84

6. Материал подложки должен иметь высокую теплопроводность для обеспечения отвода тепла от элементов микросхем.

Для подложек типа КНД этим требованиям удовлетворяют сапфир и шпинель. Пример маркировки таких подложек:

10 КДБ 0,5 , КНС 60 С 250

где КНС – кремний на сапфире, числитель – эпитаксиальный

слой кремния р-типа проводимости толщиной10 мкм и ρ=0,5

v

Ом×см, легирован бором; подложка из сапфира (в знаменателе буква «С») диаметром 60 мм и толщиной 250 мкм.

Для подложек типа КВД используют специальное ситалловое стекло марки С-40-2, в состав которого входят оксиды SiO2, TiO, А12О3, SiO и MgO; керамический цемент, представляющий собой смесь оксидов А12О3, SiO2 и метасиликата натрия; стеклокерамическая смесь, включающая 60% стекла и 40% кордиерита

(2MgO´2Al2O3´2SiO2) или муллита (3Al2O3´2SiO2).

Подложки КВД могут также представлять собой пластины из поликристаллического кремния, содержащего области монокристаллического кремния с электропроводностьюn- или р- типа, изолированные от поликристаллического кремния слоем диоксида кремния и размещенные по заданной топологии. Такие структуры производят двух видов: с высоколегированным скрытым слоем с электропроводностью n- или р-типа и без скрытого слоя. Скрытые слои n+- или р-типа получают методом диффузии или эпитаксии.

Кроме того, применяются структуры, состоящие из подложки из поликристаллического кремния, в которой по заданной

топологии размещены области монокристаллического кремния n+-типа.

5.2 Конструирование и выбор структуры интегральных транзисторов

Процесс проектирования планарных транзисторов состоит из следующих этапов: для данной серии ИМС или нескольких серий, исходя из быстродействия, потребляемой мощности, необходимой степени интеграции, задают электрические парамет-

85

ры транзисторов как базовых элементов ИМС; выбирают технологию производства ИМС, параметры материала подложки и эпитаксиального слоя, приближенно оценивают основные размеры конструкции транзисторов в плане и в сечении, проводят расчет электрических параметров транзисторов и, если они существенно отличаются от заданных, путем ступенчатого изменения конструктивных размеров и последующих расчетов подбирают геометрию всех областей транзисторной структуры, не выходя за рамки технологических ограничений. Затем осуществляют экспериментальную проверку проведенной работы: разрабатывают комплект фотошаблонов, выпускают опытные партии транзисторных структур и измеряют их характеристики. Если параметры транзисторов отличаются от заданных, то методом

последовательных приближений путем изменения размеров транзисторных областей и их характеристик, корректировки режимов технологических процессов добиваются необходимого соответствия параметров.

Расчет транзисторов сложен и трудоемок. Поэтому часто этап расчета конструкции транзисторов опускают, акцентируя внимание на экспериментальном этапе. При этом на предприятии, выпускающем ИМС, формируют банк интегральных транзисторов с широким спектром характеристик. При таком подходе задача конструктора ИМС состоит в подборе конкретных типов интегральных транзисторов для данной ИМС в соответствии с ее электрической схемой.

Сначала выбирают физическую структуру различных - об ластей транзистора. Удельное сопротивление подложки должно быть большим (1…10 Ом×см), что обеспечивает высокое напря-

(эпитаксиального слоя) необходимо выполнить ряд противоречивых требований: для получения малого последовательного сопротивления коллектора уровень его легирования должен быть высокий, а для получения малой емкости и высокого -на пряжения пробоя перехода база-коллектор – низкий.

Обычно удельное сопротивление эпитаксиального слоя вы-

86

бирают равным 0,1…0,5 Ом×см, а толщину – в пределах 2…15 мкм. Использование тонких эпитаксиальных слоев(до 3 мкм) позволяет уменьшить паразитные емкости и увеличить плотность размещения элементов. В структурах со скрытым n+-слоем и подлегированием области коллекторного контакта последовательное сопротивление коллектора составляет 10…50 Ом.

При выборе уровней легирования базовой и эмиттерной областей необходимо также учитывать несколько противоречивых требований. Так, для уменьшения паразитного сопротивления между активной областью базы и контактом к базе следует увеличивать уровень легирования базы. Однако это приводит к снижению эффективности эмиттера и уменьшению напряжения пробоя перехода база-эмиттер. Кроме того, поверхностная концентрация примеси в базовом слое не должна быть меньше 5×1016 см–3, так как на поверхности этого слоя возможно образование инверсного проводящего канала n-типа, индуцированного встроенным зарядом в окисле. Высокий уровень легирования эмиттера необходим для получения большого коэффициента инжекции. Однако при уровнях легирования эмиттерной области, достигающих предела растворимости примеси в кремнии, в кристаллической решетке образуются точечные и линейные дефекты, которые значительно уменьшают время жизни носителей заряда, что, в свою очередь, приводит к уменьшению коэффициента инжекции.

Частотные характеристики транзисторов зависят в основном от паразитных емкостей переходов и последовательных сопротивлений его областей. Влияние паразитных параметров уменьшают конструктивно за счет максимально возможного уменьшения геометрических размеров транзистора.

После выбора физической структуры выбирают конфигурацию транзистора. Поскольку характеристики в значительной степени зависят от размеров различных областей транзистора, нужно учитывать, что периметр эмиттера определяет токовые характеристики транзистора, площадь эмиттера – частотные характеристики, площадь базы – емкость перехода база-коллектор и распределенное сопротивление базы, площадь коллектора – емкость перехода коллектор-подложка и последовательное -со

деле возможностей технологии, хотя это может привести к снижению выхода годных изделий. Обычно анализируют несколько типовых конфигураций транзисторов. Взаимное расположение контактов к различным областям транзисторной структуры выбирают в зависимости от конкретного топологического - ри сунка микросхемы и удобства расположения выводов.

Транзистор n-p-n-типа является основным схемным элементом полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор p-n-p- типа, а технология его изготовления более проста. Остальные элементы ИМС выбирают и конструируют таким образом, чтобы они совмещались со структурой транзистора n-p-n-типа. Их изготовляют одновременно с n-p-n-транзистором на основе какой- либо из его областей.

Наиболее широкое распространение получила транзисторная структура типа n+-p-n – со скрытым подколлекторнымn+- слоем (рис. 5.3, а). Этот слой обеспечивает низкоомный путь току

от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту без снижения пробивного напряжения перехода коллектор – база.

2 – разделительная диффузия; 3 – пленка диэлектрика; 4, 5, 6 – диффузионные области; 7 - эпитаксиальный слой; 8 – скрытый слой

88

Транзисторы типа p-n-p

Интегральные транзисторы типа p-n-p существенно уступают транзисторам типа n-p-n по коэффициенту усиления и предельной частоте. Для их изготовления используют стандартную технологию, оптимизированную для формирования транзистора типа n+-p-n. Естественно, что получение транзисторов типа p-n-p с близкими к теоретическим пределам параметрами в этом случае невозможно.

Вертикальные транзисторы p-n-p-типа

Для изготовления p-n-p-транзистора можно использовать структуру, показанную на рис. 5.3, б. В этом случае необходимо проводить более глубокую диффузию для формированияp-слоя

и вводить дополнительную операцию диффузии для создания p++-слоя, причем для получения p++-слоя требуется акцепторная примесь, у которой предельная растворимость больше, чем у донорной примеси вn+-слое. Фактически перед проведением диффузии акцепторов приходится стравливать наиболее легированную часть n+-слоя, т.е. вводить еще одну дополнительную операцию.

Горизонтальные транзисторы p-n-p-типа

В настоящее время эти транзисторы используют в ИМС наиболее часто (рис. 5.3, в). Их изготовляют одновременно с транзисторами n+-p-n-типа по обычной технологии. Эмиттерный и коллекторный слои получают на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с

подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей заряда в таком транзисторе происходит в горизонтальном направлении. Дырки, инжектированные из боковых частей эмиттера в базу, диффундируют к коллекторной области. Перенос наиболее эффективен в приповерхностной области, так как здесь расстояние w между коллектором

и эмиттером минимально и, кроме того, наиболее высокая концентрация примеси в p-слоях. Ширину базы w удается выполнить равной 3…4 мкм (мешает боковая диффузия под маску), в

89

результате чего коэффициент усиления оказывается меньше50. Недостатком такого транзистора является также однородность распределения примеси в базе (транзистор бездрейфовый).

В некоторых случаях применяют конструкциюp-n-p транзистора, изображенную на рис. 5.3, г. В данном транзисторе используют в качестве коллектора материал исходной полупроводниковой пластины, базой служит эпитаксиальный слойn- типа, а эмиттер получают в процессе формирования базовых областей n-p-n-транзисторов. Такой транзистор может быть включен только по схеме с общим коллектором, так как его коллектор является подложкой микросхемы. Эта особенность, а также малый частотный диапазон(из-за большого значения емкости коллекторного перехода и значительного сопротивления базы) ограничивают область применения подобных приборов.

Обычно анализируют несколько типовых конфигураций транзисторов, представленных на рис. 5.4, где сплошными линиями обозначены границы диффузионных областей, а пунктирными - границы вскрытия окон в пленке двуокиси кремния для последующего формирования металлических контактов. Для микромощных схем наиболее пригодна полосковая конструкция транзистора (рис. 5.4, а, в).

Взаимное расположение контактов к различным областям транзисторной структуры выбирают в зависимости от конкретного топологического рисунка микросхемы и удобства расположения выводов транзистора. Если необходимо получить малое сопротивление коллектора, применяют транзисторы с увеличенной контактной областью к коллектору(рис. 5.4, б, г-е). Для получения малого сопротивления базы и высокого коэффициента

(25<Р<250 мВт) мощностей работают в режимах высоких плотностей эмиттерного тока (200…3000 А/см2). Поэтому в мощных схемах целесообразны узкие эмиттеры с большим периметром.

90

Рис. 5.4 - Банк данных о топологии интегральных биполярных транзисторов

Топологию мощного транзистора разрабатывают так, чтобы обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Это значительно увеличивает активную область транзистора и обеспечивает достаточно большой рабочий ток без увеличения размеров всей структуры. Эмиттерную область выполняют в виде гребенки с зубцами, расположенными по одну сторону от общей перемычки. Контакты эмиттера и базы располагаются рядом и чередуются. Возможны и другие варианты топологии эмиттерной

Рис.5.7 - Зависимость подвижности электронов (а) и дырок (б) от концентрации примеси в полупроводнике

3. Для расчета ширины объемного заряда на коллекторном и эмиттеном переходах предварительно вычисляют потенциал

(ni »1010 СМ -3 ).

Контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе jэ определяется аналогично jК.

4. Рассчитывают ширину области объемного заряда, распространяющуюся в сторону базы (DxКБ ) и в сторону коллекто-

93

ра (DxКК ) при максимальном смещении коллекторного перехода

UКБ max:

5. Выбирают ширину технологической базы, которая должна быть больше ширины слоя объемного заряда на коллектрном переходе DxКБ, так как последний будет иметь максимальную ширину при UКБ max:

wБо > DxКБ .

6. Ширину высокоомного коллектора wК под коллекторным переходом выбирают больше ширины слоя объемного заряда на коллекторном переходе, распространяющейся в сторону коллектора при максимальном обратном смещении: wК ³ DxКК . Полная

толщина коллекторного слоя dК=wК+xJК.

7. Определяют концентрацию акцепторов на эмиттерном переходе:

8. В результате высокой степени легирования эмиттера область объемного заряда на эмиттерном переходе в основном бу-

Ширина базы wБО была определена без учетаDxЭ и может оказаться заниженной; в свою очередь, величина Na(XJЭ) тоже может быть меньше действительной, а ширина объемного заряда DxЭ – больше. Однако превышение DxЭ незначительно и приведет только к тому, что технологическая ширина базы будет выбрана с некоторым запасом.

9. Корректируют технологическую базу:

смещении эмиттерного и обратном смещении коллекторного

13. Площадь эмиттера можно определить исходя из допустимой плотности тока эмиттера JЭкр, при которой коллекторный переход находится при нулевом смещении, когда транзистор еще не вошел в режим насыщения:

Размеры остальных областей транзистора, а также его общая площадь могут быть определены исходя из известных площади эмиттера Sэ, минимальной ширины контактов, минималь-

95