Элементы полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах

1.1 Элементы полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах

Транзисторы типа n-p-n. Биполярный транзистор типа n-p-n является основным схемным элементом полупроводниковых ИМС. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа p-n-p, а технология его изготовления более проста. Остальные элементы ИМС выбирают и конструируют таким образом, чтобы они совмещались со структурой транзистора типа n-p-n. Их изготовляют одновременно с транзистором типа n-p-n на основе какой-либо из его областей. Таким образом, выбор физической структуры транзистора типа n-p-n определяет основные электрические параметры остальных элементов микросхемы.

 

Рисунок 1.1 Конструкция интегрального  транзистора типа n⁺-p-n

 

Наиболее широкое распространение  получила транзисторная структура  типа n⁺-р-п со скрытым подколлекторным n⁺-слоем (рис. 1.1). Следует обратить внимание на то, что вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора. Это увеличивает сопротивление тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора в усилительном режиме (ухудшается частотная характеристика) и в переключающем режиме (уменьшается эффективность переключения в режиме насыщения). Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления снижают пробивное напряжение перехода коллектор — база и увеличивают емкость этого перехода, т. е. также ухудшают характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного n⁺-слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает низкоомный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту без снижения пробивного напряжения перехода коллектор — база. Конструктивно он располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина слоя составляет 2,5—10 мкм, удельное поверхностное сопротивление

 

Рисунок 1.2 биполярных интегральных транзисторов:

а) – ассиметричный б) – симметричный

 

Рабочая зона транзистора  начинается непосредственно под  эмиттерной зоной, и для обеспечения  требуемого коллекторного тока при  минимальном последовательном падении  напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. Минимальные горизонтальные размеры прибора определяются двумя основными технологическими факторами: минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле кремния и зазоров между окнами, а также размером боковой диффузии под окисел. Поэтому при проектировании транзистора следует учитывать, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии p-базы и n⁺-области под коллекторным контактом. Назначение этой n⁺-области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего контакта алюминия к слаболегированной n-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с растворимостью порядка 10¹⁸ атомов/см³ при температуре формирования контакта. Уровень же легирования эпитаксиального n-слоя, составляющего тело коллектора, равен 10¹⁵—10¹⁶ атомов/см³. Как отмечалось, он диктуется необходимостью увеличения напряжения пробоя перехода коллектор — база.

Расстояния между изолирующей p-областью и элементами транзистора определяются также размером боковой диффузии. Они должны быть примерно равны толщине эпитаксиального слоя.

Две типичные конструкции  интегральных транзисторов показаны на рис. 1.2. Для асимметричной конструкции (рис. 1.1, 1.2, а) характерно то, что коллекторный ток протекает к эмиттеру только в одном направлении. При симметричной конструкции (рис. 1.2, б) коллекторный ток подходит к эмиттеру с трех сторон, и сопротивление коллектора оказывается примерно втрое меньше, чем при асимметричной конструкции. Для симметричной конструкции транзистора облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней часть .коллекторной области можно разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминиевую полоску к эмиттерной (рис. 1.2, б) или базовой области. На рис. 1.2, а даны топологические размеры областей интегрального биполярного транзистора, типичные для ИМС средней степени интеграции. Параметры этих областей приведены в табл. 1.1.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.1 – Параметры областей интегрального транзистора типа n-p-n

Наименование  области	Концентрация  примеси N, см-3	Толщина слоя d, мкм	Удельное объемное сопротивление материала , Ом*см	Удельное поверхностное  сопротивление слоя , Ом/
Подложка p-типа	1,5*1015	200-400	10	-
Скрытый n+-слой	-	2,5-10	-	10-30
Коллекторная n-область	1016	2,5-10	0,15-5,0	-
Базовая p-область	5*1018	1,5-2,5	-	100-300
Эмиттерная n+область	1021	0,5-2,0	-	2-15
Изолирующая область	-	3,5-12	-	6-10
Пленка окисла кремния	-	0,3-0,6	-	-
Металлическая пленка (алюминий)	-	0,6-1,0	1,7*10-6	0,06-0,1

 

Примечание: N – объемная концентрация примеси для подложки и коллекторной области и поверхностная концентрация примеси для эмиттерной и базовой областей.

 

При больших токах существенную роль играет эффект вытеснения тока эмиттера, который объясняется достаточно просто. Напряжение в любой точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего напряжения и падения напряжения в объеме базы, т. е. напряжение в центральной части эмиттера меньше напряжения у его краев, и внешние области эмиттера работают при больших плотностях тока по сравнению с внутренними. Повышенная плотность тока у краев эмиттера приводит к повышенным рекомбинационным потерям носителей заряда в этих областях и к уменьшению коэффициента усиления транзистора В. .Конструкция мощных транзисторов должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Например, целесообразно использовать узкие эмиттеры с большим периметром (рис. 1.3). Параметры интегральных транзисторов типа n-p-n приведены в табл. 1.2.

Рассмотрим разновидности  интегральных биполярных транзисторов.

Транзисторы с  тонкой базой. Транзисторы с тонкой базой обладают повышенными значениями коэффициента усиления В и необходимы для создания ряда аналоговых ИМС (входные каскады операционных усилителей). У этих транзисторов ширина базы (расстояние между эмиттерными и коллекторными переходами) мкм, коэффициент усиления при коллекторном токе мкА и уровне напряжения В. Пробивное напряжение коллектор — эмиттер около 1,5—2 В.

Рисунок 1.3 Конструкция мощного транзистора (вид сверху):

1- Эмиттерная область; 2 –  область базы; 3 – область изоляции;  4 –коллекторная область

Рисунок 1.4 Конструкция многоэммитерного транзистора.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.2 – Параметры интегральных транзисторов типа n-p-n

Параметры	Номинал	Допуск , %	Температурный коэффициент, 1/
Коэффициент усиления В	100-200	30	5*10-3
Предельная частота , МГц	200-500	20
Пробивное напряжение , В	40-50	30
Пробивное напряжение , В	7-8	5	(2-6)*10-3

 

 

Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ). Конструкция МЭТ, широко используемых в цифровых ИМС транзисторно-транзисторной логики, приведена на рис. 1.4. Число эмиттеров может быть равным 5—8. МЭТ можно рассматривать как совокупность транзисторов с общими базами н коллекторами. При их конструировании необходимо учитывать следующие обстоятельства.

Для подавления действия паразитных горизонтальных n⁺-p-n⁺- транзисторов расстояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей заряда в базовом слое. Если структура легирована золотом, то диффузионная длина не превышает 2—3 мкм и указанное расстояние достаточно сделать равным 10—15 мкм.

Для уменьшения паразитных токов через эмиттеры при инверсном включении МЭТ искусственно увеличивают сопротивление пассивной области базы, удаляя базовый контакт от активной области транзистора, чтобы сопротивление перешейка, соединяющего базовый контакт с базовой областью, составило 200— 300 Ом.

Рисунок 1.5 Конструкция многоколлекторного транзистора

Многоколлекторные транзисторы (MKT). MKT—это практически МЭГ, используемым в инверсном режиме: общим эмиттером является эпитаксиальный слой, а коллекторами — n⁺-области малых размеров (рис. 1.5). Такая структура является основой ИМС интегральной инжекционной логики (И²Л). Главной проблемой при конструировании MKT является обеспечение достаточно высокого коэффициента усиления в расчете на один коллектор, для чего скрытый n⁺-слой необходимо располагать как можно ближе к базовому слою, а n⁺-коллекторы — как можно ближе друг к другу.

Транзисторы типа p-n-p. Интегральные транзисторы типа p-n-p существенно уступают транзисторам типа n-p-n по коэффициенту усиления и предельной частоте. Для их изготовления используют стандартную технологию, оптимизированную для формирования транзистора типа n⁺-p-n. Естественно, что получение транзисторов типа p-n-p с близкими к теоретическим пределам параметрами в этом случае невозможно.

Горизонтальные  транзисторы типа p-n-p. В настоящее время эти транзисторы используют в ИМС наиболее часто (рис. 1.6). Их изготовляют одновременно с транзисторами типа n⁺-p-n по обычной технологии. Эмиттерный и коллекторный слои получают на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей заряда в транзисторе типа p-n-p происходит в горизонтальном направлении. Дырки, инжектированные из боковых частей эмиттера в базу, диффундируют к коллекторной области. Перенос наиболее эффективен в приповерхностной области, так как здесь расстояние между коллектором и эмиттером минимально и, кроме того, наиболее высокая концентрация примеси в р-слоях. Ширину базы удается выполнить равной 3—4 мкм (мешает боковая диффузия под маску), в результате чего коэффициент усиления оказывается равным 50, а МГц. Без особого труда получают мкм, но при этом , a МГц. Для подавления действия паразитных p-n-p-транзисторов (p—эмиттер, n—эпитаксиальный слой, p— подложка) стремятся уменьшить площадь донной части эмиттера (его делают возможно более узким), используют скрытый n⁺-слой вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки. На основе горизонтального транзистора легко сформировать многоколлекторный транзистор типа p-n-p (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 Конструкция многоколлекторного горизонтального транзистора типа p-n-p

Рисунок 1.6 Конструкция горизонтального транзистора типа p-n-p

           

 

 

 

 

Основные недостатки горизонтального  транзистора типа p-n-p— сравнительно большая ширина базы и однородность распределения примесей в ней (транзистор является бездрейфовым). Их можно устранить двумя способами. Для этого используют дрейфовую структуру, показанную на рис. 1.8. Два электрода в противоположных концах базы создают в базовом слое электрическое поле, которое уменьшает время переноса инжектированных дырок и создает в эмиттере смещение, снижающее инжекцию из его донной части.

Рисунок 1.8 Конструкция дрейфового бокового транзистора типа p-n-p

 

Вертикальные  транзисторы типа p-n-p. Можно использовать также вертикальную p-n-p-структуру, показанную на рис. 1.9. Для ее формирования необходимо изменить технологию: проводить более глубокую диффузию для формирования р-слоя и вводить дополнительную операцию диффузии для создания р⁺⁺-слоя, причем для получения р⁺⁺-слоя требуется акцепторная примесь, у которой предельная растворимость больше, чем у донорной примеси n⁺-слое. Фактически перед проведением диффузии акцепторов приходится стравливать наиболее легированную часть n⁺-слоя, т. е. вводить еще одну дополнительную операцию.

Составные транзисторы. Составные интегральные транзисторы могут быть реализованы на основе двух транзисторов одного или разных типов, расположенных в одной изолированной области. На рис. 1.10 представлена транзисторная структура, в которой в зависимости от схемы соединений могут быть реализованы составные транзисторы, состоящие из двух транзисторов типа n-p-n с общим коллектором или из вертикального транзистора типа n-p-n и горизонтального транзистора типа р-п-р. В принципе возможна реализация составных транзисторов в разных изолированных областях.

Составной транзистор имеет  коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиления составляющих его транзисторов: , однако быстродействие составного транзистора определяется наименее быстродействующим транзистором.

  

Рисунок 1.9 Конструкция вертикального транзистора типа p-n-p, изготовленного методом тройной диффузии на основе планарно-эпитаксиальной структуры.

Рисунок 1.10 Конструкция составного транзистора.

 

 

 

 

 

Интегральные  резисторы. Резисторы ИМС формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ионного легирования.