Напівпровідникові імс

Напівпровідникові ІМС– це мікросхеми, у яких всі елементи виконані всередині (у приповерхньому шарі) і на поверхні напівпровідникової підложки, яка називається кристалом (являє собою пластинку кремнію товщиною 200-300 мкм, площа кристала зазвичай від 1,5х1,5 до 6x6 мм).

Переваги напівпровідникових ІМС: мають більш високе число елементів в одиниці об'єму та більшу надійність (найменшу інтенсивність відмов) в порівнянні з плівковими та гібридними ІМС.

Недоліки напівпровідникових ІМС:гірша якість пасивних елементів (резистори та конденсатори) і неможливість створення в напівпровіднику котушок індуктивності.

Методи ізоляції елементів ІМС. Оскільки всі елементи напівпровідникових ІМС робляться в єдиному напівпровідниковому кристалі, то важливо забезпечити ізоляцію елементів від кристала та один від одного. Для цього використовують декількаспособів ізоляції:

1. Ізоляція р-п-переходом.

Уцьому випадку в кристалі, наприклад із кремнію типу р, методом дифузії робляться області типу п, які називаються «кишенями». В «кишенях» потім формуються необхідні пасивні або активні елементи, а р-п-перехід між «кишенею» і кристалом у працюючої ІМС постійно перебуває під зворотною напругою. Для цього на кристал постійно подається негативний потенціал у декілька вольт. Кремнієвий р-п-перехід при зворотній напрузі має дуже високий опір (декілька МОм), що і виконує роль ізоляції.

2. Ізоляція діелектричним шаром.

Тут також є «кишені» для наступного формування в них потрібних елементів, але між «кишенею» і кремнієвим кристалом є тонкий діелектричний шар діоксида кремнію SiО₂. Створення цього шару значно ускладнює виготовлення мікросхеми і є досить дорогим, що обмежує частоту застосування такої ізоляції, незважаючи на те, що вона значно краще, ніж ізоляція р-п-переходом.

3. Ізоляція типу кремній на сапфірі.

На сапфіровій підложці, яка є гарним діелектриком, нарощується шар кремнію. Останній протравлюєтся до сапфіра так, що утворюються кремнієві «острівці». У цих «острівцях» методом дифузії формуються необхідні елементи, які виявляються ізольованими друг від друга знизу сапфіром, а з боків – повітрям. Недоліком цього методу є те, що мікросхема має рельєфну поверхню, а це ускладнює виконання металевих з'єднань між елементами.

4. Комбінована ізоляція, виконана по ізопланарній технології.

Уцьому випадку бічні сторони «кишень» ізольовані діелектричним шаром діоксида кремнію, а нижня сторона ізольована від підложки р-п-переходом, який знаходиться під зворотною напругою.

Біполярні транзистори виконують по планарній (р-п-переходи утворюють дифузією домішок крізь отвір у захисному шарі, нанесеному на поверхню напівпровідника. При цьому виводи від всіх областей розташовуються в одній площині. Назва «планарний» походить від англійського слова planar - плоский. Для виготовлення цих транзисторів особливо зручно застосовувати кремній, тому що оксидна плівка на його поверхні може служити гарним захисним шаром. Вихідна пластинка кремнію із плівкою оксиду утворить колекторну область. В тому місці, де повинна бути базова область, оксидна плівка знімається травленням і створюється методом дифузії базовий шар. Потім всю поверхню знову окисляють і повторюють процес травлення та дифузії для створення емітерної області, що розташовується всередині базової частини. Після цього через маску наносяться виводи у вигляді металевих шарів. Планарні транзистори мають гарні якості і одержали велике поширення. Вони зручні у виробництві і можуть бути виготовлені на різні потужності з високими граничними частотами)

або планарно-епітаксиальній технології (планарно-епітаксиалъні транзистори є подальшим розвитком планарных транзисторів. У звичайних планарных транзисторів великий опір колекторної області, що невигідно. Цей недолік усувається, коли в епітаксиальних транзисторах між базою і низькоомним колектором вводиться шар з більш високим опором. При виготовленні таких транзисторів колекторна пластинка напівпровідника, наприклад, з електронною електропровідністю має малий питомий опір. На неї нарощується плівка такого ж напівпровідника, але з високим опором, а потім планарним методом створюються області бази і емітера.

Процес одержання на напівпровідниковій пластині шару, що зберігає структуру пластини, але має іншу питому провідність, називають епітаксиальним нарощуванням. Отримана структура, яку позначають п⁺– п, входить до складу колектора. Знак «+» вказує на область із більш високою концентрацією домішки, тобто з більш високою питомою провідністю).

Методом дифузії в кристалі створюються області колектора, бази та емітера.

Структура транзистора заглиблюється в кристал не більше ніж на 15 мкм, а лінійні розміри транзистора на поверхні не перевищують декількох десятків мкм.

Як правило, виготовляють транзистори типу п-р-п. Внутрішній (прихований) шар з підвищеною концентрацією домішок п⁺у колекторі служить для зменшення опору і, відповідно, втрат потужності в області колектора. Але у колекторного перехода область колектора повинна мати знижену концентрацію домішок, щоб перехід мав більшу товщину. Тоді ємність у нього буде менше, а напруга пробою вище. Область емітера також часто роблять типу п⁺для зменшення опору та збільшення інжекції. Зверху на транзисторі створюється захисний шар оксиду SiО₂. Від областей колектора і бази роблять по два виводи, для того щоб можна було з'єднати даний транзистор із сусідніми елементами без перетинів сполучних ліній.

Такі перетини досить небажані, тому що вони значно ускладнюють виробництво. Дійсно, у місці перетину необхідно на нижню сполучну лінію нанести діелектричну плівку, а поверх неї нанести верхню сполучну лінію, тобто треба зробити дві зайві технологічні операції. Крім того, місце перетину завжди становить небезпеку відносно пробою від випадкових перенапруг.

Типові параметри біполярних транзисторів напівпровідникових ІМСтакі: коефіцієнт підсилення струму бази 200, гранична частота до 500 МГц, ємність колектора до 0,5 пФ, пробивна напруга для колекторного переходу до 50 В, для емітерного до 8 В. Питомий опір п- і р-шарів становить кілька сотень, а п⁺-шарів – не більше 20 Ом/.

Необхідно звернути увагу на те, що в напівпровідникових ІМС завжди утворюються деякі паразитні елементи. Наприклад, з рис. видно, що поряд із транзистором типу п-р-п, створеним у кристалі типу р, існує паразитний транзистор р-п-р, що утворюється кристалом, областю колектора і областю бази транзистора. А транзистор п-р-п разом із кристалом утворить паразитний тиристор п-р-п-р. Для врахування паразитних елементів будують еквівалентну схему транзистора.

Приклад еквівалентної схеми: тут у основного транзистора Т₁типу п - р - п колектор має ємність Ск-п відносно підложки П, а область бази і колектора основного транзистора разом з підложкою утворюють паразитний транзистор Т₂типу р-п-р. Між областю колектора і її виводом показаний так званий об'ємний опір колектора г_ко, що може становити десятки ом.

Діоди (транзистори в діодному включенні).Раніше діоди ІМС виконувалися у вигляді структури із двох областей з різним типом електропровідності, тобто у вигляді звичайного р-п-перехода. Потім в якості діодів стали застосовувати біполярні транзистори в діодному включенні. Це виявилося набагато зручніше з точки зору виробництва. Можливі п'ять варіантів діодного включення транзистора.

У варіанті БК-Е замкнуті накоротко база і колектор. У такого діода час відновлення, тобто час перемикання з відкритого стану в закрите, найменше – одиниці нс.

У варіанті Б-Е використовується тільки емітерний перехід. Час перемикання в цьому випадку в кілька разів більше. Обидва розглянуті варіанти мають мінімальну ємність (десяті частки пікофарад), мінімальний зворотний струм (0,5-1,0 нА) і мінімальну пробивну напругу.

Варіант БЕ-К, у якому закорочені база і емітер, і варіант Б-К (з використанням одного колекторного переходу) за часом перемикання і ємності приблизно рівноцінні варіанту Б-Е, але мають більше високу пробивну напругу (40-50 В) і більший зворотний струм (15-30 нА).

Варіант Б-ЕК з паралельним з'єднанням обох переходів має найбільший час перемикання (100 нс), найбільший зворотний струм (до 40 нА), трохи більшу ємність і таку ж малу пробивну напругу, як і у перших двох варіантах.

Найчастіше використовуються варіанти БК-Е і Б-Е.

Деякі з розглянутих варіантів діодів іноді застосовують як стабілітрони. Для стабільної напруги 5-10 В використовують варіант Б-Е при зворотній напрузі в режимі електричного пробою. Стабільні напруги, кратні прямій напрузі 0,7 В, отримують при послідовному з'єднанні діодів БК-Е, які працюють при прямій напрузі. Температурний коефіцієнт напруги (ТКН) у таких стабілітронах становить одиниці мВ/К.

Польові транзистори з п-р-переходомможуть бути виготовлені разом з біполярними на одному кристалі. На рис. (а) показана структура планарного польового транзистора з n-каналом. В «кишені» n-типу створені області (п⁺-типу) стоку і витоку, а також область (р-типа) затвора. Сток розташований у центрі, затвор навколо нього. Для зменшення початкової товщини каналу іноді всередині роблять прихований шар р⁺, але це пов'язане з ускладненням технологічних процесів. Інший варіант польового транзистора – з каналом р-типа – зображений на рис. (б). Його структура співпадає зі структурою звичайного п-р-п тран-зистора. Як канал використовується шар бази.

МОН-транзистори.Найпростіше виготовляються МОН-транзистори з індукованим каналом. Для них у кристалі р-типу треба лише створити методом дифузії області п⁺витоку і стоку (див. рис. а). На переходах між цими областями і підложкою підтримується зворотна напруга, і таким чином здійснюється ізоляція транзисторів від кристала і один від одного. Аналогічно виконується ізоляція каналу від кристала.

Трохи складніше виготовлення на підложці типу р МОН-транзистора з каналом р-типу, тому що для подібного транзистора необхідно спочатку зробити «кишеню» n-типу (рис. б). У деяких ІМС знаходять застосування пари МОН-транзисторів з каналами п- і р-типу. Такі пари називають комплементарними транзисторами (КМОН або КМДН). Комплементарні транзистори застосовуються в ключових (цифрових) схемах і характеризуються дуже малим споживанням струму і високою швидкодією. Зустрічаються також ІМС, у яких на одному загальному кристалі виготовлені біполярні і МОН-транзистори.

Резистори.У напівпровідникових ІМС використовуються:

1. Дифузійні резистори;

2. Резистори, виготовлені методом іонної імплантації;

3. МОН-резистори;

4. Пінч-резистори (канальні, стиснуті, закриті).

Дифузійні резистори– створені всередині кристала області з тим або іншим типом електропровідності.

Опір дифузійного резистора залежить від довжини, ширини і товщини області, що виконує роль резистора, а також від питомого опору, тобто від концентрації домішок. Резистор типу р (рис. а) робиться одночасно з базами транзисторів. У цьому випадку питомий опір складе сотні Ом/ і можуть бути отримані номінали до десятків кОм. Якщо необхідні відносно малі опори (одиниці-десятки Ом), то резистори виготовляють одночасно з емітерними областями типу п (рис. б) транзисторів. Температурний коефіцієнт дифузійних напівпровідникових резисторів десятих часток %/К. Допуск (відхилення від номіналу) становить ±(15-20)%, а іноді і більше.

Резистори, виготовлені методом іонної імплантаціїмають питомий опір до 20 кОм/, а номінали досягають сотень кОм з допуском ±(5-10)%.

Метод іонної імплантації полягає в тому, що відповідне місце кристала піддається бомбардуванню іонами домішки, які проникають у кристал на глибину 0,2 - 0,3 мкм.

МОН-резистори виготовляються одночасно з МОН-транзисторами. В якості резистора використовується канал МОН-структури. Підбором напруги затвора можна встановити потрібний опір резистора.

Аналогічні МОН-резисторам так звані пінч-резистори, що мають структуру польового транзистора з п - р-переходом. Резистором служить канал, а потрібний опір підбирається напругою затвора.

Конденсатори.В напівпровідникових ІМС використовують:

1. Дифузійні конденсатори;

2. МОН-конденсатори;

В дифузійному конденсаторівикористовується бар'єрна ємністьp-n-перехода. Ємність такого конденсатора залежить від площі переходу, діелектричної проникності напівпровідника і товщини переходу, яка, в свою чергу, залежить від концентрації домішок.

Якщо конденсатор виготовляють одночасно з емітерним переходом транзистора, отримують питому ємність приблизно 1000 пФ/мм², ємність – до 1500 пФ із допуском ±20%. Температурний коефіцієнт ємності (ТКЕ) становить приблизно -10³К^-1, пробивна напруга не перевищує 10 В.

Якщо конденсатор виготовляють одночасно з колекторними переходами, питома ємність буде менше, приблизно 150 пФ/мм², ємність не більше 500 пФ із допуском ±20%. Пробивна напруга в них до 50 В, ТКН дорівнює -10³К^-1.

Дифузійні конденсатори працюють тільки при зворотній напрузі, яка повинна бути постійною для одержання постійної ємності. Оскільки бар'єрна ємність нелінійна, то дифузійний конденсатор може працювати як конденсатор змінної ємності. Ємність при цьому регулюється електрично – шляхом зміни постійної напруги на конденсаторі. Змінюючи зворотну напругу в межах 1-10 В, можна змінювати ємність в 2,0-2,5 рази.

На рис. 9.22 показаний МОН-конденсатор, застосовуваний у напівпровідникових ИС, особливо в таких, які працюють на МОН-транзисторах. Однією обкладкою служить дифузійний шар кремнію типу п + , на якому створюється тонкий шар діелектрика Si2. Поверх цього шару наноситься металева (алюмінієва) плівка, що грає роль другої обкладки. Питома ємність таких конденсаторів до 400 пф/мм2, номінали бувають до 500 пф із допуском + 25 %. Пробивна напруга може бути до 20 У. Перевага МОН-конденсаторов - порівняно низький ТКЕ, більш висока добротність (до 250) і можливість роботи при будь-якій полярності напруги. Нелінійність ємності, тобто залежність її від напруги, у МОН-конденсаторов значно менше, ніж у дифузійних конденсаторів.

На рис. 9.23 зображена еквівалентна схема дифузійного конденсатора, структура якого зображена на рис. 9.21. Крім основної ємності показана ємність щодо підкладки Сп і діоди Д1 і Д2, що перебувають під зворотною напругою й відповідають двом p-n-переходам. На рис. 9.24 зображена в розрізі частина напівпровідникової ІС, що відповідає схемі на мал. 9.4, тобто, що складається з дифузійного конденсатора, транзистора й резистора.

Індуктивність.Котушки індуктивності в напівпровідникових ІМС зробити неможливо. Тому зазвичай проектуються такі ІМС, у яких не потрібна індуктивність.

Резервування (дублювання).Як уже було зазначено, напівпровідникові

Рис. 9.26. Принцип дублювання діода

ІС мають досить високу надійність. Однак у деяких випадках її необхідно ще підвищити. Один з методів підвищення надійності - резервування (дублювання) елементів. Пояснимо цей принцип на прикладі діода. На рис. 9.26 показана схема включення чотирьох діодів замість одного, причому діоди з'єднані один з одним послідовно й паралельно. Відмова діода може бути, як правило, наслідком або пробою (короткого замикання), або розриву кола. Нехай кожен діод має прямий опір 10 Ом і зворотне 1 Мом. Якщо, наприклад, пробитий діод 1 і його опір приблизно можна вважати рівним нулю, то будуть працювати діоди 2 й 4, які створять прямий опір 5 Ом і зворотне 0,5 МОм. А якщо в діоді 1 відбудеться порушення контакту (обрив), то залишаться працювати діоди 2, 3 й 4. Вони дадуть прямий опір 15 Ом і зворотній 1,5 МОм.

Аналогічна ситуація буде при відмові будь-якого іншого діода. Імовірність відмови одночасно двох діодів, що приводить до відмови всієї четвірки, мізерно мала. Таким чином, підвищення надійності за принципом дублювання дає досить відчутний ефект.

Сполучені ІС.У тих випадках, коли необхідно висока якість пасивних елементів И З, прибігають до так називаним сполучених ІС. У напівпровідниковому кристалі роблять активні елементи (діоди, транзистори).

Рис. 9.27. Сполучена ІС

На кристалі створюють ізолюючий шар Si2, а на нього наносять плівкові пасивні Елементи. Приклад схеми (рис. 9.4), що складається з конденсатора, транзистора та резистора, але виконаної за сполученою технологією, показаний на рис. 9.27. Зрозуміло, такі схеми дорожче та мають помітно більші розміри, ніж напівпровідникові ІС, але мають кращі параметри.

Принципи виготовлення ІС. На рис. 9.28 показана технологія виготовлення напівпровідникових ІС. На кремнієвому кристалі типу р (рис. 9.28, а) з ретельно відшліфованою поверхнею створюється тонкий шар Si2 (2) і на нього наноситься шар фоторезисту (1). Фоторезист являє собою речовину, що під дією опромінення стає кислотостойким (або, навпаки, кислотостойкое речовину, що під дією опромінення стає розчинним у кислоті). Потім на фоторезист діють ультрафіолетовими променями (рис. 9.28,6) через так званий фотошаблон (3), що представляє собою фотопластинку з відповідним малюнком, що складається із прозорих і непрозорих ділянок. Такий фотошаблон виходить шляхом фотографування із креслення, виконаного на папері. Опромінені ділянки (4) фоторезисту стають кислотостойкими. Далі кислотою витравлюються шари 1 й 2 на неопромінених ділянках. Такий метод називається фотолітографією. На цих ділянках утвориться «вікно» (5), через яке здійснюється дифузія донорних атомів (6) з нагрітого газу (рис. 9.28, в, г).

Фоторезист, що залишився на опромінених ділянках, змивається спеціальним розчинником. Потім усе повторюється, тобто створюється на всій поверхні шар Si2, на ньому шар фоторезисту, він опромінюється через інший фотошаблон, і утвориться «вікно» меншого розміру, через яке методом дифузії акцепторних атомів усередині n-області створюється р-область, і т.д.

а)

в)

Інтегральні мікросхеми можуть бути виготовлені або за біполярною технологією, тобто на основі структур біполярних транзисторів, або по МДН-технології. Порівняння показує, що МДН-технологія простіше й дешевше. Для створення МДН-схем потрібно значно менше технологічних операцій. Схеми на МДН-структурах перевершують схеми на біполярних структурах по щільності впакування, ступеня інтеграції, споживаної потужності (нижче), вхідному опору (вище), але уступають по швидкодії.