ВВЕДЕНИЕ

Целью изучения дисциплины является подготовка студентов в области интегральных устройств радиоэлектроники (ИУРЭ) применительно к проектированию, технологии и эксплуатации современных радиоэлектронных средств (РЭС); обучение принципам и методам построения различных функциональных узлов РЭС с улучшенными характеристиками качества, использующих элементы как конструкторско-технологической, так и физической интеграции; формирование представления о месте и роли ИУРЭ в современной элементной базе РЭС.

Основными задачами изучения дисциплины являются:

• изучение принципов построения и функционирования устройств РЭС, основанных на использовании как статических неоднородностей и конструкторско-технологической интеграции, так и динамических неоднородностей и физической интеграции;

• освоение методик проектирования и конструирования ИУРЭ;

• обеспечение квалифицированного использования знаний современной элементной базы при проектировании, производстве и эксплуатации РЭС.

Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при изучении дисциплин:

• физика (разделы: "Физика колебаний и волн”, “Электричество и магнетизм”, “Оптика”);

• физические основы микроэлектроники (разделы: “Электропроводность твёрдых тел”, “Контактные явления”, “Полевой транзистор”);

• общая электротехника и электроника (разделы: “Биполярные транзисторы”, “Полупроводниковые элементы интегральных микросхем”, “Полупроводниковые лазеры”);

• схемотехника электронных средств (все разделы).

Данная дисциплина является основой для углублённого изучения и освоения современной элементной базы РЭС в следующих за ней дисциплинах учебного плана, а также для квалифицированного решения вопросов выбора и обоснования применяемой элементной базы при выполнении курсовых работ и проектов и в дипломном проектировании.

Элементную базу РЭС составляет совокупность различных элементов, участвующих в преобразовании сигналов и информации, которая в них содержится: пассивные дискретные электрорадиоэлементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и т.д.), активные дискретные элементы (полупроводниковые и электровакуумные приборы), интегральные микросхемы (ИС) и устройства функциональной электроники.

Основной особенностью полупроводниковых приборов и ИС является наличие в кристалле полупроводникового материала большого количества созданных в его поверхностном слое статических неоднородностей. Классическим примером таких неоднородностей являются области полупроводника с различными свойствами, например, с разными типами носителей зарядов, разделенные p-n-переходами. Обработка сигналов осуществляется продвижением носителей из области одной статической неоднородности в область другой. При этом происходит непрерывное изменение физических величин – носителей информации, таких как ток, потенциал, концентрация носителей и т.д.

Статические неоднородности характеризуются следующими особенностями: они создаются в ходе необратимых технологических процессов во время производства; в основном сохраняют свои характеристики в течение всего срока эксплуатации; жестко связаны с пространственными координатами и не могут перемещаться в объеме прибора.

Статические неоднородности являются основой конструкторско-технологической интеграции, т.е. основой создания и функционирования полупроводниковых ИС. Направление микроэлектроники, связанное с конструкторско-технологической интеграцией, иногда называют схемотехническим. Этот термин основан на том, что преобразования, которым подвергаются сигналы, определяются не только свойствами собственно статических неоднородностей, но и тем, каким образом они сформированы в ИС и соединяются между собой, т.е. схемой.

В настоящее время все более возрастающее значение в элементной базе РЭС приобретают устройства функциональной электроники. Функциональная электроника охватывает вопросы получения комбинированных сред с наперед заданными свойствами и создание различных электронных устройств на их основе методами физической интеграции. При этом используются такие физические принципы и явления, реализация которых позволяет получить компоненты со сложным функциональным назначением, в отличие от конструкторско-технологической интеграции, предусматривающей конструирование ИС на основе функционально простых элементов типа транзисторов, диодов, резисторов и т.д.

В функциональной электронике используются новые физические принципы и эффекты с целью создания принципиально новых электронных устройств, отличительной чертой которых являются несхемотехнические принципы их построения. Функции схемотехники в данном случае выполняют непосредственно те или иные физические процессы, характерной особенностью которых является наличие и использование для обработки или хранения информации динамических неоднородностей в однородном объеме твердого тела. Примерами таких динамических неоднородностей могут быть цилиндрические магнитные домены, пакеты зарядов в приборах с зарядовой связью, волны деформации кристаллической решетки в приборах на поверхностных акустических волнах и т.д.

Динамические неоднородности создаются физическими методами. Их появление, перемещение и исчезновение в объеме твердого тела не связано с процессом изготовления устройства. Особенностями динамических неоднородностей является то, что они создаются физическими средствами в ходе эксплуатации прибора, а не технологическими в процессе производства; могут возникать и исчезать, а также изменять свои характеристики во времени; могут существовать длительное время, и эта длительность определяется функциональными задачами устройства; не связаны жестко с пространственными координатами; являются непосредственными носителями информации, которая может быть представлена как в цифровой, так и в аналоговой форме.

Функциональная электроника имеет большие перспективы. Так известно, что в ИС по мере повышения степени интеграции все большую часть площади кристалла (до 80%) занимают токоведущие дорожки. Суммарная длина токоведущих дорожек в больших или в сверхбольших ИС может составлять до 5 м. В функциональной электронике эта проблема отсутствует.

В настоящее время в функциональной электронике разрабатываются приборы, в каждом из которых используется какой-либо один тип динамических неоднородностей. В перспективе стоит вопрос о переходе ко второму этапу – созданию устройств на базе интеграции нескольких различных физических эффектов. Это даст возможность осуществлять параллельный перенос и обработку больших массивов информации, создавать устройства с многослойными структурами, использовать большую часть площади кристалла, повышать надежность и устойчивость к внешним воздействиям. Широкое использование оптических методов управления переносом и обработкой информации может приблизить разрабатываемые РЭС к абсолютному теоретическому пределу быстродействия – скорости света.

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

1. Классификация интегральных схем

Интегральная схема (микросхема) – это конструктивно законченное изделие электронной техники, имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных между собой транзисторов, полупроводниковых диодов, конденсаторов, резисторов и др., изготовленных в едином технологическом цикле, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое. ИС являются элементной базой большинства современных средств радиоэлектроники и вычислительной техники, в которых выполняют функции преобразования, обработки и хранения информации.

Появлению первых ИС способствовали успехи в развитии электронной аппаратуры на дискретных полупроводниковых приборах, в результате чего стало реальным создание сложных электронных устройств, состоящих из десятков и сотен тысяч полупроводниковых диодов и транзисторов. Однако оказалось, что собрать такие устройства безошибочно было почти невозможно из-за большого количества межсоединений. Выход из создавшегося положения был найден на пути объединения (интеграции) в едином устройстве множества активных и пассивных элементов и межсоединений, создаваемых одновременно в едином технологическом цикле. Впервые идея ИС была высказана английским ученым Д. Даммером в 1952 г. Первые опыты в данной области были проведены в 1953 г., а промышленное производство ИС началось в 1959 г. (через год после разработки технологии планарных транзисторов).

По конструктивно-технологическому исполнению все ИС делятся на полупроводниковые (монолитные), пленочные и гибридные. Полупроводниковые ИС в свою очередь подразделяются на биполярные ИС (в качестве активных элементов используются биполярные транзисторы) и МОП ИС (в качестве активных элементов используются транзисторы со структурой «металл – оксид – полупроводник» – МОП-транзисторы). Пленочные и гибридные ИС в свою очередь подразделяются на тонко- и толстопленочные.

Исторически первыми в середине 50-х гг. прошлого века были разработаны гибридные ИС (ГИС), вначале представлявшие собой пассивные пленочные резистивно-емкостные схемы. Впоследствии в состав таких схем наряду с пленочными стали включать дискретные пассивные и активные компоненты – навесные конденсаторы (с заведомо большей в сравнении с пленочными емкостью), трансформаторы, диоды и транзисторы (на первых порах даже сверхминиатюрные электронные лампы). Деление ГИС и пленочных ИС на тонко- и толстопленочные обусловлено не столько толщиной пленок (соответственно, менее 1 – 3 мкм и более 3 – 5 мкм), сколько методом их нанесения в процессе создания пассивных элементов.

Пассивные элементы тонкопленочных ГИС и пленочных ИС наносят на подложку в основном с использованием термовакуумного распыления и катодного осаждения, а пассивные элементы толстопленочных ГИС и пленочных ИС получают нанесением и вжиганием проводящих и резистивных паст. В 60-х гг. 20-го в. были предприняты попытки создания пленочных активных элементов, однако надежно функционирующие пленочные транзисторы получить не удалось. Активные компоненты ГИС изготавливают отдельно, а затем закрепляют («навешивают») на подложке. Помимо активных компонентов навесными могут быть и пассивные (трансформаторы, конденсаторы, катушки индуктивности и др.).

ГИС, являясь по внешним признакам переходным устройством между приборами на дискретных компонентах и полупроводниковыми ИС, в настоящее время находят достаточно широкое применение, в частности, в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), а также, например, в тех случаях, когда требуется прецизионная подстройка параметров ИС в процессе ее формирования. Совершенствование ГИС идет по пути объединения на одной подложке с пассивными элементами уже не отдельных полупроводниковых приборов, а кристаллов полупроводниковых ИС.

Наряду с ГИС широкое применение находят и пленочные ИС, у которых все элементы выполнены с помощью пленочной технологии. Такие ИС содержат, как правило, только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, межсоединения) и представляют собой обычно пленочные RC-цепи различного назначения, используемые в качестве резистивных делителей напряжения, резистивно-емкостных фильтров и др.

Появление ГИС и пленочных ИС было значительным продвижением на пути интеграции и миниатюризации РЭС. Однако решение всего комплекса проблем, связанных с существенным снижением массогабаритных показателей электронной аппаратуры, уменьшением ее энергопотребления, увеличением объема выполняемых функций, повышением надежности, значительным расширением масштабов производства, стало возможным в результате создания полупроводниковых ИС на основе планарной технологии. Приоритет создания полупроводниковой ИС принадлежит американским ученым Дж. Килби и Р. Нойсу, которые независимо друг от друга в 1959 г. подали заявки на свои изобретения.

В полупроводниковых ИС все активные и пассивные элементы выполнены в тонком (5 – 10 мкм) приповерхностном слое полированной полупроводниковой пластины в результате комбинации технологических процессов легирования, травления, оксидирования, металлизации и др., проводимых с использованием методов литографии. Принципы построения, структуры и разновидности полупроводниковых ИС подробно будут рассмотрены ниже.

В процессе изготовления на одной полупроводниковой пластине диаметром до 150 – 200 мм в едином технологическом цикле формируется несколько сотен одинаковых ИС. После этого пластину разрезают на отдельные кристаллы – чипы (от англ. chip – осколок), каждый из которых содержит одну полупроводниковую ИС. Площадь одного кристалла ИС в зависимости от ее сложности составляет 1 – 100 мм² (чаще всего 10 – 50 мм²). Сами кристаллы затем заключают в отдельные корпуса, хотя применяются и бескорпусные ИС (с герметизирующим покрытием или без него).

Число отдельных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.) в конкретной ИС характеризует ее степень интеграции. В соответствии со степенью интеграции все ИС условно делят на малые (МИС – до 10² элементов на кристалл), средние (СИС – до 10³), большие (БИС – до 10⁴), сверхбольшие (СБИС – до 10⁶), ультрабольшие (УБИС – до 10⁹) и гигабольшие (ГБИС – более 10⁹ элементов на кристалл). Иногда степень интеграции определяют величиной

K=lgN,

где N – число элементов, входящих в ИС (значение K округляется до ближайшего целого числа в сторону увеличения).

При всем своем многообразии ИС по выполняемым функциям делятся на два основных класса – аналоговые и цифровые (логические). Аналоговые ИС (АИС) предназначены для усиления, ограничения, частотной фильтрации, сравнения и переключения сигналов, изменяющихся во времени непрерывно. Цифровые ИС (ЦИС) предназначены для преобразования (обработки) сигналов, изменяющихся во времени дискретно (например, выраженных в двоичном или ином цифровом коде). В отдельную группу ИС следует выделить аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи, служащие для преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно.

Быстрый рост номенклатуры ЦИС и прежде всего узкоспециальных БИС и СБИС сдерживается программными способами (использованием наборов универсальных микропроцессорных БИС), что в ряде случаев ведет к снижению быстродействия РЭС. Поэтому в последнее время весьма актуальным становится другое направление универсализации ИС – использование матричных программируемых логических ИС (ПЛИС), допускающих выполнение множества (сотен и тысяч) различных функций при использовании ПЛИС одного типа.

1.2. Достоинства и недостатки полупроводниковых ис

Полупроводниковые ИС (далее просто ИС) имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с обычными устройствами РЭС, в которых используются дискретные элементы. Перечислим наиболее очевидные из них: а) производство ИС рентабельно, так как здесь в едином технологическом цикле изготовляется большое число идентичных изделий;

б) все кристаллы, полученные из одной пластины, имеют одинаковые характеристики, чего невозможно добиться, применяя дискретные элементы; в) изделия, в которых используются ИС, отличаются высокой надежностью, обусловленной образованием всех внутренних межсоединений в процессе изготовления ИС, в результате чего отпадает необходимость пайки; г) малые габаритные размеры ИС обусловили их широкое применение, особенно в таких областях, как радиоэлектроника и вычислительная техника, где требуются малая масса изделий и высокое быстродействие; д) хорошие эксплуатационные характеристики и низкая стоимость позволяют использовать весьма сложные ИС, что повышает качество работы РЭС, в которых они используются.

ИС присущи и недостатки:

а) характеристики ИС в области высоких частот ухудшаются из-за наличия паразитных емкостей;

б) пассивные элементы ИС имеют большие значения температурных коэффициентов; в) сопротивления резисторов ИС лежат в пределах 10 – 50 кОм, емкости конденсаторов – менее 200пФ;

г) в интегральном исполнении крайне трудно создавать катушки индуктивности.

3. Основные материалы и технологические процессы,

используемые при изготовлении ИС

Методы изготовления полупроводниковых ИС основаны на тех же технологических процессах, что и методы изготовления дискретных транзисторов. Технологический процесс создания ИС можно рассматривать как метод изготовления из некоторых исходных материалов законченного геометрического объекта, обладающего заданными электрическими характеристиками. При разработке ИС требуется разносторонняя оценка свойств ряда исходных материалов. В первую очередь это относится к свойствам полупроводников, так как в процессе разработки ИС должны быть точно известны возможности формирования областей того или иного типа проводимости в определенных локальных местах подложки, которые обладали бы заданными характеристиками. Кроме того, необходимо предварительно оценить возможности контролируемого изменения удельного сопротивления полупроводникового материала подложки путем введения в него примесных атомов элементов III (бор и др.) и V (фосфор, мышьяк и др.) групп периодической системы Менделеева.

Основным полупроводниковым материалом, применяемым при изготовлении ИС, является кремний (Si) – элемент IV группы системы Менделеева, благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам и технологичности вытеснивший германий. Этому способствовали также доступность исходного сырья и распространенность кремния в природе.

Вторым важным материалом, широко используемым при изготовлении ИС, является оксид кремния (SiO₂). Слои этого материала выполняют важнейшие функции: защищают поверхность готовой ИС от внешних воздействий и обеспечивают возможность локального формирования элементов.

Для выполнения омических контактов и межэлементных соединений в ИС используются металлические материалы, на параметры которых налагается комплекс специальных требований (высокая адгезия с кремнием и оксидом кремния, согласованный температурный коэффициент расширения, слабое влияние на электрофизические свойства кремния и др.). В наибольшей степени таким требованиям отвечает алюминий (Al), который в настоящее время очень широко используется в технологии изготовления ИС.

Таким образом, в процессе изготовления ИС физико-химические свойства применяемых материалов сочетают так, чтобы можно было избирательно формировать области различного типа проводимости и р-n-переходы, выполняющие функции элементов схемы и обеспечивающие надежную изоляцию их друг от друга, а также соответствующие полупроводниковые и металлические слои, играющие роль контактных площадок, проводников и пассивных элементов. Решение всех этих задач обеспечивается с помощью определенной последовательности технологических процессов, включающей в себя чередующиеся операции химической обработки поверхности, эпитаксиального наращивания слоев кремния, термического окисления, маскирования поверхности фоторезистом, диффузии примесных атомов для получения слоев c электропроводимостью р- и n- типов, металлизации, нанесения защитного слоя и др.

1.3.1. Подготовительные операции

После выращивания слитка из монокристаллического кремния того или иного типа проводимости (с помощью добавки в процессе выращивания соответствующей легирующей примеси) его разрезают на отдельные плоскопараллельные пластины, поверхности которых тщательно очищают, полируют физическими и химическими методами и покрывают слоем диоксида кремния, который препятствует диффузии примесей в глубь материала.

1.3.2. Эпитаксиальный процесс

Эпитаксиальный процесс состоит в ориентированном выращивании одного монокристалла на поверхности другого (эпитаксиальной пленки на поверхности пластины – подложки). Такой процесс возможен только в том случае, когда размеры и форма элементарных кристаллических ячеек обоих веществ одинаковы или близки. Эпитаксиальное выращивание проводят в особом реакторе, внутрь которого одновременно помещают множество пластин, закрепленных в покрытом слоем кварца графитовом держателе. Эпитаксиальное выращивание кремниевого слоя производится из газовой фазы. Эпитаксиальный слой возникает при взаимодействии газа с пластиной, его ориентация повторяет ориентацию кристаллической решетки пластины. Важными параметрами процесса являются температуры газового потока и пластины. Эпитаксиальное выращивание позволяет создавать атомные слои, равномерно легированные в направлении нормали к пластине, в отличие от слоев, полученных диффузионным путем, в которых всегда имеется некоторый градиент концентрации примесей.

1.3.3. Фотолитография

Целью этого процесса является перенос рисунков с фотошаблонов, полученных в результате проектирования ИС, на поверхность кремниевой пластины с тем, чтобы в дальнейшем создать на ней необходимые слои. Вначале на поверхность пластины наносят слой фоторезиста – материала, чувствительного к облучению, и сушат. После этого на поверхности пластины размещают фотошаблон, который облучают ультрафиолетом, или рентгеновским излучением, или электронными (ионными) пучками (после экспонирования отдельные участки фоторезиста полимеризуются).

Затем удаляют неполимеризованный фоторезист вместе с находящимся под ним оксидным слоем. В результате образуются окна, через которые впоследствии осуществляют диффузию донорных примесей, после чего удаляют остатки фоторезиста. Перечисленные операции повторяют многократно по числу необходимых для изготовления ИС процессов диффузии, ионного легирования и металлизации.

1.3.4. Диффузия примесей

Диффузия примесей является технологическим процессом легирования – введения примесей в полупроводник, который чаще всего используют для направленного изменения параметров р- и n-областей пластин или эпитаксиальных пленок. Этим способом создают р-n-переходы в биполярных ИС, а также истоки и стоки полевых транзисторов в МОП ИС. Для диффузии в кремний в качестве акцептора в основном используется бор (В), а в качестве донора – фосфор (Р) или мышьяк (As).

Процесс заключается в нагреве кремниевой пластины до температуры, не превышающей температуру ее плавления (около 1000 ºС), а необходимые примеси поступают на поверхность из газовой фазы. Кроме того, существуют и другие способы, когда примеси поступают из жидкой фазы.

1.3.5. Ионное легирование

Сущность ионного легирования заключается во введении примесей (бор, фосфор, мышьяк) в поверхностный слой пластины или эпитаксиальной пленки путем бомбардировки ее ионами примесей с высокой энергией. К несомненным достоинствам процесса следует отнести то, что он проводится при более низких по сравнению с диффузией температурах. Это позволяет избежать характерных для диффузии чередующихся нагревов, которые изменяют концентрации примесей в диффузионных слоях, созданных на предыдущих этапах.

1.3.6. Термическое оксидирование

Возможность поверхностного пассивирования кремниевой пластины путем покрытия ее изолирующим оксидным слоем является одним из важных преимуществ планарной технологии, применяемой при изготовлении ИС. Обычно пассивирование осуществляют путем термического оксидирования кремния. При изготовлении некоторых видов ИС применяют и другие способы: анодное оксидирование, катодное напыление оксидного слоя. Слой оксида кремния является защитным, а также выполняет ряд других функций. В частности, он может играть роль маски при избирательной диффузии примеси, служить изолятором между различными элементами ИС и между слоями металлизации, а также использоваться в качестве диэлектрика в МОП-конденсаторах ИС. Особо следует отметить использование данного слоя как изолятора между затворами и кремниевой подложкой в полевых транзисторах МОП ИС. Термическое оксидирование проводят в атмосфере чистого кислорода (сухое оксидирование) или в смеси кислорода с водяным паром (влажное оксидирование).

1.3.7. Металлизация

Данный процесс, по сути дела, завершает изготовление ИС (на практике после металлизации проводят еще и пассивирование). В ходе этого процесса осаждаются тонкие металлические пленки из алюминия, золота или никеля, которые образуют электрические соединения между активными областями и элементами, размещенными на кристалле.

3. Методы изоляции элементов ИС

Одной из важнейших задач проектирования и производства ИС, активные и пассивные элементы которых размещаются на единой полупроводниковой подложке, является обеспечение между ними достаточно хорошей электрической изоляции, которая исключала бы или сводила к минимуму паразитные взаимодействия между отдельными частями ИС. Для разрыва путей токов утечки между элементами ИС локальные области, в которых формируются эти элементы, должны быть электрически изолированы друг от друга. В технологии изготовления ИС могут использоваться несколько методов изоляции, основными из которых являются (рис 1.1):

а) изоляция обратно смещенным р-n-переходом;

б) изоляция диэлектриком (поликристаллическим кремнием, оксидом кремния, нитридом кремния, ситаллом и др.);

в) изоляция путем формирования активных и пассивных элементов на непроводящих подложках (сапфир, ситалл);

г) изоляция путем создания мезаструктур с помощью вертикального анизотропного травления.

Наиболее технологичными из этих методов изоляции являются изоляция обратно смещенным р-n-переходом и изоляция диэлектриком, причем в последнее время наиболее широко применяется первый из этих методов. Заметим, что при изображении структур ИС, как на рис 1.1, а, так и далее области полупроводника с разными типами проводимости для упрощения представляются в виде прямоугольников, тогда как в действительности они, реализуемые посредством эпитаксии, диффузии и/или ионного легирования, имеют плавные контуры границ. То же самое относится к изолирующим диэлектрическим слоям и металлическим выводам и межсоединениям.

3. Активные и пассивные элементы биполярных ИС

1.5.1. Транзисторы

Транзисторы являются основными элементами ИС. Чтобы реализовать их структуру, в процессе изготовления необходимо выполнить большое число операций. Другие же элементы (диоды, резисторы и конденсаторы) можно создавать параллельно на соответствующих этапах общего технологического процесса.

Преимущественно в биполярных ИС (напомним, что термин «биполярный» указывает на то, что работа данного устройства связана с движением как электронов, так и дырок) используют транзисторы типа n-p-n, поскольку их параметры легче контролировать при изготовлении. К тому же они имеют лучшие частотные характеристики. Структура простейшего такого транзистора показана на рис. 1.2 и не требует особых пояснений. Увеличение уровня легирования эмиттера (не просто n, а n⁺, т.е. существенно выше концентрация донорной примеси в сравнении с коллекторной областью того же типа проводимости) требуется для получения более высокого коэффициента инжекции, характеризующего эффективность эмиттера.

Рассмотренный транзистор практического применения почти не находит в силу присущих ему недостатков. Каких именно, становится ясно при анализе реальной структуры планарно-эпитаксиального транзистора ИС со скрытым n⁺-слоем (рис. 1.3). Его (как и транзистора на рис. 1.2) отличие от дискретного транзистора того же типа заключается в том, что коллекторный вывод выполнен с верхней стороны исходной подложки, что обуславливает более высокое последовательное сопротивление коллекторной области.

Скрытый n⁺-слой как раз и обеспечивает низкоомный путь тока от активной коллекторной области к коллекторному контакту. Кроме того, в области коллектора, где формируется омический контакт (часто П-образной формы), проводится диффузия донорной примеси для образования n⁺-области. Этим обеспечивается предотвращение инверсии (изменения типа проводимости) слаболегированного эпитаксиального слоя, так как алюминий, используемый при выполнении омического контакта, является акцептором. Пленка из золота на нижней стороне подложки является омическим контактом для реализации изоляции обратно смещенным p-n-переходом.

1.5.2. Диоды

Из анализа типовой структуры интегрального транзистора следует, что для формирования диода полупроводниковой ИС можно применить любой из двух p-n-переходов транзистора путем использования пяти различных схем включения. Характеристики получаемых таким образом диодов в значительной степени определяются способом включения, поэтому при практическом использовании интегральных диодов имеется возможность варьирования получаемых параметров.

На рис. 1.4 показаны варианты построения интегральных диодов на основе структуры интегрального планарно-эпитаксиального транзистора. В этих вариантах использованы: I – переход эмиттер – база при короткозамкнутом переходе база – коллектор, II – переход эмиттер – база при разомкнутой коллекторной цепи, III – переход база – коллектор при отсутствии эмиттерной области (при формировании интегрального диода процесс эмиттерной диффузии за ненадобностью был исключен), IV – коллектор и эмиттер короткозамкнуты и, следовательно, получаются два параллельно включенных диода, один из которых представляет собой переход эмиттер – база, а другой – переход база – коллектор, V – переход база – коллектор при короткозамкнутом переходе эмиттер – база.

Из анализа свойств различных типов интегральных диодов следует, что вариант I с короткозамкнутым переходом база – коллектор предпочтителен в логических ИС, поскольку позволяет получить максимальное быстродействие, тогда как диоды, реализуемые по вариантам III и V, имеющие наибольшее напряжение пробоя, можно использовать в качестве диодов общего назначения.

Отдельного упоминания требуют диоды Шоттки (по имени немецкого ученого В. Шоттки) – полупроводниковые диоды, действие которых основано на использовании свойств контакта металл – полупроводник (рис.1.5). В таких диодах в отличие от диодов на p-n-переходах мало влияние накопления неосновных носителей заряда, и ток через контакт металл – полупроводник обусловлен главным образом основными носителями. Последовательное сопротивление диода Шоттки (а, следовательно, и прямое падение напряжения на нем) заведомо ниже, чем у диода с p-n-переходом, что и используется при построении быстродействующих ИС.

1.5.3. Резисторы

Наибольшее распространение в полупроводниковых ИС нашли диффузионные резисторы и пинч-резисторы (от англ. pinch – сужение, сжатие). Номинальное значение сопротивления R резистора определяют из известного соотношения

R=ρ_Vl/(bd),

где ρ_V– удельное объемное сопротивление материала резистора;l,bиd– соответственно длина, ширина и толщина резистивного материала.

Величина ρ_Vопределяется уровнем легирования полупроводникового материала и температурой. Чем ниже уровень легирования, тем ρ_Vбольше, что позволяет минимизировать размеры резистивного элемента заданного номинала. Однако удельное сопротивление чистого или слаболегированного полупроводникового материала сильно зависит от температуры, что полностью исключает возможность его практического использования. Для уменьшения температурной зависимости сопротивления резистора необходимо применять высоколегированный полупроводниковый материал. Увеличение концентрации подвижных носителей заряда в таком материале за счет проявления собственной электропроводности будет незначительным по сравнению с концентрацией основных носителей заряда в широком диапазоне температур.

Диффузионные резисторы, применяемые в полупроводниковых ИС, формируют на той же подложке, что и остальные элементы схемы (транзисторы, диоды, конденсаторы). Поскольку для изготовления транзисторной структуры требуется большое количество высокотемпературных процессов, резистивный элемент может быть получен одновременно с какой-либо из областей транзистора. В практических случаях резистор чаще всего формируют на базовом слое транзисторной структуры.

Выбор этого слоя представляет компромиссное решение между большими геометрическими размерами, которые были бы необходимы при использовании эмиттерного слоя, и высоким температурным коэффициентом сопротивления резистора, который получался бы при очень слабом легировании кремния, т. е. при выборе в качестве материала резистора коллекторного слоя транзистора. На рис. 1.6 показано сечение диффузионного резистора с электропроводностью р-типа, сформированного на базовом слое транзисторной структуры типа n-р-n.

Максимальное номинальное значение сопротивления такого резистора зависит от отношения длины к ширине резистивной полоски, которое в свою очередь зависит от наличия свободной площади на исходной подложке. Современные технологические методы позволяют получать резисторы с сопротивлением до 50 кОм на площади подложки 0,03 – 0,04 мм².

Способ увеличения номинального значения сопротивления резистора, занимающего определенную площадь на подложке, иллюстрируется рис. 1.7. В резистивную полоску р-типа проводят дополнительную диффузию примеси n⁺-типа. Резистивная область оказывается ограниченной двумя р-n-переходами, каждый из которых должен быть смещен в обратном направлении. Следовательно, сечение проводящего слоя резистора при этом уменьшается. Диффузию примесных атомов, формирующих n⁺-слой, удобно совмещать с диффузией, в процессе которой изготовляется эмиттерная область транзистора.

Такой резистивный элемент называют пинч-резистором. Существенным недостатком пинч-резисторов является большой разброс сопротивлений, который может достигать 100%. Поэтому такие конфигурации резисторов применяются только в тех случаях, когда возникающие отклонения от их номиналов не оказывают отрицательного влияния на работу схемы в целом.

1.5.4. Конденсаторы

В полупроводниковых ИС обычно используют два типа конденсаторов: конденсаторы на основе обратно смещенных p-n-переходов и конденсаторы со структурой «металл – оксид – полупроводник» (МОП-конденсаторы). Создание конденсаторов на основе p-n-перехода не требует введения дополнительных технологических операций, поскольку они выполняются на переходах, предназначенных для формирования структуры интегральных транзисторов.

Важной особенностью интегральных конденсаторов первого типа является то, что их емкость зависит от изменения напряжения, приложенного к p-n-переходу. Максимальное значение удельной емкости конденсатора достигается тогда, когда напряжение внешнего смещения равно нулю. Однако такой режим работы конденсатора практически неприемлем.

Исключение представляет случай очень малой амплитуды напряжения, поскольку переход должен находиться в непроводящем состоянии при любой фазе приложенного напряжения. Кремниевый переход остается непроводящим при напряжении 0,5 – 0,7 В, приложенном в прямом направлении. Поэтому в редких случаях оказывается допустимым режим работы конденсатора при нулевом смещении p-n-перехода, на котором он формируется.

Зависимость ширины области объемного заряда p-n-перехода от напряжения может также привести к модуляции емкости конденсатора. Для уменьшения этого эффекта напряжение отрицательного смещения должно быть заведомо больше амплитуды переменного напряжения, приложенного к переходу. Следовательно, интегральным конденсаторам, формируемым на p-n-переходе, присущ ряд существенных недостатков. С их помощью невозможно получить большие номинальные значения емкости, так как для этого потребовалась бы большая площадь подложки. Кроме того, для таких конденсаторов характерны малая добротность и зависимость емкости от приложенного напряжения, что значительно ограничивает класс схем, в которых их можно использовать.

Отмеченные недостатки в значительной степени можно устранить, если использовать МОП-конденсаторы на основе слоя оксида кремния (рис.1.8). Эти конденсаторы отличаются лучшими электрическими характеристиками и находят применение в широком классе полупроводниковых ИС. Процесс изготовления интегральных МОП-конденсаторов не требует дополнительных технологических операций, так как получение оксида, используемого в качестве диэлектрика, можно легко совместить с одной из операций локальной диффузии, а вторая (алюминиевая) обкладка реализуется в процессе формирования межэлементных соединений ИС.

Преимущество МОП-конденсатора заключается в том, что он является неполярным и имеет нулевой коэффициент напряжения. Следовательно, к нему может быть приложено напряжение любой полярности, а номинальное значение емкости не зависит от приложенного напряжения.

Емкость конденсаторов обоих типов рассчитывают по известной формуле

C=ε_оε_rS/d,

где ε_о – электрическая постоянная;ε_r– относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника (для конденсатора первого типа) или оксида кремния (для конденсатора второго типа);S– площадьp-n-перехода или пластин конденсатора;d– толщина обедненного или оксидного слоя соответственно.