Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 43

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 43)

К рассмотренному технологическому циклу необходимо сделать несколько дополнительных замечаний. В последнее время промышленность начала выпускать пластины с уже осуществленными эпитаксиальным слоем и скрытым и'-слоем. В таком случае первые пять операций отпадают. В п.10 отмечено, что диффузия бора на этапе базовой диффузии — двухстадийная («вагонка» и «разгонка»). Такое, казалось бы, усложнение процесса имеет серьезные основания и является общепринятым. Дейстэнтелъно, для того чтобы коэфФициент ннжекцнн эмнттерного перехода составлял не менее 0,999„концентрация прнмесн э змнттерном слое должна превышать концентрацию в базовом слое не менее 236 тм. Разиовядноств л-р — а-транзисторов чем в 100 раз (см.

(5.24)). Между тем предельные растворимости бора и фосфора при оптимальных температурах различаются всего в 3 раза (см. табл. 6.1). Для того чтобы преодолеть это противоречие, нужно понизить приповерхиостную концентрацию бора. Это можно сделать несколькими способами. Можно проводить диффузию бора при столь низкой температуре„ при которой его предельная растворимость будет в 100 раз меныпе„ чем у фосфора; однако тогда коэффициент диффузии уменыпится на несколько порядков и диффузию придется проводить в течение ряда суток или даже недель. Можно понизить температуру в зоне источника диффузанта и таким образом создать «диффузантный голод» вблизи поверхности пластины; однако этот процесс трудно контролируется.

таким образом, двухстадийная диффузия оказывается оптимальным решением: во время «разгонки» поверхностную концентрацию легко уменьшить в десятки раз и более (см. Рис. 6.7, б). Температуру «разгонки» делают на 150 — 200 'С больше, чем температура «вагонки», чтобы повысить коэффициент диффузии примеси и сократить время процесса. Типичное время «вагонки» составляет 20-40 мин (при температуре 1000-1050 'С), а «разгонки» вЂ” несколько часов (при температуре около 1200 'С).

Внедрение фосфора на этапе эмиттерной диффузии (п.12)— последняя высокотемпературная операция в цикле (температура выбирается на 100-150 'С ниже температуры «разгонки» бора, чтобы не изменить глубину коллекторного р — и-перехода). Длительность этой операции определяет толщину и+-слоя, а значит, и ширину базы транзистора. У современных планарных транзисторов типичная ширина базы составляет 0,4-0,5 мкм. В заключение заметим, что в результате неоднократных опеРаций фотолитографии, окисления и диффузии рельеф окисной пленки перед металлизацией оказывается сложным — многоступенчатым.

В ряде случаев зто затрудняет получение хорошей адгезии алюминия с поверхностью окисла. Обычно на рисунках, иллюстрирующих структуру (разрез) транзисторов или ИС, многоступенчатость окисла для простоты не показывают. 7.4. Разновидности и — р — гь-транзисторов В процессе развития микроэлектроники появились некотоРые разновидности и — р — и транзисторов, не свойственные дискРетным электронным схемам и не выпускаемые в виде дискретных приборов. Ниже рассматриваются наиболее важные из этих Разновидностей.

Глава 1. Элементы интегральных схем 236 Многоэмиттерный транзистор. Структура многоэмиттерного транзистора (МЭТ) показана на рис. 7.18, а. Такие транзисторы составляют основу весьма распространенного класса цифровых ИС вЂ” так называемых схем ТТЛ (см. равд. 10.2). Количество эмиттеров может составлять б-8 и более. К 31 Э2 ЭЗ Б К Э1 32 ЭЗ Б б) Э1 Э2 ЭЗ К Прямое Обратное смещение смещение Э1 32 ~» о) Рис. 116 Многозмиттерный транзистор а — топология и структура, 6 — схемные модели, е — взаимодействие между смежными змиттерами В первом приближении МЭТ можно рассматривать как совокупность отдельных транзисторов с соединенными базами и коллекторами (рис. 7.1б, б). Особенности МЭТ как единой структуры следующие (рис. 7.18, 6).

Во-первых, каждая пара смежных эмнттеров вместе с разделяющим их р-слоем базы образует горизонтальный (иногда говорят — продольный) транзистор типа и+-р-пт. Если на одном из эмиттеров действует прямое напряжение, а на другом обратное, то первый будет инжектировать электроны, а второй будет собирать те из них, которые инжектированы через боковую поверхность эмиттера и прошли без рекомбинации расстояние между эмиттерами. Такой транзисторный эффект является для МЭТ паразитным: в обратносмещенном переходе, который должен быть запертым, будет протекать ток. Чтобы избежать горизонтального транзисторного эффекта, расстояние между эмиттерами, вообще говоря, должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое.

Если транзистор легирован зо- 237 тд. Разновнцности п-р-и "транзисторов лотом (см. с. 232), то диффузионная длина не превышает 2-3 мкм и практически оказывается достаточным расстояние 10 — 15 мкм. Во-вторых, важно, чтобы МЭТ имел как можно меньший инверсный коэффициент передачи тока. В противном случае в инверсном режиме, когда эмиттеры находятся под обратным напряжением, а коллектор под прямым, носители, инжектируемые коллектором, будут в значительной мере достигать эмиттеров, и в цепи последних, несмотря на их обратное смещение, будет протекать ток — паразитный эффект, аналогичный отмеченному выше.

Как известно, инверсный коэффициент передачи всегда меньше нормального из-за различий в степени легирования и в площадях эмиттера и коллектора (см. с. 142). Чтобы дополнительно уменьшить инверсный коэффициент аэ в МЭТ, искусственно увеличивают сопротивление пассивной базы, удаляя омический базовый контакт от активной области транзистора (рис. 7.16, о). При такой конфигурации сопротивление узкого «перешейка» между активной областью и базовым контактом может составлять 200-300 Ом, а падение напряжения на нем от базового тока 0,1-0,15 В.

Значит, прямое напряжение на коллекторном переходе (в инверсном режиме) будет в активной области на 0,1-0,15 В меньше, чем вблизи базового контакта. Соответственно инжекция электронов из коллектора в активную область базы будет незначительной и паразитные токи через эмиттеры будут практически отсутствовать. Многоколлекторные и-р-н-транзисторы.

Структура многоколлекторного транзистора (МКТ), показанная на рис. 7.17, о, не отличается от структуры МЭТ. Различие состоит лишь в использовании структуры. Можно сказать, что МКТ вЂ” этно МЭТ, используемый в инверсном режиме. общим эмиттером является эпитаксиальный п-слой, а коллекторами служат высоколегированные п~-слои малых размеров. Такое решение составляет основу одного из популярных классов цифровых ИС вЂ” так называемых схем инжекционной логики ИзЛ (см. раздел 10.3)1. Эквивалентная схема МКТ показана на рис.

7.17, б. З Специфичность МКТ в схемах И'Л вЂ” способ питания, но их основные свойства такие же, как рассматриваемые ниже Глава 7. Элементы интегральных схем 238 Э К1 К2 КЗ Б Э~ К)К2КЗ Б К1 К2 Б К1 К2 КЗ 3 а) б) в) Рис. 7.17. Многоколлекторный транзистор: а — структура„. б — схемные модели; з — траектория движения инжектированиых носителей Главной проблемой при разработке МКТ является увеличение нормального коэффициента передачи тока от общего и-эмиттера (инжектора) к каждому из пэ-коллекторов.

Естественно, что эта проблема — обратная той, которая решалась в случае МЭТ, когда коэффициент передачи от и-слоя к и"-слоям старались уменьшать. В данном случае желательно, чтобы скрытый п'-слой располагался как можно ближе к базовому или просто контактировал с ним (как, например, при ИКД технологии). Тогда этот высоколегированный и+-слой, будучи эмиттером, обеспечит высокий коэффициент инжекции. Что касается коэффициента переноса, то для его повышения и+-коллекторы следует располагать как можно ближе друг к другу, сокращая тем самым площадь пассивной области базы.

Оба эти пути, конечно, ограничены конструктивно-технологическими факторами. Тем не менее, даже при сравнительно разреженном расположении коллекторов, можно получить коэффициенты передачи на всю совокупность коллекторов а = 0,8-0,9 или коэффициенты усиления В = 4 — 10. Этого достаточно для функционирования схем И2Л, если число коллекторов не превышает 3 — 5'. На рис. 7.17, в показаны траектории движения инжектированных носителей в базе. Как видим, носители двигаются так, что их доля, попадающая на коллекторы, существенно больше, чем если ее рассчитывать по формальному отношению площади коллектора к площади эмиттера. Именно поэтому реальный ко- 1 Коэффициент усиления в расчете на один коллектор равен общему коэффициенту усиления, поделенному на число коллекторов. Для приведенных значений общего коэффициента В коэффициент усиления на один коллектор превы. тает единицу, что и требуется в схемах И Л.

тли Рааноаилиостн в-р — н-траиаисторов 239 эффициент В имеет те сравнительно большие значения, которые приведены выше. Следовательно, при расчете коэффициентов и и В нужно использовать не геометрические, а эффективные площади, о чем уже говорилось на с. 142 применительно к инверсному включению транзисторов. Из рис. 7.17, в видно также, что средняя длина траектории носителей значительно превышает толщину активной базы ю. Поэтому среднее время диффузии будет значительно меньше, чем у МЭТ и отдельных транзисторов (см. (5.47)). Разница во временах пролета еще больше, поскольку в МКТ поле базьс для инжектированных носителей является не ускоряющим.

а тормозящим. Время пролета с„р составляет не менее 5 — 10 нс, а соответствующая предельная частота ~, — не более 20-50 МГц (ср. с параметрами в табл. 7.2). С другой стороны, коллекторная емкость С, у МКТ значительно меньше, чем у МЭТ и обычных транзисторов, из-за малой площади и+-коллектора. Поэтому в выражениях (5.68) и (5.69) членами ф„и С"В„часто можно пренебречь. Транзистор с барьером Шоттки. Назначение и принцип действия такого транзистора (ТШ) рассмотрены в разделе 8.4.

Характеристики

Список файлов книги