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

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

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 1017см−3 может сформироваться высокоомный базовый контакт или даже выпрямляющий переход из-за сегрегации бора, происходящей при раз-

45