Планарного транзистора

Распространение планарной технологии и микромодульного способа конструирования узлов аппаратуры способствовало появлению пленочных ИМС, в которых пассивные элементы электрической схемы выполнены в виде тонких (до 1 мкм) или толстых (20...50 мкм) пленок различных материалов.

Интегральные полевые транзисторы с управляющим р — в-переходом. В структуре полевого транзистора с управляющим р — «-переходом, осуществимой методами планарной технологии ( 1.13), канал л-типа образован границей эпитаксиальной пленки И р — П< переходом диффузионной области затвора. Оба р — п-перехода смещены в обратном направлении, т. е. являются изолирующими.

Выбор типов и диапазон возможных значений параметров пассивных элементов ИМС ограничиваются возможностями планарной технологии. Некоторые элементы (например, трансформаторы) вообще невыполнимы в микроэлектронном варианте конструкции, другие (например, конденсаторы) имеют ограниченный диапазон емкостей, большой разброс при изготовлении, низкие электрические параметры, температурную и временную стабильность. Кроме того, в полупроводниковых микро: схемах все большую долю элементов составляют транзисторы. МДП интегральные микросхемы часто вообще не содержат других элементов, кроме транзисторов. Это позволяет уменьшить потребляемую схемой мощность, увеличить ее быстродействие. Трудоемкость и стоимость полупроводниковых ИМС при этом практически не возрастают.

В планарной технологии ограничиваются обычно рассмотрением одномерной задачи — диффузии примеси в глубь подложки, перпендикулярно ее поверхности. Если с этим направлением совпадает координата х, то первый закон диффузии можно записать так:

Принципиальным достижением планарной технологии полупроводниковых ИМС является возможность получения совершенно идентичных транзисторов, а также пар любых других элементов, расположенных а непосредственной близости на одной полупроводниковой подложке. Эти транзисторы изготовляются одновременно в одном технологическом' цикле на соседних участках подложки, весьма близких по параметрам. Тем самым достигается полная идентичность структур и параметров транзисторов, входящих в противоположные плечи дифференциального усилителя. Используя терминологию, применяемую при рассмотрении усилителей с дифференциальным входом, можно сказать, что достигается очень высокая степень подавления синфазного сигнала, попадающего на входы дифференциального усилителя. Различные варианты дифференциальных усилителей нашли широкое применение в разнообразных интегральных схемах.

Одним из преимуществ планарной технологии является универсальность, определившая широкое ее использование в серийном производстве полупроводниковых приборов. Универсальность является следствием применения в планарной технологии фотолито-

Транзисторы, изготовленные по планарной технологии, имеют значительно меньшие (до 2...3 мкм) размеры элементов транзистор-

На 7.13 схематически изображена конструкция современного полевого кремниевого транзистора типа К.П102 с каналом р-типа, изготовленного по диффузионно-планарной технологии. Транзистор представляет собой прямоугольный кристалл кремния площадью около 1 мм2. Методом диффузии в теле кристалла образован канал — тонкая область с р-проводимостью. Сам кристалл обладает n-проводимостью и является затвором. По краям канала также методами диффузии образованы более массивные участки с р-проводимостью — сток и исток. На них нанесены алюминиевые контакты. Между затвором и каналом образуется р— «-переход.

мышленностью способом диэлектрической изоляции элементов ИМС является «эпик-процесс». В качестве исходного материала используют кремний л-типа, в котором с помощью предварительной диффузии доноров создают слой л+-типа с повышенной электропроводностью ( 3.9,а). Проводят селективное травление пластины с применением фоторезистивной маски, после чего пластину оксидируют ( 3.9,6) и на оксидной пленке наращивают эпитаксиальный слой поликристаллического кремния ( 3.9,г), который применяют в качестве подложки ИМС. После формирования подложки монокристаллический кремний n-типа сошлифо-вывается до тех пор, пока на поверхности не появится диэлектрическая пленка ( 3.9,е). В образовавшейся структуре монокристаллические области гг-типа оказываются изолированными друг от друга оксидной пленкой. С помощью планарной технологии в этих участках формируют области базы и эмиттера БТ. Применение «эпик-процесса» позволяет увеличить пробивные напряжения до 200 В и снизить удельную паразитную емкость изоляции до 15 — 20 пФ/мм2. Основные недостатки метода — сложность и высокая трудоемкость, низкий процент вы- Рис> хода годных изделий, низкая плотность компоновки эле-

Структура узлов изоляции, формируемых данным методом, приведена на 3.16. Основная трудность заключается в формировании узкой и глубокой щели с вертикальными стенками и соблюдением режимов ее заполнения путем плазмохимического или ионного травления. Недостатком конструкций, изготавливаемых по планарной технологии, является то, что слои металлизации располагаются по поверхности кристалла. При уменьшении размеров компонентов размеры слоев металлизации становятся основным фактором, ограничивающим плотность компоновки элементов при изготовлении БИС. Учитывая то, что большую площадь занимает слой металлизации цепи питания, очевидна необходимость формирования этой цепи в объеме полупроводника. Одним из возможных решений этой проблемы является расположение слоя металлизации, по крайней мере шины питания, в изолированной области и соединение его с компонентами через слой легированного полукристаллического кремния. На 3.17 представлена схема такой конструкции ИМС, сформированная на полупроводниковой подложке /, имеющей изолированные 5 и изолирующие 6 области. Изолированные области 5 содержат активные и пассивные компоненты. В средней изолированной области расположены два БТ, в крайних изолированных областях 5 компоненты не указаны.

Наиболее перспективной считается планарная технология, позволяющая создавать в исходной пластине полупроводника группу транзисторов (до тысяч штук) с минимальным разбросом параметров. Это название связано с геометрией структуры, у которой выводы коллекторной, базовой и эмиттерной областей выходят на одну плоскость. В основе планарной технологии лежит совокупность методов создания переходов: локальная диффузия примесей в подложку через маски с отверстиями; создание окисных пленок; фотолитография через фотошаблоны; химическое травление отдельных участков подложки и т.п. Одна из разновидностей этого метода включает химическое наращивание (эпитаксию) пленки кремния с заданными электрическими свойствами. Контактные выводы на поверхности кристалла создаются напылением алюминия или золота ( 3.10,я), а внешние токоотводы осуществляются с 4* 43

7.4. Конструкция бескорпусного планарного транзистора.

полупроводниковой интегральной микросхемы, в которой активные и пассивные элементы и их соединения выполнены в виде сочетания неразъемно связанных р-п-перехо-дов в одном исходном полупроводниковом материале. Это позволило исключить процесс сборки радиоаппарата, повысить плотность упаковки и надежность межэлементных соединений. Таким образом, полупроводниковая электроника вступила в новую фазу своего развития — появилась микроэлектроника. В дальнейшем полупроводниковую интегральную микросхему будем называть интегральной микросхемой (ИМС). Переход к ИМС стал возможен благодаря освоению новой полупроводниковой технологии, характеризующейся созданием групповых методов изготовления пленарных (плоских) р-п-р- или га-р-п-структур. При современном групповом технологическом цикле может быть изготовлено одновременно несколько десятков тысяч ИМС с количеством элементов от 50 до 500 или несколько тысяч ИМС с количеством элементов порядка 5000, т. е. одновременно может быть выполнено несколько миллионов элементов с помощью тех же простейших технологических операций по формированию р-и-переходов, что и при изготовлении одиночного планарного транзистора. Это позволяет обеспечить высокую идентичность параметров ИМС и значительно повысить надежность по сравнению с аналогичными схемами на дискретных элементах. За счет усложнения элементной базы происходит уменьшение сложности конструкции, числа внешних соединений и объема электронной аппаратуры.

Основные параметры планарного транзистора. При расчетах параметров транзистора используют следующие допущения:

Частотная зависимость параметров планарного транзистора.

В реальных р — п переходах планарного транзистора пробивное напряжение уменьшается ввиду искривления перехода за счет диффузии под маску окисла ( 2.5) и из-за влияния заряда поверхностных состояния Qn. с на границе раздела Si — SiO2.

Расчет некоторых конструктивных размеров и параметров пла-нарных транзисторов. На основании известного распределения примесей в структуре кремниевого планарного транзистора ( 2.14) можно рассчитать его некоторые конструктивные размеры [19].

Для структуры планарного транзистора характерны минимальная и равномерная концентрации примесей в коллекторе и максимальная концентрация примесей в эмиттере (см. 2.3). Поэтому ширина объемного заряда А*к всегда намного больше, чем А*э.

1. Определить коэффициент усиления планарного транзистора, легированного долотом, если шво = 1 мкм, /УдК = 7 • 10" см~3, NaS = Ю19 см~3, х,^ = *= 3 мкм, т„=10~»с, а напряжения на переходах транзистора в активном нормальном режиме t/3B = —0,5 В, /7КБ = 10 В.

3. Определить технологическую ширину базы планарного транзистора, не легированного золотом, если известно: Dn(xJ3) = 15 см2/с, т =5 • 10~9 с,

7. Определить коэффициент усиления планарного транзистора Р и его зависимость от ширины технологической базы, если УУа (дг-э) = Ю18 см~3, /УдК = 10" см-3, Е = Ю3 В/см, тр = 5 • 10-» с, La = 51Д.

9. Рассчитать напряженность ускоряющего поля в базе планарного транзистора и определить ее зависимость от концентрации N ^ и Na (X.-Q). Задано: ШБО= 1 мкм, ЛГа(*/э) =5 . Ю1« см-3,