Коледов Л.А. - Технология ИС (1086443), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Характерно, что („уменьшается пропорционально квадрату длины резистора. Для типичного ДР на базовом слое (р,=200 Ом/с1, 1=! мм, (г=10 мкм) /„!0...15 мГц. Это означает, что резистор имеет чисто активное сопротивление только до указанных частот, при более высоких частотах его сопротивление становится комплексным. При использовании диэлектрической изоляции вместо изоляции р-и переходом )гр для одной и той же конструкции резистора может быть выше в несколько раз. Тонкопленочные резисторы. В совмещенных микросхемах поверх слоя защитного диэлектрика могут быть сформированы тонкопленочные резисторы. По сравнению с полупроводниковыми они имеют следующие преимущества: более высокие значения /„, меньшие значения паразитных параметров, более высокая точность изготовления, низкий ТКС. 2.6. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлектрика могут выполнять обедненные слои обратносмещенных р-и переходов или пленка окисла кремния, роль обкладок — легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки.
Характеристики конденсаторов полупроводниковых микросхем невысоки, а для получения больших емкостей необходимо использовать Рнс. 2.27. Варианты формирования интегральных диффузионных нонденсаторов на основе р-и переходоа 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 (С,), база — коллектор (Сз), эмиттер — база ~ (Сз), переход р-области изолирующей диффузии и п+-область скры- ( того слоя (С»)- Варианты С~ и С» не могут быть реализованы в ! микросхемах с диэлектрической изоляцией. Поскольку ширина обедненного слон обратносмешенного перехода зависит от напряжения, емкость ДК тоже меняется с изменением напряжения.
Удельную емкость любого полупроводникового перехода можно аппроксимировать формулой со К.(17(!), где , К вЂ” коэффициент пропорциональности, зависящий от уровня легиро- 1 1 вания диффузионных областей, показатель гпе=[ —; — (, причем 3' 2 777='/т 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).. рнс. 2.29. Конструкцня ннтегрального МДП-конденсатора: ~- в ркняя об алка, 7- ал е нй внв л ннж й обкл лкн; 5.. л. жка р-типа, » но лекс рнан л области, 5 лт слой (ннжнян б.
алкаа «онлеасвтора й б- тонкий кисел »лнвлетр к к ленса раи 7 в толе ий н ел Рнс. 2.28. Конструкция интегрального диффузионного конденсатора: »вЂ л нинневии навал ер ей обкладки обклал н оиынслтора, 5- ноктакт к поп жк, поаложка р.т а. 5 в к плен»ар аи и б с р. с асти » р ян обкл л«а навис»тора н 7 в пленка ониска кре ния К недостаткам ДК можно отнести необходимость обеспечения их строго определенной полярности (рис. 2.27), так как условием нормальной работы ДК является обратное смешение !7-л перехода.
МДП-конденсаторы. Их конструкция представлена на рис. 2.29. Нижней обкладкой служит эмиттерный п -слой, верхней — пленка А1 Диэлектриком служат тонкие слои 5!Оз или 5!з(х!», последний предпочтителен в связи с большей со (е нитрида выше, чем окисла кремния), но 5!Оз 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 А1з05, во втором Таз05.
Диэлектрическая постоянная Таз05 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 нз 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 (77, )»2 совмещены с коллекторами транзисторов )77!', )772' соответственно. Для увеличения сопротивления резисторов (7! и )72 одновременно с формированием базовых областей транзисторов проведена диффузия примеси р-типа электропроводности, за счет чего уменьшено поперечное сечение резисторов (см. $2.5). Формирование еще ( 2 тгс Рнс. 2.30.
Схема (а) к конструкция (б) триггера, в которой совмепсеяы коллекторы ключевых транзясторов с нагрузочнымя резисторами н бэзвмн трапэнсторов связя й! лишь двух р-областей с контактами позволяет использовать вертикальные р-и-р-структуры в качестве транзисторов связи )гТ!и и )гТ2". Таким образом, здесь совмегцены функции и-области. Она выполняет роль коллектора транзисторов )гТ!' и (уТ2', базы транзисторов 7Т!' и ((Т2", сжатых резисторов Ттзу, )с2. В БИС по-иному на основе функционально-интегрированных элементов организованы цепи электропитания: традиционные резистивные 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-и-р-транзисторы. На рис. 2.31 функционально-интегрированные элементы выделены штриховой линией. Конструктивно-топологическое решение и) Рнс. 2 31. Функцяонально-ннтегрнрованный элемент с транзисторной цепью электропитания: а злевтрячесввя слева; 6 — тсяслствя; в — мясречвва разрез цепи электропитания элемента, изображенного на рис. 2.31, реализовано таким образом, что базовая область р-и-р-транзистора одновременно является эмиттером переключающего п-р-п-транзистора, а база и-р-и-транзистора одновременно выполняет функции коллектора р-и-р-транзистора.
Функционально-интегрированный элемент, представленный на рис. 2.31, на поверхности кристалла имеет только функциональные межэлементные соединения. Шины элекропитания в нем образованы подложкой н 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 И'Л (см. рис. 1.19), в которой одна область служит базой транзистора и-р-л-тнпа и одновременно коллектором горизонтального транзистора р-и-р-типа, а другая — область эмнттера транзистора и-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!). 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 плошадью, отводимой под транзистор, и даже превышает ее (см. 39 Э Б К бу Б) а) Э Б К Я5 а) Рис. 2.32. Конструкции интегральных биполярных транзисторов с изоляцией обратно- смещеииыми р-и переходами, наготовленных по планарно.зпитаксиальиой техноло- гии (а) и по технологии коллекторной изслируюнгей диффузии (б) рис. 1.!О).
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 л -слоем и используется в качестве коллекторной области транзистора. Изоляция элементов полупроводниковых микросхем с помощью обратносмещенного р-я перехода кроме указанного имеет и другие принципиально неустранимые недостатки. К ним относятся: большая паразитная емкость изолирующих р-и переходов и появление дополнительных паразитных элементов в структуре микросхемы; необходимость подачи на изолирующий р-я переход определенного по величине и знаку напряжения смешения; наличие четырехслойных структур и-р-и-р и р-л-р-п-типа, которые обладают положительной обратной связью по току, вследствие чего при воздействии на иих ионизирующих факторов увеличение тока через эти структуры будет приводить к еще большему его возрастанию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
