Диффузионных процессов

Простые диффузионные резисторы

Диффузионные резисторы на основе базового слоя биполярного транзистора имеют поверхностное удельное сопротивление порядка 100—300 Ом, на основе эмиттерного слоя — порядка 0,5 Ом/П. Обычно диапазон . сопротивлений таких резисторов ограничивается значениями от 10 Ом до 50 кОм, а занимаемая площадь для верхних значений диапазона составляет примерно 0,125 мм2, что в 40—50 раз превышает площадь интегрального транзистора. Диффузионные резисторы с изолирующими р-п-переходами работают вплоть до частоты 20 МГц.

мах, тонколенточные резисторы совмещенных и гибридных интегральных схем и толстопленочные резисторы (объемные). Однако наибольшее распространение получили диффузионные резисторы на основе электронно-дырочных переходов. Устройство такого резистора показано на 3.44, а. В качестве резистора используется область полупроводника с ^-электропроводностью, образованная в результате диффузии акцепторной примеси в полупроводник /г-типа; п-р-переход, отделяющий резистор от

Диффузионные резисторы. Сопротивление диффузионного резистора зависит от степени легирования исходного материала (кремния), примесями (от удельного сопротивления материала) и от геометрических размеров резистора. Для расчетов резисторов, образованных тонкими пленками, удобно ввести новое понятие — сопротивление слоя. Рассмотрим сущность этого понятия.

Обычно не выполняется ни одно из этих условий, причем при проектировании полупроводниковых ИМС возникают особенно большие трудности. Например, полупроводниковые диффузионные резисторы и конденсаторы имеют паразитные емкости относительно подложки, значения которых зависят от напряжения обратного смещения. Такие паразитные емкости носят распределенный характер и, следовательно, замена их дискретными емкостями может быть только приближенной. Если элементы схемы изолированы р-п-переходом, то для каждого из них характерно возникновение емкости, обладающей теми же свойствами.

ф Резистивные элементы, используемые в полупроводниковых ИМС, можно подразделить на диффузионные резисторы, формируемые на основе эпитаксиаль-ного слоя, пинч-резисторы, пленочные резисторы на основе поликристаллического кремния, резисторы, получаемые методом ионного легирования.

Наиболее широкое распространение в полупроводниковых ИМС нашли диффузионные резисторы, которые изготовляют на диффузионных слоях базовой или эмиттерной области транзисторной структуры и формируют непосредственно в процессе изготовления транзистора, а также пинч-резисторы.

Диффузионные резисторы, применяемые в полупроводниковых ИМС, формируют на той же подложке, что и остальные элементы схемы (транзисторы, диоды, конденсаторы). Поскольку для изготовления транзисторной структуры требуется большое количество высокотемпературных процессов, резистивный элемент может быть получен одновременно с какой-либо из областей транзистора. В практических случаях, как было отмечено ранее, резистор чаще всего формируют на базовом слое транзисторной структуры. Выбор этого слоя представляет компромиссное решение между большими геометрическими размерами, которые были бы необходимы при использовании эмиттерного слоя, и высоким температурным коэффициентом сопротивления резистора, который получался бы при очень слабом легировании кремния, т. е. при выборе в качестве материала резистора коллекторного слоя транзистора. Следует, однако, отметить, что эмиттерный слой можно применять при формировании низкоомных термостабильных резисторов.

Диффузионные резисторы. В качестверезистивного слоя в полупроводниковых ИМС используется изолированная область полупроводника, которая создается одновременно с какой-либо частью транзистора. Чаще всего применяется слой полупроводника, полученный одновременно с базой транзистора. Структура такого резистора изображена на 2.23, а. Если в качестве изоляции служит обратно-смещенный р—п переход, в структуре резистора возникают паразитные связи, которые учитываются общей эквивалентной схемой ( 2.24).

сятся: неоднородность области базы — наличие в базе градиента концентрации примесей; работа транзисторов при высоких уровнях инжекции; вытеснение носителей к периферийной части эмиттера; пренебрежимо малый инверсный коэффициент усиления по току транзисторов; влияние паразитных транзисторов; сложность реализации достаточно точных резисторов и конденсаторов (скажем, с допусками менее 10 %) и в то же время малый относительный разброс параметров однотипных компонентов (например, все диффузионные резисторы, созданные на одном этапе фотолитографии, могут отличаться по номиналу от расчетных значений на одну и ту же относительную величину); более сильная температурная зависимость сопротивлений резисторов по сравнению с дискретными аналогами; зависимость (барьерных) емкостей от напряжений.

Модели пассивных компонентов. К пассивным компонентам МДП-структур относятся резисторы и конденсаторы. В полупроводниковой подложке могут быть реализованы либо диффузионные резисторы, рассмотренные в гл. 2, либо резисторы на основе структуры МДП-транзистора, изображенные на 3.13 для случая транзистора с индуцированным р-каналом с использованием затвора в качестве электрода, управляющего сопротивлением резистора ( 3.13, а), и при объединенных выводах затвора и стока ( 3.13, б).

Для изготовления полупроводниковых И С на биполярных транзисторах широко применяют планарно-эпитаксиаль-н у ю технологию с использованием диффузионных процессов и эпитаксиального наращивания монокристаллического кремния i[79].

3. Диффузия из твердой фазы. Это диффузия из твердого раствора примеси в одной области полупроводника в примыкающую к ней другую область этого же полупроводника, свободную от примеси данного типа. При этой технологии используют структуры со ступенчатым начальным распределением примеси, которое получается при выращивании эпитаксиальных пленок. При проведении диффузионных процессов применяют два способа. Способ диффузии в «закрытой трубе» ( 3.5, а) заключается в-том, что пластины полупроводника / и источник 2 загружают в кварцевую лампу 3, которую герметизируют и помещают в печь 4.

дом тройной диффузии путем проведения трех диффузионных процессов.

Метод тройной диффузии в своем первоначальном виде в настоящее время не нашел широкого применения. Применение трех последовательных высокотемпературных диффузионных процессов не позволяет осуществлять жесткий контроль параметров прибора, в частности,

Создание более сложных БИС выявило ряд недостатков, присущих этой структуре. Среди них можно выделить следующие: низкую плотность размещения компонентов на кристалле, обусловленную наличием разделительных диффузионных р-облас-тей, значительной толщиной эпитаксиальной пленки, трехмерностью диффузионных процессов, ограничениями процесса фотолитографии; большие паразитные емкости и токи утечки изолирующего р-п-пере-хода; невысокие пробивные напряжения изоляции; малая радиационная стойкость.

Рассматривая возможные способы преобразования энергии, необходимо учитывать, что в соответствии с законами физики все энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой. Здесь важно то обстоятельство, что плотности потоков энергии ограничиваются физическими свойствами среды. Это, в свою очередь, практически исключает применение в энергетике больших мощностей многих казалось бы эффективных процессов трансформации энергии. Например, в топливных элементах химическая энергия окисления водорода непосредственно превращается в электрическую. Такой способ получения электрической энергии, несмотря на очень высокий КПД, равный примерно 70%, на сегодня приходится признать непригодным для промышленности из-за малой скорости диффузионных процессов в электролите и, следовательно, малой плотности энергии. Так,

Параметры и допуски диффузионных процессов

Уменьшая скорость протекания диффузионных процессов в травителе, можно существенно усилить его полирующие свойства. Например, полирующие свойства травителя улучшаются при увеличении его вязкости за счет добавки гликолей, глицерина, полиспиртов; уменьшение температуры раствора также приводит к большему выравниванию процесса за счет снижения скоростей диффузии компонентов травителя. Интен-

Отличие на несколько порядков значений коэффициентов диффузии различных примесей определяет жесткие требования к условиям проведения диффузионных процессов. Коэффициенты диффузии легирующих примесей (элементы III и V групп), широко используемых в технологии формирования р-л-перехот дов, на 6 —9 порядков меньше коэффициентов диффузии таких примесей, как медь, литий, серебро, золото, железо и др. Это требует обеспечения условий, исключающих попадание в рабочий объем диффузионной печи неконтролируемых примесей.

Выражения (5.4), (5.5), (5.6), (5.7) впервые были получены в 1885 г. швейцарским ученым Фиком для описания диффузионных процессов в идеальных газах и растворах. В дальнейшем была показана применимость установленных законов для описания процессов диффузии в твердых телах. Уравнения (5.4), (5.5) и (5.6), (5.7) носят названия первого и второго законов Фика соответственно.

§ 5.3. Методы осуществления диффузионных процессов