Главная | Обратная связь

Напівпровідникові інтегральні мікросхеми

Напівпровідникові інтегральні мікросхеми мають надзвичайно високі надійність і ступінь інтеграції, низьку вартість при великих масштабах виробництва, здатність працювати при малих рівнях стру­мів і напруг та інші переваги.

Матеріали напівпровідникових інтегральних мікросхем. Основ­ним матеріалом, який використовується для виготовлення напівпровід­никових ІМС, є кремній. У вихідному стані кремній легований тими чи іншими домішками. Так, для отримання кремнію з електронною провідністю (кремнію n-типу) застосовують такі легуючі домішки: арсен, стибій або фосфор. Домішками до кремнію р-типу є алюміній або бор.

Однією з важливих характеристик напівпровідникового матеріалу е його питомий опір , який визначається концентрацією електронів n і дірок p, а також їх рухливостями відповідно і . Якщо донорні і акцепторні домішки в напівпровідникових матеріалах відповідно n-типу або p-типу повністю іонізовані, то можна вважати, що кількість електронів і дірок дорівнює кількості домішкових атомів, тобто n= N_d і р = N_a. При цьому питомий опір напівпровідника n-типу , а для напівпровідника p-типу , де q —заряд електрона.

Кремній дуже технологічний, оскільки має широкий діапазон пи­томого опору при легуванні різними домішками. До того ж на кремнієвій пластині в процесі термічної обробки легко одержати плівку дво­оксиду кремнію, яка відіграє роль захисної маски (див. п. 2.1). Якщо врахувати також, що елементи кремнієвих ІМС можуть пра­цювати в широкому діапазоні температур з невеликими струма­ми втрат і допускають великі короткочасні перевантаження, то стає очевидною перевага використання кремнію в напівпровідни­кових ІМС.

Для виготовлення ІМС промисловістю випускаються кремнієві підкладки у вигляді тонких пластин круглої форми товщин зю не біль­ше 200—300 мкм і діаметром 40—60 мм. На поверхні або в об'ємі та­ких підкладок формуються елементи напів­провідникової ІМС. В основі формування еле­ментів на підкладці лежить планарна тех­нологія, яка дозволяє груповим методом об­робляти одночасно кілька десятків підкла­док з сотнями і тисячами напівпровіднико­вих ІМС на кожній. Після закінчення тех­нологічного циклу виготовлення елементів мікросхемі підкладки розрізаються алмаз­ним різцем або лазерним проминем на окремі кристали, які і являють собою напівпровідникові ІМС. Однак ще перед розділенням підкладки на окремі кристали проводять виміри електричних параметрів мікро­схем. Непрацюючі ІМС позначають фарбою.

Різноманітна структура кремнієвих підкладок суттєво визначає якість елементів мікросхеми. Найбільш простими є підкладки з моно­кристалічного кремнію, діелектричним шаром, на поверхні яких є плівка двооксиду кремнію (рис. 2.1, а). Недоліком таких підкладок є наявність порівняно великого заряду, який накопичується на межі поділу поверхні кремнію і діелектричної плівки із двооксиду кремнію, що погіршує параметри елементів мікросхеми. Такий недолік практич­но відсутній у кремнієвих структурах з комбінованим діелектриком, де на підкладку з кремнію товщинзю 250 мкм нанесена нижня плівка двооксиду кремнію, потім середня плівка нітріду кремнію товщиною 0,05 мкм і, нарешті, верхня плівка двооксиду кремнію товщиною 0,8 мкм. Таким чином, захисний шар на поверхні кремнієвої підклад­ки тришаровий.

Найширше застосування при виробництві напівпровідникових ІМС знайшла кремнієва основа епітаксійної структури (див. п. 2.1, рис. 2.2, а) з діелектричним шаром на поверхні підкладки у вигляді двооксиду кремнію або з комбінованим діелектриком. Товщина виро­щеного епітаксійного шару не перевищує 50 мкм і найчастіше стано­вить 5—15 мкм. Для покращання параметрів елементів напівпровід­никових ІМС між підкладкою і епітаксійним шаром вводиться так зва­ний прихований шар. На рис. 2.3 показаний поперечний переріз крем­нієвої епітаксійної структури, в якій між основою p-типу і епітаксій­ним шаром n-типу вмонтований прихований n⁺-шар. Зауважимо, що знак «+» підкреслює велику електропровідність даної області моно­кристала.

У напівпровідникових ІМС, виготовлених на монокристалах крем­нію, елементи ізольовані один від одного і від підкладки за допомогою зворотнозміщених p—n-переходів. Але такий перехід має ємність, яка виникає між елементами, що ізолюються. Ця так звана паразитна ємність погіршує роботу схеми на високих частотах. Тому разом з ді-одною ізоляцією в кристалі застосовують діелектричну ізоляцію ок­ремих елементів і областей. Напівпровідникові ІМС з діелектричною ізоляцією окремих областей виготовляють із застосуванням спеціаль­них кремнієвих підкладок. Такі підкладки являють собою структури полікристалічного кремнію, в яких за заданою топологією розміщені області монокристалічного кремнію провідності п-типу, ізольовані діелектриком у вигляді двооксиду кремнію. Двооксид кремнію має добрі ізолюючі властивості і малу діелектричну проникність. Кремні­єву структуру з діелектричною ізоляцією елементів без прихованого шару показано на рис. 2.4, а, а така сама структура, але з прихова­ним n⁺-шаром, який не виходить на поверхню підкладки, — на рис. 2.4,6. Слід зазначити, що процес виготовлення кремнієвих струк­тур з діелектричною ізоляцією елементів складається з великої кіль­кості додаткових технологічних операцій, що значно збільшує вар­тість мікросхеми.

В наш час як матеріал напівпровідникових ІМС дедалі більше застосовується арсенід галію, здатний забезпечити роботу мікросхеми при більш високій температурі, ніж кремній. Крім цього, ІМС на ос« нові арсеніду галію мають високу швидкодію і малі власні шуми.

Транзистори. Найбільш складними елементами ІМС є транзистори. Домінуюче місце в напівпровідникових ІМС займають біполярні і польові транзистори. Порівняльна оцінка ІМС на основі біполярних транзисторів і ІМС на основі польових транзисторів показує перспек­тивність останніх. Мікросхеми на основі польових транзисторів мають простішу технологію виготовлення, менші розміри елементів і біль­ший ступінь інтеграції.

Виготовляють біполярні транзистори, використовуючи кілька ви­дів планарної технології, які відрізняються способами утворення ізоляції між елементами ІМС. Найбільш широко застосовуються планарно-дифузійна і планарно-епітаксійна технології (п. 2.1).

Основою для створення біполярних транзисторів є n-острівці монокристального кремнію (див. рис. 2.1, д) або епітаксійного шару кремнієвої епітаксійної структури (рис. 2.2, а). На таких острівцях формуються планарні транзистори.

Значно частіше виробництво біполярних транзисторів здійснюють за. цланарно-епітаксійною технологією з використанням n-острівців епітаксійного шару, які мають електронну провідність (рис. 2.2, б). Переваги цієї технології розкриті в п. 2.1.

На рис. 2.5, а показаний поперечний переріз стандартного мало­сигнального інтегрального n—р—n-транзистора, виготовленого з ви­користанням n-острівця епітаксійного шару (рис. 2.2, б), а на рис. 2.5, б — топологія розміщення елементів транзистора на поверхні підкладки. Технологія формування n-острівців кремнієвої епітаксій­ної структури викладена в п. 2.1.

Транзисторна структура розміщується в об'ємі ізольованого ост­рівця з електронною провідністю, який являє собою також область колектора. Область бази р-типу і область емітера n⁺-типу формують в n-острівці двома послідовними дифузіями. Підвищений ступінь легу­вання кремнію емітерної області (n⁺) повинен забезпечувати хорошу інжекційну здатність останньої. Колекторна область знизу безпосе­редньо межує з p-підкладкою, а стінки з вертикальними p-областями, які утворилися під час першої роздільної дифузії домішки р-типу (див. рис. 2.2, б). Як правило, на підкладку подають від'ємний потен­ціал схеми. Коли вмикають у схему джерело живлення, колектори транзисторів перебувають під додатною напругою відносно підкладки, тому p—n-переходи, які розділяють сусідні колекторні області, змі­щуються в зворотному напрямі, ізолюючи транзистори.

Колекторний вивід C планарного транзистора розміщений на тій самій площині, що і виводи емітера E та бази B. Таке розміщення «зверху» колекторного виводу подовжує шлях колекторного струму Iс по колекторній області. Знизити опір колекторної області струмoві Iс можна, збільшивши провідність кремнію колектора (збільшивши концентрацію домішки в області колектора), однак при цьому сильно зменшується пробивна напруга ділянки колектор—база, яка в ліній­ному режимі закрита. Отже, такий транзистор не придатний для гене­рації сигналів великої амплітуди. Компромісне вирішується питання введення між колектором і підкладкою прихованого підшару n⁺-типу (див. рис. 2.3), який має дуже малий питомий опір — десяті частини ома на сантиметр. Тепер струм Iс значну частину шляху проходить через цей підшарок, що забезпечує малий власний опір колекторної області (одини­ці—десятки ом). Пробивна напруга ділян­ки колектор—база при цьому залишається досить високою (понад 30 В).

Товщина бази Wб (див. рис. 2.5,а) планарних біполярних транзис­торів n—р—n-типу дорівнює, як правило, 1 мкм. Збільшення товщини бази приводить до зниження коефіцієнта підсилення за струмом h₂₁і граничної частоти підсилення транзистора. Однак недоцільна також нерівність Wб < 1 мкм, оскільки при зменшенні Wб знижується до­пустима пробивна напруга ділянки база—емітер.

Як видно з плану розміщення інтегрального транзистора на під­кладці (рис. 2.5, б), розміри ізолюючої області, які приблизно дорів­нюють 60 х 90 мкм, значно перевищують розміри активної зони тран­зистора. Взаємне розміщення по площині виводів емітера, бази і ко­лектора, а також їх форма суттєво впливають на частотні властивості транзистора і його колекторний струм.

У виробництві напівпровідникових ІМС часто використовується структура з діелектричною ізоляцією окремих елементів (див. рис. 2.4). Поперечний переріз інтегрального біполярного транзистора, колек­торна область якого ізольована від сусідніх колекторних областей і підкладки за допомогою шару двооксиду кремнію (SiO₂), показано на рис. 2.6. Для цієї структури характерні значно кращі частотні власти­вості транзистора, малі втрати в ізоляції і низьке значення опору колекторної області. Тому така структура більш високовольтна і стійка до зовнішнього впливу. Слід підкреcлити, що при проектуванні мікросхем з діелектричною ізоляцією транзисторів спрощується робо­та над топологією схеми, оскільки відсутня необхідність стежити за закриттям ізолюючих переходів. Основним недоліком структури є підвищена складність технології виготовлення ІМС і велика площа, яку займають елементи мікросхеми.

Інтегральні транзистори р—n—р-типу мають гірші основні по­казники, ніж розглянуті вище n—р—n-транзистори. Часто це зв'язано з тим, що рухливість дірок як основних носіїв заряду в транзисторах р—n—р-типу нижча, ніж рухливість електронів як основних носіїв заряду в транзисторах n—р—n-типу. Крім того, є причина кон­структивно-технологічного характеру. Як видно із структури інте­грального біполярного транзистора р—n—р-типу, що показана на рис. 2.7, а, роль бази в ньому відіграє епітаксійний острівець з провід­ністю n-типу (колекторна область для інтегрального транзистора n—p—n-типу, рис. 2.5, а). Товщина базової області в цьому випадку не менше 5 мкм і коефіцієнт підсилення струму бази h₂₁ не перевищує кількох десятків. Для інтегральних транзисторів n—р—n-типу коефіцієнт підсилення струму бази становить 100 — 200 з розкидом ±30 %. Колекторна і емітерна області провідності p-типу (рис. 2.7, а) виготовляються одночасно з базовою областю транзистора n—р—n-ти­пу (рис. 2,5, а). На рис. 2.7, б показана топологія інтегрального р—n— р -транзистора.

Вольт-амперні характеристики і параметри інтегральних транзис­торів і дискретних біполярних транзисторів аналогічні, але відрізня­ються лише числовими значеннями.

Основними низькочастотними параметрами інтегральних транзисто­рів є коефіцієнт підсилення струму бази /г;іг, про який згадувалось чище, вхідний опір R_BX=h_11E і напруга на ділянці база—емітер U_(BE).

Вхідний опір визначається опором об'єму бази r_B = 50 ... 150 0м і опором емітерного переходу, перечисленим до кола бази, тобто

R_вх = r_B+ kT/qI_B= (50 ...150) +26 ^-3/ І_в,

де k — стала Больцмана; Т — абсолютна температура; q — заряд електрона при Т = 300 K; kT/q = 26 ³ В,I_в — струм бази. Напру­га U_be, при якій струм колектора різко підвищується від нульового значення, для кремнієвих інтегральних транзисторів дорівнює 0,5—0,7 В.

До високочастотних параметрів транзистора відносяться гранична частота f_r, на якій спрямлена залежність h_21E(f) зменшується до одиниці, і ємність колекторного переходу C_C. Гранична частота інтеграль­них біполярних транзисторів суттєво залежить від їх площі і лежить в межах 250 ... 1000 МГц. Ємність проміжку колектор—база С_CB=0,2 ... ... 2 пФ. На високих частотах необхідно також враховувати значну ємність між колектором і підкладкою С_CП = 0,8... 8 пФ і опір колек­торної області r_C = 10 0м.

Основними граничне допустимими параметрами є допустимий струм колектора Iс_доп та допустимі зворотні напруги колекторного Uc_дoï і емітерного U_EBдоп переходів. Всі перелічені параметри, особливо Iс_доп, суттєво залежать від площі інтегрального транзистора. Наприклад, змінюючи площу транзистора, можна змінювати в ши­роких межах Iс_доп = 10...750 мА. Для напруг на переходах харак­терні такі значення: U_CBдоп = 30 ...50 В при розкиді ± ЗО %, U_EBдоп= 6...8 В при розкиді ±5 %.

У цифрових мікросхемах як вхідні каскади широко застосовуються інтегральні біполярні багатоемітерні транзистори. Поперечний пе­реріз планарної структури багатоемітерного транзистора показаний на рис. 2.8. Це один з різновидів кремнієвого біполярного транзисто­ра, структуру якого зображено на рис. 2.5, а. Для багатоемітерного транзистора характерна наявність кількох (в даному випадку трьох) емітерних областей, розташованих в базовій області.

Технологія виготовлення інтегральних МДН (МОН)-транзисторів не відрізняється від розглянутої при виготовленні біполярних транзисторів. На рис. 2.9 показано поперечний переріз інтегрального МОН-транзистора з індукованим каналом р-типу. Такий транзистор може бути виготовлений одночасно з біполярним транзистором n—р—n-типу (рис. 2.5, а) на іншому острівці епітаксійного шару n-типу, як це покачано на рис. 2.9 При цьому області витоку S і сто­ку D МОН-транзистора формуються одночасно в циклі базової дифузії p-домішки для біполярного транзистора. Діелектриком між затвором G і кристалом напівпровідника служить двооксид кремнію. Таким чи­ном, кількість операцій при виготовленні інтегральних МОН-транзис-торів скорочується в 2—3 рази.

З цієї причини, а також завдяки меншим геометричним розмірам біполярних МОН-структур щільність пикування ІМС на цих структу­рах в кілька разів вища, ніж для біполярних транзисторів.

Оскільки одночасне формування високоякісних n—р—n- і р—n—p-транзисторів у складі однієї мікросхеми досить складний процес, то виготовляються окремі набори названих транзисторів. Та­кі набори є в складі серії К192 з коефіцієнтом підсилення струму бази h_21E, що становить 20—300. Зважаючи на те, що в розв'язанні багатьох схемотехнічних питань важливо мати узгоджені пари інтегральних бі­полярних і польових транзисторів, промисловістю налагоджено ви­пуск мікрозбірок, в складі яких є такі пари. Мікрозбірки узгоджених пар біполярних транзисторів з відносним розкидом h_21E, який пере­вищує 5—15 %, і різницею прямих спадів напруги база—емітер не біль­ше 3—15 мВ входять до серії К129. Узгоджені пари польових транзисто­рів з відносним розкидом струму сто­ку 5% утворюють серію К504.

Значне число транзисторів виго­товляється в безкорпусному вико­нанні. Вони є компонентами гібридних інтегральних мікросхем. З цією ж метою виготовляються транзисторні збірки типу ГТС609, КТС613, КТС631 і КТС622 з допустимою зворотною напругою U_CB = 20... ... 60 В.

Діоди. Оскільки напівпровідникові діоди являють собою однопе-рехідні структури, то при їх виготовленні в інтегральному виконанні можуть бути використані поодинокі р—n-переходи. Однак, виходячи з конструктивно-технологічних умов, як діоди звичайно використову­ють емітерний або колекторний р—n-переходи інтегральних біполяр­них транзисторів. Час відновлення таких діодів лежить в межах 10— 100 нc. На рис. 2.10 подано схеми вмикання біполярного транзистора, де як інтегральний діод використовуються колекторний (рис. 2.10, a, б)і емітерний (рис. 2.10, в, г) р—n-переходи.

Діоди на основі колекторного р—n-перехoду мають найбільшу до­пустиму зворотну напругу (до 50 В), але їх прямий опір також вели­кий. Найменший зворотний струм і найбільшу швидкодію мають діоди на основі емітерного переходу. Оскільки розкид пробивної напруги U_EB емітерного переходу незначний (±5 %), такий перехід доціль­но використовувати як стабілітрон. Для зменшення температурного дрейфу напруги пробою, що становить приблизно 2,4 мВ/К, послідов­но з емітерним переходом вмикається прямозміщений колекторний пе­рехід, який має додатний температурний дрейф у межах 1,5 ... 2 мВ/К. Найнижчу пряму напругу має діод, в якому використано емітерний перехід при короткозамкненому колекторному переході, найвищу — діод з емітерним переходом при розімкненому колекторі.

Перевагою інтегральних діодів, які виготовляються в одному кри­сталі і в єдиному технологічному цикчі з інтегральними транзистора­ми, є ідентичність тих характеристик обох типів приладів, які обумов­лені властивостями напівпровідникового матеріалу (інерційність процесів, час життя носіїв заряду та ін.). Це обумовлює високу якість ро­боти напівпровідникових IМС.

Фізичні принципи роботи, вольт-амперна характеристика і пара­метри інтегральних діодів аналогічні параметрам дискретних діодів, які відрізняються лише числовими значеннями.

В наш час промисловість освоїла випуск кремнієвих діодних мат­риць і збірок, до складу яких входять один або кілька діодів за зада­ною схемою ввімкнення. Такі матриці і збірки можна застосовувати як окрзмі функціональні вузли при проектуванні імпульсних та іншого роду схем. Вони виготовляються в складі серій мікросхем і орієнто­вані на кснхретні галузі застосування. Наприклад, збірки діодів для діодно-транзисторнзго осередку входять до складу цифрових мікро­схем серій К202, К217 і К221, характеризуються високою швидкодією при невеликому прямому струмі 2—10 мА і малій зворотній напрузі U_звор < 10 В.

Кснструктивно матриці і збірки виготовляються в безкорпусному, пластмасовому або металоскляному виконанні і призначені для вико­ристання в гібридних ІМС із загальною герметизацією. На рис. 2.1 I, a показано конструкцію діодної матриці типу КД917А, а на рис. 2.11, б — її принципову схему.

Резистори. В напівпровідникових ІМС як резистори використову­ють тонкий (порядку 3 мкм) шар напівпровідника емітерної або базо­вої області транзисторної структури, опір якого визначається кіль­кістю внесеної домішки в процесі її дифузії в острівці епітаксійного шару. Дифузія домішки в острівці резисторів при планарній техноло­гії відбувається одночасно з формуванням транзисторів або діодів в інших острівцях підкладки. Такі резистори називають дифузійними. Ізоляція дифузійних резисторів від інших елементів схеми здійснюєть­ся за допомогою закритих р—n-переходів.

На рис. 2.12, а показано дифузійний резистор, який виготовляють у базовому шарі біполярного транзистора n—р—n-типу. Від основи та інших елементів мікросхеми резистор відокремлений не менше ніж двома ввімкнутими назустріч р—n-переходами. Внаслідок цього при будь-якій полярності прикладеної напруги система цих р—n-перехо-дів буде закрита, що виключає необхідність подачі зміщення.

Топологія дифузійного резистора показана на рис. 2.12, б. Опір такої прямокутної пластинки визначається формулою

R - l/bh, (2.1)

де— , І, b, h— відповідно питомий опір матеріалу, довжина, ширина i товщина дифузійного шару пластинки. При l=b, тобто для квадратної пластинки, R = _кв= /h. Цю величину, що має розмірність опо­ру і не залежить від розмірів квадрата, називають опором квадрата резистивної плівки. Одиниця вимірювання _кв Ом/кв. При l=b(звичайно l> b) опір прямокутної пластини визначають із виразу (див. рівняння 2.1)

R= _кв (l/b)= _кв K_ф (2.2)

де К_ф = l/b— число квадратів із сторонами b, які вміщуються по довжині пластини l.

Опір квадрата резистивної смужки (його ще називають поверхне­вим питомим опором) _кв є важливим параметром, який характеризує провідність смугових резисторів.

Дифузійний резистор в області емітерного шару планарного біпо­лярного транзистора показаний на рис. 2.12, в. Опір такого резистора прямокутної форми визначається виразом (2.2). Від основи та інших елементів схеми він ізольований не менше, ніж трьома р—n-переходами, тобто дуже надійно. В лінійних ІМС іноді зустрічаються колектор­ні резистори, що мають смугу опору в колекторному шарі транзистор­ної структури.

Найбільш низькоомні дифузійні резистори в області емітерного ша­ру транзисторної структури, оскільки концентрація домішки в емітерному шарі найвища. Опір квадрата резистивної смуги для дифу­зійних емітерних резисторів дорівнює 2 ... 6 Ом/кв. Відносно високоомні напівпровідникові резистори в області базового і колекторного шарів планарнoго транзистора. При цьому питомий поверхневий опір області бази дорівнює 50—250 Ом/кв. Це дає можливість отримати до­цільні за розмірами резистори, опори яких лежать в межах від 10 0м до і 10 кОм з розкидом ±10—30 %.

Якщо в мікросхемі необхідно застосувати резистори з опорами в кілька десятків або навіть сотень кіло,ом, то виготовляють так звані стиснуті резистори (пінч-резистори) на основі біполярної або уніпо­лярної транзисторної структури. Поперечний переріз пінч-резистора на основі уніполярної транзисторної структури показано на рис. 2.12, г. Поперечний переріз p-каналу, що являє собою резисторну доріжку, зменшено зверху додатковою дифузією n⁺-типу. В залежності від дов­жин л, ширі;ня і товщини доріжки може бути одержано те чи інше зна­чення опору пінч-резистора. Однак такі резистори мають значну нелінійність і розкид більше 30—50%. Затвор резистивного МОН-транзистора в залежності від потрібного характеру навантаження (ці резистори широко застосовуються в ІМС як навантаження в колах з низькими потенціалами) може під'єднуватися до витоку, стоку або корпусу.

Негативну роль при роботі напівпровідного резистора відіграє паразитна розподілена ємність ізолюючого р—n-переходу. Незважаю­чи на дуже мале значення цієї ємності (2 ... 5 пФ) для резистора з опором 4—5 кОм, модуль загального опору суттєво змінюється вже на частоті порядку 10 МГц. Негативно впливають на роботу напівпровід­никових резисторів температурні зміни (порівняно високе значення ТКО).

Конденсатори. Використовуючи ті самі принципи планарної тех­нології, можна в кристалі ІМС одночасно з транзисторами і резисто­рами сформувати в інших острівцях підкладки або епітаксійного шару інтегральні конденсатори. Як конденсатори напівпровідникових ІМС використовуються ємності зворотно зміщених р—n-переходів бар'єр­ні ємності біполярної транзисторної структури або ємності МДН-структури. Номінали таких ємностей звичайно менше 100 пФ при розкиді ±20—30 %, номінальна напруга 7... 50 В.