5.6 Диоды и транзисторы с барьером Шоттки

116

зующего контакт с полупроводником. Напряжение на диодах

Для ослабления сильного электрического поля у краев перехода металл-полупроводник, которое вызывает появление больших токов утечки и преждевременный обратный пробой, используют так называемую«расширенную» металлизацию. При этом частично происходит перекрытие слоя окисла кремния металлизацией. Металлический контакт, лежащий над окислом, вызывает при обратном смещении на диоде обеднение поверхностного слоя, находящегося под областью перекрытия. Это приводит к уменьшению напряженности электрического поля на периферии обедненной области и увеличивает напряжение пробоя. При конструировании диодов Шоттки с расширенной металлизацией следует учитывать, что ширина перекрытия не должна быть излишней, так как такое перекрытие увеличивает емкость диода и, следовательно, снижает его быстродействие. Другой метод, позволяющий снизить напряженность электрического поля у краев перехода металл-полупроводник, заключается в создании защитного кольца, формируемого под краями металлического электрода диффузией акцепторных примесей. При обратном смещении сформированного таким образом-n- перехода возникает область объемного заряда, смыкающаяся с областью объемного заряда диода Шоттки. Поскольку р-n- переход имеет достаточно высокое пробивное напряжение, то он не оказывает существенного влияния на работу диода Шоттки.

Особенности характеристик диодов Шоттки определяют области их применения в логических ИМС. С помощью этих диодов достигается увеличение быстродействия схемы за счет уменьшения времени переключения ее активных элементов и уменьшения перепада уровней напряжений в узлах схем, подключенных к большой емкостной нагрузке.

Транзисторы с барьером Шоттки. Быстродействие ключе-

вого биполярного транзистора в значительной степени определяется длительностью процесса рассасывания заряда неосновных носителей, накопленных в базе и коллекторе при работе транзистора в режиме насыщения, когда коллекторный переход

117

смещен в прямом направлении. Шунтирование коллекторного перехода диодом Шотки позволяет сильно ослабить инжекцию неосновных носителей открытым переходом, так как диод Шотки ограничивает напряжение открытого коллекторногоp-n- перехода на уровне 0,35...0,45 В. Накопление заряда неосновных носителей происходит только в области базы в результате -ин жекции эмиттерного перехода. Применение диода Шоттки позволяет приблизительно в Вст раз уменьшить время рассасывания заряда неосновных носителей.

Рассмотрим конструкцию интегрального транзистора с диодом Шоттки (рис. 5.17). Транзистор содержит металлический электрод, перекрывающий коллекторный р-n-переход и образующий барьер Шоттки с коллекторной областью и омический контакт с областью базы. Для надежной фиксации потенциала открытого коллекторного р-n-перехода действительная ВАХ диода Шоттки должна приближаться к ВАХ идеального барьера. Это обеспечивается качеством технологического процесса и малым сопротивлением объема полупроводникового материала rДШ

в области контакта металл-полупроводник. Падение напряжения на сопротивлении rДШ, последовательно соединенном с барьером

Рис. 5.17 - Конструкция эпитаксиально-планарного транзистора с диодом Шоттки: а – структура; б – принципиальная схема

Шоттки, спрямляет ВАХ диода. Для уменьшения rДШ скрытый n+-слой должен охватывать область расположения контакта ме- талл-полупроводник.

Уменьшению rДШ способствует также снижение удельного сопротивления материала коллектора rVк и увеличение площади металлического контакта диода ШотткиSДШ. Однако величина rVк ограничена снизу условием образования барьера Шоттки и

118

напряжением пробоя коллекторного перехода. Барьер Шоттки формируется при rVк ³0,1 Ом×см (Nдк£1017см–3). Для уменьшения емкости диода ШотткиСДШ желательно увеличиватьrVк и уменьшать SДШ. С увеличениемrVк также уменьшается емкость коллекторного перехода Ск. Таким образом, требования к rVк и SДШ исходя из условия обеспечения достаточно малыхrДШ, СДШ и Ск противоречивы. Оптимизацией конструкции можно подобрать оптимальные значения rVк и SДШ, при которых обеспечиваются минимальная емкость Ск и необходимая ВАХ диода Шоттки.

5.7 Методы изоляции элементов ИМС

изоляции элементов ИМС друг от друга. Выбор метода изоляции во многом определяет технологию производства микросхем. Наиболее широко используются следующие три способа изоляции элементов: обратно смещенным p-n-переходом, диэлектриком и путем комбинации обратно смещенногоp-n-перехода с диэлектрической изоляцией.

Изоляция элементов ИМС обратно смещеннымp-n- переходом.

Для этого способа изоляции характерны следующие разновидности:

а) диодная изоляция (обратно смещенным p-n-переходом, созданным методом разделительной диффузии);

б) коллекторная изолирующая диффузия (КИД); в) базовая изолирующая диффузия (БИД); г) метод трех фотошаблонов;

д) метод самоизоляции n-областью (метод двойной диффузии).

Диодная изоляция. Достоинство этого наиболее распространенного способа изоляции, иллюстрируемого рис. 5.18, заключается в простоте и сравнительно малой стоимости изготовления ИМС. Однако этот способ изоляции имеет ряд недостатков.

119

Самый большой недостаток структур с диодной изоляцией обусловлен наличием паразитных емкостей, ограничивающих быстродействие ИМС. Кроме того, при использовании такой изоляции большая часть площади кристалла занята изолирующими диффузионными областями. Это объясняется тем, что при проведении изолирующей диффузии примеси p-типа проникают в боковом направлении на расстояние, равное толщине эпитаксиального слоя, которая при стандартном методе диодной изоляции составляет 7…10 мкм. Дальнейшее повышение плотности элементов и уменьшение паразитных емкостей было достигнуто с появлением возможности наращивания эпитаксиальных слоев толщиной 1…3 мкм.

Коллекторная изолирующая диффузия. Этот способ основан на использовании кремниевых эпитаксиальных структур со скрытыми слоями. Однако тонкий эпитаксиальный слой(толщиной 1…2 мкм) имеет проводимость p-типа, а не n-типа, как в случае создания ИМС с диодной изоляцией. Для изоляции элементов ИМС (рис. 5.19) проводят селективную диффузию до-

120

норной примеси через эпитаксиальный p-слой так, чтобы по периферии образовался контакт со скрытым слоем. Полученная диффузионная n+-область полностью окружает каждый участок скрытого слоя и является контактом к коллекторной области. Затем проводится диффузия акцепторной примеси для создания тонкого p-слоя по всей поверхности пластины. Такая диффузия улучшает качество транзистора, и для ее проведения не требуется использование фотошаблона. Далее последовательно проводятся следующие операции: диффузия донорной примеси для формирования эмиттерных областей, травление контактных окон и создание алюминиевой металлизации. Эти операции проводятся так же, как и при изготовлении транзисторных структур с диодной изоляцией.

Коллекторная изолирующая диффузия позволяет сократить площадь элементов в 3-4 раза по сравнению со стандартным методом диодной изоляции.

С помощью КИД достаточно легко выполняются диффузионные перемычки, так как в этом случае не требуется изолирующая область. Кроме того, площадь, занимаемая диффузионной перемычкой, составляет лишь четверть площади, необходимой для создания такой же перемычки при диодном методе изоляции.

Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером и сопротивление насыщения получаемого при этом транзистора, представляющие собой важнейшие параметры переключения, значительно ниже соответствующих параметров транзистора с диодной изоляцией. При использовании КИД количество фотолитографических операций уменьшается на одну по сравнению с технологией изготовления ИМС с диодной изоляцией. Это по-