режиме насыщения последовательное сопро­

тивление R 2 шунтируется двумя насыщенными транзисторами

VT1 и VT2 , включенными последовательно. Условное обозначе­

ние биполярного транзистора с изолированным затвором приве­

дено на рис. 6.11, в, где отражается гибридность этого прибора,

включающего элементы условного обозначения полевого и бипо­

лярного транзисторов.

Следующей разновидностью приборов, сочетающих свойства

полевых и биполярных транзисторов, являются статические ин­ дукционные транзисторы (СИТ). СИТ [35] представляют собой по­

левые транзисторы с управляющимр-п-переходом. Они работают в режиме полевого транзистора, когда на затвор подано обратное напряжение, и в режиме биполярного транзистора, когда на за­

твор подано положительное смещение и затвор выполняет роль

базы биполярного транзистора. По сравнению с биполярными транзисторами СИТ имеют лучшее быстродействие из-за лучшего рассасывания неосновных носителей, появляющихся в канале при

прямом смещении р-п-перехода (затвора). Оно обусловлено тем,

что в отличие от биполярного транзистора, обратное напряжение

на затворе может достигать 30 В. Время включения СИТ практиче­ ски не зависит от режима работы и составляет 20".25 нс при за­

держке не более 50 нс. На этапе выключения происходит рассасы­

вание накопленных в открытом состоянии неосновных носителей,

РАЗДЕЛ 2

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Глава 7

АКТИВНЫЕ И ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

7.1. Общие вопросы. Термины и определения

Микроэлекrронина - это раздел электроники, включающий со­

здание и принципы применения качественно нового типа элек­

тронных приборов, называемых интегральными микросхемами (схе­ мами).

Характерной особенностью микроэлектроники является един­

ство физических, конструктивно-технологических и схемотех­

нических аспектов.

Микроэлектроника является естественным этапом развития

электроники, характеризующимся непрерывным усложнением

функций, выполняемых электронной аnпаратурой, а также тре­

бованиями обеспечения электронными приборами высокой на­

дежности, малых габаритов, массы, малой потребляемой мощ­

ности и т. д.

Интегральная микросхема (интегральная схема - ИС) как элек­ тронный прибор является совокупностью большого количества

таких взаимосвязанных компонентов, как транзисторы, диоды,

конденсаторы, резисторы и т. д., изготовленных одновременно

в едином технологическом ци:кле на единой подлож:ке. ИС вы­ полняет определенную функцию преобразования информации.

Выполняемые ИС функции я:вл.яютс.я существенно более слож­

ными по сравнению с функциями отдельных компонентов (тран­

зисторов, диодов и т. д.), которые называются элементами ИС. Эле­

менты ИС по своим характеристикам и параметрам отличаются от

дискретных приборов и компонентов.

Для изготовления интегральных схем используются группо­ вой метод производства, планарная технология и заключитель­

ная операция - корпусирование. Основные технологические ме­

тоды и приемы, используемые в микроэлектронике, включают

следующие операции: подготовительный технологический этап,

эпитаксию, термическое окисление, легирование, травление, тех­

нику масок, нанесение тонких пленок, металлизацию и сбороч­

ные операции. Большинство из перечисленных технологических этапов (операций) кратко описаны в гл. 3 (п. 3.1.3).

Групповой метод производства состоит в том, что на одной по­

лупроводниковой пластине одновременно изготавливается боль­ шое количество ИС (иногда одновременно могут обрабатываться десятки таких пластин). После проведения: большинства из ука­

занных выше операций пластина разрезается на отдельные крис­

таллы (чипы), каждый из которых является ИС.

При планарной технологии все элементы и их составляющие со­

здаются в ИС через плоскость (поверхность).

Корnусирование как финальная операция изготовления ИС за­ ключаете.я в размещении ИС в корпусе с присоединением кон­ тактных площадок к выводам ИС.

Все интегральные схемы можно разделить на четыре типа: полупроводниковые, пленочные, гибридные и совмещенные.

Внастоящее время различают следующие полупроводниковые ИС: биполярные, МДП (МОП - металл-окисел-полупровод­ ник) и БИМОП. В БИМОП интегральных схемах комбинируют­ ся биполярные и МОП ИС.

Вполупроводниковой ИС все элементы изготавливаются в

приповерхностном слое полупроводниковой подложки.

Впленочных ИС элементы формируются в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подлож­ ки. Различают тонкопленочные ИС (толщина пленок..;;; 1... 2 мкм)

итолстолленочные ИС (толщина пленок ;;;.10 ... 20 мкм).

Вгибридных ИС комбинируются пленочные пассивные эле­

менты и дискретные активные элементы (транзисторы, диоды),

смонтированные на одной общей диэлектрической подложке.

В совмещенных ИС активные элементы изготовлены в полупро-

водниковом кристалле, а пассивные нанесены в виде пленок на

поверхн.ость кристалла, которая предварительно изолирована.

Характерной особенностью полупроводниковых ИС являет­ ся отсутствие катушек индуктивности и трансформаторов. Кро­ ме того, элементы биполярной ИС необходимо изолировать друг от друга, чтобы исключить их взаимодействие. Размеры крис­

таллов полупроводниковых ИС достигают 20 х 20 мм. Функциональная сложность ИС характеризуется степенью

интеграции, которая определяется количеством элементов (N) на

кристалле. По степени интеграции различают следующие виды

ИС:

N < 100 - интегральная схема;

100 < N < 1000 - ИС средней степени интеграции (СИС);

1000 < N < 105 - большая ИС (БИС);

N > 105 - сверхбольшая ИС (СБИС).

Другим· показателем сложности ИС является плотность упа­

ковки - количество элементов на единицу площади кристал­

ла. Этот показатель в настоящее время приблизительно равен

1000 элементов на мм2 •

Подчеркнем особенности ИС как нового типа электронных приборов.

Подобно дискретным приборам ИС представляет собой еди­

ную конструкцию, выполняет определенную функцию, удов­

летворяет определенным требованиям при испытаниях и экс­ плуатации, поэтому ИС является специфическим типом элек­

тронных приборов.

Главной особенностью ИС как электронного прибора является

самостоятельное выполнение законченных сложных функций в

отличие от других электронных приборов (транзисторов, диодов,

электронных ламп, за исключением электровакуумных прибо­

ров СВЧ-диапазона и т. д.), требующих наличия многих разно­ родных компонентов для выполнения аналогичных функций.

ВИС повышение функциональной сложности не ухудшает, а часто улучшает основные эксплуатационные показатели (надеж­ ность, стоимость, срок службы и т. д.). Количество технологиче­ ских операций по изготовлению ИС не сильно превышает число

операций при изготовлении отдельного транзистора, поэтому

стоимость одного элемента ИС в сотни и тысячи раз меньше по сравнению со стоимостью дискретного компонента. Помимо это­

го, повышение надежности достигается отсутствием в ИС паяных

и сварных соединений, присущих дискретным приборам.

Еще одной характерной особенностью ИС является предпоч­

тительное использование, в отличие от дискретной техники, ак­ тивных элементов, а не пассивных. ВИС задается не стоимость

элемента, а схемы в целом, поэтому на кристалле размещается

по возможности как можно большее число элементов с мини­ мальной площадью. В ИС транзисторы и диоды имеют мень­

шую площадь по сравнению с пассивными элементами.

Поскольку в ИС отдельные элементы располагаются на очень малом расстоянии друг от друга (доли или единицы мкм), то раз­ личие электрофизических характеристик материала крайне не­ значительно, что определяет малый разброс параметров у смеж­ ных элементов, т. е. их параметры взаимосвязаны. Эта взаимо­

связь не наруmается при изменении температуры, что повышает

температурную стабильность ИС.

7 .2. Электрическая изоляция элементов полупроводниковых ИС

Монолитная интегральная схема представляет собой неболь­

шой кристалл полупроводника, чаще всего кремния, на кото­

ром размещается множество транзисторов и других элементов,

которые необходимо изолировать друг от друга. Наиболее рас­

пространенной является изоляция р-п-переходами. Пример такой изоляции представлен на рис. 7.1, где показана структу­

ра п+-р-п+-транзистора в составе ИС, изолированного от со­

седних элементов р-п-переходом. Транзистор п-р-п-типа со­ здан в эпитаксиальном п-слое, который, в свою очередь, сфор­

мирован на подложке р-кремния. Особенности такого п+-р­

п+-транзистора со скрытым п+-слоем будут описаны в следую­ щем параграфе. Изолирующий р-п-переход создается путем

диффузии акцепторов на глубину эпитаксиального слоя. В ре­

зультате весь эпитаксиальный слой разбивается на отдельные п-области, изолированные посредством р-областей. Для надеж­

ной изоляции необходимо, чтобыр-п-переход между диффузи­ онным р-слоем и п-эпитаксиальным слоем был смещен в обрат­ ном направлении. Однако эта изоляция не идеальна, так как

между изолированными п-областя:ми ир-подложкой существует

ток утечки ~ 1 нА/мм2 (при Т = 300 К) и паразитная барьерн:ая

емкость изолирующего р-п-перехода. Эта емкость (Сбар) зависит от уровней легирования: соответствующих областей и от напря-

Весьма эффективный способ повышения плотности упаков­

ки ИС состоит в том, чтобы взамен разделительной р+-диффу­

зии использовать коллекгорную изолирующую диффузию (рис. 7 .2).

В этом случае нар-подложке создается скрытый диффузионный

п+-слой, поверх которого осаждается тонкий (""' 2 мкм) слой р-типа. После этого проводится п+-диффузия, глубина которой выбирается таким образом, чтобы верхняя п+-область слилась с

нижней, образовавшейся в результате обратной диффузии при­

меси из подложки. Верхняя п+-область, контактирующая с выво­

дом коллектора, обеспечивает не только изоляцию транзистор­

ных структур, но и создает глубокую приконтактную область,

уменьшающую последовательное объемное сопротивление кол­

лектора, что улучшает параметры интегрального транзистора

(см. п. 7.3). Изоляция транзисторов друг от друга осуществляет­ ся с помощью обратносмещенных р-п-переходов, образованных диффузионной п+-областью и эпитаксиальным р-слоем. В такой

структуре разброс размеров ширины базы больше, чем в тран­

зисторах, изолированных с помощью двойной диффузии (см.

рис. 7.1). В результате разброс значений коэффициентов усиле­

ния по току больший и, как следствие, имеет место худшее со­ гласование характеристик транзисторов. :Кроме того, посколь­

ку п+-область контактирует с р-базой, снижается напряжение

пробоя коллектор-эмиттер.

Изоляция с помощью диэлекгрических слоев является хотя и бо­

лее трудоемкой, но более совершенной. Процесс формирования

диэлектрической изоляции включает нижеследующие техноло­

гические стадии. Сначала на подложке п-типа создается диффу­ зионный п+-слой, в котором формируется сетка пересекающих­

ся ячеек. При последующем анизотропном травлении образу­ ются У-образные канавки, стенки которых после термического

окисления покрываются оксидным слоем Si02 • Далее методом химического осаждения из газовой фазы на поверхность Si02

наносится толстый слой поликристаллического кремния. Слой

получается поликристаллическим из-за того, что кремний на­ носится на Si02 (двуокись кремния), а не на чистый кремний.

После этой операции кремниевые пластины монтируются на по­

лировальном круге поликристаллическим слоем вниз и по­

дложка п-типа осторожно сошлифовывается до вершиц V-образ­ ных канавок (рис. 7.3). В результате получается матрица участ­

ков монокристаллического кремния п-типа, изолированных от

поликристаллической кремниевой подложки и друг от друга.

Подложка из поликристаллического кремния обеспечивает ме­ ханическую прочность ИС.

Диэлектрическая изоляция имеет большие преимущества для высоковольтных и радиационно стойких ИС. Диэлектриче­

ская прочность Si02 составляет величину порядка 600 В/мкм. В ИС с изолирующимир-п-переходами напряжение пробоя не

превышает значений :::::: 50 В.

Под действием ионизирующего излучения в кремнии может

возникнуть большое количество избыточных свободных элект­

ронов и дырок, которые создают значительные приращения то­

ков утечкир-п-переходов, что сильно ухудшает параметры ИС. При использовании диэлектрической изоляции ИС более устой­ чивы к воздействию ионизирующего излучения из-за наличия оксидного слоя Si02 •

Разновидностью диэлектрической изоляции являются схемы

типа «кремний-на-сапфире• (КНС). Из-за различия параметров кристаллических решеток кремния и сапфира на границе их

раздела возникают значительные механические напряжения,

формирующие структурные дефекты, что снижает время жизни

неосновных носителей заряда в кремн:Ии. Это ограничивает при­

менение КИС-структур в биполярных схемах, но КНС с успехом

могут быть применены в МОП-схемах, например в конфигура­ циях КМОП/КНС, поскольку малые паразитные емкости повы­ шают быстродействие схем.

В настоящее время, помимо рассмотренных способов изоля­

ции, широко применяется изопланарная технология, являющаяся

комбинированным методом. В ее основе лежит локальное сквоз­

ное прокисление тонкого (2 ... 3 мкм) эпитаксиального слоя

кремния п-типа (рис. 7.4), который в результате оказывается

разделенным на отдельные карманы п-типа аналогично раздели­

тельной диффузии (см. рис. 7.1), но с тем отличием, что боковые

изолирующие слои являются не полупроводниковыми, а диэлект­

рическими.

Однако данные части карманов по-прежнему разделены

встречно включенными р-п-переходами. Заполненные окис­ лом области, отделяющие коллектор от эмиттера и базы, позво­

ляют снизить емкость коллектор-подложка и повысить напря­

жение пробоя изолирующего р-п-перехода. Главное преиму­

щество изопланарной технологии - повышение плотности

упаковки, которое достигается благодаря тому, что эмиттерные п-области и бцзовые р-области могут непосредственно контакти­

ровать с изолирующими участками окисла.

7.З. Особенности биполярных транзисторов ИС

В полупроводниковых ИС основными элементами являются

п-р-п-транзисторы. Технология других элементов приспосаб­

ливается к технологии изготовления п-р-п-транзисторов, что­

бы по возможности избежать дополнительных технологических операций.

Особенности биполярных транзисторов ИС рассмотрим на

примере транзистора, который изолирован от других элементов

ИС с помощью метода разделительной диффузии (см. рис. 7.1).

На рис. 7.5, а показано распределение концентрации примесей в различных областях интегрального транзистора в направле­ нии х от поверхности через эмиттер - базу - коллектор -

скрытый слой - подложку. На рис. 7.5, б представлено распре­

деление эффективной концентрации примеси N эФ = JNд - N al' ко­

торое является в основном неравномерным, особенно в области

базы, что приводит к формированию внутреннего электрического поля (см. гл. 4), т. е. биполярные транзисторы интегральных схем являются дрейфовыми. В соответствии с распределением