ТЭ / 3 БТ / 8

111

8. Современные структуры биполярных транзисторов

8.1. Типовые транзисторные структуры

Типовые структуры интегральных биполярных п-р-п транзисторов схематично показаны на рис. 1 и 2.

В структуре на рис. 1 боковая изоляция осуществляется р-п переходами между коллекторной областью и глубокой диффузионной р+-областью (областью разделительной диффузии). Структура транзистора с разделительной диффузией технологически наиболее проста, но не обеспечивает высокой плотности компоновки элементов на кристалле ИС.

Более компактна структура с боковой диэлектрической изоляцией (рис. 2), где для взаимной изоляции используются глубокие «щели», заполненные диэлектриком (SiO₂).

В базе транзисторов с боковой диэлектрической изоляцией скорость рекомбинации на границе с SiO₂ повышена, однако это не сказывается существенно на коэффициенте усиления, поскольку его значение в основном определяется эффективностью эмиттера.

Как видно из рис. 1 и 2, в типовых транзисторных структурах можно выделить активную область I (под эмиттером), пассивную область II (за пределами эмиттера) и периферийную область III (за пределами базы).

В кремниевых ИС изготовление высококачественных р-п-р транзисторов связано со значительными технологическими трудностями. При необходимости р-п-р транзисторы создаются на основе базовой п-р-п технологии.

На рисунке 3 схематично представлена структура латерального (торцевого) р-п-р транзистора, выполненного на основе технологии боковой диэлектрической изоляции. Функции эмиттерной и коллекторной областей выполняют р-слои, на основе которых формируются области базы п-р-п транзисторов, функции базы выполняет коллекторный п-слой п-р-п транзистора. В активном режиме поток неосновных носителей (дырок) в базе направлен параллельно поверхности кристалла. Контакт к базе выполнен аналогично коллекторному п+-контакту в п-р-п транзисторе и на рис. 3 находится за плоскостью чертежа. Активная область I находится в пределах толщины р-слоя.

Латеральные р-п-р транзисторы значительно уступают по качеству п-р-п транзисторам вследствие нескольких причин: 1). Длина п-базы обычно в несколько раз превышает длину р-базы п-р-п транзисторов, так как расстояние между р-областями эмиттера и коллектора зависит не только от боковой диффузии примесей при формировании р-слоев, но и от топологических размеров на фотошаблонах. 2). Расстояние между эмиттером и коллектором минимально вблизи поверхности п-слоя, где скорость рекомбинации максимальна. 3). Заметная часть дырочного тока инжектируется из р-эмиттера в пассивную часть базы (под эмиттером). Обычно коэффициент усиления базового тока в латеральных р-п-р транзисторах не превышает 10…15. Поддержанию усилительных свойств на приемлемом уровне способствует встроенное электрическое поле в переходной области между п- и п+-слоями (стрелки на рис. 3), которое препятствует потоку дырок в сторону скрытого п+-слоя (в область пассивной базы II на рис. 3). Вследствие большей длины базы латеральные р-п-р транзисторы значительно уступают обычным п-р-п также и по частотным свойствам. В некоторых случаях их полезным свойством является симметрия – нормальный и инверсный коэффициенты передачи токов практически одинаковы.

Технология изготовления биполярных ИС непрерывно совершенствуется. Основными задачами являются повышение степени интеграции и быстродействия ИС. Эти задачи взаимосвязаны, так как сводятся к созданию транзисторной структуры, занимающей на кристалле минимальную площадь при фиксированном значении минимального топологического размера. При этом минимизируются площади (и барьерные емкости) эмиттерного, коллекторного и изолирующего р-п переходов, что обеспечивает повышение быстродействия. Кроме того, должны быть приняты меры к снижению сопротивлений тела базы и коллектора.

В первых структурах задачи решались с помощью совершенствования методов взаимной изоляции транзисторов р-п переходом. Дальнейший прогресс был достигнут за счет применения изоляции термически выращенным окислом в сочетании с совершенствованием методов литографии.

Для оптимизации транзисторных структур применяются следующие основные конструктивно-технологические приемы: 1) использование методов самосовмещения и самоформирования; 2) использование поликремния для уменьшения толщины эмиттера и дополнительного легирования пассивной базы; 3) сближение омических контактов к базе и эмиттеру; 4) использование щелевой диэлектрической изоляции; 5) создание «пристеночных» р-п переходов для уменьшения торцевых составляющих емкостей переходов.

Применение щелевой изоляции позволяет сократить размеры транзисторной структуры при заданном минимальном размере литографии. Примером является технология VIST самосовмещенной транзисторной структуры с вертикальной изоляцией (рис.4). Одним из важных достоинств данной структуры является то, что пассивная база расположена близко от эмиттера, что обеспечивает низкое базовое сопротивление и малые размеры прибора. В то же время эти области транзистора вертикально разделены, что предотвращает ухудшение параметров р-n перехода эмиттер-база. К достоинствам структуры следует отнести и то, что эмиттерный переход плоский (отсутствуют боковые области), что улучшает его характеристики. Ее недостатком является невозможность уменьшения зазора между контактами до минимального топологического размера.

Рис.3. Самосовмещенная транзисторная структура с вертикальной изоляцией, выполненная по технологии VIST: 1 - SiO₂; 2 – поликремний; 3 - p⁺-противоканальный слой.

Этот недостаток устранен в серии суперсовмещенных технологических процессов SST, которые различаются способами формирования омических контактов. Структура транзистора, выполненного по технологии SST-3, в упрощенном виде представлена на рис. 4. Особенностью структуры транзистора является наличие субмикронного по ширине p⁺- поликремниевого электрода к кольцевой пассивной базе, окружающей эмиттерную область, который электрически изолирован от n⁺ -поликремниевого эмиттерного электрода слоем окисла кремния толщиной 0,5 мкм. Таким образом, расстояние между контактами эмиттера и базы уменьшено до толщины слоя диэлектрика, существенно уменьшено сопротивление базы.

Рекордно малая площадь транзистора на кристалле достигнута с применением технологии СТЕПЛАНАР за счет разнесения контактов к различным областям транзисторной структуры на разные уровни (рис.5).

1

8

Рис. IV.8.5. Самосовмещенная транзисторная структура, выполненная по технологии СТЕПЛАНАР: 1 - SiO₂; 2 - p⁺-противоканальный слой.

.2. Перспективные транзисторные структуры

На следующих рисунках схематично представлены структуры компонентов биполярных ИМС для перспективных технологических маршрутов.

Параметры БТ: r_c = 150 Ом, Сe = Cc =5фФ, Cs = 8фФ, =100, f_T =23 Ггц.

Рис. 8. Конструктивные особенности SPOTEC комплементарных биполярных транзисторных структур с областями боковой диэлектрической изоляции щелевого типа

Параметры БТ: r_b = 430 Ом, Сe = 7 фФ, Cc =10фФ, =80, f_T =30 Ггц.

Рис. 9. Структуры SST с комбинированными областями боковой диэлектрической изоляции на основе пиролитического диоксида кремния

Параметры БТ: r_b = 90 Ом, Сe =9 фФ, Cc =3,6 фФ, Cs = 11фФ,=60, f_T =22,3 Ггц

Рис. 10. Модифицированные структура биполярного транзистора QSA с одним слоем поликремния и непристеночной эмиттерной областью

Параметры БТ: Сe =5,4 фФ, Cc =5,3 фФ, Cs = 20фФ,=75, f_T =35 Ггц

Рис. 11. Структура биполярного транзистора SMI с селективно осажденными точно локализованными областями металлизации на основе вольфрама и сильнолегированного поликремния

Параметры БТ: r_b = 155 Ом, r_c = 25 Ом Сe =3,3 фФ, Cc =4,9 фФ, Cs = 4фФ,=180, f_T =50 Ггц

8.3. Мощные биполярные транзисторы и транзисторы СВЧ

Особую группу составляют биполярные транзисторы, предназначенные для работы в коммуникационных устройствах СВЧ диапазона (выше 1 ГГц). Транзисторы СВЧ имеют две основные области применения: 1) прием и усиление гармонических сигналов (несущей частоты); 2) генерация мощных гармонических колебаний в передающих системах.

Мощные транзисторы могут использоваться и на низкой частоте (например, в системах силовой электроники).

Независимо от назначения транзисторы СВЧ должны иметь высокую предельную частоту и хорошие шумовые характеристики. В приемных системах требование к малому собственному шуму очевидно; в системах передачи собственный шум нарушает чистоту спектра генерируемых сигналов. Для снижения собственного шума транзисторы должны иметь малые сопротивления тела базы и тела коллектора .

Мощные транзисторы передающих устройств работают при высокой плотности тока, поэтому при их конструировании должны быть приняты меры к нейтрализации эффекта оттеснения эмиттерного тока, который снижает усилительные и частотные свойства транзисторов. Главным образом, эти меры должны обеспечивать снижение сопротивления активной базы.

В приемных устройствах СВЧ сигналы передаются по волноводам (коаксиальным кабелям, полосковым линиям или полым металлическим трубам), которые имеют стандартное волновое сопротивление 50 Ом. Входные и выходные импедансы усилительных устройств должны быть согласованы с волновыми сопротивлениями трактов передачи сигналов во избежание отражений сигналов и паразитных резонансов. Это приводит к необходимости работы усилительных транзисторов в приемных устройствах также в режиме больших токов. Действительно, входное сопротивление биполярного транзистора в схеме ОЭ составляет , и его необходимая величина может быть достигнута только при малом значении сопротивления базы и большом токе.

Конструктивное оформление СВЧ и мощных НЧ транзисторов различно, т.к. для передачи СВЧ сигналов используются специальные согласованные тракты (волноводы). Однако структура СВЧ и мощных НЧ транзисторов в ИМС имеет много общего:

а) генераторные СВЧ транзисторы должны генерировать возможно большую мощность;

б) усилительные СВЧ транзисторы работают на низкоомную нагрузку (волновые сопротивления СВЧ трактов ~ 50 Ом) и для обеспечения усиления должны поставлять в нагрузку большие токи (т.е. быть мощными).

Основные требования к параметрам структуры и конструкции транзисторов СВЧ приведены в таблице. Как видно из таблицы, часть поставленных целей обеспечивается отказом от планарной конструкции, что во многих случаях вынуждает выполнять устройства СВЧ в виде многокристальных сборок.

№	Требования к параметрам и конструкции	Цель
1	Малая толщина базы wB	Повышение предельной частоты
2	Малые барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов СЕ, СС
3	Низкое сопротивление базы RB	Повышение предельной частоты. Снижение собственного шума. Нейтрализация эффекта оттеснения эмиттерного тока.
4	Низкое сопротивление тела коллектора RC
5	Хороший теплоотвод (в частности за счет отказа от планарной конструкции)	Снижение температуры перегрева. Повышение предельной частоты (снижение RC).

Поставленные цели частично достигаются в полосковой конструкции транзистора, показанной на рисунке 12.

Встречно-штырьевая

Полосковая конструкция:

Критические размеры: w_B и b_E.

Цель — увеличение отношения (периметра эмиттера к его площади).

мкм;

мкм. Многоэмиттерная

Рис.12. Различные конструкции СВЧ транзистора

При заданном значении рабочего тока снижение плотности эмиттерного тока достигается увеличением площади эмиттерного перехода . Для нейтрализации эффекта оттеснения эмиттерного тока следует снижать сопротивление активной базы . Таким образом, ширина эмиттера в направлении протекания тока базы должна быть минимально возможной. При этом снижение плотности эмиттерного тока до допустимой величины достигается увеличением длины полоски эмиттера . Отметим, что при выбранном значении ширина эмиттера может быть и увеличена, однако это приведет к увеличению барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов.

При большой мощности размер может достигать ~ 1 мм. При этом становится существенным сопротивление тела эмиттера и возрастает размер кристалла. Избежать этого можно использованием встречно-штырьевой или многоэмиттерной конструкции (рис.12).

В транзисторах, предназначенных для работы на частоте более 10 ГГц, длина базы составляет менее 0,1 мкм, а ширина эмиттера менее 0,3 мкм.

Описанные структуры могут быть реализованы и в планарном варианте (рис.13). Недостатком планарного СВЧ транзистора является повышенное сопротивление тела коллектора R_c.

Рис.13. Планарная конструкция

Конструктивно транзисторы СВЧ оформляются в специальные корпуса, предназначенные для монтажа на полосковые линии. Для этого они снабжаются «балочными» выводами толщиной ~ 10 мкм, которые формируются осаждением металла (обычно золота) и служат держателями кристалла в корпусе или в микросборке.

Описанные приемы применяются и при конструировании биполярных транзисторов, предназначенных для работы в мощных силовых устройствах. Такие транзисторы обычно работают на низкой частоте, поэтому требования минимальных размеров и для них необязательны.