Материал: Конструирование микросхем и микросборок. Конспект лекций. Крюков Ю.Г

39

Министерство общего и профессионального образования Российской Фе­дерации

Воронежский государственный технический университет

Ю.Г.Крюков

Конструирование микросхем и микросборок

Конспект лекций Воронеж 1998

Составитель: докт. техн. наук, профессор Ю.Г.Крюков

УДК 621.396.9(075)

Конструирование микросхем и микросборок: Конспект лекций/ Воронеж. госуд. техн. ун-т. Сост. Ю.Г.Крюков. Воронеж, 1998. 37 с.

JSBN 5-230-04414-4

В работе рассмотрены принципы действия, структуры, характеристики и применение полупроводниковых микросхем, выполненных на основе биполяр­ных и полевых транзисторов.

Конспект лекций предназначен для индивидуальной работы студентов дневной и заочной форм обучения при изучении дисциплины “ Конструирова­ние микросхем и микросборок “ специальности 2000800 “ Проектирова­ние и технология радиоэлектронных средств.

Тематика конспекта лекций соответствует программе дисциплины, утверждённой методической комиссией радиотехнического факультета.

Рукопись набрана в текстовом процессоре Word 97 и размещена на дискете 3,5 дюйма в виде файла KMM_1.doc.

Ил. 22. Библиогр.: 5 назв.

Научный редактор доктор техн. наук, профессор Муратов А.В.

Рецензенты: кафедра физики полупроводников и микроэлектроники

Воронежского государственного университета;

доктор техн. наук П.А.Попов

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронеж­ского государственного технического университета.

 Воронежский государственный технический университет, 1998

Оглавление Введение 4

1. 1. Изоляция 5

2. Биполярные активные структуры 6

2. 3. Диоды 12

4. Униполярные МДП-транзисторы 14

5. Резисторы 21

6. Конденсаторы 23

7. Межэлементные соединения и контактные площадки 25

8. Диоды Шотки 26

9. Приборы с зарядовой связью 30

10. Инжекционные структуры 33

Библиографический список литературы 37 Введение

Современный радиоинженер конструктор-технолог радиоэлектронных средств (специальность 200800 “ Проектирование и технология радиоэлектронных средств “) должен обладать такими умениями и знаниями в области микроэлектроники, которые обеспечивают ему возможность проектирования микросхем и микросборок (МСБ) на основе новейших и перспективных в будущем технологических процессов изготовления как гибридных плёночных микросхем (ГИС), так и полупроводниковых интегральных микросхем (ИС), применяющихся в МСБ в виде корпусных или бескорпусных конструкций.

Грамотное конструирование микросхем и МСБ невозможно без знания плёночных структур ГИС и полупроводниковых ИС. Технологические про­цессы микроэлектроники в соответствии с государственными образовательным стандартом высшего профессионального образования по специальности 200800 изучаются в одноимённом курсе, а в учебной дисциплине ” Конструирование микросхем и микросборок “ рассматриваются вопросы проектирования ГИС и МСБ и приводятся общие представления о структурах, принципах действия и характеристиках полупроводниковых ИС. В связи с имеющейся обширной ли­тературой по полупроводниковым ИС в данном конспекте лекций приводятся в достаточно краткой форме обобщённые сведения о полупроводниковых ИС, необходимые для радиоинженера конструктора-технолога радиоэлектронных средств для конструирования МСБ.

В дальнейшем тексте абревиатура ИС используется для полупроводнико­вых ИС.

1. Изоляция

Технической основой ИС является современная полупроводниковая техноло­гия, позволяющая получить в объёме одного кристалла при использовании многократно повторяющихся в технологическом процессе локальной диффу­зии, эпитаксиального наращивания, окисления, фотолитографии и металлиза­ции области или структуры с различными электрофизическими параметрами, выполняющие функции обычных радиоэлементов. При этом формируемые элементы ИС должны быть электрически изолированы.

В настоящее время получили наибольшее распространение два метода изоляции: с помощью обратно-смещённого p-n перехода и при использовании диэлектрической плёнки. ИС, в которой изоляция осуществляется по первому методу, представляет собой четырёхслойную структуру с изолированными об­ластями n-типа в подложке p-типа (рис.1). При подаче на подложку

Рис.1. Структура изоляции двух транзисторов обратно-смещёнными

р-п переходами

отрицательного потенциала отдельные коллекторные области транзисторов изолируются друг от друга за счёт высокого сопротивления постоянному току смещённого в обратном направлении p-n перехода коллектор-подложка (рис.2).

В этом случае островки материала фактически соединены друг с другом и с

подложкой при помощи распределённых p-n переходов, поэтому в ИС создаются дополнительные паразитные емкости, не существующие при полной электрической изоляции.

В случае диэлектрической изоляции используется поликристаллическая кремневая подложка, а изоляцией служит двуокись кремния (рис.3). Этот тип изоляции исключает наличие паразитных диодов между изолированными эле­ментами схемы. В этом случае имеются паразитные ёмкости, обусловленные

электрическими свойствами изолирующего окисла, но их величина значительно

м еньше, чем в случае изоляции с помощью p-n переходов. Этот тип изоляции более совершенный, но процесс его изготовления сложнее и дороже.

Рис.2. Эквивалентная схема изоляции двух транзисторов обратно-

смещенными рп-переходами

Рис.3. Диэлектрическая изоляция

2. Биполярные активные структуры

Биполярный транзистор npn-типа является ключевым схемным элемен­том ИС. Он обладает лучшими характеристиками , чем транзистор pnp-типа , а технология его изготовления более проста . Остальные элементы ИС выбираются и конструируются таким образом , чтобы они совмещались с ос­новной структурой . Их изготавливают одновременно с созданием npn-транзи­стора на основе какой-либо из его областей . Таким образом , выбор физиче­ской структуры транзистора однозначно определяет основные электрические параметры ИС .

Самое широкое распространение получила вертикальные транзисторная n+pn-структура со скрытым подколлекторным n+-слоем (рис.4) . Этот транзистор изготовлен по планарно-эпитаксиальной технологии, оба pn-пере­хода получены диффузией примесей (в начале акцепторной в эпитаксиальный слой n-типа, затем донорной в только что сформированную область p-типа). В процессе первой диффузии формируется базовая область транзистора , pn-пе­реход база-коллектор (коллекторный) и pn-переход эмиттер-база (эмиттерный).

Вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора, что ведет к увеличению сопротивления тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора как в усилительном, так и в переключающем ре­жимах. Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и

Р ис.4. Вертикальная структура интегрального планарно-эпитаксиального

транзистора п⁺рп-типа

уменьшение ее удельного сопротивления снижает пробивное напряжение пере­хода коллектор-база и увеличивает емкость этого перехода, то есть тоже ухуд­шает характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного n+-слоя на границе коллектора и подложки , который обеспечивает низкоомный путь току от ак­тивной коллекторной зоны к коллекторному контакту , не снижая величины пробивного напряжения перехода коллектор-база . Конструктивно этот слой располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта . Толщина этого слоя составляет 2,5…10 мкм , типичные значения _s= 10…30 Ом/ .

Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной зоной (см. рис. 4 , где рабочая зона заштрихована). Для обеспечения необходи­мого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напря­жения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. Минимальные значения горизонтальных размеров прибора определяются двумя основными технологическими факторами: минимально достижимыми при фо­толитографии размерами окон в окисле и зазоров между окнами и глубиной бо­ковой диффузии примеси под окисел . Поэтому при проектировании транзи­стора учитывают , что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффу­зии p-базы и n+-области под коллекторным контактом. Назначение этой n+-об­ласти состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего алюминиевого контакта к слаболегированной n-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с пределом растворимо­сти около 10¹⁸ атомов/см³. Уровень же легирования эпитаксиального слоя n-типа, составляющего тело коллектора, равен 10¹⁵ …10¹⁶ атомов /см³. Он диктуется, как уже сказано, необходимостью увеличить напряжение пробоя пе­рехода коллектор-база. Расстояния между изолирующей областью p-типа и элементами транзистора определяются также эффектом боковой диффузии. Они должны быть равны примерно толщине эпитаксиального слоя, которая составляет обычно 3,5…12 мкм.

Эмиттерный и коллекторный переходы транзистора не являются незави­симыми. Взаимодействие между ними обеспечивается малой шириной базы W (см. рис. 4 , где база выделена пунктирной линией). У современных транзисто­ров W < 1 мкм , теоретически минимальное значение W может быть равным 0,03…0,05 мкм . Диффузионная длина носителей тока гораздо больше ширины базы и составляет 5…10 мкм . Основные свойства транзистора определяются процессами в базе . Если база легирована активной примесью однородно , то движение носителей в ней чисто диффузионное . Если же в базе имеется гради­ент концентрации примеси , то в ней есть внутреннее электрическое поле и то­гда движение носителей в ней будет комбинированным . Транзисторы с одно­родной базой называют бездрейфовыми , с неоднородной – дрейфовыми . Дрейфовые транзисторы имеют в ИС наибольшее распространение.

При нормальном включении транзистора на эмиттерном переходе дейст­вует прямое напряжение, а на коллекторном – обратное (рис. 5). При этом элек­троны инжектируются из эмиттера в базу, проходят через нее почти без потерь и попадают в коллектор, находящийся под положительным потенциалом. Кол­лектор собирает электроны, поступившие из эмиттера в базу. Сопротивление

Рис.5. Нормальное включение п­⁺рп-транзистора, работающего в активном режиме

обратносмещенного коллекторного перехода велико – несколько мегом. По­этому в цепь коллектора можно включать большие сопротивления нагрузки , не изменяя величины коллекторного тока и обеспечивая выделение в ней значи­тельной мощности . Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода , наоборот , довольно мало ( от единиц до нескольких десятков Ом ) . Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера , оказы­вается намного меньше, чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следова­тельно, транзистор способен усиливать мощность, то есть он является у с и л и т е л ь н ы м п р и б о р о м.

В принципе эмиттер и коллектор в схемных включениях транзистора можно поменять местами: на коллекторный переход задать прямое напряжение, а на эмиттерный - обратное. Такой режим работы называют и н в е р с н ы м в к л ю ч е н и е м. Передача тока при инверсном включении значительно хуже, чем при нормальном по следующим причинам: концентрация активных приме­сей в коллекторе на несколько порядков меньше, чем в эмиттере, из-за чего электронная составляющая коллекторного тока мала; площадь эмиттера меньше площади коллектора и на неё может попасть только часть электронов, инжектируемых коллектором.

Нормальное и инверсное включения обеспечивают а к т и в н ы й р е ж им работы транзистора как усилительного прибора. Возможны ещё два варианта включения: при прямом смещении и эмиттерного и коллекторного pn-перехо­дов транзистор будет работать в р е ж и м е н а с ы щ е н и я; при подаче об­ратного смещения и на эмиттерный и на коллекторный переходы транзистор будет работать в р е ж и м е з а п и р а н и я (о т с е ч к и).

Биполярные транзисторы могут иметь различные топологические струк­туры. Две типичных конфигурации интегральных транзисторов показаны на рис. 6. Для асимметричной конфигурации (рис. 6,а) характерно протекание

Рис.6. Асимметричная (а) и симметричная (б) топология биполярных интегральных транзисторов

коллекторного тока к эмиттеру только в одном направлении; при симметричной конфигурации (рис. 6,б) коллекторный ток протекает к эмиттеру с трёх сторон, и сопротивление коллектора оказывается примерно втрое меньше, чем асим­метричной конфигурации. Для симметричной конфигурации облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней оказывается возможным часть коллекторной области разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминие­вую полоску к эмиттерной или базовой области. На рис.6а, даны типичные то­пологические размеры (в мкм) для ИС средней степени интеграции.

В биполярных транзисторах входной управляющей величиной является либо ток базы, либо ток эмиттера, а выходными управляемыми величинами –либо эмиттерный, либо коллекторный токи, при этом транзистор может быть включён по любой из шести возможных схем включения. Связь между этими токами записывается в виде следующих уравнений:

_К = , , , (1)