Файл: Электроника Ицкович Часть 2.pdf

96

рочная

составляющая

тока

этого

перехода

ниже

, 

чем

в

структуре

без

скрытого

слоя

. 

В

структуре

транзистора

, 

изолированного

  р-n 

переходом

, 

помимо

основного

  n-р-n, 

существует

паразитный

  р-n-р 

транзи

-

стор

. 

Его

эмиттер

 — 

базовый

слой

 5 (13) 

основного

транзистора

(

см

. 

рис

. 11.1), 

база

 — 

коллекторная

область

 2 

со

скрытым

слоем

3, 

коллектор

 — 

подложка

. 

Схема

включения

паразитного

транзистора

представлена

на

рис

. 11.3. 

Его

коллекторный

 (

изолирующий

) 

переход

всегда

сме

-

щен

в

обратном

направлении

. 

Скрытый

слой

в

коллекторе

созда

-

ет

тормозящее

электрическое

поле

для

дырок

, 

инжектированных

в

коллектор

из

базы

. 

VT

ПАР 

VT

ОСН 

n-p-n

I

б 

p-n-p

I

ут 

I

б

1 

SiO

2 

Al 

К 

Б 

Э 

p

n

+ 

n 

n

+ 

n

+ 

поликремний 

Рис. 11.3 — Схема включения   

основного и паразитного  

транзисторов 

Рис. 11.4 — Изоляция с помощью  

диоксида кремния 

Кроме

того

, 

время

жизни

дырок

в

скрытом

слое

мало

, 

по

-

этому

уменьшается

коэффициент

передачи

паразитного

транзи

-

стора

, 

т

.

е

. 

ток

утечки

.  

Биполярные

транзисторы

являются

наиболее

сложными

элементами

биполярных

микросхем

, 

так

как

их

структура

содер

-

жит

наибольшее

число

областей

с

различным

типом

проводимо

-

сти

. 

Другие

элементы

  (

диоды

, 

резисторы

) 

создаются

одновре

-

менно

с

транзисторами

в

едином

технологическом

процессе

. 

По

-

этому

для

них

используют

аналогичные

полупроводниковые

об

-

ласти

, 

которые

принято

называть

в

соответствии

с

областями

транзистора

. 

Так

, 

на

основе

базового

слоя

получают

резисторы

. 

97

Эти

элементы

также

размещают

в

специальных

карманах

, 

т

.

е

. 

изолируют

от

подложки

тем

же

способом

, 

что

и

транзисторы

. 

Наряду

с

биполярными

транзисторами

, 

изолированными

 р-n 

переходом

, 

применяют

биполярные

транзисторы

с

диэлектриче

-

ской

изоляцией

. 

Основные

отличия

структуры

такого

транзисто

-

ра

, 

которая

приведена

на

рис

. 11.4, 

от

рассмотренной

на

рис

. 11.1 

состоит

в

том

, 

что

транзистор

размещают

в

кармане

. 

Карман

изо

-

лирован

со

всех

сторон

от

подложки

из

поликристаллического

кремния

тонким

диэлектрическим

слоем

диоксида

кремния

. 

Ка

-

чество

такой

изоляции

значительно

выше

, 

так

как

токи

утечки

в

диэлектрике

намного

меньше

, 

чем

в

  р-n 

переходе

, 

смещенном

в

обратном

напряжении

. 

Удельная

емкость

диэлектрической

изо

-

ляции

меньше

, 

поскольку

диэлектрическая

проницаемость

диок

-

сида

кремния

приблизительно

в

 3 

раза

ниже

, 

чем

кремния

, 

а

тол

-

щина

диэлектрического

слоя

может

быть

выбрана

больше

тол

-

щины

изолирующего

  р-n 

перехода

. 

Однако

биполярные

микро

-

схемы

с

диэлектрической

изоляцией

не

получили

широкого

при

-

менения

вследствие

сложной

технологии

создания

карманов

и

малой

степени

интеграции

. 

Их

достоинством

является

повышен

-

ная

радиационная

стойкость

. 

У

эпитаксиально

-

планарных

тран

-

зисторов

токи

утечки

изолирующих

  р-n 

переходов

резко

возрас

-

тают

при

воздействии

ионизирующего

излучения

, 

вызывающего

генерацию

большого

числа

неосновных

носителей

. 

Ток

утечки

диэлектрика

при

этом

остается

пренебрежимо

малым

. 

Уменьша

-

ются

и

токи

утечки

коллекторных

  р-n 

переходов

, 

так

как

основ

-

ная

масса

неосновных

носителей

генерируется

за

пределами

кар

-

манов

и

не

может

достичь

этих

переходов

. 

11.2 

Транзисторы

с

комбинированной

изоляцией

 
Основным

методом

изоляции

элементов

современных

бипо

-

лярных

микросхем

является

метод

комбинированной

изоляции

, 

сочетающий

изоляцию

диэлектриком

 (

диоксидом

кремния

) 

и

 р-n 

переходом

, 

смещенным

в

обратном

направлении

. 

Существует

большое

число

конструктивно

-

технологических

разновидностей

биполярных

микросхем

с

комбинированной

изоляцией

. 

Широкое

распространение

получили

микросхемы

, 

создаваемые

по

изопла

-

98

нарной

технологии

. 

Последовательность

основных

технологиче

-

ских

операций

, 

используемых

в

изопланарной

технологии

, 

и

структуру

изопланарного

транзистора

поясняет

рис

. 11.5. 

n 

p- 

n+ 

n+ 

p+

n+ 

Э 

Б 

К 

д 

г 

в 

n 

p- 

n+ 

n+ 

Si

3

N

4 

n 

p- 

n+ 

n+ 

p+

p+

SiO

2 

Si

3

N

4 

n 

p- 

n+ 

n+ 

p+

p+

p+

SiO

n 

p- 

n+ 

n+ 

p+

p+

Граница эмиттера 

Э 

Б 

К 

а 

б 

е 

Рис. 11.5 — Комбинированная технология изоляции 

В

высокоомной

подложке

  p

−

-

типа

локальной

диффузией

доноров

формируют

скрытый

  n

+

-

слой

. 

Затем

на

всей

поверхно

-

сти

пластины

наращивают

тонкий

  (

ЭП

W

=1...3 

мкм

) 

эпитаксиаль

-

ный

слой

 n-

типа

 (

рис

. 11.5, а). 

На

полученную

поверхность

нано

-

сят

слой

нитрида

кремния

, 

из

которого

с

помощью

литографии

формируют

защитную

маску

. 

Не

закрытые

маской

области

эпи

-

таксиального

слоя

подвергают

травлению

на

глубину

приблизи

-

99

тельно

 0,5

ЭП

W

. 

Локальным

ионным

легированием

бором

через

маску

создают

противоканальные

области

  p

+

-

типа

, 

расположен

-

ные

под

вытравленными

участками

в

подложке

между

скрытыми

слоями

  n

+

-

типа

соседних

транзисторов

 (

рис

. 11.5, б). 

Назначение

этих

областей

поясняется

ниже

. 

Далее

проводят

селективное

окисление

кремния

в

вытравленных

участках

, 

где

он

не

закрыт

защитной

маской

, 

так

что

нижняя

граница

окисленных

областей

попадает

в

скрытый

  n

+

-

слой

. 

Слой

диоксида

кремния

растет

как

вниз

, 

так

и

вверх

. 

Поэтому

после

окисления

  (

при

соответствую

-

щем

выборе

глубины

травления

) 

восстанавливается

почти

пло

-

ская

поверхность

пластины

 (

рис

. 11.5, в). 

В

результате

образуют

-

ся

карманы

, 

в

каждом

из

которых

размещена

структура

  -

n n

+

-

типа

, 

изолированная

с

боковых

сторон

толстым

слоем

диоксида

кремния

, 

а

снизу

 — 

-

n p

+

−

переходом

. 

После

этого

пленку

нитрида

кремния

удаляют

и

формируют

маску

из

слоя

диоксида

кремния

, 

закрывающую

те

участки

, 

в

ко

-

торых

будут

создаваться

коллекторные

контактные

области

  (

рис

. 

11.5,  г). 

Диффузией

бора

  (

или

ионным

легированием

) 

получают

базовый

слой

 p-

типа

. 

При

этом

, 

независимо

от

точности

совмеще

-

ния

маски

, 

боковые

границы

базового

слоя

совмещаются

с

грани

-

цами

изолирующего

диоксида

кремния

, 

так

как

он

сам

также

слу

-

жит

маской

. 

Таким

методом

получают

самосовмещенную

базу

. 

Различные

методы

самосовмещения

, 

широко

применяемые

в

производстве

современных

микросхем

, 

заключаются

в

использо

-

вании

элементов

структуры

, 

созданных

на

предыдущих

этапах

из

-

готовления

микросхем

, 

в

качестве

маски

при

последующем

фор

-

мировании

каких

-

либо

областей

. 

Затем

восстанавливают

слой

ди

-

оксида

кремния

на

всей

поверхности

и

создают

из

него

маску

, 

ис

-

пользуемую

при

диффузии

  (

или

ионном

легировании

) 

фосфора

в

эмиттерную

и

контактную

области

  n

+

-

типа

. 

На

этом

этапе

приме

-

няют

метод

самосовмещения

в

плоскости

кристалла

 — 

три

грани

-

цы

эмиттерной

области

 (

за

исключением

четвертой

, 

обращенной

к

базовому

контакту

) 

и

все

границы

коллекторной

контактной

об

-

ласти

определяются

изолирующим

диоксидом

, 

используемым

вто

-

рично

в

качестве

маски

. 

Вновь

восстанавливают

пленку

диоксида

кремния

на

всей

поверхности

пластины

, 

вытравливают

в

ней

кон

-

100

тактные

отверстия

, 

напыляют

слой

алюминия

, 

проводят

его

селек

-

тивное

травление

и

создают

эмиттерный

, 

базовый

и

коллекторный

электроды

и

внутрисхемные

соединения

 (

рис

. 11.5, д, е). 

Главное

достоинство

изопланарного

транзистора

по

сравне

-

нию

с

эпитаксиально

-

планарным

  (

см

. 

рис

. 11.1) 

состоит

в

том

, 

что

при

одинаковой

площади

эмиттерных

переходов

общая

пло

-

щадь

изопланарного

транзистора

  (

с

учетом

площади

изолирую

-

щих

областей

) 

меньше

почти

на

порядок

. 

Поэтому

на

основе

изо

-

планарных

транзисторов

можно

создавать

БИС

и

СБИС

. 

Столь

значительное

снижение

площади

достигается

в

результате

ис

-

пользования

более

тонкого

эпитаксиального

слоя

, 

что

приводит

к

уменьшению

площади

изолирующих

областей

. 

Кроме

того

, 

в

конструкции

изопланарного

транзистора

исключены

пассивные

области

базы

и

коллектора

, 

не

используемые

под

контакты

, 

так

как

все

боковые

стенки

базовой

и

три

боковые

стенки

эмиттерной

области

непосредственно

граничат

с

изолирующим

диоксидом

кремния

транзисторов

, 

что

недопустимо

. 

11.3 

Многоэмиттерные

транзисторы

 
Многоэмиттерные

  n-р-n 

транзисторы

  (

МЭТ

) 

отличаются

от

рассмотренных

выше

одноэмиттерных

прежде

всего

тем

, 

что

в

их

базовой

области

  p-

типа

создают

несколько

  (

обычно

 4...8) 

эмит

-

терных

областей

  n

+

-

типа

. 

Эти

транзисторы

используют

в

микро

-

схемах

вместе

с

одноэмиттерными

. 

Поэтому

МЭТ

изготовляют

с

помощью

тех

же

технологических

процессов

, 

что

и

одноэмиттер

-

ные

, 

а

структура

МЭТ

содержит

те

же

полупроводниковые

слои

и

изолирующие

области

. 

Основная

область

применения

много

-

эмиттерных

транзисторов

 — 

цифровые

микросхемы

транзистор

-

но

-

транзисторной

логики

  (

ТТЛ

). 

В

этих

микросхемах

они

вклю

-

чаются

на

входе

и

выполняют

логическую

функцию

диодной

сборки

 (

рис

. 8.7, а). 

Многоэмиттерный

транзистор

можно

представить

в

виде

совокупности

отдельных

 p-n-p 

транзисторов

, 

число

которых

рав

-

но

числу

эмиттеров

 (

рис

. 11.6, б). 

Все

базовые

выводы

этих

тран

-

зисторов

, 

как

и

коллекторные

, 

соединены

между

собой

.