13. 5 Полупроводниковые имс

В отличие от тонкопленочных и толстопленочных ГИМС в полупроводниковых (монолитных) ИМС все активные и пассивные радиоэлементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т.п.) выполняются в виде элементов в приповерхностной области полупроводниковой пластины (подложки), которая обычно выполнена из кремния.

В качестве материала активной подложки, в основном, используют кремний, что связано с легкостью получения на его поверхности хорошего окисла SiO₂, который широко используется в основных технологических процесса формирования элементов полупроводниковой ИМС и создания рисунка топологии соединений элементов с помощью процесса фотолитографии.

Для СВЧ ИМС широко используют в качестве активной подложки арсенид галлия, который обладает рядом преимуществ по сравнению с кремнием, однако он менее технологичен.

Все элементы полупроводниковой ИМС строятся на одном базовом элементе. Таким элементом в биполярных ИМС является биполярный п-р-п транзистор, который обладает лучшими характеристиками, чем транзистор р-п-р типа, а технология его изготовления достаточна проста. В настоящее время основным схемным элементом ИМС является МДП-транзисторы с индуцированным каналом п- или р-типа. Это обусловлено тем, что технология получения МДП-транзисторов малого размера значительно проще, чем технология биполярных транзисторов. Кроме того, как ранее отмечалось, МДП-транзисторы имеют существенно меньшую мощность потребления, что очень важно при создании ИМС малых размеров.

Для получения пассивных элементов (резисторов и конденсаторов) используется базовая структура транзистора. В результате этого все элементы ИМС получают по определенной технологии. При этом на одной пластине одновременно создаются от нескольких десятков до нескольких тысяч ИМС (групповой метод), что удешевляет производство. После изготовления группы ИМС пластину разделяют на отдельные кристаллы (чипы), которые после тестирования и проверки работоспособности, индивидуально размещают в корпусе. При этом все выводы элементов ИМС располагаются на поверхности (планарный метод), а каждый элемент ИМС изолируется от другого каким-то способом (обратно смещенным р-п переходом, диэлектрической изоляцией и т.д.). После размещения в корпусе выводы от кристалла соединяют с выводами корпуса, далее проводится герметизация корпуса и тестирование готовой ИМС. Совершенство технологии определяет в конечном итоге и качество полученной ИМС.

В настоящее время существует значительное число базовых технологий производства полупроводниковых ИМС. Рассмотрим некоторые из них.

13. 5.1 Стандартная планарно-эптаксиальная технология биполярных полупроводниковых имс с изоляцией обратно смещенным р-п переходом

Сущность такой технологии состоит в том, что транзисторные структуры формируют локальной диффузией в эпитаксиальном слое п-типа, нанесенным на пластину р-типа, а изолирующие области создают путем проведения разделительной диффузии на всю глубину эпитаксиального слоя.

Биполярный эпитаксиально-планарный транзистор.Базовым элементом стандартной планарно-эпитаксиальной технологии является транзистор п-р-п типа. Структура такого транзистора приведена на рис.13.11 а. Она отличается от дискретного транзистора наличием под коллекторной области скрытого высоколегированного п⁺-слоя. Благодаря такому слою, рабочая зона транзистора располагается вертикально, а путь тока коллектора от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту происходит без снижения пробивного напряжения коллектор-база.

Для изоляции элементов друг от друга проводится разделительная диффузия акцепторной примесью на всю глубину эпитаксиального слоя до соединения с подложкой. В результате этого каждый элемент ИМС располагается в «кармане» п-типа проводимости, отделенным от остальных элементов слоем р-типа проводимости. При подаче отрицательного смещения на подложку, а положительного смещения на коллектор транзистора, каждый элемент ИМС будет отделен от другого обратно смещенным р-п переходом.

Для получения р-п-р транзистора в такой технологии необходимо проводить более глубокую диффузию р-слоя для создания коллекторной области и ввести дополнительную операцию диффузии для создания сильно легированного эммитерного слоя р⁺⁺-типа проводимости (рис.13.11 б).

Интегральные диоды. Любой переход планарно-эпитаксиальной транзисторной структуры может быть использовании для формирования диодов, но только переходы база-эмиттер и база-коллектор действительно удобны для схемных решений. В зависимости от соединения областей транзистора возможны пять вариантов диодного включения транзистора: БК-Э – переход “база – эмиттер” с коллектором, закороченным на базу; БЭ-К – переход “коллектор – база” с эмиттером, закороченным на базу; Б-ЭК – переход “база – эмиттер” с коллектором, закороченным на эмиттер; Б-Э - переход “база – эмиттер” с разомкнутым коллектором; Б – К – переход “база – коллектор” с разорванным эмиттером.

Электрические параметры интегральных диодов зависят от выбранного варианта влючения диода. Пробивные напряжения больше для вариантов БЭ-К и Б-К, обратные токи минимальны для вариантов БК-Э и Б-Э, емкость перехода максимальна для варианта Б-ЭК, паразитная емкость на подложку минимальна для варианта Б-Э, время переключения диода минимально для варианта БК-Э. По этим причинам наиболее оптимальной конструкцией диода считаются конструкции БК-Э или Б-Э (рис.13.12), причем чаще используется БК-Э.

Интегральные резисторы.Резисторы ИМС формируют в любой из диффузионных слоев (базовой или эмиттерной области) транзисторной структуры или в эпитаксиальном слое (коллекторная область) путем ионного легирования. Основные конструкции интегральных резисторов следующие.

Диффузионные резисторы.Их изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной областью. Сопротивление диффузионного резистора представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-п переходом (рис.13.13 а). В базовой области формируют резисторы номиналом от сотен Ом до 60 кОм к ТКС = (1,5…3)·10^-4К^-1, а на основе эмиттерной области получают резисторы номиналом 3…100 Ом с ТКС=(1…2)·10^-4К^-1.

Форма диффузионных резисторов: прямоугольная с К_Ф<1 (для резисторов с сопротивлением десятки Ом), прямоугольная сК_Ф>1 (для резисторов с сопротивлением от сотен Ом до единиц кОм), типа меандр (для резисторов с сопротивлением десятки кОм).

Пинч-резисторы.Их формируют на основе донной слаболегированной базовой области, имеющей большое сопротивление и малую площадь сечения (рис.13.13 б). Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200…400 кОм, однако они имеют большой разброс по номиналу и значительный ТКС = (3…5)·10^-4К^-1. У пинч-резистора п⁺и р-слои соединены с выводом резистора, находящегося под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Это обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора и его изоляцию.

Эпитаксиальные резисторы.Эти резисторы формируются п-эпитаксиальном слое коллекторной области, имеющей значительное сопротивление (рис.13.13. в). Однако за счет погрешностей при проведении длительной разделительной диффузии такие резисторы имеют значительный разброс по номиналу. Сопротивление таких резисторов составляет 1…200 кОм и ТКС = (3…5)·10^-4К^-1.

Диффузионные конденсаторы.В биполярных ИМС в качестве конденсаторов широко используется барьерная емкость обратно смещенного р-п перехода (см. раздел 10). Для этой цели возможно использование барьерной емкости любого перехода. Однако на практике чаще всего используют базовый переход. Следует отметить, что характеристики конденсаторов полупроводниковых ИМС имеют невысокие характеристики и занимают значительную площадь, поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой ИМС стараются избегать применения конденсаторов. Пример конструкции такого конденсатора приведен на рис.13.14. Обычно емкость такого конденсатора не превышает 300…400 пФ с допуском ±15% и ТКЕ -1,0·10^-3К^-1.

Соединения и контактные площадки.Элементы ИМС электрически соединены между собой с помощью алюминиевой однослойной разводки толщиной до 0,8 мкм. Если в однослойной разводке не удается избежать пересечений, то применяют диффузионные перемычки (рис.13.15). В этом случае один из проводников размещен поверх окисного слоя, а второй как бы подныривает под него в виде участка п⁺-слоя. Этот участок имеет заметное сопротивление (3…5 Ом), вносит дополнительную паразитную емкость и имеет значительные размеры. Поэтому диффузионной перемычкой пользуются крайне редко.

Контактные площадки располагают обычно по периферии кристалла. Они служат для создания соединений выводов кристалла полупроводниковой ИМС с выводами корпуса с помощью золотых или алюминиевых проволочек методом термокомпресии.

Помимо рассмотренной технологии изготовления полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах существуют и другие: с диэлектрической изоляцией, с комбинированной изоляцией, ИЗОПЛАНАР-1, ИЗОПЛАНАР-2 и др.