Конструктивно-технологічні варіанти виконання біполярного і польового транзисторів в одному кристалі. Інжекційно-польова логіка

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки

КАФЕДРА РЕМ

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

«КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ВАРІАНТИ ВИКОНАННЯ біполярних і польових ТРАНЗИСТОРОВ в одному кристалі. Інжекційного-ПОЛЕВАЯ ЛОГІКА »

МІНСЬК 2009

При виготовленні біполярного і польового транзисторів в одному кристалі виникає проблема оптимізації характеристик і фізико-топологічних структур в зв'язку з необхідністю оптимізації одночасно двох біполярних транзисторів п ⁺ -р-п-і р - n - р-типу, що створюються в одному кристалі.

З опису принципу роботи польового транзистора з керуючим р-п переходом ясно, що одночасно забезпечити низьку напругу відсічення і висока напруга пробою р-п переходу затвор - витік польового транзистора можна створенням тонкого і слаболегірованних каналу. Для забезпечення великої коефіцієнта передачі струму і високої граничної частоти біполярного транзистора база також повинна бути тонкою. Але при зниженні ступеня легування бази зменшуються гранична частота посилення і напруга проколу бази. Такий взаємозв'язок конструктивно-технологічних параметрів областей і електричних характеристик транзисторів визначила один з можливих шляхів створення інтегрованих біполярних і польових з керуючим електродом структур - формування активних областей транзисторів різних типів з різною товщиною і ступенем їх легування.

Один з варіантів такого роду структур, що характеризується малим напругою відсічення ПТУП, представлений на рис. 1. В даному випадку зменшення напруги відсічення досягається за рахунок використання V-ПТУП. Технологія виготовлення даної структури складається з наступних етапів: в кремнієву підкладку р-типу з епітаксіальним шаром n-типу, що містила прихований п ⁺ -шар і ізолюючі дифузійні області р ⁺ -типу, проводиться дифузія для формування областей бази і каналу р-типу. Потім за допомогою фотолітографії розкривається вікно в Окісна шарі і здійснюється хімічне травлення базової області в структурі ПТУП для освіти V-образного поглиблення. Підкладка має кристалографічну орієнтацію (100). Далі проводиться дифузія для формування областей n ⁺ -типу емітера, затвора і омічного контакту колектора.

Мал. 1. Структура, що містить біполярний і V- ПТУ П -транзістор:

/ - підкладка кремнію р-типу; 2 епітаксіальний шар; 3 прихований шар; 4 - ізолюючі області; 5 базова область; 6 - область каналу р-типу; 7-V-образне поглиблення; 8- область емітера; 9- область затзора; 10 n ⁺ -область контакту колектора

Цей конструктивно-технологічний варіант виготовлення мікросхеми дозволяє повністю поєднати технологічні операції формування областей обох типів транзисторів, але вимагає введення додаткових операцій фотолитографии і травлення.

Забезпечити більш точне регулювання концентрації легуючої домішки в каналі, а отже і напруги відсічення, в порівнянні з дифузійної технологією, можна за допомогою іонного легування. Застосування іонного легування дозволяє виготовляти мікросхеми, що містять на одному кристалі високоякісні біполярні транзистори і високоякісні польові транзистори з точно узгодженими параметрами. Структура, що містить такі транзистори, представлена ​​на рис. 2. У ній одна іонно-легована область утворює канал р-типу між областями витоку і стоку, а друга іонно-легована область утворює затворну область над цим каналом.

Така технологія включає операції дифузії бази, витоку і стоку, а також емітера і омічних контактів колектора і затвора. На наступних етапах виготовлення мікросхеми готова пластина з дифузійними областями доповнюється областями каналу і затвора, які формувались методом іонного легування. Різниця між структурою біполярний транзистор - ПТУП і структурою на основі звичайної планарно-епітаксіальної технології полягає в наявності сформованого іонним легуванням каналу, заглибленого під поверхню напівпровідникового матеріалу в проміжку між областями витоку і стоку. У процессеізготовленія цієї структури одна операція іонного легування забезпечує формування каналу p-типу між Істоковий і стокових контактами, які представляють собою стандартні дифузійні області р-типу, що формуються одночасно з дифузією бази в біполярних транзисторах. За допомогою другого іонного легування формується затвора область n-типу, що закриває зверху область каналу. Напруга відсічення польового транзистора з керуючим р-n переходом пропорційно сумарній кількості легуючої домішки, наявного в його каналі.

Мал. 2. Структура, що містить біполярний транзистор і польовий транзистор з керуючим р-п переходом з іонно-легованих каналом (1) і іонно-легованих верхнім керуючим затвором (2)

Мал. 3. біполярного-польова структура з діелектричної ізоляцією елементів, що забезпечує високий коефіцієнт посилення: 1 - іонно-легована область бази транзистора; 2 ізолюючий окисел кремнію; 3 - полікристалічний кремній з великим питомим опором; 4 область каналу польового транзистора

При використанні дифузійної технології напруга відсічення польових транзисторів контролюється дуже погано і отримати два польових транзистора з узгодженими напруженнями відсічення майже неможливо. При переході на формування каналу за допомогою іонного легування з'являється можливість практично точно задати кількість іонів домішки, необхідне для отримання каналу із заданими властивостями. В результаті стає цілком реальним управляти абсолютними значеннями напруг відсічення і отримати ПТУП з точно узгодженими параметрами. У той же час формування іонно-легованих каналів з малими домішковими концентраціями дозволяє отримати не тільки невеликі за абсолютним значенням напруги відсічення, але і високі пробивні напруги польових транзисторів.

У розглянутих вище варіантах структур біполярний транзистор - ПТУП особливу увагу приділено забезпеченню малих значень напруги відсічення польових транзисторів. Однак, при використанні цих структур в ОУ слід враховувати і необхідність забезпечення високих електричних характеристик біполярних транзисторів, зокрема, статичного коефіцієнта передачі струму В. Для цих цілей розроблена структура біполярного транзистора з великим коефіцієнтом передачі струму, в якій областьактівной бази має низьку концентрацію легуючої домішки (N = 2 ... 4 х 10 ¹⁵ см ^-3). Такий рівень легування бази при її малій товщині, зумовленої необхідністю забезпечення високої граничної частоти і коефіцієнта передачі струму, досягається в даній структурі поєднанням іонної імплантації і дифузії.

Біполярно-польова структура з діелектричної ізоляцією елементів, що містить біполярний транзистор з великим коефіцієнтом В, зображена на рис. 3. Технологічна послідовність її виготовлення наступна: дифузія р ⁺ -області, тривала дифузія для освіти р -каналу, іонне легування і короткочасна дифузія р-області для утворення бази біполярного транзистора, дифузія n ⁺ -області для освіти емітера біполярного і затвора польового транзисторів.

При виготовленні біполярно-польовий каскодной схеми необхідно створення на одному кристалі біполярного п-р-п-і польового з л-каналом транзисторів (рис. 4). У цій структурі польовий транзистор має кільцеву геометрію, а область каналу польового транзистора ізольована від колектора біполярного транзистора дифузійними р-п переходами. Нижнім затвором служить підкладка. Для створення верхнього затвора проводиться попередня дифузія домішки бору з високою поверхневою концентрацією і тривалий дифузний відпал для заглиблення р ⁺ -області затвора. Потім проводиться дифузія бору з меншою поверхневою концентрацією і менш тривалим часом для формування бази біполярного транзистора. В результаті більш високої концентрації і більш тривалої дифузії бор в польовому транзисторі дифундує глибше, ніж в біполярному. Області п ⁺ -типу емітера і омічного контакту колектора біполярного транзистора, стоку і витоку польового транзистора утворюються одночасно дифузією фосфору.

Мал. 4. біполярного-польова структура з ізоляцією елементів р-п переходами і n-канальний польовим транзистором: / - дифузійна область бази біполярного транзистора; 2 - область ізолюючої дифузії; 3 - р ⁺ -область верхнього затвора польового транзистора; 4 - область каналу польового транзистора

Мал. 5. біполярного-польова структура, яка містить ПТУП з вертикальним каналом n-типу: / -область каналу ПТУП; 2 - р ⁺ -область затвора: 3 - прихований шар; 4 - ізолююча р - область ', 5 - р ⁺ -область пасивної бази; 6 - р ^- -область активної бази

Структура, в якій інтегровано малошумящий високочастотний і-канальний польовий і біполярний n - р - n -транзістори, зображена на рис. 5. Вона відрізняється від наведених вище структур тим, що містить не горизонтальний, а вертикальний польовий транзистор. Важливою перевагою останнього є можливість формування дуже короткого каналу і, тим самим, досягнення високої швидкодії.

При виготовленні цієї структури одночасно формують n ⁺ -області емітера, контакту до колектора, стоку і витоку; р ⁺ -область затвора може формуватися або при дифузії активної бази р-типу, або, що більш ефективно, при створенні заглибленою області р ⁺ -типу пасивної бази біполярного транзистора. З метою підвищення відтворюваності параметрів структури дифузія може бути замінена іонною імплантацією.

Вертикальний польовий транзистор при площі витоку, що дорівнює 250 мкм ^2, має граничну частоту посилення 7 ГГц, напруга відсічення 2 В, напруга пробою витік - затвор 10 В. Слід зазначити, що область витоку з метою здійснення контакту виконується ширше каналу і тому перекриває дифузійні області затвора.

Недоліками такої конструкції польового транзистора, зумовленими перекриттям затвором області витоку, є підвищена ємність затвор - витік і мале напруга пробою. Перекриття може бути виключено з допомогою техніки самосовмещенія, але це вимагає додаткових технологічних операцій. Труднощі виготовлення на одному кристалі біполярного і польового з вертикальним каналом транзисторів полягає у виборі оптимального значення опору епітаксійного шару, що визначає опір каналу і колектора.

Функціонально-ІНТЕГРОВАНІ біполярного-ПОЛЬОВІ СТРУКТУРИ.Інжекційного-ПОЛЕВАЯ ЛОГІКА

Функціонально-інтегрована структура, яка містить біполярний p - n - p -транзістор VT 1 і польовий транзистор з керуючим р-п переходом VT 2, показана на рис. 6. В ній суміщені колекторна область біполярного р- n -транзістора з затвора областю та й-канального польового транзистора, а також базова область р - n - р -транзістора з Істоковий областю польового транзистора.

Ця структура є основою нового схемотехнічного базису логічних елементів, що використовує явище інжекції основних носіїв заряду і польовий ефект і названого инжекционно-польовий логікою, виконує функції інвертора і містить польовий транзистор в якості елементу перемикача, а в якості навантажувального елемента (генератора струму) - біполярний транзистор . Затвор польового транзистора служить входом (рис. 6 а, б, в), а стік - виходом інвертора.

Мал. 6. Структура (а), топологія (б) і еквівалентна електрична схема (в) инжекционно-польового інвертора

Інжекційно-польовий елемент працює наступним чином. Підключення бази і емітера р - n - р -транзістора відповідно до землі і до плюсових електродамцепі харчування при подачі на останні напруги, рівного напрузі відкривання емітерного р-п переходу (0,3 ... 0,6 В), забезпечує протікання струму харчування між емітером і колектором р- n -р -транзістора. При цьому р - n - р- транзистор включений за схемою із загальною базою і є генератором постійного струму, величина якого практично не залежить від напруги на його колекторі. Струм живлення являє собою струм неосновних носіїв заряду, що переміщаються в базовій області р- n -р -транзістора, що є одночасно Істоковий областю польового транзистора. Неосновні носії заряду збираються (коллектіруются) р- n переходом затвор - витік.

Польовий транзистор в ИПЛ-инвертор працює в режимі, не характерному для роботи польових транзисторів в традиційних схемах. При нульовому потенціалі на вході інвертора (т. Е. При замиканні затвора польового транзистора на «землю», див. Рис. 6), відповідному напрузі логічного нуля, польовий комутаційний транзистор закритий, так як його канал перекритий збідненим шаром об'ємного заряду р-п переходу затвор - витік і має дуже високий опір (рис. 7). Крім того, зазвичай напруга між затвором і витоком, при якому відбувається перекриття каналу шаром об'ємного заряду, має негативну полярність і становить кілька вольт. У разі ИПЛ-елемента цю напругу має позитивну полярність і становить декілька часток вольта. Справді, якщо гальванічна зв'язок між входом і «землею» відсутній, то неосновні носії заряду, коллектірованние р- n переходом затвор - витік, будуть накопичуватися в затвора області, поки на ній не встановиться потенціал, приблизно рівний напрузі джерела живлення. При цьому р- n перехід затвор - витік зміщується в прямому напрямі і опір каналу різко зменшується внаслідок зменшення шару об'ємного заряду. Комутаційний польовий транзистор відкривається. Напруга 0,3 ... 0,6 В відповідає напрузі логічного «1».

Мал. 7. Структура нормально закритого польового n -Канальний транзистора з керуючим р-п переходом: / - область каналу; 2 - область об'ємного заряду; 3 - дифузійно-легована кільцева р - область затвора; 4 - іонно-легована п ⁺ - область стоку.

Описаний вище режим роботи польового транзистора не оптимальний з точки зору забезпечення звичних характеристик польових транзисторів, зокрема високого вхідного опору, що реалізуються в традиційних схемах. Однак такий режим роботи є єдино можливим для здійснення роботи ИПЛ-інверторів в логічних схемах розташовані один навпроти одного без проміжних каскадів і при одному тільки джерелі живлення.

Включення перемикача польового транзистора по схемі із загальним витоком, а біполярного навантажувального транзистора по схемі із загальною базою дозволяє будувати логічні схеми на ИПЛ-елементах в загальній підкладці без епітаксійного шару і без ізоляції окремих елементів один від одного. Це заздалегідь зумовлює простоту технології, підвищення виходу придатних мікросхем і зниження їх вартості.

Топологія елемента допускає в разі необхідності виконання виходів інвертора у вигляді декількох незалежних стічних областей, аналогічних многоколлекторних виходу класичної инжекционной логіки. З метою отримання більш високого швидкодії елементів инжекционно-польовий логіки, їх рядки формують суміщеними з діодами Шотки (рис. 8). В основу конструкції елемента ИПЛ з діодами Шотки покладена звичайна планарно-епітаксіальна структура з прихованим n ⁺ -шар. Ізолюючі області р ⁺ -типу в ній з'єднані металізацією з n ⁺ -області стоку польового транзистора.

Крім описаної вище і наведеної на рис. 6 основної структури ИПЛ-елемента можливі і інші її варіанти, які використовують різні конструкції перемикача і навантажувального елементів. Загальним для всіх модифікацій буде принцип роботи, що полягає в інжекції неосновних носіїв заряду за допомогою прямосмещенного р-п переходу в Істоковий область нормально закритого польового транзистора з подальшим їх коллектірованіем випрямляючим переходом затвор - витік польового транзистора, за рахунок чого і здійснюється управління провідністю каналу.

На рис. 8 представлена ​​функціонально-інтегрована біполярно-польова структура, яка формується із застосуванням іонної імплантації. У ній біполярний р- n -р -транзістор виготовляється за звичайною планарно-епітаксіальної технології, а для формування області стоку нормально закритого ПТУП і створення необхідної низької концентрації домішок в п-області каналу використовуються дві операції іонного легування.

а)

Мал. 8. Структура (а) і еквівалентна електрична схема (б) елемента инжекционно-польовий логіки з діодами Шотки

Мал. 9. Структура біполярного-польового елемента мікросхеми із застосуванням іонного легування: / - підкладка; 2 - прихований n ⁺ -шар; 3 - епітаксіальний n-шар; 4 - область перекомпенсірованія домішки n-типу імплантацією бору; 5 - оксид кремнію; 6 - фоторезист

Одним з найважливіших умов формування структури польового транзистора в ИПЛ-схемах є забезпечення низької (на рівні 10 ^{| 3}... 10 ¹⁵ см ~ ³⁾ концентрації домішки в каналі. Тому спочатку імплантацією домішки р-типу в базову область р-п-р-транзистора за рахунок перекомпенсації створюється ділянку зі зниженою концентрацією донорної домішки (рис. 9,6), а потім імплантацією домішки n-типу формується пана область стоку польового транзистора.

Перспективи розвитку инжекционно-польовий логіки на основі нормально закритого польового транзистора оцінюються дуже високо, що пояснюється можливістю створення на їх основі надшвидкісних, надвеликих інтегральних мікросхем і їх здатністю працювати в широкому діапазоні температур. Передбачається, що інтегральні мікросхеми на елементах ИПЛ знайдуть застосування при створенні аналогових пристроїв (операційних підсилювачів, аналого-цифрових і цифро-аналогових перетворювачів, підсилювачів зчитування в цифрових пристроях), логічних пристроїв (БІС-годин і мікрокалькуляторів, однокристальних ЕОМ), запам'ятовуючих пристроїв ( БІС оперативної пам'яті, БІС ПЗУ і ін.).

Мал. 10. Структура кристала мікросхеми, що містить ЕСЛ і ИПЛ, виготовлених в одному технологічному процесі з комбінованою ізоляцією.

Деякі конструктивно-технологічні рішення спрямовані на створення на одному кристалі елементів инжекционно-польовий логіки і елементів інших схемотехнічних базисів (рис. 10).

ЛІТЕРАТУРА

1. Новиков Ю.В. Основи цифрової схемотехніки. Базові елементи і схеми. Методи проектування. М .: Світ, 2001. - 379 с.

2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основи мікропроцесорної техніки. Курс лекцій. М .: ІНТУІТ.РУ, 2003. - 440 с.

3. Пухальский Г.І., Новосельцева Т.Я. Цифрові пристрої: Учеб. посібник для Втузов. СПб .: Політехніка, 2006. - 885 с.

4. Преснухин Л.Н., Воробйов Н.В., Шишкевич А.А. Розрахунок елементів цифрових пристроїв. М .: Вища. шк., 2001. - 526 с.

5. Букрєєв І.М., Горячев В.І., Мансуров Б.М. Мікроелектронні схеми цифрових пристроїв. М .: Радио и связь, 2000. - 416 с.

6. Соломатін Н.М. Логічні елементи ЕОМ. М .: Вища. шк., 2000. - 160 с.