 |
Элементные и схемные особенности интегральных микросхем
|
|
|
|
Конструктивно-технологическая классификация микросхем учитывает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По конструктивно-технологическим признакам различают полупроводниковые и гибридные микросхемы.
В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Структура содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки служащие для присоединения внешних выводов), называется кристаллом интегральной микросхемы. В большинстве полупроводниковых микросхем элементы располагаются в тонком (0,5…10 мкм) приповерхностном слое полупроводника. Поскольку удельное сопротивление полупроводника невелико (1…10 Ом/см), а элементы должны быть изолированы друг от друга, необходимы специальные изолирующие области.
Основным полупроводниковым материалом микросхем является кремний. Важное конструктивно-технологическое преимущество кремния связано со свойствами слоев диоксида кремния, получаемых на его поверхности при окислении. Эти слои используют в качестве масок при локальном легировании кремния примесями, для изоляции элементов, в качестве под затворного диэлектрика МДП-транзистора. А также для защиты поверхности кристалла от влияния окружающей среды и др. Достаточно большая ширина запрещенной зоны кремния обусловливает малые обратные токи р-п переходов, что позволяет создавать микросхемы, работающие при повышенных температурах (до 125 °С) и при малых токах транзисторов (менее 1 мкА), то есть низкой потребляемой мощности.
Также применяют арсенид-галия, отличающийся большой подвижностью электронов. На его основе создают микросхемы с повышенным быстродействием или с более высокими рабочими частотами (диапазон СВЧ). Однако арсенид-галия очень дорогой материал, а технология арсенид-галеевых микросхем сложнее, чем технология кремниевых.
|
|
|
В некоторых микросхемах, слой кремния, в котором формируется элементы, выращивают на диэлектрической подложке (сапфир), она обеспечивает повышиную радиационную стойкость.
Разновидностью полупроводниковых являются совмещенные микросхемы в которых транзисторы размещаются в активном слое кремния, а пленочные резисторы и диоды как и проводники – на слое диоксида кремния.
Для полупроводниковых микросхем характерен крайне ограниченный набор типов элементов в кристалле. По этому их разделяют по типу применяемых активных элементов (транзисторов) на два основных типа: микросхемы на биполярных транзисторах и микросхемы на МДП-транзисторах (МДП-микросхемы).
Основным активным элементом интегральных микросхем является транзистор типа р-п. Кроме того используются диоды на основе р-п переходов и переходов металл-полупроводник (диоды Шоттки). Полупроводниковые резисторы, пленочные резисторы (в совмещенных микросхемах), изготовляемые, на пример, в полекресталлическом слое кремния, и в редких случаях – конденсаторы небольшой емкости. Транзисторы типа р-п-р применяются значительно реже, чем п-р-п. Параметры полупроводниковых слоев и последовательность технологических операций при изготовлении биполярных микросхем выбираются прежде всего с учетом обеспечения наилучших электрических параметров биполярных транзисторов типа п-р-п. Другие элементы формируются в аналогичных слоях одновременно с транзистором. Использование пассивных элементов (резисторов, конденсаторов) ограничено, так как по сравнению с транзисторами они занимают большую площадь на кристалле. Основным элементом современных МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом п-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, потому для микросхем на п-канальных МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции, но они уступают биполярным по быстродействию. В комплементарных МДП-микросхемах применяют МДП-транзисторы с индуцируваными каналами п- и р-типа, для этих схем характерна очень малая потребляемая мощность.
|
|
|
В специальных случаях в полупроводниковых микросхемах используют биполярные транзисторы в сочетании с МДП- либо с полевым транзисторами с управляющими р-п переходом.
В арсенид-галиевых полупроводниковых микросхемах активными элементами служат полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник (МЕП-транзисторы), кроме того, используют диоды Шоттки и полупроводниковые резисторы.
Полупроводниковые микросхемы являются изделиями широкого применения: одни и те же микросхемы используются в микроэлектронной аппаратуре различного назначения.
Гибридная интегральная микросхема содержит пленочные пассивные элементы и навесные элементы.
В гибридных микросхемах используются как простые так и сложные компоненты. Электрические связи между элементами, компонентами и кристаллами осуществляется с помощью пленочных и проволочных переходов.
Многокристальная гибридная микросхема представляет собой совокупность нескольких без корпусных полупроводниковых микросхем, установленных на одной диэлектрической подложке, соединенных между собой полупроводниками и заключенных в гермеитезированый корпус.
В зависимости от способа нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки и их толщины различают тонко пленочные (толщина пленок не более 1 мкм) и толстопленочные (толщина пленок более 1 мкм) гибридные микросхемы. Тонкопленочные элементы формируют, как правило, с помощью термического вакуумного испарения и ионного распыления, а толстопленочные элементы наносят на подложку трафаретным методом с последующим выжиганием.
Широкое использование гибридных микросхем обусловлено сравнительно невысокими первоначальными затратами при организации производства, возможностью применения разнообразных компонентов с требуемыми рабочими характеристиками и простотой изготовления плат. Однако гибридные микросхемы отличаются от полупроводниковых большими размерами и более сложной технологии сборки.
|
|
|
23.1. Основи планарної технології.
16.2.
17.2. Изопланар
Широкое распространение получили схемы, создаваемые по изопланарной технологии.
В высокоомной подложке р-типа локальной диффузией доноров формируют скрытый n+-слой. Затем на всей поверхности пластины наращивают тонкий (1…3 мкм) эпитаксиальный слой п-типа (рис а). На полученую поверхность наносят слой нитрида кремния, из которого с помощью литографии формируют защитную маску. Не закрытые маской области эпитаксиального слоя подвергают травлению на глубину приблизительно 0.5 –1.5 мкм. Локальным ионным легированием бором через маску создают противоканальные области р+-типа расположенный под вытравлиными участками в подложке между скрытыми слоями п+-типа соседних транзисторов (рис б.). Назначение этих областей поясняется ниже. Далее проводят селективное окисление кремния в вытравленных участках, где он незакрыт защитной маской, так что нижняя граница окисленных областей попадает в скрытый n+-слой. Слой диоксида кремния растет как вниз, так и вверх. Поэтому после окисления (при соответствующем выборе глубины травления) восстанавливается почти плоская поверхность пластины (рис в.).
В результате образуются карманы в каждом из которых размещена структура n-n+-типа, изолированная с боковых сторон толстым слоем диоксида кремния, а снизу n+-р- -переходом. После этого пленку нитрида кремния удаляют формируют маску из слоя диоксида кремния, закрывающего те участки в которых будет создаваться коллекторные контактные области (рис г.).
Диффузией бора (или ионным легированием) получают базовый слой р-типа. При этом независимо от точности совмещения маски боковые границы базового слоя совмещаются с границами изолирующего диоксида кремния, так как он сам также служит маской. Таким методом получают самосовмещенную базу.
|
|
|
Различные методы самосовмещения заключаются в использовании элементов структуры, созданных на предыдущих этапах изготовления микросхем, в качестве маски при последующем формировании каких-либо областей.
Затем восстанавливают слой диоксида кремния по всей поверхности и создают из него маску, используемую при диффузии (или ионном легировании) фосфора в эмиттерную область и контактную область п+-типа. На этом этапе пременяют метод самосовмещения: в плоскости кристалла при границе эмиттерной области (за исключением четвертой, обращенной к базовому контакту) и все границы коллекторной контактной области определяются изолирующим диоксидом, используемым вторично в качестве маски. Вновь восстанавливают пленку диоксида кремния на всей поверхности пластины, вытравливают в ней контактное отверстие, напыляют слой алюминия, проводят его селлективное травление и создают эмиттерный, базовый и коллекторный электроды и внутрисхемные соединение (рис д.).
Главное достоинство изопланарного транзистора по сравнению с эпитаксиально-планарным состоит в том, что при одинаковой площади эмиттерных переходов общая площадь изопланарного транзистора (с учетом площади изолирующих областей) меньше почти на порядок. Потому на основе изопланарных транзисторов можно создавать БИС и СБИС. Столь значительное снижение плоскости достигается в результате использования более тонко эпитаксиального слоя, что приводит к уменьшению площади изолирующих областей. Кроме того в конструкции изопланарного транзистора исключены пассивные области базы и коллектора, не используемые под контакты, так как все боковые стенки базовой и прибоковые стенки эмиттерной области непосредственно граничат с изолирующим диоксидом кремния.
Известно, что на границе раздела кремний-диоксид кремния существует неподвижный положительный поверхностный заряд. Под влиянием этого заряда дырки отталкиваются в глубь подложки, а электроны с скрытых слоев п+-типа и подложки поступают к границе раздела. Поскольку концентрация акцепторов очень низкая (не более 1015 см-3), то при отсутствии противоканальной области у поверхности под диоксидом формируется инверсный слой – канал п-типа. Этот канал замыкает коллекторные области соседних транзисторов, что недопустимо. Для предотвращения появления каналов n-типа и создают противоканальные области с повышенной концентрацией акцепторов при которой для типичных значений плотности положительного поверхносного заряда формирование инверсного слоя исключается, так как концентрация поступивших к поверхности электронов, оказывается ниже концентрации дырок.
|
|
|
Скрытый n+-слой в коллекторе изопланарного транзистора необходим для подсоединения к коллектору коллекторной контактной области. Изопланарный транзистор по сравнению с эпитаксиально планарным имеет лучшее импульсные и частотные параметры поскольку при одинаковых площадях эмиттерных переходов сравниваемых транзисторов в изопланарном значительно уменьшены площади коллекторного и изолирующего переходов то, следовательно пропорционально снижены и барьерные емкости указанных переходов. Емкости дополнительных переходов уменьшаются еще и потому, что боковые области базы, эмиттера и коллектора граничат с диоксидом кремния, имеющим меньшую, чем кремний, диэлектрическую проницаемость. Кроме того, уменьшена площадь боковых стенок базы и коллектора из-за снижения параметров этих областей и толщины эпитаксиального слоя.
Значение скрытого слоя
|
|
|
