ГЛАВА 7 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Микроэлектроника — раздел электроники, в котором на основе физических принципов твердотельной электроники и новых про­цессах групповой технологии разрабатываются микроэлектронные приборы, интегральные схемы и системы на кристалле.

Интегральная схема (Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, ^J

silicon chip) представляет собой микроэлектронное устройство, из- ¹

готовленное на полупроводниковом кристалле и помещенное в не­разборный герметичный корпус. }

Основной тенденцией в развитии микроэлектроники является J

рост степени интеграции приборов на одном кристалле интегральной схемы и расширение их функциональных возможностей (рис. 7.1). э

Один из основателей фирмы «Intel» Гордон Мур высказал предпо- ₃

ложение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваи- ₃

ваться каждые два года. Это эмпирическое предположение вскоре _э

получило название закон Мура и стало на десятилетия ориентиром для инженеров и исследователей. Если в 1980 г. стояла задача дос­тижения технологической нормы производства микропроцессоров в 1 мкм, то в 1990 гг. встала задача внедрить технологическую нор- му в 0,1 мкм. В первой декаде XXI в. ищут пути преодоления барь- ера в 0,01 мкм. Полагают, что закон Мура будет действовать еще не одно десятилетие.

Интегральные схемы в основном производят по планарной тех- нологии, в соответствии с которой формирование их структур про­изводится с одной стороны полупроводниковой подложки. С ЭТОЙ ^

целью в прецизионных технологических процессах в приповерхно- ^

стном эпитаксиальном слое монокристаллической пластины созда- ^

ют локальные области с заданным типом проводимости. Эта техно- Тц

Рис. 7.1. Годовой рост числа транзисторов в микропроцессорах фирмы «.Intel»

логия получила название эпитаксиально-планарной и является ос­новой производства интегральных схем.

По физическому принципу работы интегральные транзисторы условно можно разделить на три основных класса: униполярные (по­левые); биполярные; квазипланарные транзисторные структуры.

В униполярных транзисторах физические процессы протекания электрического тока в полупроводнике обусловлены носителями заряда одного знака — электронами или дырками. Основным фи­зическим процессом перемещения носителей является дрейф в электрическом поле.

В биполярных транзисторах физические процессы обусловлены переносом носителей заряда обоих знаков. В основе работы лежат процессы инжекции неосновных носителей, диффузии и дрейфа основных и неосновных носителей тока. В настоящее время из­вестно большое число различных типов транзисторов. На основе интегральных транзисторов формируют различные пассивные и ак- вные элементы: емкости, резисторы, диоды, транзисторы.

К квазипланарным транзисторным структурам отнесем транзи- рные структуры, которые могут иметь объемную структуру вне Дложки, использующие различные физические явления в полу- оводниках. К таким структурам отнесем, например: транзисторы па Terahertz; транзисторы с проницаемой базой; баллистические

транзисторы; МОП-транзисторы с управляемой проводимостью канала; МОП-транзисторы с двойным затвором.

В рамках данного курса микроэлектроники будут рассматри­ваться интегральные транзисторные структуры, применяемые в ин­тегральных схемах различных типов.

7.1. Интегральные униполярные транзисторы

Транзисторы с изолированным затвором — это полевые, или уни­полярные, планарные транзисторы, в которых управление происхо­дит под действием электрического поля, перпендикулярного току.

На рис. 7.2 приведена конструкция полевого транзистора с изо­лированным затвором. Проводящий слой, по которому протекает ток, называют каналом.

Различают р- и «-канальные транзисторы. Каналы могут быть приповерхностными и объемными, горизонтальными и вертикальными.

Транзисторы с приповерхностным каналом имеют структуру металл — диэлектрик — полупроводник (МДП). Такие транзисто­ры принято называть МДП-транзисторами. Если диэлектриком яв­ляется диоксид кремния 8102, то это МОП-транзисторы. В свою очередь, приповерхностные каналы делятся на обогащенные или обедненные носителями заряда либо инверсионные слои. Их фор­мирует внешнее электрическое поле. Обедненные каналы — участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обед­ненным слоем. МДП-транзистор с индуцированным каналом име­ет три электрода: исток, сток и затвор (см. рис. 7.2). Исток и сток формируют методом диффузии или методом ионной имплантации.

авляюшим электродом является затвор — металлический элек- од перекрывающий канал между истоком и стоком. Иногда ис- |ок напрямую замыкают на электрод подложки.

Если на электроды подан нулевой потенциал, то вблизи /^-об­ластей истока и стока имеются области объемного заряда, возни­кающие за счет разности работ выхода электронов из полупровод­ника с различными типами электропроводности. Между истоком и стоком при 11т ~ 0 существует большое сопротивление, эквива­лентное сопротивлению двух встречно включенных диодов при ну­левом смещении, поэтому при подаче напряжения Ьси ток во внешней цепи будет мал. Если на затвор подать отрицательное на­пряжение, то приповерхностный слой обогатится дырками, но это не изменит ток во внешней цепи.

Если на затвор подать положительное напряжение и_ш >0, то под действием электрического поля основные носители (дырки) «отожмутся» полем в глубь полупроводника (эффект поля). В полу­проводниках эффектом поля называют изменение концентрации свободных носителей заряда в приповерхностном слое под дейст­вием внешнего электрического поля, перпендикулярного каналу. Сначала образуется обедненный слой (объемный заряд акцепто­ров), куда устремляются неосновные носители — электроны. У са­мой поверхности границы раздела полупроводник — диэлектрик, электроны образуют инверсионный слой — проводящий канал. Это произойдет тогда, когда концентрация неосновных носителей (электронов) превысит концентрацию основных. В зависимости от приложенного к затвору потенциала меняется толщина инверсион­ного слоя. Такой тип канала называют индуцированным. Ток стока резко возрастает и в дальнейшем зависит от напряжения Цсц.

Толщина индуцированного канала зависит от технологии про­изводства транзисторов и обычно лежит в пределах долей наномет­ра. Напряжение на затворе, при котором образуется канал и тран­зистор начинает работать, называют пороговым Щ. На рис. 7.3 при­ведено семейство стоко-затворных вольт-амперных характеристик МДП-транзисторов. Пороговое напряжение ¿7₀ определяется удель­ной емкостью затвор — канал, зонной диаграммой металл — ди­электрик — полупроводник. Практические значения полного поро­гового напряжения лежат в пределах 0,5...1,5 В. Стоково-затворные характеристики транзистора зависят от режима его работы. При напряжении V,си > 0 ток протекает по каналу, создавая распределе­ние потенциала по длине канала от истока к стоку. Разность потен­циалов между затвором и поверхностью в направлении стока

10* 147

уменьшается, одновременно уменьшается напряженность поля в диэлектрике и удельный заряд электронов в канале.

В МДП-транзисторе технологическим путем можно создать ка­нал, соединяющий исток со стоком. Такой транзистор получил на­звание — транзистор со встроенным каналом. На стоково-затвор­ной характеристике (см. рис. 7.3) видно, что при нулевом напряже­нии на затворе по его каналу течет ток и транзистор способен уси­ливать сигнал. При подаче на затвор отрицательного напряжения ток в канале уменьшается вследствие действия отрицательного поля затвора и при некотором напряжении и_0Тс. Это объясняется тем, что при отрицательном напряжении на затворе канал обедня­ется носителями и, следовательно, ток стока уменьшается. При увеличении напряжения канал обогащается неосновными носите­лями и ток увеличивается. Выходная характеристика МДП-транзи­стора имеет участок насыщения. На рис. 7.4 приведено семейство выходных характеристик транзистора со встроенным каналом. Примерно такие же формы характеристики у транзистора с инду­цированным каналом. На рис. 7.5 приведены условные обозначе­ния транзисторных структур. Тип проводимости канала противопо­ложен типу проводимости подложки. Проводимость подложки обозначается стрелкой: для /ьподложки стрелка направлена к кана­лу, для «-подложки — от канала.

Комплементарная структура (КМОП) — это сочетание транзи­сторных структур с каналами п- и /?-типов (рис. 7.6). Отличитель­ной особенностью комплементарных структур является противопо­ложная полярность питающих и управляющих напряжений каждо­го транзистора. Такая комбинация транзисторов позволяет соче­тать высокое быстродействие и предельно малое потребление энер­гии от источника питания. В зависимости от типа подложки один из транзисторов делают в изолирующем кармане. Создаются также

охранные области, позволяющие устранить утечки тока и паразитные связи между МДП-транзисторами. По надежности пред­почтение отдается КМОП-транзисторам, которые реализованы на диэлектрической подложке, например на сапфире.

Это позволяет получать транзисторы без токов утечки, с отсутствием паразитных ем­костных связей между областями транзисто­ра и подложки. Такая технология позволяет повысить быстродействие транзисторов, создать на их основе радиационно стойкие интегральные схемы так называемые КНС-структуры (кремний на сапфире).

ПТШ-транзистор — это полевой транзистор с управляющим ^-«-переходом с затвором в виде барьера Шоттки (ПТШ) сущест­венно отличается от транзистора с изолированным затвором и со­ставляет отдельный тип транзисторных структур. Такие структуры реализованы на арсениде галлия, имеют высокие значения подвиж­ности электронов в слабых электрических полях и скорости насы­щения в сильных полях, а также большую ширину запрещенной зоны. Это приводит к высокому удельному сопротивлению нелеги­рованного арсенида галлия, который имеет проводимость р-типа. На основе нелегированного арсенида галлия создают полуизоли- рующие подложки микросхем.

Рис. 7.6. Комплементарные п⁺-р-п⁺- и /?⁺-л-/?⁺-транзисторные структуры

На основе арсенида галлия изготавляют полевой транзистор с за­твором в виде барьера Шоттки (ПТШ) или, как его еще называют, с управляющим переходом металл — полупроводник, МЕП-транзи- стор. Методом ионного легирования кремнием, серой или селеном формируют сильнолегированные области истока и стока я⁺-типа, а затем напыляют сплав Т\ — W. Остальная поверхность покрывается диэлектриком, например 5Ю₂ (рис. 7.7, а). Металлический элек­трод затвора образует с каналом барьер Шоттки, типичная равно­весная высота которого равна 0,8 В. Проводящий канал располо­жен между истоком и стоком и ограничен сверху обедненной обла­стью. При изменении положительного напряжения на затворе %з толщина проводящего канала уменьшается. Одновременно меняет­ся его проводимость и ток стока /_с. На сток при этом подается по­ложительный потенциал относительно стока.

Пороговое напряжение соответствует моменту, когда граница обедненного слоя достигает полуизолирующей подложки, канал перекрывается и ток стока равен нулю (рис. 7.7, б, кривая /). При малой толщине канала ¿/₀ пороговое напряжение может быть поло­жительным. Значения порогового напряжения лежат в пределах от -2,5В (¿/_ПОр1) до +0,2В (и_п0Р2).

Если пороговое напряжение отрицательно, то при и_т = 0 ка­нал является проводящим и транзистор называют нормально откры­тым (рис. 7.7, б, кривая 1). Такой транзистор аналогичен МОП- транзистору со встроенным каналом.

Если пороговое напряжение и₀ > 0, то канал перекрыт обеднен­ным слоем и транзистор называют нормально закрытым, что анало­гично МДП-транзистору с индуцированным каналом (рис. 7.7, б, кривая 2). При больших положительных напряжениях на затворе в его цепи может возникнуть паразитный ток /₃ (рис. 7.7, б, кривая 3). Это обусловлено открытием перехода металл — полупроводник. Поэтому ток стока ограничивается значением /_{с тах}.

Полевой транзистор на гетероструктурах. Комбинации различ­ных гетеропереходов представляют собой гетероструктуры. Гете­ропереход — это полупроводниковый переход между двумя разно­родными по химическому составу или фазовому состоянию полу­проводниками. Гетеропереходы формируют в объеме одного полу­проводникового кристалла. Анизотипные переходы предусматривают контакт полупроводников с электронной и донорным типами про­водимости. Изотипные переходы возникают при контакте полупро­водников с одним типом проводимости.

На границе гетероперехода происходит скачкообразное измене­ние таких свойств, как: ширина запрещенной зоны; подвижность носителей заряда; эффективная масса носителей; энергия сродства к электрону и др.

Энергетическая диаграмма гетеропереходов характеризуется скачками энергии в зоне проводимости и валентной зоне. Высота потенциальных барьеров в них различна. В частности, в таких структурах возможно получение односторонней инжекции носите­ли. На рис. 5.5 приведены зонные диаграммы гетеропереходов ^ипа Р~п _И п-Р.

^ Широко распространены гетеропереходы между арсенидом гал- и арсенидом галлия — алюминия С а Аз — А^ва^Ая (х показы- ^ет содержание алюминия), поэтому с ростом х увеличивается Ирина запрещенной зоны данного твердого раствора. Для типич- 010 значения х = 0,3 ширина запрещенной зоны твердого раство- ^а А1_{0 3}Сао,7А5 равна 1,8 эВ.

У границы раздела двух полупроводников в зоне проводимости южет образоваться квантовый колодец, или зона двумерного элек­тронного газа.

| Двумерный электронный газ, или 2/)-газ, представляет собой [систему электронов, энергетические состояния которых соответст­вуют свободному движению только вдоль определенной плоскости.

Важным свойством двумерного электронного газа является то, чт₀ возможно регулирование в широких пределах плотности Электра нов под воздействием поперечного электрического поля. Электро. ны в ДЭГ имеют повышенную эффективную концентрацию и под­вижность.

На основе таких гетероструктур изготовляют гетеротранзисто­ры. Эта конструкция многослойна (рис. 7.8). Между металлическим затвором и легированным слоем на основе А1о,зСа₀,7А8 формируется управляющий переход металл — полупроводник. Обедненная об­ласть этого перехода располагается в слоях арсенида галлия — алю­миния. Различают нормально открытый (рис. 7.8, а) и нормально закрытый транзистор (рис. 7.8, б). При Vиз < 0 в слое нелегиро­ванного арсенида галлия на границе с гетеропереходом в области ДЭГ формируется канал нормально открытого транзистора. На рис. 7.8, а эта область ограничена штриховой линией.

Под действием управляющего напряжения £/_из изменяется тол­щина обедненной области перехода металл — полупроводник, кон­центрация электронов в области ДЭГ и ток стока. Электроны в ДЭГ поступают из истока. При отрицательном напряжении за­твор — исток, равного пороговому значению, обедненная область расширяется настолько, что перекрывает поток электронов, и ток стока становится равным нулю. В нормально закрытом транзисторе

при í/из ⁼ 0 проводящий канал отсутствует вследствие того, что об­ласть ДЭГ двумерного электронного газа перекрыта объединенной областью управляющего перехода. При подаче напряжения U_m > О, равного пороговому значению, обедненная область управляющего перехода сужается настолько, что ее нижняя граница попадает в область ДЭГ.

На рис. 7.8, в приведены стоково-затворные характеристики нормального открытого 1 и нормального закрытого 2 транзисторов. Большое значение крутизны для нормально закрытого транзистора обусловлено меньшей толщиной легированного донорами слоя AlGaAs. Этот тип транзисторов перспективен для использования в СВЧ-микросхемах.

#£МТ-транзисторы (High Electron Mobility Transistor). В основе работы транзисторов лежит идея использования квантового ко­лодца в качестве канала. В квантовом колодце формируется дву­мерный электронный газ. За счет потери одной степени свободы подвижность носителей увеличивается примерно вдвое, возрастает и эффективная концентрация носителей.

Гетеропереход формируют из широкозонного полупроводника Al_xGai__xAs и более узкозонного /-GaAs. На их границе происходит разрыв энергетического уровня Е_с примерно на АЕ_С = 0,38 эВ. В ка­честве подзатворного диэлектрика используют широкозонный по­лупроводник AlGaAs, который вследствие искривления энергетиче­ских зон становится обедненным электронами (рис. 7.9, а). Канал представляет собой потенциальную яму, образованную в узкозон­ном проводнике на границе с более широкозонным. В этом канале речь идет о поверхностной плотности электронов, которая состав­ляет примерно 2 • 10¹² см^-2.

Конструкция НЕМ Г-транзистора представлена на рис. 7.9, б. За более чем четвертьвековую историю НЕМТ-транзисторы развились в большое семейство. Помимо соединений A^InB^v весьма перспек­тивными оказались соединения InGaAs, InGaP, InAlAs, InP. Соеди­нения на основе индия отличаются высокой подвижностью элек­тронов, разрыв зоны проводимости АЕ_С достигает 0,5 эВ. Разрабо­таны п- и /^-канальные НЕМТ-транзисторы, для которых, напри­мер, создается потенциальная яма для дырок в узкозонном слое InGaP.

Для использования в мощных СВЧ-устройствах, работы в экс­тремальных условиях разработаны #/ГЛ/У-транзисторы на основе GaN и SiC. Обычно канал у таких транзисторов формируют в узко­зонном слое AlGaN. По частотным и усилительным свойствам #£А7Т-транзисторы на основе AlGaN/GaN уступают транзисторам на соединениях AlGaAs/GaAs, однако превосходят их по плотности снимаемого тока, мощности и рабочим напряжением исток — стока.

V-МДП-транзисторы. Рассмотренные структуры имеют планар­ную конструкцию, ток носителей в которых переносится в гори­зонтальном направлении. Транзисторы типа К-МДП (Verticals Replacement-Gate-VRG) относятся к типу транзисторов с вертикаль­ным токопереносом — от расположенного в подложке истока к верхнему стоку.

Этот тип транзисторов изготовляют с помощью селективного трав­ления в исходной структуре кремния К-образных канавок (рис. 7.10). V-МДП-структура является весьма компактной. Истоковая область играет роль шины земли и не требует дополнительной площади кристалла для заземления. Проводящий канал образуется в р-слое, его длина определяется микронными размерами, а ширина всем периметром F-образного углубления. Ббльшая ширина канала по­зволяет получить транзисторы с ббльшим током и ббльшим усиле-

_ем. Область объемного пространственного заряда (ОПЗ) позво­ляет увеличить пробивное напряжение транзистора и снизить зна­чение паразитной емкости затвор — сток.

Разработанные вертикальные полевые транзисторы на основе ваМ имеют ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми. Эти преимущества связаны с более высокой подвижностью и дрейфо­вой скоростью носителей, а также с возможностью использования гетеропереходов для инжекции электронов в активную область транзистора. Такие транзисторы имеют короткий канал, высокое быстродействие, малую потребляющую мощность. Этот тип тран­зисторов может стать основой разработок схем с высокой плотно­стью упаковки.

Трехмерность К-МДП-транзисторов является большим плюсом при создании объемных интегральных схем с высокой плотностью упаковки на кристалле.

7.2. Интегральные биполярные транзисторы

Эпитаксиально-планарный транзистор. Электронный прибор с тремя электродами и чередующимися полупроводниковыми облас­тями электронного или дырочного типа проводимости, в котором протекание тока обусловлено носителями заряда обоих знаков, на­зывают биполярным транзистором.

В основе работы биполярного транзистора лежат физические явления диффузии вследствие градиента концентрации и дрейфа носителей вследствие градиента электрического потенциала. Пол­ный ток носителей состоит из диффузионной и дрейфовой состав­ляющих. Различают биполярные транзисторы р-п~р- и я-/?-я-типов. Классическая конструкция биполярного транзистора, используе- ^Мая в интегральных схемах, выполняется по эпитаксиально-пла- ^НаРН0й технологии. Это означает, что транзистор выполняется в ^1итаксиальном слое толщиной \У_эп, а выводы от эмиттерной, ба- вой и коллекторных областей расположены в одной плоскости на верхи ости подложки. Такая технология позволяет производить анзисторные структуры с высоким процентом выхода годных, а анарность выводов позволяет создать автоматизированную сис- ^МУ коммутации транзистора с другими элементами микросхемы с ^мощью пленочных металлических проводников.

Одним из важных требований, предъявляемым к технологии Изготовления транзисторных структур, является минимизация за­нимаемой площади, что позволяет повысить плотность упаковки Цементов интегральной схемы и способствует повышению степе-

пи интеграции на пластине. На рис. 7.11, а приведена классиче­ская структура эпитаксиально-планарного транзистора с изоляцией /¿-«-переходом. Транзистор выполнен на высокоомной подложке р-типа. Диффузиями примесей через маску получены скрытый слой, п-, р- и я⁺-области. В данной конструкции транзистора ис­пользуют изоляцию р-п-переходами: сбоку изолирующими облас­тями, а снизу — скрытым слоем. Недостатком изоляции р-п-пере­ходами является наличие барьерной емкости, которая снижает гра­ничную частоту и увеличивает задержку переключения сигнала. Под эмиттерной областью расположена активная область транзи­стора, представляющая собой я⁺-/ь/?-структуру. Процессы диффу­зии и дрейфа носителей в этой области и определяют эффектив­ность работы транзистора. Основные физические процессы, проис­ходящие в этой активной области, идентичны процессам, рассмот­ренным в дискретном транзисторе (см. 6.2).

Биполярный эпитаксиально-планарный транзистор п⁺-р-п-типа является одним из основных элементов интегральных схем (см. рис. 7.11, а). По техническим параметрам он превосходит транзистор р-п-р-типа. Минимальные горизонтальные размеры транзистора определяются прежде всего топологическими нормами литографического процесса и глубиной боковой диффузии приме­си под оксид. Топология транзистора может быть асимметричной и симметричной, при которой базовые и коллекторные электроды симметрично облегают эмиттер.

Коллектор

При проектировании транзисторов большой мощности следует обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. С этой целью создают гребенчатые конструкции, позво­ляющие создать узкие эмиттеры с большим периметром. Характе­ристики транзистора зависят от частоты сигнала, структуры тран­зистора и наличия в ней паразитных элементов. Транзисторы п-р-п-типа имеют более высокую предельную частоту, чем р-й-/>-транзисторы.

Многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы. Широко используют в микросхемах многоэмиттерный биполярный транзи­стор (МЭТ). Число эмиттеров в них составляет 2...8. Поэтому МЭТ можно рассматривать как совокупность транзисторов с общей ба­зой и соединенными коллекторами (рис. 7.12, а). Каждая пара смежных эмиттеров вместе с /ьслоем образуют горизонтальные транзисторные структуры п⁺-р-п⁺-шш. При этом, если на одном из эмиттеров действует прямое напряжение, то на соседнем обрат­ное. В этом случае первый будет инжектировать носители заряда, а соседние будут их собирать. Это паразитный транзисторный эф­фект. Для подавления «паразитных» транзисторов п⁺-р-п⁺-типа расстояния между соседними эмиттерами должны быть больше диффузионной длины носителей в базовом слое (около 10 мкм).

Основная область применения МЭТ лежит в области цифровых микросхем, например в логических интегральных схемах семейства ТТЛ и ТТЛШ.

Многоколлекторный биполярный транзистор (МКТ) представлен на рис. 7.12, в. Он представляет собой транзистор, работающий в инверсном режиме. Под инверсным режимом будем понимать ре­жим, при котором полярность смещений на эмиттерном и коллек­торном переходах меняется на противоположную. В этом случае большая часть неосновных носителей заряда, инжектированных коллектором, не достигает эмиттерного перехода, поскольку пло­щадь коллекторного перехода значительно больше площади эмит­терного перехода. Общим эмиттером служит общий эпитаксиаль­ный слой, а коллектором является сильно легированные неболь­шие области п^Г.

При конструировании МКТ основное внимание уделяют обес­печению высокого коэффициента передачи тока от общего эмитте­ра к каждому из я⁺-коллекторов. Коэффициент передачи тока базы по каждому из «-коллекторов примерно в п раз меньше, чем в од­ноколлекторном транзисторе. Поэтому скрытый слой максимально приближают к базовому слою, а я⁺-области располагают близко друг к другу. Условное обозначение этого класса транзисторов при­ведено на рис. 7.12. Транзисторы этого типа широко применяют в интегральных схемах интегральной инжекционной логики (ИЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Транзисторные структуры интегрально-инжекционной логики. По­явление весьма эффективной интегрально-инжекционной логики (И²Л) способствовало разработке биполярного транзистора со встроенным инжектором (рис. 7.13, а). Транзисторы с инжектором состоят из горизонтального транзистора Т\ р-п-р-тш\г., выполняю­щего функции генератора тока, и вертикального транзистора тока 7г п-р-п-типа, выполняющего функции инвертора.

Оба транзистора реализованы в одном кристалле так, что базо­вая область транзистора Т\ совмещена с эмиттерной областью транзистора Т₂, а коллекторная область Т\ совмещается с базовой областью Т₂. Эмиттерную область Т\ называют инжектором носи­телей, она подключена к источнику питания. Транзистор Т\ может быть многоэмиттерным, а транзистор Т₂ всегда является многокол­лекторным, электроды которого являются логическими выходами- Условное обозначение транзисторов типа И²Л приведено на рис. 7.13, б. Транзисторы этого типа имеют низкое напряжение пи­тания, обладают небольшой работой переключения, позволяют на их основе создавать схемы с высокой степенью интеграции. Глав-

Рис. 7.13. Структура биполярного транзистора для И Л (а) и условное обозначение (Я)

ный недостаток таких транзисторов — низкое быстродействие, обу­словленное процессами рассасывания зарядов неравновесных ос­новных носителей в режиме насыщения. Это и заряды дырок и эмиттерной области, и заряды электронов в базе.

Заметим, что транзистор с инжекционным питанием для совме­щенных транзисторных структур является интересным инженер­ным решением.

Транзистор с барьером Шоттки. В радиотехнике известен инже нерный прием: чтобы предотвратить насыщение биполярного транзистора, необходимо между базой и коллектором включить Диод. В микроэлектронике инженеры нашли изящный способ из­бежать режима насыщения транзистора. С этой целью в структуру транзистора на границе базовой и коллекторной областей «вмонти­рован» диод Шоттки (рис. 7.14). Когда транзистор заперт или рабо­тает в активном режиме, потенциал коллектора положителен отно­сительно базы. В этом случае диод находится под обратным смеще­нием и не влияет на работу транзистора. Если потенциал коллекто­ра становится отрицательным относительно базы, то диод отпира­йся и на нем падает прямое напряжение порядка 0,5 В. Коллек- торный переход запирается и исключается накопление избыточно- ^г° заряда.

На рис. 7.14, а приведена схема встраивания диода Шоттки в |анзисторную структуру. Условное обозначение транзистора с [одом Шоттки приведено на рис. 7.14, б. Конструктивно диод (оттки представляет собой несколько расширенный электрод 1ы, частично перекрывающий область коллектора. Такие транзи­ты отличаются высоким быстродействием. Транзисторы с дио- Шоттки широко используют при конструировании интеграль- *х логических схем с высоким быстродействием (ТТЛШ). Разра- гана интегральная Шоттки-логика на основе транзисторов с дио-

1и Шоттки.

Диод Шотгки а о

Рис. 7.14. Структура транзистора с диодом Шоттки (а) и его условное обозначение (б)

7.3. Квазипланарные транзисторные структуры

Проблемы перехода от микро- к нанотранзисторным структурам. Основная тенденция развития микроэлектроники заключается в увеличении степени интеграции, соответственно уменьшении ли­нейных размеров структур и энергопотребления, но в увеличении надежности. Идет интенсивный поиск новых конструктивных ре­шений транзисторных структур, переход из микро- в нанометро- вый диапазон размеров. Появились первые действующие прототи­пы нанотранзисторов.

Если первые транзисторы имели характерный сантиметровый раз­мер, то за полвека транзистор уменьшился примерно в 100 ООО раз по линейному размеру и в 1010 раз — по массе. Количественные пре­вращениями приводят к существенным изменениям качества, так как устройства переключения электрических сигналов достигают минимально возможных размеров, обусловленных атомной струк­турой вещества. Меняются и свойства самих электрических сигна­лов в наномире. Электрический ток в наномире нельзя интерпре­тировать в виде некоего подобия электрической жидкости или электронного газа, протекающих через транзистор-вентиль. В на­номире квантованность электрического заряда выходит на первый план. Электрический заряд, которым можно манипулировать, кра­тен заряду электрона д. Как бы точно ни производилось измерение электрического тока, количество информации, которое можно пе­редать с его помощью, строго ограничено и определено числом пе­реданных элементарных зарядов.

Логические элементы срабатывают на определенный зарядовый пакет. Возникнут сбои, если пакет окажется недостаточно велик. Так, при кодировании логической единицы пакетом из десяти эле­ментарных зарядов с порогом срабатывания в пять зарядов логиче­ский элемент будет неправильно срабатывать примерно в 3 % слу­чаев. В процессе уменьшения длины канала и соответственно дли- 160

ны затвора достигнуто значение порядка 100 нм, а толщина подза- творного оксида в схемах микропроцессоров ныне составляет 0,8 нм, или три атомных слоя. Это позволило увеличить быстродействие микропроцессоров, снизить потребление энергии. Вместе с тем возросли токи утечки, в том числе за счет туннельного тока через слой оксида. Причем токи утечки весьма существенны даже для от­ключенного транзистора. В этой ситуации транзистор постоянно работает в цепи. С уменьшением толщины областей истока — сто­ка возрастает их сопротивление. В таком случае необходимо боль­шее напряжение для переключения транзистора, при этом увели­чивается плотность потребляемой мощности. С увеличением на­пряжения возрастает опасность пробоя слоя диэлектрика из трех атомных слоев. Круг замкнулся. Дальнейшее уменьшение длины ка­нала требует увеличения степени легирования в канале до 10¹⁸ см^-3. Это приведет к снижению подвижности носителей и росту порога включения транзистора.

Кроме эффекта квантования электрического заряда, на малых расстояниях начинают сказываться волновые свойства частиц. Длина когерентности электронной волны в твердом теле при обыч­ной температуре составляет единицы нанометров. Поэтому на рас­стояниях, меньших 1 нм, начинают проявляться волновые свойства электронов: когда вещество берется в малых количествах, то не всегда можно однозначно отнести его к изоляторам, проводникам или полупроводникам. Например, некоторые химические элемен­ты, взятые, допустим, по 20, 50 и 100 атомов, будут последователь­но проходить стадию изолятора, полупроводника и проводника со­ответственно. Использование ресурсов вещества, пространства, времени, энергии и информации в наномире строго регламентиру- ^ется особыми правилами, которые базируются на законах кванто­вой механики. Конструирование нанотранзисторов превращается в ожную квантово-механическую задачу. «Овеществление» кванто- -механических схем и чертежей требует разработки сложнейших хнологических процессов.

Когда же будет достигнут предел миниатюризации обычной лектроники? Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих эле­ментов 5...30 нм. Эта область перехода от классической твердотель­ной электроники к квантовой получила название области меза- структур. Еще способны работать мезаструктуры с обычными электрическими сигналами, однако при дальнейшем уменьшении размеров очень быстро нарастают проблемы, решить которые весь­ма затруднительно. В соответствии с законом Мура полное освое-

ние области мезоэлектроники ожидается примерно через 10 лет. Таким образом, мезотранзисторы — это последний рубеж сущест­вования обычных транзисторов, за которым последует поколение нанотранзисторов. Разработки транзисторных структур для субмик- ронной технологии следующих поколений на 0,13; 0,10; 0,07 мкм ве­дется по разным направлениям. Технология нанометрового диапа­зона будет промышленной технологией на ближайшие полвека.

МОП-транзистор с двумя затворами — транзистор с двумя затво­рами принципиально новой конструкции. Конструкция ЕтЕЕТ- транзистора представляет собой кремниевое тело (столбик, встав­ка-/?«), которое обернуто затвором. Конструкция затвора такова, что формируются два самосовмещенных канала с двух сторон кремниевого тела (рис. 7.15). Выступающая передняя область тела представляет собой исток транзистора, а задняя область — сток. Ток течет в плоскости, параллельной плоскости тела. Активная ширина прибора IV равна высоте тела-столбика и может быть уве­личена за счет включения нескольких столбиков. Каналы индуци­руются напряжением на затворах вдоль обеих сторон пластины. Активная ширина прибора равна высоте тела-плавника. Это тело можно увеличивать путем параллельного включения многих стол­биков, формирующих исток и сток. Таким образом, формируют активную область транзистора. Трехмерная конструкция ЕтЕЕТ- транзистора позволяет значительно снизить потери на тепловыде­ление.

Структура ПпРЕТ аналогична традиционной МОП-структуре, хотя и является квазипланарной. Отличительной особенностью яв­ляется активная область, которая в данном случае формируется вставками. Высота тела вставки составляет 180 нм, толщина за-

творного диэлектрика — 2,2 нм, поликремниевого затвора — 75 нм. Разработаны симметричные и асимметричные п- и /?-канальные транзисторы с длиной канала примерно 30 нм. Типичный ток в «-канальном транзисторе составляет 1300 мкА/мкм, в ^-каналь­ном — 850 мкА/мкм. Созданы /^,ш/^г£Т-транзисторы с длиной кана­ла 20 нм, в котором размеры кремниевой вставки определяются промежутками между поликремниевыми затворами, а области ис­тока и стока формируются процессами литографии. Характеристи­ки Яя/^ЕГ-транзисторов позволяют надеяться на их использование в интегральных схемах с увеличенной плотностью упаковки и уменьшенной рассеиваемой мощностью.

Технологический процесс изготовления /^гш/^г£’7’-транзистора предусматривает формирование, методами литографии плавни­ка-вставки толщиной 20 нм и высотой 180 нм. Области стока-исто­ка изготовляют с помощью ионной имплантации под углом 45° с четырех сторон пластины. Удается создать транзисторы с длиной канала порядка 30 нм. Пороговое напряжение транзистора состав­ляет порядка 0,1 В, управляющий ток не превышает 60 нА/мкм. Пороговое напряжение насыщения составляет 0,15 В при рабочем токе 55 нА/мкм и токе утечки 7 нА/мкм.

Тега tfeffc-транзистор. Транзисторы на основе кремния на изо­ляторе по-прежнему являются перспективными в микроэлектрони­ке. В таких транзисторах имеется полностью или частично обед­ненное носителями основание. Вследствие обеднения подложки зарядами электрическое поле в инверсионном слое прибора суще­ственно меньше, чем в обычных приборах с сильнолегированной областью канала.

Структуры с ультратонким основанием изготовлялись по раз­личным технологиям. По одной из них фирма «Intel» создала Тега Hertz-транзистор. Эти транзисторы имели полностью обедненное основание слоя кремния толщиной 30 нм. Для Тега //еп^-транзи- сторов характерны низкая емкость перехода, высокая стойкость к облучению. Этот тип транзисторов обладает высоким быстродейст- ием и низкой потребляемой мощностью. При напряжении 1,3 В абочий ток /^-канального транзистора, например, равен 650 мкА/мкм, ток утечки всего 9 нА/мкм. Приборы с тонкой под­ложкой имеют значительное паразитное сопротивление. Формиро­вание слоя оксида под всей структурой транзистора позволяет сни­зить токи утечки на два—четыре порядка в зависимости от типа ди­электрика. Толщина подзатворной пленки составляет три атомных слоя. На рис. 7.16 представлена структура обычного и Тега

Hertz~ транзисторов.

В транзисторных структурах при длине канала порядка 10 нм возможно прямое туннелирование электронов между истоком и стоком. Транзистор можно считать туннельным, ток которого по­зволяет управлять напряжением на затворе, изменяя высоту барье­ра. Такие транзисторные структуры вселяют надежду создать на их основе микропроцессоры с топологическими нормами 20 нМ, бы­стродействием до 20 ГГц и рабочим напряжением 1 В. В чипе мик­ропроцессора будет находиться 10⁹—10¹ Тега #ег#-транзисторов.

Транзистор с проницаемой базой формируют путем размещения тонкой вольфрамовой сетки внутри арсенид-галлиевого эпитакси­ального слоя (рис. 7.17).

Металл образует барьер Шоттки с ваАБ, встроенный потенциал которого полностью обедняет ваАБ в местах между полосками сет­ки. Положительный потенциал на базовом электроде уменьшает ширину обедненного слоя, и между эмиттером и коллектором воз-

никают проводящие каналы. Электроны движутся от эмиттера к коллектору через окно в сетке транзистора. Такие транзисторы мо­гут работать на частоте до 200 ГГц.

Появление новейших типов нолевых микротранзисторов озна­чает коренное изменение элементной базы электронных устройств. Прогнозы, в том числе следующие из закона Мура, показывают, что к 2010 г. число транзисторов на кристалле СБИС, включая микропроцессоры, превысит 1 млрд ед., что позволит резко расши­рить функциональные возможности интегральных микросхем.

7.4. Элементная база интегральных схем

Изоляция элементов. Обработку информации в электронике, ис­пользующей традиционную дискретную элементную базу, осущест­вляют схемами различного функционального назначения. В микро­электронике также исповедуют принципы схемотехнической обра­ботки информации. В качестве элементов схемы используют актив­ные элементы (транзисторы, диоды) и пассивные элементы (дио­ды, резисторы, конденсаторы).

Элементы интегральных схем (ИС) — неделимые и составные части ИС, которые нельзя автономно специфицировать и постав­лять их как отдельные изделия. Отличительная технологическая особенность элементов ИС по сравнению с дискретными прибо­рами, или электрорадиоэлементами, состоит в том, что они орга­нически связаны общей полупроводниковой подложкой и друг с другом. Другой особенностью является то, что транзисторные структуры и пассивные элементы ИС производятся в едином тех­нологическом процессе. При этом номинал элемента (емкость конденсатора, сопротивление резистора) определяется как геомет­рическими размерами (топологией), так и заданными электрофи­зическими свойствами. используемых материалов (толщиной ди­электрика, проводимостью полупроводника и т.д.). С другой сто­роны, геометрические параметры изготовляемых элементов опти­мизируются в соответствии с основной тенденцией микроэлек­троники — ростом степени интеграции и уменьшением топологи­ческих норм.

В этой связи необходимо отметить факт создания принципиаль­но новых элементов, ранее неизвестных в дискретной электронике, таких как многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, диоды Шоттки, встраиваемые в транзисторную структуру, и т.п.

Компоненты гибридных интегральных схем в отличие от эле­ментов ИС выполняют те же функции, что и элементы, но их мож­но отдельно сертифицировать и поставлять в виде отдельных изде­лий, так как они, как правило, навесные детали. Их отличие от дискретных элементов заключается в конструктивном решении (бескорпусные диоды, транзисторы, сборки и т.д.). И еще одна особенность пассивных элементов полупроводниковых (монолит­ных) ИС: в них отсутствуют аналоги индуктивности, дросселя, трансформатора. Если же встает острая необходимость использова­ния индуктивных элементов, то индуктивный эффект реализуют схемным путем, используя операционные усилители с ЛС-цепями обратной связи, активные фильтры и т.д. В гибридных СВЧ-мик- росхемах широко используют микрополосковые линии и их эле­менты.

При острой необходимости использования резисторов или кон­денсаторов больших номиналов используют дискретные миниа­тюрные элементы, подключая их через специальные выводы инте­гральных схем.

Транзисторные структуры и элементы интегральных схем, рас­положенных на одной подложке необходимо изолировать друг от друга, а соединение осуществлять в соответствии с принципиаль­

ной схемой, используя металлическую развязку или подложку.

На рис. 7.18 приведены три способа изоляции транзисторных биполярных структур.

Метод изоляции обратносмещенным р-п-переходом базируется на свойстве такого перехода иметь очень высокое удельное сопротив­ление при обратном смещении. Изоляция /?-л-переходом является однофазным способом, потому что материал по обе стороны и в пределах изолирующего слоя один и тот же. Изоляция р-л-перехо- дом по существу сводится к формированию двух встречно вклю­ченных диодов между изолируемыми элементами (рис. 7.18, а). Для того чтобы изолирующие диоды находились под обратным смещением, на подложку подают максимальный отрицательный потенциал от источника питания.

Изоляция р-я-переходом органически вписывается в основной технологический цикл производства кремниевых интегральных схем. Используют изолирующую диффузию, методы тройной диф­фузии, встречной диффузии. К недостаткам этого способа изоля- \ ции следует отнести наличие обратных токов в р-п-переходах, осо­бенно при повышении температуры, а также наличие барьерных емкостей и необходимостью создания максимального отрицатель­ного напряжения.

Рис. 7.18. Три способа изоляции транзисторных биполярных структур: а — р-и-переходом; б — полная диэлектрическая изоляция; в — комбинированная

Метод изоляции диэлектриком сводится к созданию кармана из диэлектрика, в котором располагается транзисторная структура. Это более совершенный, чем предыдущий метод, прежде всего из-за чрезвычайно малых токов утечки, которые на три—пять по­рядков меньше обратных токов в ¿»-«-переходах. Увеличивая тол­щину диэлектрика и выбирая материал с малой диэлектрической проницаемостью, можно снизить и значения паразитных емкостей. На рис. 7.18, б показан один из способов изоляции диэлектриком транзисторных структур. Он получил название КВД — кремний в диэлектрике. Одним из технологических процессов полной диэлек­трической изоляции является эпик-процесс, обеспечивающий изо­ляцию элементов оксидным слоем 5102-

Наибольшее распространение получили процессы, связанные с Изданием транзисторных структур на диэлектрической подлож­ке — кремний на диэлектрике (КНД). В качестве диэлектрической Подложки часто используют сапфир, такой способ изоляции по­лучил название кремний на сапфире (КНС). На сапфировой под­ложке выращивают эпитаксиальный слой кремния, в котором ме­тодом прецизионного травления формируют кремниевые карманы. Карманы снизу изолированы сапфиром, сбоку и сверху — возду­хом. В изолированных карманах и размещают транзисторные структуры, которые затем коммутируются пленочной металличе-

ской разводкой. Изоляцию диэлектриком относят к двухфазному способу, потому что используют одновременно две фазы — диэлек­трик и полупроводник. К недостаткам этого способа изоляции сле­дует отнести необходимость совмещения нескольких разнородных технологических процессов, а также непланарность межсоедине­ний.

Комбинированный метод, при котором сочетаются изоляция ди­электриком и изоляция р-п-переходом, является самым распро­страненным методом изоляции транзисторных структур. Основной технологический процесс — изопланарная технология, в основе ко­торой лежит локальное окисление тонкого эпитаксиального слоя кремния. Результатом этого является образование карманов, кото­рые сбоку изолированы диэлектриком, а от подложек изолируется р-п-переходом. В таких карманах и располагаются транзисторные структуры, а также элементы интегральных схем. В изопланарном процессе для локального прокисления кремния используют маски из нитрида кремния. Этот технологический процесс позволяет обеспечить большую плотность упаковки элементов на кристалле и получить высокие частотные и переходные характеристики транзи­сторных структур.

Большое распространение получил метод боковой диэлектриче­ской изоляции V-канавками. В этом технологическом процессе вместо сквозного прокисления эпитаксиального слоя используют локальное анизотропное травление поверхности кристалла, ориентированной по плоскости 100. В этом случае травление идет в плоскости 111 так, что грани 111 сходятся ниже границы эпитаксиального слоя. Обра­зовавшиеся К-образные канавки заполняют диоксидом кремния либо поликристаллическим кремнием (рис. 7.18, в). Используя ме­тод реактивного ионного травления, можно уменьшить ширину ка­навки и превратить ее из V- в ¿/-образную.

Недостатком такого способа изоляции является использование плоскости 100, что сопряжено с повышенной плотностью поверх­ностных дефектов. К изоляции МДП-транзисторных структур и элементам интегральных схем требования менее жестки в силу фи­зических особенностей их работы. Эти же методы изоляции ис­пользуют и в униполярных интегральных схемах.

Интегральные диоды. В интегральных микросхемах диоды пред­назначены для выполнения ряда логических функций, переключе­ния электрических сигналов, выпрямления электрического тока, детектирования сигналов. Любой из />-и-переходов транзисторной структуры, а также их комбинация, могут быть использованы в ка­честве интегрального диода (рис. 7.19).

Эквивалентные схемы включения транзисторных структур в ка­честве диодов содержат собственную емкость диода и паразитные емкости, которые оказывают существенное влияние на характери­стики диодов.

Пробивные напряжения диодов зависят от типа используемого перехода. Если используется небольшой эмиттерный переход с сильно легированной областью эмиттера, то пробивные напряже­ния небольшие. Напротив, при использовании протяженного, сла­болегированного коллекторного перехода пробивные напряжения достаточно велики. Время восстановления обратного тока /_в опре­деляет время переключения диода в открытое или закрытое состоя­ние. Сравнительный анализ параметров биполярных интегральных диодов показывает, что в зависимости от функционального назна­чения диода можно выбрать нужную структуру.

В целом, оптимальным вариантом для интегральных схем явля­ются структуры типа БК—Э на основе перехода база — эмиттер с закороченным на базу коллектором и тип Б—Э на основе перехода база — эмиттер с разомкнутой цепью коллектора.

В интегральных схемах используют интегральные стабилитро­ны, представляющие собой полупроводниковые диоды с быстрым нарастанием обратного тока при пробое р-п-перехода и нормиро­ванным значением пробивного напряжения. Они предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке. Интегральные стабили­троны формируют на базе структуры биполярного транзистора в зависимости от необходимого напряжения. Обратное включение перехода база — эмиттер позволяет получить стабилизированное напряжение в пределах 5... 10 В, обратное включение перехода БЭ—К применяют, когда нужно получить стабилизированное на­пряжение 30...50 В.

Несколько последовательно включенных в прямом направле­нии диодов типа БК — Э могут быть использованы как источники стабилизированного напряжения, кратного прямому переходу (0,7 В). Температурная чувствительность таких стабилитронов лежит в пре­делах нескольких милливольт на градус.

В интегральных схемах используют также диоды Шоттки, пред­ставляющие собой контакт металла с кремнием, легированный до- норной примесью (менее 10¹⁷ см^-3).

Интегральные МДП-транзисторные диоды формируют также на базе р-я-переходов транзисторов с индуцированным каналом (рис. 7.20).

Интегральные резисторы представляют собой элемент инте­гральных схем с заданными электросопротивлениями и топологи­ей, используются в электрических цепях для обеспечения требуе­мого распределения тока и напряжений между отдельными участ­ками цепи. В монолитных интегральных схемах роль резисторов

играют участки легированного полупроводника одной из областей транзисторной структуры. В гибридных интегральных схемах ис­пользуют металлические пленки и пасты.

Интегральные резисторы на биполярных структурах подразде­ляются на диффузионные резисторы, пит-резисторы, ионно-легиро­ванные резисторы, пленочные резисторы на основе поликристамиче- ского кремния (рис. 7.21).

Обычно тело резистора отождествляется с полоской длиной /, шириной b и толщиной d. Если ток протекает параллельно плоско­сти полоски с удельным сопротивлением материала р, то его со­противление

R = pl/bd = к_фЯ₃,

где £ф, 1/Ь — коэффициент формы; R = p/d — удельное сопротив­ление слоя.

При коэффициенте формы кф < 1 резисторы изготавливают в виде полоски. Если необходимы большие номиналы, то резистор выполняют в виде зигзагообразной конструкции. Максимальное сопротивление диффузионных резисторов не превышает 60 кОм. Таким образом, номинальное значение резистора может быть по­лучено выбором топологических параметров, коэффициентом фор­мы кф или отношением длины I тела резистора к его ширине Ь, а также технологическими параметрами — выбором материала рези­стора и его толщины.

Диффузионные резисторы изготовляют в эпитаксиальном слое транзисторной структуры. В зависимости от требуемого номинала и точности изготовления диффузионные резисторы могут изготав­ливаться в эмиттерной, базовой или коллекторной областях. Чаще всего диффузионный резистор формируют в базовой области тран­зисторной биполярной структуры. Выбор этого слоя является ком-

р (имплантированный) р (диффузионный)

промиссом между большими геометрическими размерами, которые потребовались бы при изготовлении в эмиттерной области, и высо­ким температурным коэффициентом сопротивления резистора, если бы резистор выполнялся бы в слабо легированной коллектор­ной области.

В микроэлектронике используют понятие удельного поверхност­ного сопротивления слоя, или пленки, измеряемое в ом на квадрат (квадрат — безразмерная величина).

Конструкция ионно-легированных резисторов позволяет полу­чить высокие удельные сопротивления. Их структура аналогична диффузионным резисторам. Глубина залегания легированного и резистивного слоев составляет 0,2...0,3 мкм. Поскольку толщина имплантированного слоя мала и к резистивному слою трудно соз­дать омические контакты, формируют диффузионные слои, осуще­ствляющие омический контакт (рис. 7.21, б).

Если необходимые номиналы превышают 60 кОм, используют конструкцию пинч-резистора (рис. 7.21, в). Большое удельное со­противление достигается за счет использования донной части сла­болегированной /^-области. Максимальное сопротивление пинч-ре­зистора может достигать 200...300 кОм при простой полосковой конфигурации. Недостатком пинч-резисторов является большой разброс параметров изготовляемых структур, а также большой тем­пературный коэффициент сопротивления. Структура пинч-рези­стора сходна со структурой полевого транзистора, и именно этот факт позволяет получить большие значения сопротивления. Эмит- терная сильно легированная низкоомная область позволяет полу­чить сопротивления в несколько ом с температурным коэффици­ентом 0,01...0,02 %/°С.

Тонкопленочные резисторы применяют в полупроводниковых биполярных интегральных схемах в основном СВЧ-диапазона, а также в схемах на арсениде галлия. Резистивный слой наносится непосредственно на поверхность нелегированной подложки. Пре­имущество использования тонкопленочные резисторов заключает­ся в простоте технологии изготовления и в возможности лазерной подгонки номиналов. Но технология изготовления не совместима с эпитаксиально-планарной технологией, что является недостатком.

В кремниевых цифровых ИС используют резистивные слои по- ликристаллического кремния толщиной 0,2...0,3 мкм. Такие рези­сторы размещают над транзисторами, что позволяет уменьшить площадь используемого кристалла.

Интегральные резисторы МДП-транзисторных структур пред­ставляют собой, как правило, встроенные или индуцированные ме­жду истоком и стоком каналы (рис. 7.22). Номиналы резистора оп­ределяются как топологией резистивных структур, так и технологи­ей изготовления. Обычно канал встраивается методом ионной им­плантации, по своим свойствам аналогичен ранее рассмотренному ионно-легированному резистору.

Высокие удельные сопротивления могут быть обеспечены кон­струкцией ионно-легированных резисторов. Их структура анало­гична диффузионным резисторам. Глубина залегания легированно­го и резистивного слоев составляет 0,2...0,3 мкм. Поскольку тол­щина имплантированного слоя мала и к резистивному слою трудно создать омический контакт, формируют диффузионные слои, осу­ществляющие омический контакт.

Интегральные конденсаторы представляют собой элементы инте­гральных схем, состоящие из проводящих электродов (обкладок), разделенных диэлектриком и предназначенные для использования в электрических цепях для обеспечения требуемого распределения тока и напряжения между отдельными элементами цепи. В инте­гральных схемах роль конденсаторов играют обратносмещенные р-я-переходы, выполненные на основе транзисторной структуры в едином технологическом процессе.

В биполярных транзисторных структурах в конструкции инте­грального конденсатора используют один из переходов: эмиттер — база, база — коллектор, коллектор — подложка. Эти переходы фор­мируют диффузией и поэтому часто называют диффузионными кон­денсаторами. Емкость конденсатора определяется емкостью пере­хода, имеющего диффузионную и барьерную составляющие. Ос­новную роль играет барьерная емкость. Барьерная емкость связана с образованием области объемного заряда и потенциального барье­ра между п- и ^-областями перехода. Область объемного заряда р-я-перехода можно интерпретировать как аналог диэлектрика

Исток Сток Исток Сток

обычного конденсатора вследствии того, что концентрация под­вижных носителей зарядов в нем весьма мала. Ширина этой облас­ти и плотность объемных зарядов неподвижных ионов донорных и акцепторных примесей зависят от обратного напряжения на /¿-«-переходе. С повышением обратного напряжения ширина об­ласти объемного заряда увеличивается, что приводит к уменьше­нию барьерной емкости, которая может быть определена из соот­ношения: С = 88₀5'/х_й — х где в — относительная диэлектрическая

проницаемость; е₀ — абсолютная диэлектрическая проницаемость; ^ — площадь /?-я-перехода, х„, х_р — границы области объемного за­ряда в материалах п- и /¿-типов.

Барьерная емкость зависит от приложенного внешнего напря­жения. При обратном напряжении дырки в /¿-области и электроны в я-области под действием поля уходят от границ перехода. Пере­ход расширяется, перемещение носителей приводит к появлению токов. Переход ведет себя как плоский конденсатор с удельной барьерной емкостью С₀ » К(\/Ц)^т, где К — коэффициент пропор­циональности, зависит от закона распределения концентрации примесных атомов в окрестности /¿-я-перехода; т — коэффициент 1 1\

-> т >- . На рис. 7.23 приведены конструктивные решения инте-

2 3/

гральных конденсаторов, выполненных на основе биполярной структуры.

Наибольшую удельную барьерную емкость С₀ имеет переход эмиттер — база (рис. 7.23, а). Низкое пробивное напряжение этого перехода ограничивает возможность его широкого применения. Конденсатор, сформированный на базе перехода база — коллектор (рис. 7.23, б), имеет более высокое пробивное напряжение (при­мерно 50 В). Обычно используют переход база — коллектор при его низком обратном смещении, но одновременно высоком обратном смещении перехода коллектор — подложка (рис. 7.23, в). В этом случае соотношение С_Бк/С_Кп имеет большее значение.

Конденсаторы, сформированные на основе перехода коллек- _тор _ подложка, имеют ограниченное применение,' потому что подложка обычно заземлена по переменной составляющей тока. Однако конденсатор этого типа является неотъемлемой частью ин­тегральных схем с изоляцией по /?-л-переходу.

Иногда в интегральных схемах используют комбинированный конденсатор, например, на основе параллельно включенных емко­стей эмиттерного и базового переходов. Оптимальной конфигура­цией конденсатора является квадрат. Общая емкость складывается из боковой и донной составляющих /ья-перехода. Обычно боковая составляющая в десятки раз меньше донной и ею пренебрегают.

При проектировании интегральных схем задают условие: общая площадь всех конденсаторов интегральной схемы не должна пре­вышать 25 % площади кристалла.

Важным параметром интегрального конденсатора является доб­ротность 0 = 1/2п/СК, где / — рабочая частота; С — емкость кон­денсатора, К — сопротивление резистора, последовательно вклю­ченного с конденсатором. Добротность характеризует потерю мощ­ности при протекании емкостного тока. Добротность возрастает с уменьшением частоты и с уменьшением сопротивления нижних слоев транзисторной структуры. Типичное значение добротности на частоте 500 Гц составляет 50... 100.

Интегральные конденсаторы, сформированные на основе бипо­лярной транзисторной структуры, имеют ряд недостатков. Прежде всего на основе таких структур невозможно создать конденсатор большой емкости. Для этого необходимо использовать большую площадь подложки. Конденсаторы такой конструкции имеют ма­лую добротность, и их емкость существенно зависит от приложен­ного напряжения.

Недостатки диффузионных конденсаторов могут быть в схеме устранены, если воспользоваться конструкцией МДП-конденсатора (рис. 7.24). Над эмиттерным я⁺-слоем, служащим нижней обклад­кой конденсатора, выращивается тонкий слой кремния БЮ₂ (0,05...0,12 мкм), а затем наносится верхняя металлическая обкладка.

Важным достоинством МОП-конденса­торов является возможность их работы при любой полярности напряжения на обклад­ках. Другая важная особенность — слабая зависимость значения емкости от прило­женного напряжения. И, наконец, доброт­ность МДП-конденсаторов значительно превосходит добротность интегральных

конденсаторов, выполненных в биполярных транзисторных стру турах. Индуктивные элементы в основном пленочные и примен ются в гибридных интегральных СВЧ-схемах, индуктивность добротность которых имеют небольшие значения.

Контрольные вопросы

1. Что такое униполярный транзистор?

2. Нарисуйте структуру и ВАХ транзистора с индуцированным каналом. ?

3. Нарисуйте структуру и ВАХ транзистора со встроенным каналом.

4. Что такое пороговое напряжение?

5. В чем заключается эффект поля? £

6. Что такое КМОП-транзисторы? Щ

7. Что такое Я^Л/Г-транзисторы?

8. Какова структура и ВАХ арсенид-галиевого ПТШ-транзистора? Я

9. Какие конструкции транзистора с вертикальным токопереносом вы Я

знаете? 9

10. Расскажите о транзисторе с двойным затвором.

11. Что такое биполярный транзистор?

12. Объясните физические принципы работы биполярного транзистора.

13. Какие режимы работы транзистора вы знаете?

14. Что такое многоэмиттерный транзистор?

15. Что такое многоколлекторный транзистор?

16. Объясните принцип работы транзистора с инжектором?

17. Объясните принцип работы транзистора с диодом Шотгки?

18. Что такое элементы и компоненты интегральных схем?

19. Какие методы изоляции транзисторных структур вы знаете?

20. Расскажите о методе изоляции типа КНС, КВД.

21. Каковы функции диодов в интегральных схемах?

22. Какие схемы диодного включения транзистора вы знаете?

23. Расскажите о интегральном резисторе.

24. Как связано сопротивление резистора с коэффициентом формы?

25. Что такое диффузионный резистор?

26. Как устроен интегральный резистор МОП-структуры?

27. Дайте определение интегральному конденсатору.

28. Как рассчитать емкость интегрального конденсатора?

29. Дайте определение добротности интегрального конденсатора.