CC BY
214
Григорьев А. В.
Пензенский государственный университет
ПОДХОД К ИЗЛОЖЕНИЮ ТЕМЫ «ИЗОПЛАНАРНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР» БАКАЛАВРИАНТАМ КИТЭС
В [1] представлен, в общих чертах, предлагаемый автором подход к изложению темы «Эпитаксиально-планарный транзистор» бакалавриантам специальности «Конструирование и технология электронных средств». В настоящей публикации рассматривается вопрос, как донести до бакалавриантов этой специальности преимущества и недостатки эпитаксиально-планарного транзистора и пути устранения недостатков такого транзистора в транзисторе изопланарном.
Основное достоинство метода изоляции р-л-переходом — простота технологии формирования изолирующих областей р+-типа. Для их создания применяют такие же технологические процессы, (фотолито-
графию, диффузию примесей), что и для получения основных областей транзистора — базовой и эмит-терной. Однако изоляция р-л-переходом не является совершенной: обратный ток этого перехода резко увеличивается при повышении температуры и под воздействием ионизирующих облучений. Изолирующий переход вносит барьерную емкость, которая снижает граничную частоту аналоговых интегральных устройств и увеличивает задержку переключения импульсных схем.
Кроме того, изолирующие области р+-типа занимают значительную площадь кристалла (по сравнению с площадью основных областей транзистора), так как их ширина 2Из должна быть больше удвоенной толщины эпитаксиального слоя й/Эп — это условие связано с изотропностью процесса диффузии: примеси
диффундируют не только вглубь эпитаксиального слоя, но и в боковом направлении — под маску. Отметим также, что в структуре эпитаксиально-планарного транзистора большую часть занимают «лишние» с точки зрения его работы пассивные области, базы 5 и коллектора 3, не занятые контактами. По этим причинам на основе эпитаксиально-планарных транзисторов были разработаны и выпускаются промышленностью только микросхемы малой и средней степени интеграции.
Биполярные транзисторы являются наиболее сложными элементами биполярных микросхем, так как их структура содержит наибольшее количество областей с разным типом проводимости.
Другие элементы (диоды, резисторы) создаются одновременно с транзисторами в едином технологическом процессе. Поэтому для них используют аналогичные полупроводниковые области, которые принято называть в соответствии с областями транзистора. Так, на основе базового слоя получают резисторы. Эти элементы также размещают в специальных карманах, то есть изолируют от подложки тем же способом, что и транзисторы.
Биполярный транзистор с диэлектрической изоляцией
Наряду с биполярными транзисторами, изолированными р-л-переходом, применяют биполярные транзисторы с диэлектрической изоляцией (рисунокі).
I
1_Г
V77ZUZZ1
й
/ n+ 1 n+ /
/ p /
/ /А n /
n+ /
'///////У a/77
Поликристаллический кремний
К
Э
Б
Рисунокі - Структурная схема слоев биполярного транзистора с диэлектрической изоляцией
Основные отличия структуры такого транзистора состоят в том, что транзистор размещают в кармане, изолированном со всех сторон от подложки из поликристаллического кремния слоем диоксида кремния. Качество такой изоляции значительно выше, так как токи утечки диэлектрика на несколько порядков меньше, чем р-л-перехода при обратном смещении. Удельная емкость диэлектрической изоляции меньше, поскольку диэлектрическая проницаемость диоксида кремния приблизительно в 3 раза ниже, чем кремния, а толщина диэлектрического слоя может быть выбрана больше толщины изолирующего р-л-перехода.
Однако биполярные микросхемы с диэлектрической изоляцией не получили широкого применения вследствие сложной технологии создания карманов. Их достоинством является повышенная радиационная стойкость. У эпитаксиально-планарных транзисторов токи утечки изолирующих р-л-переходов резко возрастают при воздействии ионизирующего излучения, вызывающего генерацию большого количества неосновных носителей заряда. Ток утечки диэлектрика при этом остается принебрежимо малым.
Изопланарный биполярный транзистор
Основным методом изоляции элементов современных биполярных микросхем является метод комбинированной изоляции, сочетающий изоляцию диэлектриком (диоксидом кремния) и р-л-переходом, смещенным в обратном направлении. Существует большое количество разновидностей биполярных микросхем с комбинированной изоляцией. Широкое распространение получили микросхемы, создаваемые по изопланарной технологии.
Процесс создания структуры изопланарного биполярного транзистора начинается с того, что в высокоомной подложке р-типа методом локальной диффузии доноров формируется скрытый л+-слой (рисунок
2) .
Рисунок2 - Первый этап формирования структуры изопланарного биполярного транзистора На этом рисунке показаны приграничные участки слоев соседних транзисторов. Пленка диоксида кремния, используемая в качества маски при диффузии, заштрихована ///, в отличие от защитной пленки нитрида кремния, которая будет штриховаться \\\.
Затем на всей поверхности пластины наращивают тонкий ((1...3) мкм) эпитаксиальный слой л-типа. На полученную поверхность наносят слой нитрида кремния, из которого с помощью литографии формируют маску. Не закрытые маской участки эпитаксиального слоя подвергают травлению на глубину, приблизительно равную половине толщины эпитаксиального слоя.
1
Под вытравленными в эпитаксиальной пленке участками между скрытыми слоями л+-типа соседних транзисторов локальным ионным легированием бором создают области р+-типа. Назначения этих областей рассмотрим позднее.
Под вытравленными в эпитаксиальной пленке участками, расположенными не над промежутками между соседними скрытыми л+-слоями, а над самыми скрытыми слоями л+-типа, р+-области не создают.
При ионном легировании высокоэнергетические ионы пучка проникают через эпитаксиальную пленку и размещаются в богатой вакансиями области подложки вблизи границы с эпитаксиальным слоем.
За счет паразитной диффузии на последующих стадиях технологического процесса скрытые слои л+-типа и области р+-типа увеличится как в подложку, так и в эпитаксиальную пленку. На рисунке покажем эти области таких размеров, какие они приобретут к концу технологического процесса (рису-нок3).
РисунокЗ - Второй этап формирования структуры изопланарного биполярного транзистора Затем проводят селективное окисление кремния в вытравленных участках, где он не закрыт защитной маской, так, что нижняя граница окисленных областей попадает в скрытый л+-слой. Слой диоксида кремния растет как вниз, так и вверх. Поэтому после окисления при соответствующем выборе глубины травления восстанавливается почти плоская поверхность пластины.
Рисунок 4 - Третий этап формирования структуры изопланарного биполярного транзистора В результате образуются карманы, в каждом из которых размещена структура л-л+-типа, изолированная с боковых сторон толстым слоем диоксида кремния, а снизу — л+-р~—переходом.
После этого, пленку нитрида кремния удаляют и формируют маску из слоя диоксида кремния. В этой маске создают отверстия над будущими базовыми областями транзисторов. Базовый слой р-типа получают диффузией бора или ионным легированием бором. При этом, независимо от точности совмещения маски, боковые границы базового слоя совмещаются с границами изолирующего диоксида кремния, который сам служит маской. Таким методом получают самосовмещенную базу.
РисунокБ - Четвертый этап формирования структуры изопланарного биполярного транзистора Различные методы самосовмещения, широко применяемые в производстве современных микросхем, заключаются в использовании элементов структуры, созданных на предыдущих этапах изготовления микросхем, в качестве маски при последующем формировании каких-либо областей.
Затем восстанавливают слой диоксида кремния на всей поверхности и создают из него маску, используемую при диффузии фосфора в эмиттерную и контактную области л+-типа. При этом, ранее созданный базовый слой р-типа за счет диффузии углубляется в эпитаксиальную пленку. На этом этапе, применяют метод самосовмещения: в плоскости кристалла. Три границы эмиттерной области и все границы коллекторной контактной области определяются изолирующим диоксидом кремния, используемым вторично в качестве маски.
Рисунокб - Пятый этап формирования структуры изопланарного биполярного транзистора Вновь восстанавливают пленку диоксида кремния на всей поверхности пластины, вытравливают в ней контактные отверстия, напыляют слой алюминия, проводят его селективное травление и создают эмит-терный, базовый и коллекторный электроды и внутрисхемные соединения.
2
К
Э
Б
К
Э
Рисунок7 - Структура изопланарного биполярного транзистора
Главное преимущество изопланарного транзистора перед эпитаксиально-планарным состоит в том, что при одинаковой площади эмиттерных переходов общая площадь изопланарного транзистора, с учетом площади изолирующих областей, меньше почти на порядок. Поэтому, на основе изопланарных транзисторов можно создавать БИС и СБИС. Столь значительное снижение площади достигается за счет того, что диффузионные изолирующие области эпитаксиально-планарного транзистора на последующих стадиях технологического процесса самопроизвольно растут, в отличие от окисленных изолирующих областей изопланарного транзистора. По этой же причине и эпитаксиальный слой изопланарного транзистора в несколько раз тоньше такого же слоя транзистора эпитаксиально-планарного.
Кроме того, в конструкции изопланарного транзистора исключены пассивные области базы и эмиттера, не используемые под контакты, так как все боковые стенки базовой области и три боковые стенки эмиттерной области непосредственно граничат с изолирующим диоксидом кремния, а туда примеси не диффундируют.
Рассмотрим назначение областей с повышенной концентрацией акцепторов под изолирующими областями. Для этого посмотрим, что произошло бы, если бы этих областей не было. Известно, что на границе раздела кремний — диоксид кремния существует неподвижный положительный заряд. Концентрация этого заряда во много раз превышает концентрацию акцепторов и соответственно, дырок в р’-области (рисунок8).
SiO2 + + + + + + +
о-> Индуцир ованный канал n-типа n+ <-о «О
? t ? t
SiO2 + + + + + + +
n+ О О О О О О О n+
p
Рисунок8 -Противоканальнаяр+-область
Под влиянием этого заряда дырки отталкиваются вглубь подложки, а электроны из скрытых слоев л+-типа и подложки притягиваются к границе раздела. У поверхности под диоксидом кремния формируется инверсный слой: индуцированный канал л-типа.
В области р+-типа неподвижные отрицательные ионы акценторных примесей, концентрация которых превышает концентрацию поверхностного положительного заряда на границе раздела Si и SiO2, создают поле, удерживающее дырки. Контактная разность потенциалов в р+-л+-переходе препятствует движению основных носителей заряда электронов из л+-области в р+-область, а те электроны, которые приходят из р-подложки, рекомбинируют с дырками в р+-области.
Концентрация этих электронов во много раз меньше концентрации дырок в р+-области. Поэтому р+-область под изолирующим слоем SiO2 называют противоканальной.
л+-область под коллекторным выводом играет ту же роль, что и аналогичная ей область в эпитаксиально-планарном транзисторе.
Изопланарный транзистор по сравнению с эпитаксиально-планарным имеет лучшие импульсные и частотные параметры. Поскольку при одинаковых площадях эмиттерных переходов в сравниваемых транзисторах в изопланарном транзисторе значительно уменьшены площади коллекторного и изолирующего переходов, то, следовательно, пропорционально снижены и барьерные емкости указанных переходов. Емкости всех переходов дополнительно уменьшаются еще и потому, что боковые стороны эмиттера, базы и коллектора граничат с диоксидом кремния, имеющим меньшую, чем кремний, диэлектрическую проницаемость. Кроме того, уменьшена площадь боковых сторон базы и коллектора из-за снижения периметра этих областей и толщины эпитаксиального слоя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Григорьев А.В. Подход к изложению темы «Эпитаксиально-планарный биполярный транзистор» ба-калавриантамКиТЭС. // настоящий сборник.
3
