Классификация интегральных микросхем

По конструктивно-технологическому признаку:

1. Полупроводниковые – все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности п/п кристалла

Биполярные (на основе БП транзисторов)

МДП (на основе МДП-транзисторов с индуцированным каналом)

2. Гибридные – часть ИМС может быть выделена как самостоятельное изделие

Тонкопленочные (толщина пленок меньше 1 мкм)

Толстопленочные (толщина пленок порядка 20 – 40 мкм)

По функциональному назначению:

1. Аналоговые – для обработки и преобразования сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции

Усилители (операционные усилители)

Перемножители (дифференциальные каскады)

Компараторы (операционные усилители)

Стабилизаторы напряжения (составные транзисторы с дифференциальными каскадами)

Аналоговые коммутаторы (электронные ключи)

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (БИС)

Специализированные ИМС

Программируемые операционные усилители

Таймеры

2. Цифровые – для обработки и преобразования сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции

Функциональные логические узлы (шифраторы, дешифраторы, сумматоры)

Триггеры

Запоминающие устройства (масочные, программируемые, репрограммируемые ПЗУ, статические, динамические ОЗУ)

По схемотехнической реализации цифровых логических элементов (историческая):

1. Первый этап (морально устарели и больше не используются)

Транзисторная логика с непосредственной связью (ТЛНС)

Резисторно-транзисторная логика (РТЛ)

Резисторно-емкостная логика (РЕЛ)

2. Второй этап (ТТЛ и ЭСЛ широко используются)

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ)

Транзисторно-транзисторная Логика (ТТЛ)

Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)

3. Третий этап (все сильнее вытесняет остальные виды)

Инжекционно-интегральная логика (И²Л)

Активные элементы

В качестве активных элементов интегральных микросхем используют обычно различные транзисторные структуры, сформированные в кристаллах кремния методами планарной технологии.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор является распространенным активным элементом в современных интегральных микросхемах. Структура биполярного транзистора в интегральных микросхемах (интегрального транзистора) отличается от структуры дискретного транзистора изоляцией от подложки. Другая особенность связана с тем, что вывод от коллекторной области интегрального транзистора осуществляется на верхней поверхности кристалла. Поэтому для уменьшения объемного сопротивления области коллектора перед эпитаксиальным наращиванием производится обычно подлегирование подложки в тех местах, где будут сформированы транзисторные структуры, т. е. создается скрытый п⁺-слой (рис. 20).

Рис. 20. Структура биполярного транзистора со скрытым п⁺-слоем (а) и топология электродов этого транзистора (б)

Однако даже при наличии скрытого п⁺-слоя сопротивление коллекторной области интегрального транзистора оказывается больше аналогичного сопротивления дискретного транзистора, так как скрытый п⁺-слой отделен от коллекторного электрода высокоомным слоем коллекторной области. Это приводит к некоторому ухудшению частотных свойств интегрального транзистора в связи с увеличением постоянной времени цепи коллектора (времени перезаряда барьерной емкости коллектора). Поэтому граничные частоты биполярных транзисторов в интегральных микросхемах обычно не превышают 500 МГц. При этом необходимо также учесть, что выходная емкость интегрального транзистора состоит не только из барьерной емкости коллекторного перехода, но и из барьерной емкости изолирующего перехода между областью коллектора интегрального транзистора и остальной частью кристалла.

Кроме того, в связи с увеличенным сопротивлением коллекторной области интегральный транзистор имеет повышенное значение напряжения между коллектором и эмиттером в режиме насыщения.

Интегральный транзистор отличается от аналогичного дискретного транзистора, изготовленного по той же планарной технологии, значительно меньшими размерами. Объясняется это тем, что в дискретном планарном транзисторе должны быть контактные площадки для подсоединения проволочных выводов эмиттера, базы и коллектора. Размер контактных площадок должен быть не менее 100x100 мкм. В интегральной микросхеме контактные площадки нужны только для подсоединения выводов от всей схемы. Отдельные же элементы интегральной микросхемы соединены между собой межэлементными соединениями в виде тонких и узких (несколько микрометров) металлических полос.

Основу биполярных интегральных микросхем составляют транзисторы п-р-п-типа, что вызвано удобствами формирования именно п-р-п -структур и несколько лучшими параметрами интегральных п-р-п -транзисторов по сравнению с параметрами интегральных транзисторов р-п-р-типа.

Дело в том, что для формирования сильнолегированных эмиттерных областей транзисторов п-р-п –типа обычно используют диффузию фосфора, который имеет большую растворимость в кремнии и относительно малый коэффициент диффузии. Таким образом, для формирования р-п-р-транзистора в интегральной микросхеме, содержащей п-р-п -транзисторы, необходимо еще провести дополнительную диффузию какого-то акцептора с предельной растворимостью, превышающей предельную растворимость фосфора. А такие акцепторы практически отсутствуют.

Поэтому основным приемлемым вариантом интегрального транзистора р-п-р-типа является так называемый горизонтальный или боковой транзистор (рис. 21).

Рис.21. Структура горизонтального транзистора р-п-р-типа (а) и топология этого транзистора (б)

Для его формирования не надо вводить дополнительных технологических операций, так как р-области его эмиттера и коллектора получаются одновременно при создании р-области базы транзистора п-р-п -типа. Однако горизонтальный р-п-р-транзистор оказывается бездрейфовым из-за однородного легирования его базовой области — эпита-ксиального слоя. Толщина активной части базы горизонтального транзистора получается относительно большой. Все это приводит к посредственным частотным свойствам горизонтального транзистора: его граничная частота не превышает обычно нескольких десятков мегагерц.

Из структуры горизонтального транзистора (рис. 21) ясно, что для получения большего коэффициента передачи тока эмиттера или базы необходимо, чтобы площадь донной части эмиттерной области была мала по сравнению с площадью боковых частей этой области. Значит, эмиттерная область должна быть по возможности более узкая (ширина окна в слое диоксида кремния для диффузии акцепторов должна составлять 3...5 мкм).

У горизонтального транзистора должны быть одинаковыми пробивные напряжения эмиттерного и коллекторного переходов. Близкими должны быть и коэффициенты передачи тока эмиттера при нормальном и инверсном включении такого транзистора, так как области эмиттера и коллектора одинаковы по свойствам.

Горизонтальная структура позволяет легко осуществить многоколлекторный транзистор. Для этого достаточно кольцевую область коллектора разделить на несколько частей и предусмотреть отдельные выводы от каждой части — от каждого коллектора. Коэффициент передачи тока для каждого коллектора будет, конечно, в соответствующее число раз меньше, чем для единого коллектора, но все коллекторы будут действовать «синхронно», а нагрузки во всех коллекторных цепях будут электрически разделены. Многоколлекторный транзистор оказывается удобным для некоторых цифровых интегральных микросхем (И²Л).

Биполярный транзистор с диодом Шотки

Биполярный транзистор в цифровых интегральнных микросхемах обычно выполняет функцию ключа и все время работает либо в режиме насыщения, либо в режиме отсечки. В режиме насыщения происходит накопление неосновных носителей заряда в базе транзистора, а также в коллекторной области. Процессы накопления неосновных носителей и их последующего рассасывания при переводе транзистора в режим отсечки или в выключенное состояние связаны с относительно медленным процессом диффузии неосновных носителей заряда. Инерционность этих процессов определяет скорость переключения транзистора из включенного состояния в выключенное и обратно, т. е. скорость срабатывания схемы.

Д ля ускорения процесса накопления и рассасывания неосновных носителей заряда целесообразно ограничить их накопление. Достичь этого можно путем шунтирования коллекторного перехода транзистора диодом Шотки, т. е. диодом с выпрямляющим электрическим переходом между металлом и полупроводником. Структура такого интегрального транзистора и его эквивалентная схема показаны на рис. 22.

Рис. 23. Энергетическая диаграмма выпрямляющего перехода между алюминиевым электродом и высокоомной п-областью коллектора (а) и омического перехода между алюминиевым электродом и сильнолегированной п⁺-областью эмиттера (б) кремниевого транзистора

Алюминиевый электрод образует с р-областью базы омический переход, а переход между алюминиевым электродом и относительно высокоомной п-областью коллектора получается выпрямляющим. Из-за неравенства работ выхода электронов из алюминия и из кремния с электропроводностью п-типа и в результате химической обработки поверхности кремниевого кристалла на контакте для электронов возникает потенциальный барьер высотой около 0,6 эВ (рис. 23, а), что несколько меньше высоты потенциального барьера на коллекторном переходе. Поэтому при прямом смещении коллекторного перехода и соответственно при прямом смещении диода Шотки основная часть прямого тока коллектора будет проходить через диод Шотки. Этот ток связан с движением электронов из п-области коллектора в металлический электрод и не сопровождается инжекцией дырок в п-область коллектора. Таким образом, в высокоомной области коллектора практически не происходит накопления неосновных носителей заряда.

Кроме того, из-за меньшей высоты потенциального барьера на переходе Шотки по сравнению с высотой потенциального барьера на коллекторном переходе при тех же прямых токах коллектора на коллекторном переходе будет меньшее прямое напряжение, что соответствует меньшему количеству накопленных неосновных носителей заряда в базе транзистора при режиме насыщения. В результате время рассасывания в транзисторе с диодом Шотки оказывается значительно меньшим (несколько наносекунд), чем время рассасывания в транзисторе аналогичной структуры, но без шунтирующего диода Шотки.

Отметим, что на контакте алюминиевых электродов с сильнолегированными п⁺-областями эмиттера и коллектора также могут возникать потенциальные барьеры, но их толщина оказывается настолько малой, что сквозь такие узкие потенциальные барьеры электроны могут проходить практически беспрепятственно путем туннелирования (см. рис. 23, б). Таким образом, на контактах алюминиевых электродов с эмиттерной областью и с сильнолегированной частью коллекторной области получаются омические переходы, а их формирование и формирование выпрямляющего перехода Шотки осуществляются во время одного процесса металлизации.

Изготовление интегрального транзистора с диодом Шотки не требует введения дополнительных технологических операций. Необходимо лишь изменить соответствующим образом фотошаблон, применяемый при проведении фотолитографии для снятия диоксида кремния под контакты, и расширить слой напыляемого алюминия за металлургическую границу коллекторного перехода. Однако при снятии диоксида кремния в месте выхода коллекторного перехода на поверхность монокристалла кремния и при обработке этой поверхности перед нанесением алюминиевой металлизации следует предотвратить возможность загрязнения р-п-перехода коллектора неконтролируемыми примесями.

Полевой транзистор с изолированным затвором

В связи с особенностями структуры МДП-транзисторов их можно формировать без специальных островков в монокристалле интегральной микросхемы, что упрощает технологию — уменьшает число технологических операций, удешевляет интегральные микросхемы и дает возможность увеличить плотность упаковки. Другая особенность и преимущество МДП-транзисторов в качестве активных элементов интегральных микросхем состоит в том, что при нулевом напряжении на затворе МДП-транзистора с индуцированным каналом ток стока практически отсутствует, т. е. мощность транзистором потребляется только во время подачи напряжения на затвор. Это уменьшение потребляемой мощности интегральных микросхем на МДП-транзисторах с индуцированным каналом особенно существенно для создания логических интегральных микросхем. Важным также является то обстоятельство, что цифровые интегральные микросхемы могут быть построены целиком на гальванически соединенных между собой МДП-транзисторах без использования других элементов.

Диод

Этот активный элемент широко используется в интегральных микросхемах, особенно в логических интегральных микросхемах. Для создания диода вообще достаточно сформировать только один р-п-переход. Однако диодам в интегральных микросхемах придают транзисторную структуру и в зависимости от конкретного назначения используют тот или иной р-п-переход путем применения одного из пяти возможных вариантов включения (рис. 24).

Рис. 24. Возможные варианты использования р-п-переходов транзисторной структуры в качестве диода (а) и их эквивалентные схемы (б).

В первом варианте (1) используется эмиттерный переход, а коллекторный короткозамкнут. Такое включение используют в цифровых микросхемах, так как в этом случае достигается наибольшее быстродействие: накопление носителей заряда может происходить только в базовой области, а она очень тонкая. Возможность накопления носителей заряда в коллекторной области исключена шунтированием коллекторного перехода. Время переключения может быть около 1 нс.

Во втором варианте (2) используется эмиттерный переход, а коллекторная цепь разомкнута.

В третьем варианте (3) используется коллекторный переход, а эмиттерной области при этом может и не быть, т. е. этап диффузии примесей для формирования эмиттерной области может быть исключен из технологического процесса. Если же эмиттерная область сформирована, то цепь эмиттера остается разомкнутой. Коллекторная область обычно является относительно высокоомной, поэтому такой диод имеет достаточно высокое пробивное напряжение (~50 В). Площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, поэтому использование коллекторного перехода в качестве диодной структуры дает возможность пропускать большие прямые токи.

В четвертом варианте (4) эмиттерную и коллекторную области соединяют между собой, т. е. эмиттерный и коллекторный переходы включают параллельно. Допустимый прямой ток при этом оказывается еще больше, но увеличивается также и суммарная барьерная емкость.

В пятом варианте (5) используется коллекторный переход, а эмиттерный короткозамкнут.