62545 (Конструктивно-технологические варианты исполнения биполярного и полевого транзисторов в одном кристалле. Инжекционно-полевая логика)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КАФЕДРА РЭС

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

«КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ БИПОЛЯРНОГО И ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРОВ В ОДНОМ КРИСТАЛЛЕ. ИНЖЕКЦИОННО-ПОЛЕВАЯ ЛОГИКА »

МИНСК, 2009

При изготовлении биполярного и полевого транзисторов в одном кристалле возникает проблема оптимизации характеристик и физико-топологических структур в связи с необходимостью оптимизации одновременно двух биполярных транзисторов п⁺-р-п- и р-n-р-типов, создаваемых в одном кристалле.

Из описания принципа работы полевого транзистора с управляющим р-п переходом ясно, что одновременно обеспечить низкое напряжение отсечки и высокое напряжение пробоя р-п перехода затвор – исток полевого транзистора можно созданием тонкого и слаболегированного канала. Для обеспечения большого коэффициента передачи тока и высокой граничной частоты биполярного транзистора база также должна быть тонкой. Но при снижении степени легирования базы уменьшаются предельная частота усиления и напряжение прокола базы. Такая взаимосвязь конструктивно-технологических параметров областей и электрических характеристик транзисторов определила один из возможных путей создания интегрированных биполярных и полевых с управляющим электродом структур – формирование активных областей транзисторов различных типов с различной толщиной и степенью их легирования.

Один из вариантов такого рода структур, характеризующийся малым напряжением отсечки ПТУП, представлен на рис. 1. В данном случае уменьшение напряжения отсечки достигается за счет использования V-ПТУП. Технология изготовления данной структуры состоит из следующих этапов: в кремниевую подложку р-типа с эпитаксиальным слоем n-типа, содержавшую скрытый п⁺-слой и изолирующие диффузионные области р⁺-типа, проводится диффузия для формирования областей базы и канала р-типа. Затем с помощью фотолитографии вскрывается окно в окисном слое и осуществляется химическое травление базовой области в структуре ПТУП для образования V-образного углубления. Подложка имеет кристаллографическую ориентацию (100). Далее проводится диффузия для формирования областей n⁺ -типа эмиттера, затвора и омического контакта коллектора.

Рис. 1. Структура, содержащая биполярный и V- ПТУ П -транзистор:

/– подложка кремния р-типа; 2– эпитаксиальный слой; 3– скрытый слой; 4– изолирующие области; 5– базовая область; 6 – область канала р-типа; 7–V-образное углубление; 8– область эмиттера; 9- область затзора; 10– n⁺-область контакта коллектору

Этот конструктивно-технологический вариант изготовления микросхемы позволяет полностью совместить технологические операции формирования областей обоих типов транзисторов, но требует введения дополнительных операций фотолитографии и травления.

Обеспечить более точную регулировку концентрации легирующей примеси в канале, а следовательно и напряжения отсечки, по сравнению с диффузионной технологией, можно с помощью ионного легирования. Применение ионного легирования позволяет изготовлять микросхемы, содержащие на одном кристалле высококачественные биполярные транзисторы и высококачественные полевые транзисторы с точно согласованными параметрами. Структура, содержащая такие транзисторы, представлена на рис. 2. В ней одна ионно-легированная область образует канал р-типа между областями истока и стока, а вторая ионно-легированная область образует затворную область над этим каналом.

Такая технология включает операции диффузии базы, истока и стока, а также эмиттера и омических контактов коллектора и затвора. На следующих этапах изготовления микросхемы готовая пластина с диффузионными областями дополняется областями канала и затвора, формируемыми методом ионного легирования. Различие между структурой биполярный транзистор — ПТУП и структурой на основе обычной планарно-эпитаксиальной технологии заключается в наличии сформированного ионным легированием канала, заглубленного под поверхность полупроводникового материала в промежутке между областями истока и стока. В процессе изготовления этой структуры одна операция ионного легирования обеспечивает формирование канала p-типа между истоковым и стоковым контактами, которые представляют собой стандартные диффузионные области р-типа, формируемые одновременно с диффузией базы в биполярных транзисторах. С помощью второго ионного легирования формируется затворная область n-типа, закрывающая сверху область канала. Напряжение отсечки полевого транзистора с управляющим р-n переходом пропорционально суммарному количеству легирующей примеси, имеющемуся в его канале.

Рис. 2. Структура, содержащая биполярный транзистор и полевой транзистор с управляющим р-п переходом с ионно-легированным каналом (1) и ионно-легированным верхним управляющим затвором (2)

Рис. 3. Биполярно-полевая структура с диэлектрической изоляцией элементов, обеспечивающая высокий коэффициент усиления: 1– ионно-легированная область базы транзистора; 2– изолирующий окисел кремния; 3– поликристаллический кремний с большим удельным сопротивлением; 4–область канала полевого транзистора

При использовании диффузионной технологии напряжение отсечки полевых транзисторов контролируется очень плохо и получить два полевых транзистора с согласованными напряжениями отсечки почти невозможно. При переходе на формирование канала с помощью ионного легирования появляется возможность практически точно задать количество ионов примеси, необходимое для получения канала с заданными свойствами. В результате становится вполне реальным управлять абсолютными значениями напряжений отсечки и получить ПТУП с точно согласованными параметрами. В то же время формирование ионно-легированных каналов с малыми примесными концентрациями позволяет получить не только небольшие по абсолютному значению напряжения отсечки, но и высокие пробивные напряжения полевых транзисторов.

В рассмотренных выше вариантах структур биполярный транзистор — ПТУП особое внимание уделено обеспечению малых значений напряжения отсечки полевых транзисторов. Однако, при использовании этих структур в ОУ следует учитывать и необходимость обеспечения высоких электрических характеристик биполярных транзисторов, в частности, статического коэффициента передачи тока В. Для этих целей разработана структура биполярного транзистора с большим коэффициентом передачи тока, в которой область активной базы имеет низкую концентрацию легирующей примеси (N=2...4·10¹⁵ см^–3). Такой уровень легирования базы при ее малой толщине, обусловленной необходимостью обеспечения высокой граничной частоты и коэффициента передачи тока, достигается в данной структуре сочетанием ионной имплантации и диффузии.

Биполярно-полевая структура с диэлектрической изоляцией элементов, содержащая биполярный транзистор с большим коэффициентом В, изображена на рис. 3. Технологическая последовательность ее изготовления следующая: диффузия р⁺-областей, длительная диффузия для образования р-канала, ионное легирование и кратковременная диффузия р-области для образования базы биполярного транзистора, диффузия n⁺-областей для образования эмиттера биполярного и затвора полевого транзисторов.

При изготовлении биполярно-полевой каскодной схемы необходимо создание на одном кристалле биполярного п-р-п- и полевого с л-каналом транзисторов (рис. 4). В этой структуре полевой транзистор имеет кольцевую геометрию, а область канала полевого транзистора изолирована от коллектора биполярного транзистора диффузионными р-п переходами. Нижним затвором служит подложка. Для создания верхнего затвора проводится предварительная диффузия примеси бора с высокой поверхностной концентрацией и длительный диффузионный отжиг для заглубления р⁺-области затвора. Затем проводится диффузия бора с меньшей поверхностной концентрацией и менее длительным временем для формирования базы биполярного транзистора. В результате более высокой концентрации и более длительной диффузии бор в полевом транзисторе диффундирует глубже, чем в биполярном. Области п⁺-типа эмиттера и омического контакта коллектора биполярного транзистора, стока и истока полевого транзистора образуются одновременно диффузией фосфора.

Рис. 4. Биполярно-полевая структура с изоляцией элементов р-п переходами и n-канальным полевым транзистором: /— диффузионная область базы биполярного транзистора; 2— область изолирующей диффузии; 3— р⁺-область верхнего затвора полевого транзистора; 4— область канала полевого транзистора

Рис. 5. Биполярно-полевая структура, содержащая ПТУП с вертикальным каналом n-типа: /—область канала ПТУП; 2—р⁺ -область затвора: 3— скрытый слой; 4— изолирующая р- область', 5—р⁺ -область пассивной базы; 6— р^--область активной базы

Структура, в которой интегрированы малошумящий высокочастотный и-канальный полевой и биполярный n-р-n-транзисторы, изображена на рис. 5. Она отличается от приведенных выше структур тем, что содержит не горизонтальный, а вертикальный полевой транзистор. Важным преимуществом последнего является возможность формирования очень короткого канала и, тем самым, достижения высокого быстродействия.

При изготовлении этой структуры одновременно формируют n⁺-области эмиттера, контакта к коллектору, стока и истока; р⁺-область затвора может формироваться или при диффузии активной базы р-типа, или, что более эффективно, при создании заглубленной области р⁺-типа пассивной базы биполярного транзистора. В целях повышения воспроизводимости параметров структуры диффузия может быть заменена ионной имплантацией.

Вертикальный полевой транзистор при площади истока, равной 250 мкм², имеет предельную частоту усиления 7 ГГц, напряжение отсечки 2 В, напряжение пробоя исток — затвор 10 В. Следует отметить, что область истока с целью осуществления контакта выполняется шире канала и поэтому перекрывает диффузионные области затвора.

Недостатками такой конструкции полевого транзистора, обусловленными перекрытием затвором области истока, является повышенная емкость затвор — исток и малое напряжение пробоя. Перекрытие может быть исключено с помощью техники самосовмещения, но это требует дополнительных технологических операций. Трудность изготовления на одном кристалле биполярного и полевого с вертикальным каналом транзисторов заключается в выборе оптимального значения сопротивления эпитаксиального слоя, определяющего сопротивление канала и коллектора.

ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЕ БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ. ИНЖЕКЦИОННО-ПОЛЕВАЯ ЛОГИКА

Функционально-интегрированная структура, содержащая биполярный p-n-p-транзистор VT1 и полевой транзистор с управляющим р-п переходом VT2, показана на рис. 6. В ней совмещены коллекторная область биполярного р-n-транзистора с затворной областью и и-канального полевого транзистора, а также базовая область р-n-р-транзистора с истоковой областью полевого транзистора.

Эта структура является основой нового схемотехнического базиса логических элементов, использующего явление инжекции основных носителей заряда и полевой эффект и названного инжекционно-полевой логикой, выполняет функции инвертора и содержит полевой транзистор в качестве переключательного элемента, а в качестве нагрузочного элемента (генератора тока) — биполярный транзистор. Затвор полевого транзистора служит входом (рис. 6 а, б, в), а сток — выходом инвертора.

Рис. 6. Структура (а), топология (б) и эквивалентная электрическая схема (в) инжекционно-полевого инвертора

Инжекционно-полевой элемент работает следующим образом. Подключение базы и эмиттера р-n-р-транзистора соответственно к земле и к плюсовым электродам цепи питания при подаче на последние напряжения, равного напряжению открывания эмиттерного р-п перехода (0,3...0,6 В), обеспечивает протекание тока питания между эмиттером и коллектором р-n-р-транзистора. При этом р-n-р-транзистор включен по схеме с общей базой и является генератором постоянного тока, величина которого практически не зависит от напряжения на его коллекторе. Ток питания представляет собой ток неосновных носителей заряда, перемещающихся в базовой области р-n-р-транзистора, являющейся одновременно истоковой областью полевого транзистора. Неосновные носители заряда собираются (коллектируются) р-n переходом затвор — исток.