ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

20

2 4

Рисунок 2.1 — Варианты структур БПТ

изображенной на рисунке 2.1, б, присутствуют дополнительные границы 4, разделяющие коллекторы 1 БПТ один от другого и общего несущего основания 5. Границы 4 выполняют функцию изоляции для транзисторов и могут быть реализованы в виде p-n- перехода, неполярного диэлектрика или их сочетания. Как видно по рисунку 2.1, структура БПТ с изолированными областями коллекторов содержит не менее четырех слоев, включая несущее основание. Для исполнения изолированных диодов и резисторов требуется не более четырех слоев. Поэтому слои изолированных структур БПТ одновременно могут быть применены для исполнения на их основе и других сопутствующих радиоэлементов ИМС. Такое решение является основным в реализации ИМС с БПТ, так как позволяет исключить дополнительное увеличение числа слоев структуры, хотя и ограничивает выбор параметров слоев для радиоэлементов значениями, принятыми для такого прибора, как БПТ.

2.2 Состав радиоэлементов БПТ ИМС

В электрические схемы цифровых и аналоговых электронных устройств с БПТ входят следующие радиоэлементы:

– биполярные транзисторы, резисторы, диоды, конденсаторы, прочие радиоэлементы.

Электрические схемы, после определенной доработки, могут быть реализованы в микроэлектронном исполнении в виде микросхем. Доработка схем предполагает приведение параметров

21

образующих радиоэлементов и режимов их функционирования в область значений, допустимых для исполнения радиоэлементов в виде элементов кристаллов. Если для ряда радиоэлементов доработка схем не позволяет избежать значений параметров, несовместимых с исполнением на кристалле, то принимается решение об исполнении схемы в виде гибридной ИМС или переходе к узлам с печатным или объемным исполнением. Для принятия решений в процессе проектирования микроэлектронной аппаратуры

вподобных ситуациях необходимо знать и уметь учитывать ограничения на параметры радиоэлементов, выполненных по полупроводниковой или пленочной технологии.

Резисторы исполняются в эмиттерном, базовом или коллекторном слоях транзисторной структуры. Резисторы от других элементов схемы в кристалле изолируются p-n-переходом или, если слой коллекторный, изоляцией, принятой для изоляции коллекторов БПТ. Конструкция резистора представляет собой полосу в слое, от которой с двух сторон предусмотрены отводы.

Диоды широко применяются в аналоговых и цифровых устройствах в качестве функциональных элементов задания режима БПТ или выполнения функциональных преобразований цифровых и непрерывных сигналов. В диодах микроэлектронных конструкций могут использоваться от одного до трех p-n-переходов транзисторной структуры. Применяемость диодов, исполненных на одном p-n-переходе, ограничена, так как один из электродов диода должен быть совмещен с общим выводом ИМС, т.е. с несущим основанием (пластиной).

Конденсаторы в аналоговых устройствах, в отличие от цифровых, применяются достаточно широко. Проблемой применения конденсаторов в микроэлектронных конструкциях (в ИМС

вчастности) является ограниченный номинал емкости микроэлектронных конденсаторов. В полупроводниковых ИМС (ППИМС) в качестве конденсаторов используются барьерные емкости обратно смещенных p-n-переходов или емкости, образованные металлическими пленками и слоем полупроводниковой структуры, разделенных слоем диэлектрика.

Втаких конденсаторах конструктивно-технологические ограничения не допускают числа обкладок более двух, и поэтому достижимое значение емкости однозначно определяется площа-

22

дью перекрытия двух обкладок.. Площадь, отводимая в ППИМС под размещение одного конденсатора, не превышает целесообразные пределы (0,01–0,03) мм2. Величина удельной емкости конденсаторных структур в ППИМС составляет (50–200) пф/мм2. В проектировании электрических схем, особенно для цифровых ППИМС, стремятся избегать применения конденсаторов. Конденсаторы емкостью более (10–50) пф для ППИМС предпочтительно выносить за пределы кристаллов ИМС и использовать объемные компоненты в составе гибридных микросхем или иных конструкций с печатным монтажом.

Вопросам проектирования перечисленных радиоэлементов посвящены соответствующие подразделы пособия.

2.3 Материалы ИМС

2.3.1 Введение

В настоящее время известны и исследованы более ста полупроводниковых материалов, среди которых находятся элементарные неорганические (монокристаллические материалы кремний и германий, поликристаллический селен), сложные (многокомпонентные) неорганические кристаллические и поликристаллические (арсениды, фосфиды, антимониды галлия, индия, алюминия и др.), органические (молекулярные кристаллы, полимерные и т.п.), ферриты (сплавы окиси железа с окислами других металлов), стеклообразные аморфные вещества.

Полупроводниковые ИМС изготавливаются преимущественно на основе кремния, который выделяется в ряду множества материалов благодаря уникальному сочетанию ширины запре-

щенной зоны, отличных маскирующих свойств и стабильности технологичного окисла SiO2, больших природных запасов сырья.

Тем не менее монополия кремния, установившаяся с начала 60-х годов прошлого столетия в производстве ИМС нарушена арсенидом галлия (GaAs), на основе которого созданы сверхбыстродействующие БИС, функционирующие со временем переключения пикосекундного диапазона. Применение арсенида галлия в производстве ИМС длительное время сдерживалось несовершенст-

23

вом маскирующих литографических структур, применяемых при формировании топологических конфигураций элементов ИМС, и относительно высокой стоимостью материала. В современной микроэлектронике арсенид галлия, благодаря высокой подвижности электронов (в пять раз превышает этот параметр в кремнии), повышенному значению ширины запрещенной зоны (на 30 % превышает показатель для кремния) и технологическим достижениям в области избирательного формирования топологических рисунков слоев ИМС, получает все более широкое распространение у разработчиков сверхбыстродействующих микросхем, функционирующих при повышенных температурах и уровнях облучения.

Далее приводятся основные сведения по двум полупроводниковым материалам: кремнию и арсениду галлия.

2.3.2 Кристаллические материалы ИМС

Свойства кристаллических нелегированных полупроводников, применяемых в производстве ИМС, приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 — Параметры кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs)

25

Зависимость удельного объемного сопротивления монокристаллического кремния от концентрации примеси при 300 К приведена на рисунке 2.2.

Кремний в виде круглых пластин диаметром 100...120 мм (в перспективе 150...200 мм), толщиной 200...400 мкм. Шероховатость поверхности кремниевых пластин соответствует 14-му классу (Rz=0,05 мкм) для рабочей стороны и 12-му классу (Rz=0,2 мкм) для нерабочей стороны.

Промышленностью выпускается ряд марок монокристаллического кремния электронного (Э) и дырочного (Д) типов проводимости.

Обозначение марки кремния в слитках состоит из нескольких элементов: первый элемент обозначает метод получения слитка — буква Б указывает на бестигельную зонную плавку, отсутствие буквы определяет метод выращивания из расплава (метод Чохральского); второй элемент обозначает группу по диапазону удельных сопротивлений: группы 1А, 2А — 2Д соответствуют высокоомным маркам диапазона (1–2000) Ом см, группы 3А, 3Б соответствуют низкоомным маркам диапазона (5 10–3–1) Ом·см; третий элемент обозначает подгруппу (1–6) по номиналу удельного сопротивления, его разбросу по торцу и слитку, по плотности дислокаций; четвертый элемент определяет такие параметры качества, как диаметр слитка, диапазон диффузионных длин носителей заряда или времени их жизни и индексируется строчными буквами (а – е), м, н, (р – т), ф, ш; пятый элемент определяет материал, тип проводимости, легирующую примесь и состоит из трех букв, первая из которых для кремния есть К, вторая — буква, обозначающая тип проводимости, — Э или Д и третья — начальная буква легирующего элемента (А — алюминий, Б — бор, С — сурьма, М — мышьяк, Ф — фосфор, З — золото); шестой элемент — числовая дробь, числитель которой — удельное объемное сопротивление (Ом см), знаменатель — диффузионная длина неравновесных носителей заряда (мм). Для задания свойств материала обозначение часто ограничивают укороченной формой, представляя в ней только пятый и шестой члены обозначения.

Примеры обозначения:

1) КЭФ 4/0,1 — кремний электронного типа проводимости,

26

легированный фосфором с номиналом удельного сопротивления 4 Ом см, диффузионной длиной неравновесных носителей заряда

0,1 мм; 2) КДБ 10 — кремний дырочного типа проводимости, леги-

рованный бором с удельным сопротивлением 10 Ом см, диффузионная длина носителей заряда не регламентирована.

Полное обозначение монокристаллического кремния иллюстрируется примером: 1А 5 б КДБ 7,5/0,1 — 80. Обозначением определен кремниевый высокоомный слиток (группа 1А), с удельным сопротивлением диапазона (1–15) Ом см (подгруппа 5); допустимый диапазон разброса сопротивления ±20 % при плотности дислокаций не более 10 см–2 (индекс б); кремний дырочный легированный бором (КДБ); номинал удельного сопротивления 7,5 Ом см; диффузионная длина неравновесных носителей 0,1 мм; заказной диаметр слитка, выращенного по методу Чохральского, 80 мм.

На предприятия, выпускающие микросхемы, кремний поставляется в виде монокристаллов соответствующего диаметра

(100...200 мм) длиной 500...2000 мм.

Монокристалл кремния разрезают на пластины (подложки) толщиной 0,2...0,5 мм. Поверхность подложки чаще всего ориентирована вдоль кристаллографической плоскости {111}. Однако в ряде случаев целесообразно использовать кремниевые пластины с ориентировкой вдоль плоскостей {100} или {110}. По техническим условиям отклонение плоскости пластины от кристаллографических плоскостей не должно превышать 20 .

2.4 Изоляция элементов

Легированные полупроводниковые пластины, применяемые в производстве ИМС (кремний, арсенид галлия, германий), характеризуются сравнительно низким (1–20) Ом см удельным сопротивлением. Если не предусмотреть специальных мер, то между элементами ИМС образуются гальванические паразитные связи, нарушающие работу соответствующей схемы. Для исключения или существенного ослабления нежелательных гальванических связей между элементами в ИМС применяют изоляцию [1, 3, 4]:

27

–p-n-переходами;

–диэлектрическими слоями;

–сочетанием p-n-перехода с диэлектрическими слоями (комбинированная изоляция).

Изоляция p-n-переходами. Высокое сопротивление обратно смещенных p-n-переходов позволяет использовать их для изоляции элементов полупроводниковых ИС. Для этого в приповерхностном объеме кристалла с определенным типом проводимости соответствующими технологическими способами создаются «островки» определенных размеров с противоположным типом проводимости. «Островки» отделены от материала подложки изолирующими p-n-переходами. Обычно подложка находится под нулевым потенциалом, а на «островки» подается смещающее обратное напряжение относительно подложки. Изолированные «островки» называют карманами. В кармане формируется один или несколько БПТ с общей коллекторной областью, но «изолированных» от транзисторов, размещенных в других карманах структуры ИС. Иные элементы, исполняемые на основе слоев изолированных транзисторов, используют собственную изоляцию р-n-переходами от других элементов внутри кармана и общую изоляцию кармана для изоляции от групп элементов, размещенных в других карманах.

Ток гальванической связи областей, разделенных обратно смещенным p-n-переходом, оценивается уровнем (10–6–10–9) А и зависит от ширины запрещенной зоны материала кристалла ИМС, и дефектов, вносимых в процессе производства, и температуры кристалла.

Величина тока гальванической паразитной связи может многократно увеличиться на несущую пластину или смежный карман вследствие образования паразитных транзисторов или тиристоров между слоями структуры ИМС. Такие явления имеют место в изолированных p-n-переходом БПТ и некоторых вариантах структур диодов, выполненных на основе структуры БПТ. Для учета влияния паразитных структурных образований необходимо предвидеть последствия влияния или обеспечивать для них режим отсечки.

Емкостная паразитная связь между слоями определяется барь-

ерной емкостью изолирующего p-n-перехода, удельная величина которойна единицуплощади находится в пределах(50–200)пф/мм2.