|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы -C3* Рис. 2.27. Варианты формирования интегральных диффузионных конденсаторов на основе р-п переходов значительную площадь схемы. Поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой микросхемы стремятся конденсаторы исключить. Диффузионные конденсаторы (ДК). Для их формирования может быть использован любой из р-п переходов (рис. 2.27): коллектор-подложка (Ci), база - коллектор (С2), эмиттер - база (Сз), переход р-области изолирующей диффузии и п+-область скрытого слоя (С4). Варианты Ci и С4 не могут быть реализованы в микросхемах с диэлектрической изоляцией. Поскольку ширина обедненного слоя обратносмещенного перехода зависит от напряжения, емкость ДК тоже меняется с изменением напряжения. Удельную емкость любого полупроводникового перехода можно аппроксимировать формулой со«/(-(1/t/)", где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от уровня легирования диффузионных областей, показатель -i-], причем ш=/2 соответствует ступенчатому, а т=/з - линейному переходам. Остальные значения т, входящие в указанное множество, соответствуют реальным профилям распределения. Эмиттерный переход обладает наибольшей удельной емкостью, но малыми пробивным напряжением и добротностью. Коллекторный переход используется наиболее часто для формирования ДК (рис. 2.28)..   Рис. 2.28, Конструкция интегрального диффузионного кон.аенсатора; /-алюминиевый вывод от верхней обкладки конденсатора; 2-- алюминиевый вывод от нижней обкладки конденсатора; 3- контакт к подложке; 4- подложка р-типа; 5- коллекторная п-область (нижняя обкладка конденсатора); 6-базовая р-область (верхняя обкладка конденсатора); 7- пленка окисла кремния Рис. 2.29. Конструкция интегрального МДП-конденсатора: 1- верхняя обкладка; 2- алюминиевый вывод ir нижней обкладки; 3-подложка р-типа; 4- кот лекторная п-область; 5-лслой (нижняя обкладка конденсатора); 6- тонкий окисел (диэлектрик конденсатора); 7-толстый окисел К недостаткам ДК можно отнести необходимость обеспечения их строго определенной полярности (рис. 2.27), так как условием нормальной работы ДК является обратное смещение р-п перехода. МДП-конденсаторы. Их конструкция представлена на рис. 2.29. Нижней обкладкой служит эмиттерный «""-слой, верхней - пленка А1. Диэлектриком служат тонкие слои ЗЮг или Si3N4, последний предпочтителен в связи с большей Со (е нитрида выше, чем окисла кремния), но ЗЮг более доступен. Толщина диэлектрика составляет 0,05...0,12 мкм. Недостатком МДП-конденсаторов в составе биполярных микросхем является необходимость введения дополнительной операции создания тонкого диэлектрика (и, естественно, дополнительной операции фотолитографии). Тонкопленочные МДМ-конденсаторы в совмещенных микросхемах состоят из двух металлических слоев, разделенных слоем диэлектрика. В качестве обкладок обычно используется А1, или Та, тогда в первом случае диэлектриком служит АЬОз, во втором - ТагОа. Диэлектрическая постоянная ТагОа на порядок выше, чем у большинства других диэлектриков, но он не используется в микросхемах, работающих на высоких частотах. МДМ-конденсаторы, как и МДП-конденсаторы, работают при любой полярности. Их недостатком является удлиненный технологический маршрут изготовления и необратимый отказ в случае пробоя диэлектрика. 2.7 ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БИС Повышению быстродействия БИС наряду с созданием специально разработанных активных элементов (§ 2.4) способствовало применение функционально-интегрированных элементов. Дело в том, что при классической интеграции элементов в одном кристалле повышению степени интеграции и увеличению быстродействия препятствуют большое число выполненных отдельно и изолированных активных и пассивных элементов, к каждому из которых должны быть сформированы контактные окна. При таком обилии контактных окон возникают сложные проблемы создания межэлементной коммутации. В современных БИС и СБИС реализованы элементы, в которых одна и та же область полупроводниковой сруктуры одновременно выполняет несколько функций. Например, области базы или коллектора транзистора могут одновременно использоваться в качестве резисторов. Более глубокая интеграция осуществлена в конструкции триггера, показанной на рис. 2.30. В ней нагрузочные резисторы R}, R2 совмещены с коллекторами транзисторов УГ/, VT2 соответственно. Для увеличения сопротивления резисторов R1 и R2 одновременно с формированием базовых областей транзисторов проведена диффузия примеси /з-типа электропроводности, за счет чего уменьшено поперечное сечение резисторов (см. § 2.5). Формирование еще  Lttil Рис. 2.30. Схема (а) и конструкция (б) триггера, в которой совмещены коллекторы ключевых транзисторов с нагрузочными резисторами и базами транзисторов связи кг/ VT1" лишь двух р-областей с контактами позволяет использовать вертикальные р-п-р-структуры в качестве транзисторов связи VTl" и VT2". Таким образом, здесь совмещены функции п-области. Она выполняет роль коллектора транзисторов УТГ и VT2, базы транзисторов VTl и VT2", сжатых резисторов R1, R2. В БИС по-иному на основе функционально-интегрированных элементов организованы цепи электропитания: традиционные резис-тивные цепи питания заменены либо диодными, либо транзисторными, либо инжекционными. Функции нагрузочных резисторов в цепи питания в функционально-интегрированном логическом элементе с транзисторной цепью питания (рис. 2.31) выполняют р-п-р-транзисторы. На рис. 2.31 функционально-интегрированные элементы выделены штриховой линией. Конструктивно-топологическое решение <1  Рис. 2.31. Функциональио-иитегрированный элемент с транзисторной цепью электропитания; а - электрическая схема; 6-топология; в - поперечный разрез 58 цепи электропитания элемента, изображенного на рис. 2.31, реализовано таким образом, что базовая область р-п-р-транзистора одновременно является эмиттером переключающего п-р-п-тран-зистора, а база п-р-п-транзистора одновременно выполняет функции коллектора р-п-р-транзистора. Функционально-интегрированный элемент, представленный на рис. 2.31, на поверхности кристалла имеет только функциональные межэлементные соединения. Шины элекропитания в нем образованы подложкой и эпитаксиальным слоем. Это очень перспективное решение для создания матричных БИС. В БИС могут быть функционально совмещены рабочие области различных активных элементов. Примеры такого совмещения нами уже рассмотрены: это составной транзистор, расположенный в одной изолированной области (см. рис. 2.15), это транзисторы с диодом Шотки (см. рис. 2.19, 2.20), это, наконец, структура элемента ИЛ (см. рис. 1.19), в которой одна область служит базой транзистора п-р-п-типа и одновременно коллектором горизонтального транзистора р-п-р-типа, а другая - область эмиттера транзистора п-р-п-типа - служит базой транзистора р-п-р-типа. Использование функционально-интегрированных элементов в БИС приводит к существенному повышению быстродействия с одновременным повышением степени интеграции, упрощению коммутационных систем, сокращению длины соединительных проводников и числа контактных окон. Функционально-интегрированные элементы особенно часто используют при создании матричных БИС, микросхем микропроцессорных наборов, СБИС запоминающих устройств и однокристальных ЭВМ. 2.8. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСХЕМ ДРУГ ОТ ДРУГА При отсутствии изоляции элементов биполярных микросхем все они окажутся электрически связанными между собой через подложку. Изоляцию осуществляют с использованием нескольких конструктивно-технологических вариантов. Изоляция обратно-смещенными р-п переходами (см. рис. 1.10, 1.11). Этот способ, будучи исторически первым, распространен и по сей день, так как обладает высокой технологичностью, операции создания изолирующей области (дополнительно одна операция фотолитографии и одна операция диффузии) естественным образом вливаются в технологический маршрут, не требуют ни дополнительного оборудования, ни использования новых материалов. Конструкция транзистора, изолированного от других элементов микросхемы р-п переходом, показана на рис. 2.32, а. Недостатком этой конструкции является то, что площадь изолирующей области сравнима с площадью, отводимой под транзистор, и даже превышает ее (см.   Рис. 2.32. Конструкции интегральных биполярных транзисторов с изоляцией обратно-смещеииыми р-п переходами, изготовленных по планарно-эпитаксиальной технологии (а) и по технологии коллекторной изолирующей диффузии (б) рис. 1.10). Попытка устранить хотя бы частично этот недостаток без изменения способа изоляции привела к созданию транзистора, изображенного на рис. 2.32, б, в котором изолирующая область сформирована диффузией примеси п-типа на всю глубину эпитаксиального слоя до соприкосновения со скрытым п+-слоем и используется в качестве коллекторной области транзистора. Изоляция элементов полупроводниковых микросхем с помощью обратносмещенного р-п перехода кроме указанного имеет и другие принципиально неустранимые недостатки. К ним относятся; большая паразитная емкость изолирующих р-п переходов и появление дополнительных паразитных элементов в структуре микросхемы; необходимость подачи на изолирующий р-п переход определенного по величине и знаку напряжения смещения; наличие четырехслойных структур п-р-п-р и р-п-р-п-типа, которые обладают положительной обратной связью по току, вследствие чего при воздействии на них ионизирующих факторов увеличение тока через эти структуры будет приво-<дить к еще большему его возрастанию. Указанные недостатки не позволяют добиться существенных успехов в росте быстродействия микросхем, увеличения степени их интеграции, радиационной стойкости и стабильности в интервале температур. Изоляция диэлектриком. Конструкция интегрального транзистора, изолированного от соседних элементов микросхемы с помощью диэлектрика, показана на рис. 2.33. Пленка диэлектрика (ЗЮг) и непроводящая подложка устраняют кардинальным образом недостатки, присущие изоляции р-п переходами. Но для осуществления такого способа изоляции необходим довольно сложный технологический процесс (см. гл. 7), включающий в себя операции по размещению в диэлектрическом материале островков монокристаллического кремния и операции по формированию р-п переходов в этих островках (рис. 2.33, а). Труден подбор материала диэлектрической подложки для этой конструкции, поскольку коэффициенты термического расширения подложки и монокристаллического кремния должны совпадать, иначе проведение операций, связанных с нагревом, станет невозможным из-за коробления структур и появления дефектов в кристаллической решетке кремния.  3 6 н Рис. 2.33 Конструкции интегральных транзисторов с изоляцией диэлектриком: а -структура Kpeitfaaii в диэлектрике (КВД); 6 - структура кре«иий на диэлектрике (КНД) со сфорыи-рбваииым торцевым тразистором с вертикальными р-п переходами Структура, изображенная на рис. 2.33, а, носит название кремний в диэлектрике (КВД), а структура на рис. 2.33, б--кремний на диэлектрике (КНД). Технология изготовления таких структур описывается в § 6.4. Основными недостатками конструкций с диэлектрической изоляцией элементов являются: сложный технологический процесс и малый выход годных микросхем; плохой отвод тепла от элементов микросхемы в подложку, поскольку тепловое сопротивление диэлектрических материалов в десятки раз больше теплового сопротивления монокристаллического кремния; трудность создания разводки из-за сравнительно большого перепада высот рельефа поверхности в структурах КНД; высокая плотность дефектов структуры в изолированных островках кремния и низкая воспроизводимость параметров элементов микросхем. Комбинированная изоляция сочетает технологичность изоляции р-п переходом и высокие качества диэлектрической изоляции: элементы микросхемы со стороны подложки изолированы обратно-сме-щенными р-п переходами, а с боковых сторон - диэлектриком (окислом, стеклом, керамикой, поликремнием и т. д.). Таким образом, изоляция р-п переходами заменяется изоляцией диэлектриком в наиболее уязвимом приповерхностном слое и с боковых сторон. Наибольшее распространение сегодня получили такие варианты комбинированной изоляции, как локальное окисление (изопланарная технология) (рис. 2.34, а) и вертикальное анизотропное травление с последующим заполнением канавок поликристаллическим кремнием (полипланарная технология) (рис. 2.34, б). Э д  Рис. 2.34. Конструкции интегральных транзисторов с комбинированной изоляцией, полученных локальным окислением кремния (а) и анизотропным травлением кремния с последующим окислением профилированной поверхности и заполнением окисленных канавок поликристаллическим кремнием (б) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 [ 9 ] 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 |
|||||||||||||