Конструктивно-технологические особенности биполярных имс

Основной элемент биполярных ИМС — биполярный кремниевый транзистор (БиП-приборы), благодаря которому и получила название сама ИМС этого типа.

Структуры биполярной кремниевой имс (а) и интегрального транзи­стора (б) (все размеры указаны в микрометрах):

а) 1 — подложка р-типа; 2 — биполярный транзистор; 3 — диффузионный резистор; 4— диод, созданный замыканием областей базы и коллектора; б) 1 — подложка р-типа; 2 — «скрытый» коллектор; 3 — эпитаксиальный слой n-типа; 4— изолирующий р—n-переход; 5— слой оксида толщиной 1 мкм; 6 — эмиттер n+-типа; 7 — база р-типа; 8—коллекторный кон­такт п+-типа

Резисторы в полупроводниковых ИМС формируют путем соз­дания высокоомных слоев в толще монокристаллического кремния. Сопротивление такого резистора зависит от профиля концентрации примеси, глубины диффузии и геометрических размеров диффузи­онного участка.

Конденсаторы в ИМС бывают двух типов: диффузионный кон­денсатор, в качестве которого используется емкость р — п-перехода, и тонкопленочный, изготавливаемый на специальных участках поверхности кремниевой подложки. При этом в качестве диэлектрика применяется диоксид кремния, полу­ченный на этих участках подложки окислением или осаждением. Обкладками конденсатора служат кремний и алюминиевая плен­ка. При толщине слоя SiO₂, равной 0,08 мкм, емкость составляет 0,25 пФ на площади металлической пленки 600 мкм². Максималь­ное рабочее напряжение 20 В.

Структуры конденсаторов для биполярных имс:

а — диффузионный конденсатор, использующий емкость р—n-перехода; б—эквивалентная схе­ма диффузионного конденсата при параллельном включении; в — пленочный конденсатор типа металл—оксид—кремний (МОП); 1 — верхняя обкладка из А1; 2 — вывод нижней об­кладки из А1; 3—изолирующий р—n-переход; 4 — слой кремния р-типа; 5 — подложка n-типа; 6 — нижняя обкладка из кремния n+-типа; 7—слой Si0₂ толщиной 80 нм

Диоды в ИМС формируют обычно двух типов: с низким про­бивным напряжением, эквивалентным переходу эмиттер — база в транзисторе, и средним пробивным напряжением, эквивалентным переходу коллектор — база.

В точке А переход коллектор — база входного диода закорочен; в точке Б изолированная область с резисторами соеди­нена с наиболее положительным потенциалом; в точке В подложка соединена с наименее отрицательным потенциалом (земля).

Электрическая схема (а) и топология (б) логического элемента:

1, 5, 7, 8 — Входы; 2 —наиболее положительный потенциал; 3 — выход; 4 — земля

Площади ИМС составляют от 6 до 38 мм². Поэтому на одной пластине кремния диаметром 200 мм можно разместить от сотен до тысяч ИМС с учетом размеров линий, наносимых для скрайбирования.

За последние два десятилетия степень интеграции элементов, например транзисторов в одной ИМС (на одном кристалле), уве­личилась от 10 до 10⁶, а минимальные размеры линий в структурах уменьшились от 10 до 0,5 мкм.

Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры имс

Важнейшими характеристиками качества ИМС являются: ин­формационная плотность; быстродействие или максимальная так­товая частота; плотность упаковки, оцениваемая числом элементов на 1 см²; рассеиваемая мощность; энергия переключения; надеж­ность, определяемая числом отказов в единицу времени; выход годных изделий.

Имеется множество разновидностей биполярных ИМС: ДТЛ— диодно-транзисторная логика; ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика; ЭСЛ —эмиттерно-связанная логика; ТТЛШ— транзистор­но-транзисторная логика с диодами Шотки; И²Л — интегральная инжекционная логика и др. Среди этих ИМС каждый тип занимает вполне определенное место, обусловленное его характеристиками. Трудно назвать какой-либо один из них, который бы превосходил другие по всем параметрам. Однако можно проанализировать об­щее влияние различных конструктивно-технологических факторов на основные параметры элементов биполярных ИМС и таким обра­зом связать физико-технологические факторы производства ИМС с электрофизическими характеристиками элементов структуры ИМС.

Наиболее высокое быстродействие ИМС достигается за счет предельно возможного уменьшения значений следующих физиче­ских параметров структуры: времени переноса носителей заряда через транзисторные области (эмиттер, базу, коллектор); времени перезарядки барьерных емкостей р—n-переходов; времени задерж­ки передачи сигнала по соединительным шинам. Последний фактор практически не зависит от типа транзисторов, используемых в ИМС.

Оценка минимальных значений времени переноса носителей за­ряда через область объемного заряда коллектора при ее ширине порядка 0,03 мкм дает значение 3• 10^-13 с. Время пролета области базы шириной 0,1 мкм также равно 3• 10^-13 с. Скорость носителей заряда в р — n-переходе эмиттер — база шириной 0,02 мкм со­ставляет около 0,5• 10⁷ см/с. Соответствующее время их пролета ^τпр_ЭБ =4• 10^-13 с. Следовательно, полное время пролета составит 10^-12 с.

Постоянную времени перезарядки τ_л барьерных емкостей мож­но оценить по формулам для расчета RС-цепей. Принимая для транзистора с минимальными размерами сопротивление базы R_Б =10³ Ом, а усредненную емкость коллектора Ск=10^-15 Ф при емкости коллекторно-базового р— n-перехода С_КБ=Ю^-16 Ф, по­лучим τ_п≈2,3RC=2,3 • 10^-12 с.

Время задержки распространения сигнала по соединительным шинам определяется скоростью сигнала, ограниченной фазовой скоростью электромагнитных волн.

С учетом значений ε для диэлектриков и полупроводников мож­но принять, что скорость электромагнитных волн v на порядок меньше скорости света, т. е. v ≈3 • 10⁹ см/с. Поскольку время за­держки распространения сигнала по шинам не должно превышать минимального времени задержки переключения транзистора (око­ло 10^-12 с), можно оценить максимальную длину межсоединений в кристалле: L_mах= v т_пр=3 • 10⁹ • 10^-12=3 • 10^-3 см=30 мкм.

На предельное значение минимальных размеров транзисторных структур в ИМС серьезное влияние оказывают не только разре­шающая способность ТП литографии, легирования и других, но и статистическая флуктуация концентраций легирующих примесей, сечения межсоединений, которые должны иметь плотность тока не выше 10⁵ А/см², что тесно связано с допустимой рассеиваемой мощ­ностью.

Для получения структур высокого качества необходимо ру­ководствоваться следующими соображениями.

1. Для того чтобы увеличить коэффициент усиления транзис­торной структуры по постоянному току в схемах с общим эмитте­ром, следует превысить уровень легирования эмиттера над уров­нем легирования базы. Однако это превышение не должно быть большим во избежание сужения запрещенной зоны, приводящего к снижению эффективности эмиттера.

2. Глубина эмиттерного перехода должна быть как можно меньше (0,1 ... 0,2 мкм), однако ограничение ее минимума связано с необходимостью создания омического (невыпрямляющего) кон­такта к области эмиттера. Для мелких р — n-переходов кремние­вых ИМС материалами контактов служат металлы (А1) или спла­вы (Al — Si), образующие минимальный барьер с кремнием. Часто в качестве подслоев под алюминий применяются титан и ванадий.

3. Уменьшение емкости эмиттерного перехода достигается уменьшением его площади, ограничиваемой допустимой плотностью тока, которая для кремния не должна превышать 10³ A/см² .

Поэтому получение резких (крутых) р — n-переходов заметно снижает емкость эмиттера.

4. Сопротивление базы, включающее активную и пассивную со­ставляющие, а также сопротивление контакта, следует уменьшать.

5. Для предельно возможного уменьшения ширины базы необ­ходимо использовать жестко управляемые диффузию или ионное легирование. Совершенствование диффузионной технологии позво­ляет получать ширину базы 0,1 мкм, а применение ионной имплан­тации уменьшает это значение до 0,05 мкм.

6. Емкость коллекторного перехода уменьшается снижением площади коллектора, насколько это возможно с точки зрения тре­бований к значению рабочего напряжения и уровню легирования коллектора.

7. Уменьшить сопротивление коллектора можно, используя тон­кие эпитаксиальные слои.