Текст
                    ББК 32.844
К 60
УДК 621.3.049.7.002(075)
Рецензенты: академик АН БССР В. А. Лабунов, кафедра конструирования
РЭА и микроэлектроники ЛЭИС им. М. А. Бонч-Бруевича
Редакция литературы по электронной технике
Коледов Л. А.
К 60 Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и
микросборок: Учебник для вузов.— М.: Радио и связь, 1989.—
400 с.: ил.
ISBN 5-256-00142-6.
Изложены сведения о конструкторско-технологических вариантах исполнения элементов и
компонентов микросхем, микропроцессоров и микросборок. Дано детальное описание технологи-
ческих маршрутов их производства. Уделено особое внимание вопросам анализа и синтеза тех-
нологических маршрутов, обеспечению качества изделий микроэлектроники и эффективности их
производства. Представлены и проанализированы с точки зрения их использования в микро-
электронной аппаратуре современные конструкции изделий микроэлектроники.
Для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Конструирование и производство
радиоаппаратуры».
к
2403000000-028
046(01)-89
132-88
ББК 32.844
Учебное издание
Коледов Леонид Александрович
ТЕХНОЛОГИЯ И КОНСТРУКЦИИ МИКРОСХЕМ, МИКРОПРОЦЕССОРОВ И МИКРОСБОРОК
Учебник
Заведующий редакцией Ю. И. Рысев. Редактор Н. Н. Кузнецова. Переплет художника Ю. В. Архангель-
ского. Художественный редактор Я. С. Шеин. Технический редактор 7. Я. Зыкина. Корректор
Т. R Покатова.
ИБ № 737
Сдано в набор 30.12.87. Подписано в печать 23.02.89. Т-05057. Формат 60X88’/i6- Бумага офсетная
№ 2. Гарнитура литер. Печать офсет. Уел. печ. л. 24,50. Усл. кр.-отт. 24,50. Уч.-изд. л. 28,40. Тираж
20 000 экз. Изд. № 20674. Зак. № 918. Цена 1 р. 30 к.
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Московская типография № 4 «Союзполиграфпрома» при Государственном комитете СССР по делам из-
дательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, И-41, Б. Переяславская, 46
ISBN 5-256-00142-6
© Издательство <Радио и связь>, 1989

ПРЕДИСЛОВИЕ Микроэлектроника как современное направление проектирования и производства электронной аппаратуры различного назначения яв- ляется катализатором научно-технического прогресса. Автоматиза- ция производств, создание гибких перестраиваемых роботизирован- ных систем, развитие автономных систем немыслимы без примене- ния интегральных микросхем, микропроцессоров и микросборок. Технология изготовления изделий микроэлектроники обеспечивает в первую очередь высокий уровень производительности труда, комплексную микроминиатюризацию электронной аппаратуры связи, автоматики, вычислительной техники и вбирает в себя передовой опыт и достижения многих отраслей науки и техники: от физики взаимодействия атомных и ядерных частиц с веществом до микро- металлургии и прецизионной химической технологии. Данный учебник предназначен для студентов вузов специальнос- тей «Конструирование и технология электронных вычислительных средств» и «Конструирование и технология радиоэлектронных средств», а также для студентов смежных специальностей элект- ронной и вычислительной техники, приборостроения и автома- тики при изучении ими курсов по основам микроэлектроники. Учебник состоит из двух частей. В первой рассмотрены изделия микроэлектроники как объект производства в их историческом развитии и как совокупность миниатюрных связанных между собой электрорадиоэлементов. Даны понятия о конструктивной, схемотех- нической и функциональной интеграции этих элементов, прослежена связь функциональных характеристик элементов интегральных мик- росхем с конструктивно-технологическими вариантами их исполне- ния. Во второй части подробно рассмотрены технологические маршру- ты производства микросхем различного исполнения, вопросы их анализа и синтеза как необходимой совокупности и последователь- ности технологических операций. Уделено внимание обеспечению эффективности производства, повышению качества микросхем, про- анализированы современные конструкции изделий микроэлектроники с точки зрения их использования в аппаратуре. Изложено содержа- ние технологических операций и принципы работы современного технологического оборудования. Учебник написан на основе многолетнего опыта чтения авто- ром аналогичного курса на кафедре микроэлектроники Московского института электронной техники. 3
ВВЕДЕНИЕ Электроника — это наука о формировании и управлении потоками электронов в устройствах приема, передачи, хранения и обработки информации. В основе работы электронных приборов лежат фунда- ментальные законы поведения носителей тока в электрических маг- нитных полях, в вакууме, в разреженных газах и твердых телах. Электронные приборы и устройства используются в аппаратуре связи, автоматики, вычислительной и измерительной техники, при- боростроении. Электронная промышленность, научной основой раз- вития которой являются достижения электроники, серийно про- изводит вакуумные, газоразрядные, полупроводниковые, фотоэлект- ронные, пьезоэлектрические, криоэлектронные и квантовоэлектрон- ные приборы. Начиная с 60-х годов особое место в номенклатуре изделий электронной промышленности занимают интегральные мик- росхемы, микропроцессоры и микросборки — микроминиатюрные электронные изделия, составляющие основу элементной базы микро- электронной аппаратуры. Создание микроэлектронной аппаратуры явилось результатом процесса комплексной микроминиатюризации электронно-вычисли- тельных средств, аппаратуры связи, устройств автоматики. Этот про- цесс возник в связи с потребностями развития промышленного выпуска изделий электронной техники на основе необходимости резкого увеличения масштабов их производства, уменьшения их мас- сы, занимаемых ими объемов, повышения их эксплуатационной надежности. Принятая ныне техническая политика, направленная на широкую роботизацию, на создание гибких автоматизированных производств, на ускорение научно-технического прогресса и усиление его роли в хозяйственной жизни отводит особое место микроэлектронике как средству и материальной базе реализации целевых программ в области автоматики и робототехники, вычислительной техники, механизации и автоматизации ручных операций во всех отраслях промышленности. В Основных направлениях экономического и социального раз- вития СССР на 1986... 1990 годы и на период до 2000 года постав- лена задача значительно расширить в приборах и средствах авто- матизации применение элементной базы повышенной надежности и быстродействия, микросхем большой функциональной сложности и высокой степени интеграции. 4
Особая роль отводится микроэлектронике в развитии вычисли- тельных средств, поскольку умелое, широкое использование элект- ронно-вычислительной техники — один из важнейших факторов про- исходящей научно-технической революции. Важным шагом в этом направлении было создание микропроцессора. Микропроцессор состоит из операционного и управляющего устройств и предназна- чен для автоматического выполнения последовательности операций по записанной в оперативной или постоянной памяти программе, которая может изменяться. Программное управление обеспечивает широкую логическую гибкость, т. е. возможность использования микропроцессора для выполнения различных функций, поскольку с изменением программы работы изменяется функционирование про- цессора. Микропроцессор может выполняться в виде одной большой интегральной схемы (БИС) или нескольких функционально закон- ченных БИС. При построении простейших контроллеров и других устройств с ограниченными функциями и разрядностью эффектив- ны однокристальные микропроцессоры, выполненные в виде одной большой полупроводниковой микросхемы. В более сложных вычис- лительных системах они оказались малоэффективными из-за огра- ничений по функциональной полноте, низкой производительности и небольшой вычислительной мощности. Это привело к созданию многокристальных микропроцессоров, т. е. к расчленению процессора на несколько БИС, которые в сумме по функциональной сложности и разрядности удовлетворяют требованиям, предъявляемым к про- цессору мощной унифицированной ЭВМ. Такие БИС получили наз- вание микропроцессорных секций, а их совокупность — микропроцес- сорного комплекта. Логическая структура и возможности микропроцессоров (раз- рядность и объем функций, система команд, количество магистралей при соединении микропроцессоров между собой и с периферийным оборудованием) определяются достижениями технологии. Развитие микроэлектронной технологии играет ведущую родь в развитии микроэлектроники.
Часть I. ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ КАК ОБЪЕКТ ПРОИЗВОДСТВА Глава 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ: ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ 1.1. СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Термин технология произошел от греческих слов техоп — искусство, мастерство, умение и Xojos — наука, т. е. переводится как наука о мастерстве. Этот термин многозначен. В широком смысле он означает со- вокупность приемов, методов и способов получения и переработки сырья, обработки материалов, полуфабрикатов или изделий, осу- ществляемых с целью получения конечного продукта или изделия. Технология производства изделий микроэлектроники базируется на способах изменения формы, размеров, физических и химических свойств, состава и структуры исходных полупроводниковых и дру- гих материалов. Показателями эффективности технологии являются: удельный расход сырья на единицу продукции; процент выхода годных изде- лий и их качество; уровень производительности труда; затраты на производство и себестоимость продукции. В более узком смысле этим термином обозначают технологи- ческие операции, являющиеся частью процесса производства изде- лий, а также комплект технологической документации (маршрутные и технологические карты, технологические инструкции и т. п.), под- робно описывающей этапы изготовления и позволяющей их вос- произвести. Именно в смысле передачи технологической документа- ции говорят о передаче технологии. Наконец, технологией называется научная или техническая дисциплина, которая занимается выявле- нием сущности и закономерностей механических, физических, хими- ческих и других явлений с целью совершенствования существую- щей и разработки и внедрения в производство новой более эффек- тивной технологии каких-либо изделий, например технология маши- ностроения, технология микроэлектроники, технология полупровод- ников. Производство изделий микроэлектроники включает определен- ный ряд последовательно и параллельно проводимых обработок — операций, выполняя которые постепенно из исходных материалов по- 6
лучают готовые изделия. Технологическая операция — это закон- ченная часть технологического процесса, выполняемая на одном ра- бочем месте. Она характеризуется целенаправленным изменением исходного объекта (заготовки или полуфабриката) в процессе вы- полнения последовательных рабочих приемов — переходов. Техноло- гическим переходом называется законченная часть технологической операции, характеризуемая постоянством применяемого инструмента и поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке. В процессе выполнения каждой технологической операции происхо- дят качественные изменения обрабатываемых объектов: полупровод- никовый слиток превращается в пластины, форма пластин и их поверхности становятся геометрически более точными, затем пла- стины становятся более чистыми, в них формируются области определенного типа электропроводности и т. д. В зависимости от обрабатываемого объекта различают основ- ные и вспомогательные технологические операции. Если обработке подвергаются объекты, которые при завершении производственного процесса преобразуются в требуемое изделие, то такие обработки относятся к основным операциям. Технологические операции, выпол- няемые над вспомогательными объектами, называются вспомогатель- ными. К ним относятся, например, подготовка травителей, очистка оснастки, осушка газов. Вспомогательные операции являются частью производства и от качества их выполнения в не меньшей степени, чем от качества выполнения основных операций, зависит качество готовых изделий. Эффективным средством повышения качества и процента выхода годных микросхем является контроль отсутствия дефектов после вы- полнения технологических операций. Поэтому в технологический производственный процесс вводят контрольные операции. Количест- во контрольных операций определяется типом и сложностью изделий. Технология производства интегральных микросхем включает большое число разнообразных по своей физико-химической природе операций, проводимых в вакууме, газах, жидкостях и на воздухе. Количество операций в ряде случаев доходит до нескольких сотен. Технологический процесс — это часть производственного про- цесса, содержащая действия по изменению и последующему опреде- лению состояния предмета производства. Технологический процесс изготовления микросхемы содержит определенное, по возможности оптимальное, число технологических операций, расположенных в определенной последовательности и обеспечивающих экономически обоснованное получение микросхем заданной конструкции с заданны.- ми электрофизическими параметрами. В массовом и серийном производстве применяют хорошо отработанные, проверенные типо- вые технологические процессы, доказавшие надежность микросхем в процессе эксплуатации. Такие технологические процессы харак- теризуются единством содержания и последовательности большинст- ва технологических операций и переходов для группы изделий с об- щими конструктивными признаками. 7
Одну и ту же технологическую операцию можно реализовать различными (по физико-химической природе) технологическими ме- тодами. Например, технологическую операцию получения p-h пере- хода можно осуществить методами диффузии, эпитаксии, ионного легирования. В соответствии с разделением производства на технологические участки различают следующие методы обработки: механические, химические, термические, фотолитографические, эпитаксии, элио- ники (обработка электронным и ионным лучами), сборки, гермети- зации и др. Различают групповые и индивидуальные технологические методы. При групповых методах одновременной обработке подвергается не один образец, а целая партия. Обработка партии в одинаковых технологических условиях позволяет уменьшить разброс параметров от образца к образцу и увеличить производительность технологи- ческого процесса. Технологические процессы производства изделий микроэлектро- ники, как правило, представляют собой совокупность групповых и индивидуальных методов обработки. Химическую обработку, от- жиг пластин и подложек осуществляют групповым методом; операции контроля, разделения пластин на кристаллы, подложек— на платы гибридных интегральных микросхем проводят индивиду- альным методом. Поскольку на одной пластине или плате форми- руют большое число микросхем, то индивидуальные методы обработки пластин и подложек являются групповыми по отношению к каждой отдельной микросхеме. Операции монтажа и сборки микро- схемы в корпус, контроль на функционирование являются чисто индивидуальными. г 1.2. РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ В ИСТОРИЧЕСКОМ АСПЕКТЕ На начальных этапах развития электронной техники, когда основными компонентами радиоэлектронных средств служили резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, реле, электронные лампы и соединяющие их проводники, технология развивалась по пути производства и обработки различных диэлектрических, прово- дящих материалов, соединения их между собой для создания кон- струкций приборов и устройств. Уделялось большое внимание со- вершенствованию технологии электронных ламп: стекольное произ- водство, металло-стеклянные спаи, технология металлов, в том числе тугоплавких и редких металлов и сплавов, вакуумная технология, технология пластмасс, автоматическая сборка ламп. В соответствии с растущими потребностями совершенствовалась и специализи- ровалась технология производства пассивных компонентов: при производстве конденсаторов уже применялись многие диэлектричес- 8
кие и проводящие материалы, в производстве проводов совершенст- вовалась технология протяжки металлов и нанесения на ни^ изоляционных материалов. При сборке устройств важное место занимала технология создания контактов. Аппаратура собиралась из отдельных компонентов, которые механически укреплялись на металлических панелях и электрически соединялись между собой с использованием проволочного жгутового монтажа с помощью разъе- мов, пайки, сварки. Позднее были разработаны печатные платы. Технология печатных плат—самостоятельный раздел технологии РЭА, имеющий исключительно важное значение для производства современных радиоэлектронных средств. Аппаратура, которая разрабатывалась накануне изобретения микросхем, основывалась на применении микромодулей. Технология а — резистор; б — конденсатор; в — катушка индуктивности; г — трансформатор; д — дндод; е — транзис- тор 9
микромодулей использовала все лучшие достижения технологии дис- кретных пассивных и активных электрорадиоэлементов и методов их сборки. Микромодули представляли собой функционально и конструктивно законченные устройства, объединялись они в серии, на основе которых можно было создавать электронную аппаратуру определенного назначения. Наиболее перспективные серии этажероч- ных модулей обеспечивали высокую плотность заполнения объема РЭА элементами, защиту элементов от механических и климатических воздействий, снижали трудоемкость изготовления РЭА, позволяли автоматизировать технологические процессы. На основном элементе модуля — микроплате из ультрафарфора, миналунда или фотоситалла с каждой стороны имелось потри метал- лизированных паза (рис. 1.1) В них при сборке микромодуля впаи- вали соединительные проводники. Металлизацию пазов осуществля- ли серебряными или молибдено-марганцевыми пастами с обжигом и последующим обслуживанием припоем ПОС-61 с добавкой 2...3% серебра. На микроплатах размещали резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, линии задержки, трансформаторы, квар- цевые резонаторы, активные элементы. Был организован мас- совый выпуск таких микроэлементов на различные номинальные значения параметров. Успехи технологии производства микроэлементов позволили на одной микроплате размещать несколько резисторов, конденсаторов, диодов или их комбинацию. От производства таких полиэлемент- ных микроплат до массового выпуска современных гибридных интегральных микросхем, в частности толстопленочных, оставался лишь один шаг. Очень быстро развивалась, часто и резко изменялась техноло- гия полупроводниковых приборов: способы создания структуры при- бора, особенно формирования р-п переходов. Первые транзисторы имели точечно-контактные переходы (рис. 1.2). Они формировались в месте контакта с полупроводником двух близко расположенных электролитически заточенных проволо- чек. При пропускании импульса тока под такой иглой образуется миниатюрный р-п переход. Предусматривалось предварительное нанесение на конец иглы примеси, которая при разогреве контакта проникала в монокристаллическую полупроводниковую пластину, формируя р-п переход. Точечно-контактные переходы были неста- бильными, с плохо воспроизводимыми характеристиками, полупро- водниковые приборы имели низкую механическую прочность. Рис. 1.2. Точечио-коитактиый р-п переход: 1— полупроводниковая пластина; 2— игла; 3— переход 10
В 1949... 1950 гг. были разработаны сплавные транзисторы. Оба р-п перехода этих транзисторов создаются при соосном вплавлении навесок электродных сплавов с двух противоположных сторон тон- кой полупроводниковой пластины (рис. 1.3). Сплавной р-п переход отличается резким, практически ступенчатым, характером распреде- ления в нем активных примесей, но трудности точного регулирова- ния глубины вплавления мешают изготовлению сплавных тран- зисторов с тонкими (менее 10 мкм) базовыми областями, в связи с чем максимальные рабочие частоты таких транзисторов не превы- шают 10 МГц. Вначале в качестве исходного материала для транзисторов широко применялся германий, но вскоре (1954 г.) появилась возмож- ность замены его кремнием — более технологичным полупроводнико- вым материалом, обладающим лучшим набором электрофизических характеристик. Так, кремний, имеющий температуру плавления 1420 °C, позволяет проводить высокотемпературные обработки и создавать полупроводниковые приборы с гораздо более широким диапазоном рабочих температур, чем германий. Дальнейший успех в технологии полупроводниковых приборов принесло освоение двух важнейших технологических операций: диффузии и локального травления. Диффузия примесей в полупроводник — это технологический метод легирования активными примесями областей полупроводнико- вых материалов и формирования в них р-п переходов. Сущность метода состоит в создании на поверхности полупроводника источ- ника примеси и проведении отжига, при котором примесь проникает с поверхности в глубь материала за счет теплового движения ато- мов. Если полупроводниковый материал был предварительно одно- родно легирован до концентрации No активной примесью другого типа проводимости, то в месте, где концентрация продиффундиро- Рис. 1.3. Конструкция германиевого сплавного траи- зистора: 1— рекристаллизованные слои германия, обогащенные ннднем Рис. 1.4. Возникновение р-п перехода иа глубине Хр-п, где концентрация диффузаита n-типа равна исходной концентрации примесей р-типа 11
вавшей примеси сравняется^ концентрацией исходной, образуется р-п переход (рис. 1.4). / В отличие от сплавных, диффузионные переходы характеризу- ются плавным изменением концентрации примеси в области р-п пе- рехода. Так как диффузия — медленный процесс, скорость которого зависит от температуры, он позволяет очень точно регулировать глубину залегания р-п переходов подбором соответствующих ре- жимов: температуры и длительности. По сравнению с предыдущими методами изготовления транзис- торов диффузионное легирование позволяет значительно (в 10 раз) увеличить точность формирования толщины базовой области. Дру- гое, не столь очевидное, преимущество диффузии — возможность группового метода обработки в технологии изготовления транзисто- ров. Диффузионно-сплавной транзистор (рис. 1.5) имеет сплавной эмиттерный и диффузионный коллекторный переходы. Они получают- ся в результате вплавления в полупроводниковую пластину с уже созданным диффузионным р-п переходом двух различных элект- родных материалов, один из которых создает невыпрямляющий контакт к области базы транзистора, а другой — сплавной эмит- терный р-п переход. Травление — это технологическая операция удаления части об- рабатываемого материала путем ее растворения в подходящем тра- вителе. Травители для германия и кремния состоят обычно из окис- лителя (для образования окислов на германии и кремнии), раство- рителя (для перевода этих окислов в растворимое состояние) и замедлителей или ускорителей химических реакций. Локальное травление — это удаление материала с определенной, заранее заданной части поверхности, соприкасающейся с раст- вором. Другие участки, на которые не должно распространяться действие травления, должны быть защищены инертным к действию травителя материалом. Такими материалами для полупроводников являются воск, пицеин, асфальтит, церезин, химически стойкий лак (ХСЛ), они обладают еще и хорошим сцеплением с кремнием. Дальнейшим развитием локального травления является метод фо- Рис. 1.5. Конструкция диффузионно - сплавного транзистора: 1— рекристаллизованный слой р- типа (эмиттер); 2— диффузион- ный слой л-типа (база); 3-сое- динительный слой л-типа Рис. 1.6. Меза-структуры: а—плато; б —перешеек с малой площадью р-п перехода; в — конусообразная 12
1 1 Рис, 1.7. Технология изготовления кремниевого меза-диффузионного диода: а—исходная пластина кремния; б— защита рабочей поверхности лаком; в—покрытие никелем неза- щищенной поверхности пластины; г—снятие лака с рабочей поверхности пластины и напыление на нее пленки алюминия; д —формирование р-п перехода диффузией алюминия в кремний; е — защита локальных участков рабочей поверхности; ж— травление меза-структур; з—защита мест выхода р-п переходов на боковую поверхность меза-структур; и—разделение пластины на кристаллы: к—создание омического контакта к p-слою; л — присоединение выводов термокомпрессией; м — герметизация диода; 1—лак; 2—никель; 3—алюминий; 4—церезин (асфальтит); 5—защитное покрытие; 6—омический кон- такт, 7— вывод; 8— герметик толитографии, использующий в качестве защитного слоя стойкое к действию травителей вещество — фоторезист, меняющее свою раст- воримость под действием света. С помощью локального травления полупроводниковых материа- лов получают меза-структуры (от испанского mesa — стол, плато), а в сочетании с диффузией меза-диффузионные полупроводниковые приборы (рис. 1.6, рис. 1.7). Меза-диффузионная технология по- зволяет получать стабильные электрофизические характеристики и воспроизводимость параметров р-п переходов. Рабочие частоты некоторых меза-транзисторов достигли гигагерцевого диапазона. Такие транзисторы благодаря своей конструкции более прочны и лучше рассеивают тепло. Уменьшение площади р-п перехода (рис. 1.6, б) позволяет снизить его емкость и повысить рабочую частоту; растягивание области объемного заряда w р-п перехода в месте выхода его на поверхность до большей величины w\ (рис. 1.6, в) позволяет увеличить его пробивное напряжение. В 1959 г. была разработана планарная (от латинского planus — плоский) технология, основные операции формирования структур в которой проводятся с одной плоской стороны полупроводнико- вой пластины. Она основана на операциях окисления кремния, 13
фотолитографии и диффузии и позволяет получить транзистор за счет диффузии базовой примеси в подложку, выполняющую роль коллектора, и эмиттерной примеси в сформированную при первой диффузии базовую область (рис. 1.8). Плоская конструкция прибора позволяла создавать электрические соединения ко всем трем облас- тям транзистора через окна в окисле путем напыления металли- ческой пленки и формирования пленочных проводников вместо нетехнологичной операции присоединения проволочек к полупровод- никовому материалу. Пленка двуокиси кремния, используемая в качестве маски в процессах диффузии, пассивировала поверхность полупроводникового материала и защищала выходящие на поверх- ность р-п переходы как в процессе их формирования, так и при эксплуатации прибора. Первой существенной модификацией планарной технологии было создание планарно-эпитаксиального процесса (1960 г.). Дело в том, что планарный процесс имел существенный недостаток — не позво- лял изготовлять мощные транзисторы из-за высокого сопротивления области коллектора. Полупроводниковый материал коллектора (см. рис. 1.8) из всех трех слоев транзистора — наименее легиро- ванный. Планарно-эпитаксиальный процесс включал операцию эпитаксиального наращивания тонкого слоя кремния, повторяющего структуру монокристаллической подложки. Уровень легирования и тип проводимости этого слоя могут отличаться от уровня легирова- ния подложки. Процесс позволял создавать в эпитаксиальном слое транзисторы, характеристики которых не зависят от материала под- ложки. На прочной, сравнительно толстой подложке теперь можно было получить транзисторы с тонкой базой (т. е. с высокой рабочей частотой) и низким омическим сопротивлением коллектора (боль- шой мощностью). Из рис. 1.9 видно, что высоколегированная п+-подложка шунтирует менее легированный и сравнительно высо- коомный коллекторный н-слой. Планарно-эпитаксиальные транзисторы изготавливались по груп- повой технологии, т. е. на одной кремниевой пластине одновременно формировалось несколько десятков и даже сотен транзисторов Рнс. 1.8. Конструкция дискретно- го планарного транзистора: /— полупроводниковая высоколегирован- ная л -подложка; 2— диффузионный слой р-типа; 3— диффузионный слой л-тн- па; 4— пленка окисла; 5— металлическое основание— вывод коллектора Рис. 1.9. Планарио-эпитаксиальный транзистор: а — все выводы транзистора расположены на ра- бочей поверхности; б — вывод коллектора распо- ложен на нижней поверхности пластины; /—кремниевая высоколегированная л+-подлож- ка; 2— эпитаксиальный л-слой кремния; 3— плен- ка окнсла кремния; 4— вывод коллектора 14
Рис. 1.11. Изоляция двух тран- зисторов интегральной микрос- хемы и эквивалентная схема изоляции Рис. I.IP. Способ получения изолированных островков кремния п-типа путем проведения разделительной диффузии: 1—кремниевая подложка р-типа; 2— изолированные друг от друга островки кремния л-типа; 3— область раздели- тельной диффузии; 4—окисел кремния и в состав партии входило несколько десятков пластин. Пластины разделялись на дискретные транзисторы, которые помещались в корпуса. Многие работники промышленности уже тогда отмечали противоречивость, нелогичность разделения полупроводниковой пластины на кристаллы, сборки кристаллов в корпуса и соединения выводов корпусов друг с другом в общую схему. Появление интег- ральных микросхем с точки зрения технологии производства стало насущной необходимостью. Для создания интегральной микросхемы было необходимо ре- шить два главных вопроса: изоляции элементов в пределах одного полупроводникового кристалла и получения диодов, резисторов, конденсаторов с заданными параметрами на основе структуры тран- зистора. Конструктивно-технологический способ электрической изоляции двух областей одной и той же полупроводниковой пластины показан на рис. 1.10. Выращенный на пластине p-типа эпитаксиаль- ный слой и-типа разделяется на отдельные островки (карманы) диффузией примеси p-типа. Каждый островок может служить ма- териалом для коллектора транзистора, анода диода или обкладки конденсатора. С помощью диффузии в любом из них могут быть созданы полупроводниковые элементы: транзистор, диод, резистор или конденсатор. Образованные между островками и подложкой р-п переходы обеспечивают при подаче на них обратного смеще- ния изоляцию карманов друг от друга. Из рис. 1.11 видно, что пока на подложку p-типа подан более высокий отрицательный по- тенциал, чем на обеих коллекторных областях соседних транзисторов, последние будут изолированы обратносмещенными р-п перехода- ми, сопротивление которых постоянному току велико. Ток утечки та- кой пары диодов обычно меньше 1 мкА. В отличие от дискретного планарно-эпитаксиального транзистора (см. рис. 1.9, б) транзистор интегральной микросхемы (рис. 1.12), созданной по планарно-эпитаксиальной технологии, обладает высо- 15
Рис. 1.12. Планарно-эпитак- сиальный п+-р-п транзистор Рис. 1.13. Конструкции полевых транзисто- ров с управляющим переходом: а — технетрон; б — планарный диффузионной полевой транзистор; 1— полупроводник; 2— канал; 3— полупроводниковый затвор; 4— защитный слой окисла; 5—вывод второго затвора ким последовательным сопротивлением коллектора. Проведение до- полнительной диффузии для локального введения примеси в подлож- ку перед операцией эпитаксии позволяет в донной части коллекторной области транзистора сформировать высоколегированный п + -слой, называемый скрытым (рис. 1. 11 и 1.12). Это уже вполне современный технологический процесс создания полупроводниковых микросхем по планарно-эпитаксиальной технологии со скрытым слоем, о котором подробнее будет сказано в гл. 7. Технология производства полевых транзисторов также прошла ряд этапов от сплавного транзистора с р-п переходом до планарного полевого транзистора со структурой металл — диэлектрик — полу- проводник (МДП). В 1958 г. был создан первый полевой транзис- тор с р-п переходом. Этот транзистор, названный технетроном, представлял собой германиевый сплавной прибор с управляющим переходом и равномерно легированным каналом, работающий на частотах мегагерцевого диапазона. На цилиндрическом германиевом стержне (рис. 1.13, а) вытравлялась канавка и в оставшийся тонкий перешеек вплавлялся электродный сплав, создающий кольцевой р-п переход (затвор). В этом полевом транзисторе для управления эффективным поперечным сечением полупроводникового стержня и, следовательно, его проводимостью, использовалась обедненная об- ласть р-п перехода, смещенного в обратном направлении. На рис. 1.13, б показана конструкция изготовленного методом двойной диффузии планарного полевого транзистора с р-п переходом, работающего на том же принципе, что и технетрон. Каналом служит расположенный между двумя р-п переходами тонкий слой, тип проводимости которого противоположен типу проводимости исход- ного полупроводникового материала. В этой конструкции основным управляющим является верхний р-п переход, но могут использо- ваться и оба перехода, т. е. подложка может играть роль второго затвора. 16
Рцс. 1.14. Конструкции дискрет- ных МД11-транзисторов: а 1— совстроенным каналом л-типэ; б — с индуцированным каналом; /— полупроводник (кремний); 2—леги- рованная область истока; 3— встроенный канал; 4—диэлектрик (окисел кремния); 5—легированная область стока; 6—вы- вод второго затвора В 1962 г. на основе уже существующего планарного процесса был разработан конструктивно-технологический вариант полевого транзистора с металлическим затвором, изолированным от кремния тонким слоем окисла (рис. 1.14). Затвор управляет током от одной диффузионной области (исток) к другой (сток). В МДП-транзисто- рах со встроенным каналом (рис. 1.14, а) его создают дополнитель- ной диффузией, в транзисторах с индуцированным каналом канал возникает только при приложении к затвору потенциала, оттесняю- щего основные носители (дырки на рис. 1.14, б). С начала производства МДП-транзисторов было ясно, что они схемотехнически и технологически очень подходят для изготовления интегральных микросхем. Первые микросхемы на МДП-транзисторах с использованием планарной технологии были выпущены в 1963 г., процесс их изготовления был значительно проще и содержал пример- но вдвое меньше технологических операций, чем процесс изготовле- ния биполярных транзисторов. Они потребляли меньшую мощность, допускали более высокий уровень интеграции (не тратилась пло- щадь кристалла на изоляцию элементов друг от друга), обходились значительно дешевле. Однако МДП-микросхемы имели и недостатки: были очень чувствительны к статическим зарядам, так как небольшое перенапряжение пробивало тонкий подзатворный окисел и выводило транзистор из строя; выход годных микросхем был мал из-за дефек- тов в тонком окисле; они обладали значительно меньшим быстро- действием и их рабочие напряжения были выше, чем рабочие нап- ряжения серий логических биполярных микросхем, выпускавшихся в то время. Два последних недостатка существенно снизили спрос на МДП-микросхемы и затормозили их массовый выпуск примерно до 1970 г. В настоящее время в производстве полупроводниковых прибо- ров, интегральных микросхем на биполярных транзисторах и микро- схем на МДП-транзисторах господствующее положение занимает планарная технология. Существует более сотни различных ее моди- фикаций. Движущей силой разработок новых вариантов планарной технологии явилась необходимость повышения: плотности размеще- ния полупроводниковых приборов на кристалле; быстродействия микросхем; точности обработки материалов, качества и надежности микросхем и снижения их себестоимости. Совокупность технологи- ческих операций любого варианта планарной технологии направлена на: формирование полупроводниковой структуры, содержащей необ- 17
Время, годы Рис. 1.15. Изменение минимального проектного раз- мера элементов (минимального расстояния между двумя линиями на топологии микросхемы) за счет совершенствования технологии I ходимые р-п переходы; изоляцию элемен- тов друг от друга (для интегральных мик- росхем на биполярных транзисторах); формирование межэлементных и внешних электрических связей; осуществление за- щиты полупроводникового прибора и интегральной микросхемы от внешних воздействий. Первые микросхемы начала 60-х годов содержали всего 6...8 транзисторов, дио- дов и резисторов, которых хватало для выполнения микросхемой простой логи- ческой функции. Для реализации сложных функциональных блоков ЭВМ (процессор) требуется несколько сотен таких микросхем. Первые микросхемы выполнялись на кремниевых кристаллах пло- щадью в несколько квадратных миллиметров, и минимальные геомет- рические размеры элементов топологии не превышали 20 мкм (рис. 1.15). Микросхемы связывались с внешними устройствами с помощью 8...10 выводов. Их быстродействие — время от момента поступления сигнала на вход до момента формирования выходного сигнала — обычно находилось в пределах 20...40 нс. За прошедшие годы полупроводниковая технология шагнула далеко вперед. Площадь кристалла увеличилась более чем в 10 раз. К середине 1970 г. минимальный проектный геометрический раз- мер элементов микросхем уменьшился до 10 мкм, в конце 70-х годов обычным для производства микросхем стал размер 4 мкм, сейчас получены экспериментальные образцы микросхем с минимальным размером 1,5 мкм и даже 1 мкм. Этому способствовали высокая чистота, малая дефектность используемых материалов, высокий уровень технологии, что позво- лило перейти к выпуску микросхем с большой площадью, на которой располагается значительно большее число элементов. Первые полупроводниковые микросхемы памяти, выпущенные в 1971 г., насчитывали 128 запоминающих элементов, каждый из ко- торых хранил 1 бит информации. Сегодня выпускаются сверхболь- шие интегральные схемы (СБИС) памяти с информационной ем- костью 256 тыс. бит, содержащие в том же кристалле и схемы управления этой памятью. Сегодняшняя полупроводниковая технология позволяет созда- вать на одном кристалле 105...107 соединенных между собой эле- ментов — это высшая из достигнутых степеней интеграции элемен- тов в одном монолитном кусочке материала. 18
В настоящее время мы в состоянии сделать вывод: как бы не были велики нынешние достижения технологии, они представляют собой всего лишь основу для дальнейшего роста быстродействия, степени интеграции микросхем (как минимум еще на порядок) и перехода на субмикронные минимальные геометрические размеры элементов (соизмеримые с размерами некоторых бактерий и молекул ДНК). Вместе с тем уже оценены и физические пределы существующей микроэлектронной техники и технологии. 1.3. ИЗДЕЛИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ: КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ Выше уже использовались основные термины интегральной электроники: микросхемы, большие (БИС) и сверхбольшие ин- тегральные схемы, микропроцессоры (МП) и др. Перед дальней- шим изложением материала конкретизируем и поясним специальную терминологию, используемую в микроэлектронике. Интегральная микросхема (микросхема) —это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (тран- зисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле. Термин «интегральная микросхема» отражает суммирование, объединение значительного числа электро- радиоэлементов (ЭРЭ) и соединяющих их проводников в единую конструкцию (конструктивная интеграция), выполнение функций преобразования более сложных по сравнению с функциями отдель- ных ЭРЭ (схемотехническая интеграция), создание одновременно всех ЭРЭ и межэлементных соединений в едином технологическом цикле (технологическая интеграция). Микросхемы изготовляют груп- повым методом по материалосберегающей технологии, тиражируя одновременно в одной партии от нескольких десятков до несколь- ких десятков тысяч микросхем. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делят на три группы: полупроводниковые, пленочные и гибридные (рис. 1.16). В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки. На рис. 1.16, а, б показаны два ва- рианта изготовления фрагмента полупроводниковой ИС, содержаще- го транзистор, два резистора и конденсатор. В первом варианте транзистор, оба резистора и одна из обкладок конденсатора сформированы в полупроводниковой подложке. Во втором варианте все пассивные элементы выполнены по тонкопленочной, а транзис- тор по полупроводниковой технологии. Элемент интегральной микросхемы — это ее неотделимая сос- тавная часть, выполняющая функцию какого-либо электрорадиоэле- 19
Рис. 1.16. Варианты конструктивно-технологического исполнения интегральных микросхем: а — полупроводниковая; б — совмещенная; в — гибридная; г — схема электрическая принципиальная; /...4 — выводы и контактные площадки; 5— подложка; 6 — резисторы; 7—транзисторы; в—конденса- торы; 9 — пленка мента. Поэтому транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы микро- схемы называют интегральными, в отличие от отдельно изготовляе- мых транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов, которые в этом случае называют дискретными. По типу используемых основных активных элементов полупро- водниковые микросхемы подразделяют на биполярные и полевые (на МДП-транзисторах). Выпускаются также комбинированные биполярно-полевые полупроводниковые микросхемы, в которых наря- ду с биполярными используются и полевые транзисторы с р-п переходом, характеризующиеся высоким входным сопротивлением, низким уровнем шумов и повышенной радиационной стойкостью. В пленочной интегральной микросхеме все элементы и соедине- ния между ними выполнены в виде пленок. В настоящее время мето- дами пленочной технологии реализуются только пассивные элементы микросхем — резисторы, конденсаторы и индуктивности. Попытки создания пленочных транзисторов успеха не имели. В зависимости от толщины пленок и способа создания элементов микросхемы подразделяют на тонко- и толстопленочные. К первым относят микросхемы, толщина пленок в которых не превышает 1 мкм. (Проводящая металлическая пленка называется тонкой, если ее толщина меньше длины свободного пробега в ней электронов.) Тонко- пленочные элементы формируют различными методами: термичес- кого испарения материалов в вакууме, электрохимического осаж- дения из растворов, химического осаждения из газовой фазы. В совмещенных микросхемах все активные элементы и часть пассивных изготовляют по полупроводниковой технологии в пласти- не кремния, а часть пассивных элементов — по тонкопленочной 20
технологии. Пассивные элементы располагают на гладких поверх- ностях защитного диэлектрика, не содержащих ступенек (рис. 1.16, б). Необходимость создания совмещенных микросхем вызвана тем, что тонкопленочные резисторы по сравнению с полупроводниковыми обладают более высокими номиналами сопротивлений и точностью изготовления, меньшими величинами паразитных параметров, низ- ким термическим коэффициентом сопротивления, а тонкопленочные конденсаторы в отличие от полупроводниковых могут работать при любой полярности. Естественно, что при производстве совмещен- ных микросхем приходится вводить дополнительные операции на- несения тонких пленок и принимать дополнительные меры защиты тонкопленочных резисторов. В толстопленочных интегральных микросхемах толщина пленок, 10...70 мкм; толстые пленки наносят на подложку одним лишь ме* тодом — методом трафаретной печати. В гибридной микросхеме в качестве активных элекрорадиоэле- ментов используются навесные дискретные полупроводниковые при- боры или полупроводниковые интегральные микросхемы, а в качестве пассивных элементов — пленочные резисторы, конденсаторы, катуш- ки индуктивности и соединяющие их пленочные проводники (см. рис. 1.16, г). Механической основой такой микросхемы является диэлект- рическая подложка. Довольно часто в составе гибридной микро* схемы используют не только пленочные, но и миниатюрные дискрет- ные конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы. Их называют навесными компонентами. Этим под- черкивается, что они изготовляются отдельно и представляют собой самостоятельные изделия, которые могут приобретаться изготовите- лем гибридных микросхем как покупные изделия. Как мы видим, классификация по конструктивно-технологичес- кому исполнению позволяет уже в самом названии микросхемы дать информацию о ее конструкции, технологии изготовления и конструктивно-технологических признаках входящих в нее электро- радиоэлементов. Частью конструкции микросхемы является ее подложка. Она выполняет функции: механического основания, изоляции элементов друг от друга, теплоотвода. Подложки выпускаются в виде тонких круглых или прямоугольных пластин. Для полупроводниковых микросхем используют монокристаллические полупроводниковые (кремний, арсенид галлия) и монокристаллические диэлектрические (сапфир, шпинель) подложки. На последних в дальнейшем форми- руют слой полупроводникового материала, в котором создают элемен- ты микросхем. Их круглая форма определяется способом получения монокристаллических слитков методом вытягивания их из расплава. Для тонкопленочных и гибридных микросхем используют подложки из стекла, стеклокристаллического материала (ситалла) и керамики. Часть подложки, отведенную под одну микросхему, отделенную от других частей вместе со сформированными на ней элементами, 21
в полупроводниковой технологии называют кристаллом, а в пленоч»1 ной технологии — платой. / В настоящее время микросхемы выпускают в корпусном и бес- корпусном исполнениях. Корпуса герметичны и защищают микро- схемы от воздействия окружающей среды. Бескорпусные микро- схемы предназначены для работы в составе радиоэлектронных устройств, которые целиком размещаются в герметизируемых объе- мах. Их покрывают лаком или заливают компаундами для защиты от внешних воздействий. По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. Если микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, то она называется цифровой (логической). К аналоговым относятся микросхемы, предназначенные для преобра- зования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. В частном случае аналоговые микросхемы для преоб- разования и обработки сигнала, изменяющегося линейно, называют линейными. Показателем сложности микросхемы является степень интегра- ции К, которая характеризуется числом содержащихся в ней элемен- тов и компонентов W:/(=lgM, где /< округляется до ближайшего большего целого числа. По степени интеграции микросхемы под- разделяют: на малые интегральные схемы (МИС) — это схемы 1...2-Й степени интеграции, содержащие от нескольких до 100 элементов и компо- нентов, в состав которых входит один или несколько видов функцио- нальных аналоговых или логических элементов, например логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров, усилитель, фильтр и т. п.; средние интегральные схемы (СИС) — схемы 2...3-Й степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до 1 000 элементов и компонентов, в состав которых входят один или несколько одина- ковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, счетчик, дешифратор, постоянное запоминающее устройство); большие интегральные схемы (БИС) — это схемы 3...4-Й сте- пени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10 000 эле- ментов, в состав которых входит одно или несколько функциональ- ных устройств (например, арифметико-логическое устройство, опера- тивное запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство и др.); сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — это интегральные микросхемы 5...7-й степени интеграции, представляющие собой законченное микроэлектронное изделие, способное выполнять функ- ции аппаратуры (например, ЭВМ). Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые микросхемы, затем тонкопленочные и, наконец, толстопленочные (в том числе, гибридные). По степени интеграции полупроводнико- вые микросхемы на биполярных транзисторах уступают интеграль- ным микросхемам на МДП-транзисторах (см. табл. 1.1). 22
Таблица 1.1. Классификация микросхем по уровням интеграции Уровень интеграции Число элементов и компонентов в одной микросхеме Цифровые микросхемы Аналоговые микросхемы на МДП-транзисторах на биполярных транзисторах мис <100 <100 <30 сис > 100< 1000 > 100< 500 > 30< 100 БИС > 1000< 10 000 > 500 <2000 > 100< 300 СБИС > 10 000 > 2000 > 300 По применяемости в аппаратуре различают микросхемы широ- кого и частного применения. К последним относятся микросхемы, предназначенные для использования в конкретной аппаратуре и изготавливаемые непосредственно на предприятии, ее производящем. В ряде случаев разработчики конкретной РЭА для улучшения показателей ее миниатюризации изготавливают микросборки, в состав которых входят элементы, компоненты, интегральные микро- схемы и другие ЭРЭ. Микросборки по технологическому исполнению не отличаются от гибридных микросхем. И по функциональной сложности, и по степени интеграции микросборки, как правило, соответствуют БИС. Однако в отличие от них они не выпускаются как самостоятельные изделия широкого применения, а являются микроэлектронными изделиями частного применения, разрабатыва- емыми для конкретной МЭА. Характерно, что в состав микросборок могут входить и корпусированные ИС, например из микропроцес- сорного набора. Корпуса для микросборок могут выбираться из стандартного ряда или проектироваться специально. Бескорпусные микросборки используются в аппаратуре с общей герметизацией аналогично гибридным БИС и создаются по тонкопленочной и толстопленочной технологии с применением ситалловых, поликоро- вых, многослойных керамических и металлических эмалированных подложек. В ряде случаев разработка микросборок диктуется необходимостью обеспечения хорошего теплоотвода. Классификация ИС по конструктивно-технологическому испол- нению на полупроводниковые, пленочные и гибридные, по принципу работы активных элементов на МДП-микросхемы и микросхемы на биполярных транзисторах, по виду обрабатываемой информации на цифровые и аналоговые не исчерпывает всего многообразия при- знаков, необходимых для описания их в практической деятель- ности разработчиков, конструкторов и технологов РЭА. Так, цифровые микросхемы можно подразделить по функциональ- ному назначению на подгруппы логических и интегральных схем запоминающих устройств (ЗУ). Они имеют различия в конструктив- ном исполнении. Однако это деление, еще широко используемое в 23
Рис. 1.18. Малая микросхема ЭСЛ-типа — трехвходовый вентиль ИЛИ — НЕ: а — схема электрическая принципиальная; б — топология Рис. 1.17. Малая микросхема ТТЛ-типа — двухвходовый вентиль И— НЕ; а — схема электрическая принципиальная; б—чертеж топологии микросхемы с фигурами совмеше* ния, тестовыми резистором и транзистором Ин 5 К1 К2 КЗ а) 5) Рис. 1.19. Вертикальная структура (а) и электрическая схема (б) типового ИгЛ- элемеита 24
практике, оказывается условным: появились микропроцессорные БИС, СБИС однокристальных ЭВМ, в которых на одном кристалле размещены и изготовлены как логические, так и запоминающие устройства. Широкое развитие цифровых методов обработки сигна- лов привело к созданию БИС, предназначенных для связи цифро- вых и аналоговых устройств — аналого-цифровых преобразовате- лей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Логические микросхемы на основе биполярных транзисторов по схемотехническому и конструктивно-технологическому исполнению разделяют на типы: резисторно-транзисторные логические (РТЛ) и их модификации (с непосредственными связями, с емкостными связями и т. д.); транзисторно-транзисторные логические (ТТЛ) и их модификации (ТТЛ с диодами Шотки и др.) (рис. 1.17); эмиттер- но-связанные логические (ЭСЛ) (рис. 1.18); интегральные инжек- ционные логические (И2Л) (рис. 1.19); инжекционно-полевые логи- ческие (ИПЛ). Логические микросхемы на МДП-транзисторах подразделяют на: р-канальные (р-МДП) (рис. 1.20); n-канальные (п-МДП); комплементарные на взаимодополняющих п- и р-канальных тран- зисторах (КМДП) (рис. 1.21). В настоящее время промышленность выпускает множество серий логических интегральных микросхем, и разработчику аппаратуры необходимо уметь проводить сравнительный анализ по их характе- ристикам, чтобы найти наилучшие соотношения характеристик в. соответствии с требованиями к разрабатываемым микроэлектронным изделиям. Этими характеристиками являются: быстродействие (за- держка переключения), потребляемая мощность, произведение мощ- ности на время задержки, запас помехоустойчивости, коэффициент разветвления по выходу, требования к напряжению питания, диа- пазон рабочих температур, плотность размещения элементов на -£ Рис. 1.20. Фрагмент микросхемы трехвходового вентиля ИЛИ—НЕ на р-каиаль- ных МДП-транзисторах: а—схема электрическая принципиальная; б — топология 25
Рис. 1.21. Фрагмент микросхемы трехвходового элемента ИЛИ — НЕ на р-канальных МДП-транзисторах: а — схема электрическая принципиальная; б — топология Таблица 1.2. Сводка ориентировочных значений рабочих параметров элементов цифровых логических микросхем (1980 г.) Параметр Биполярные мдп ТТЛ ттлш эсл И2Л р-МДП п-МДП КМДП с Диапазон рабочих темпе- ратур для общепромы- шленных серий, °C 0...70 0...70 0...75 0...70 0...70 0...70 —40...4-85 Напряжение питания для общепромышленных се- рий, В 5 5 -5,2 1,5 — 10 5 3...15 Запас помехоустойчивос- ти (наихудший), В 0,5 0,3 0,17 0,1 Зависит от про- цесса произ- водства 0,3</ Коэффициент разветвле- ния по выходу 10 10 25 1 20 25 50 Потребляемая мощность на логический элемент, мВт 10 20 25...50 50 мкВт .°-5 0,1...1,0 50 нВт, ста- тическая, за- висит от час- тоты Задержка переключения на логический элемент, нс 10 3 0,5...2,0 10 100 1...10 10...50 Произведение мощность— задержка, пДж Интегральная плотность логических элементов/мм2 100 60 25 0,5 50 0,7... 10 Зависит от частоты 15 15 15 100 100 150 70 Число ЭРЭ в логическом элементе на два входа 9...12 14 10...12 3...4 3 3 4 26
кристалле, степень интеграции, стоимость и др. Сведения об этих ха- рактеристиках приведены в табл. 1.2. Трудности выбора усугубляются тем, что технология производства многих типов логических схем продолжает развиваться, и разработ- чики аппаратуры должны уметь предвидеть, какая ситуация может сложиться через несколько лет. Наибольшим быстродействием обладают микросхемы ЭСЛ-типа. Однако им присущи самая высокая потребляемая мощность и стоимость, так как они занимают большую площадь кристалла и имеют более сложную электрическую схему. Этим схемам отдают предпочтение в аппаратуре, в которой требуется наибольшее быст- родействие любой ценой. ЭСЛ-микросхемы сохраняют работоспособ- ность в большом интервале температур и при колебаниях напря- жения в цепях питания. Большая потребляемая мощность затруд- няет получение ЭСЛ-микросхем высокой степени интеграции, так как тепловая мощность, отводимая от кристалла, не может превышать нескольких ватт. (Чтобы ощутить тепловой поток от единицы по- верхности кристалла, рассеивающего такую энергию, надо сравнить его с тепловым потоком с единицы поверхности электрической лампы мощностью 500 Вт.) Поэтому ЭСЛ-микросхемы — это обычно МИС или СИС (см. табл. 1.1). При создании аппаратуры на ЭСЛ-микро- схемах требуется значительная площадь коммутационных плат и, соответственно, большая длина соединяющих их проводников, что влечет за собой искажение формы сигналов и требует установки соответствующих нагрузок на концах линий связи. Недостатком схем ЭСЛ является и то, что для их работы необходимы два источ- ника питания. Для сравнения различных типов микросхем используют такой параметр, как произведение задержки переключения на мощность. Чем меньше это произведение, тем предпочтительнее данный тип микросхем, так как то же самое время задержки (быстродействие) получают при меньшей мощности. Однако чем меньше произведение задержки на мощность, тем более чувствительны микросхемы к выходной нагрузке. В связи с этим микросхемы типа ЭСЛ и ТТЛ с большой потребляемой мощностью (см. табл. 1.2) малочувствитель- ны к выходной нагрузке. Схемы ТТЛ менее дорогие, чем ЭСЛ, и обладают несколько мень- шим быстродействием, хотя и превосходят по быстродействию ос- тальные биполярные микросхемы. Но здесь при сравнении должна учитываться степень интеграции. Если степень интеграции ЭСЛ- схем мала, то для изготовления одного и того же устройства та- ких схем потребуется больше, чем схем ТТЛ, обладающих большей степенью интеграции. То быстродействие, которое выигрывается при использовании ЭСЛ-схем, может быть потеряно в соединяющих их проводниках. Особенностями схем интегральной инжекционной логики явля- ются малое значение произведения времени задержки на мощность, 27
малая площадь, занимаемая одним логическим И2Л-элементом на кристалле, и технологическая совместимость И2Л-элементов с другими типами биполярных логических схем: они могут быть изготовлены в одном кристалле вместе с ЭСЛ- и ТТЛ-схемами. Для микроэлектронных устройств с автономными источниками питания (наручные часы, электронные игрушки и др.) целесообразно ис- пользовать И2Л-схемы или МДП-схемы, потребляющие намного меньшую мощность, чем рассмотренные выше схемы, и имеющие сравнительно низкую стоимость. В связи с тем, что р-, л-МДП- и КМДП-схемы потребляют малую мощность и их элементы зани- мают малую площадь на кристалле, они более всего подходят для создания БИС и СБИС. Схемы КМДП обладают наименьшим по- треблением энергии и наибольшей помехозащищенностью. При разработках микроэлектронной аппаратуры целесообразно применение микросхем полупроводниковой памяти, которые могут быть использованы для хранения программ, а также для замены не- которых логических схем. Микросхемы полупроводниковой памяти — запоминающие устройства (ЗУ) — в настоящее время выполняются в виде СБИС. Они либо входят в состав микропроцессорных комплектов, либо выпускаются в виде автономных СБИС, предназна- ченных для использования в аппаратуре. Их можно классифицировать по ряду независимых признаков: способу хранения информации; способу обращения к памяти; при- надлежности к подсистемам памяти ЭВМ; типу носителя информа- ции; функциональному назначению; схемно-технологическому испол- нению и т. д. По способу хранения информации ЗУ делятся на статические, динамические и квазистатические. В статических ЗУ хранение инфор- мации обеспечивается с помощью постоянного источника питания, информация в режиме хранения неподвижна относительно массива ячеек (носителя информации), при отключении источника питания информация разрушается. В динамических ЗУ информация хранится в виде зарядов, для чего используются емкости р-п переходов и МДП-структур. Время хранения информации ограничено, вследствие чего необходимо периодически ее восстанавливать. По способу обращения к информации различают адресные, ас- социативные ЗУ и ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ). По функциональному назначению ЗУ делятся на постоянные, логические и оперативные. Постоянные ЗУ (ПЗУ) служат для хра- нения констант и программ. Основными требованиями к ним являют- ся: неразрушающее считывание, высокая надежность, энергонеза- висимость хранения информации. Различают ПЗУ, программируемые при изготовлении, в которых информация заносится один раз в конст- рукцию запоминающего массива ячеек и не подвергается изменению, ППЗУ — однократно программируемые ПЗУ и РПЗУ — многократно репрограммируемые ПЗУ, в которых запись информации осуществ- ляется пользователем этих интегральных схем памяти. 28
Особую разновидность элементов памяти представляют програм- мируемые логические устройства (ПЛУ), в которых на одном крис- талле сформированы логические элементы одного типа. Созданием системы соединений этих элементов (программирования) обеспечи- вается функционирование ПЛУ. Таким образом, ПЛУ функциональ- но сходны с ПЗУ, запись программ в ПЛУ технологически осуществ- ляется так же, как и программирование ПЗУ, пережиганием пере- мычек в металлизации, фотошаблоном для формирования контакт- ных окон и др. Практически все типы микросхем памяти могут быть построены на биполярных и на МДП-структур ах, что обеспечивает широкий набор их характеристик. Аналоговые микросхемы по выполняемым функциям представ- ляют собой очень широкий класс устройств различного назначения: дифференциальные и операционные усилители, широкополосные усилители, усилители мощности, аналоговые умножители и модуля- торы, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, частотно-избирательные устройства. Номенклатура выпускаемых аналоговых микросхем очень широка. В ряде случаев цифровые БИС и СБИС микропроцессорных наборов содержат в своей структу- ре и аналоговые блоки. Создание БИС позволило значительно повысить функциональ- ную сложность микросхем, что привело к уменьшению их универ- сальности, а следовательно, к неизбежному увеличению их номенк- латуры. Возникла противоречивая, чуть ли не парадоксальная ситуация: чем выше технологический уровень производства, тем более сложные в конструктивном и функциональном отношении микросхемы можно изготовить, но чем выше их степень интегра- ции, тем более специализированными они становятся и тем большее количество различных сложных устройств надо изготовить в виде интегральных микросхем для создания различных видов микроэлект- ронной аппаратуры. При этом, естественно, объемы производства каждого устройства будут сравнительно небольшими. Но уже одна только разработка БИС и СБИС занимает несколько месяцев, а ее освоение в производстве — до нескольких лет. Качественным скачком, определившим выход из противоречивой ситуации, явилось создание БИС, функции которых могли быть заданы подачей по определенной программе на их входы внешних электрических импульсов. Возможность функциональной перестрой- ки с помощью программирования является отличительной чертой интегральных схем микропроцессоров. Появление микропроцессор- ных БИС и СБИС является результатом поступательного развития и взаимного обогащения технологии микроэлектроники и микро- схемотехники (высокая степень интеграции, создание схемотехни- чески сложных устройств в одном кристалле) и вычислительной тех- ники (развитие архитектуры .ЭВМ, алгоритмических языков и про- граммного обеспечения). Как известно, процессор — это основная 29
часть ЭВМ, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая им. Микропроцессором (МП) называется программно-управляемое устройство, осуществляющее обработку цифровой информации и построенное на одной или нескольких СИС, БИС или СБИС. Микропроцессорный комплект микросхем (МПК) — это набор микросхем, предназначенных для совместного применения, включаю- щий необходимое и достаточное их количество для построения вы- числительной техники. Базовым микропроцессорным комплектом называется минимальный набор интегральных микросхем, необхо- димый и достаточный для построения микропроцессора. Микросхема, предназначенная для построения различных узлов и устройств ЭВМ или микро-ЭВМ и входящая в состав микропро- цессорного комплекта, называется микропроцессорной интеграль- ной микросхемой. Как вычислительные устройства микропроцессоры характери- зуются простотой управления, малым потреблением энергии, неболь- шими габаритными размерами, возможностью встраивания в объект контроля или управления, возможностью адресации к большим объемам памяти, а как изделия электронной техники — конструктив- но-технологическим исполнением, степенью интеграции, надеж- ностью, стоимостью, способом защиты от внешних воздействий. В табл. 1.3 приведен перечень выпускаемых промышленностью и широко используемых микропроцессорных комплектов, из кото- рой видно, что большинство из них выпускаются с использованием Таблицу 1.3. Микропроцессорные комплекты БИС и СИС Серия МПК Базовая технология Число БИС или СИС Разрядность микро- процессоров общее в базовом комплекте К536 р-МДП 12 2 8 К580 п-МДП 3 1 8 К581 п-МДП 4 2 16 К584 И2Л 3 2 4и К586 п-МДП 4 1 16 К587 кмдп 4 2 4и К588 кмдп 3 2 16 К589 ттлш 8 2 2п К1800 эсл 8 2 4п К1801 п-МДП 2 1 16 К1802 ттлш 11 2 8п К1804 ттлш 4 4 4п К1810 п-МДП 3 5 16 К1883* п-МДП 4, 2 8п ♦Совместная разработка ГДР и СССР (14]. 30
различных вариантов МДП-технологии. По технологии изготовления, базирующейся на биполярных транзисторах (И2Л, ТТЛ, ТТЛШ), вы- пускают секционированные микропроцессоры, с наращиваемой разрядностью обрабатываемых чисел: 2п, 4п, 8п и т. д., где га=1, 2, 3, ... Микропроцессорные БИС и СБИС являются типичными пред- ставителями программно-перестраиваемых интегральных микросхем. Вторым путем сокращения номенклатуры БИС является построе- ние БИС на основе базового кристалла, представляющего собой матрицу не соединенных между собою элементов, электрические связи между которыми формируются в соответствии с назначением БИС на этапе формирования разводки групповым способом с помощью одного или нескольких заказных фотошаблонов. Такие БИС называются матричными или (иногда) полузаказными. На основе одного базового кристалла можно изготовить сотни функционально различных устройств. Весь процесс разработки матричной БИС от составления технического задания до получения опытных образцов занимает несколько Недель. Применение системы автоматического проектирования (САПР) позволяет еще больше сократить цикл разработки и подготовки производства матричных БИС. Функциональные элементы матричных БИС выбирают исходя из технологии изготовления базового кристалла и схемотехнического базиса. Наиболее часто при использовании биполярных транзисто- ров используют ЭСЛ, ТТЛ, ТТЛШ и И2Л базисы, а при использо- вании МДП-транзисторов — п-канальные и КМДП-устройства. На- бор элементов, входящих в библиотеку матричной БИС, содержит как отдельные элементы или простые логические ячейки типа И—НЕ; ИЛИ—НЕ, так и достаточно сложные узлы, широко ис- пользуемые в аппаратуре, например различные триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, мультиплексоры, усилители и т. п. Рис. 1,22. Электрическая Схема и топология ячейки ТТЛ матричной БИС 31
На рис. 1.22, а, б показан набор элементов типовой ячейки ТТЛ- матрицы и компоновка этих элементов в базовом кристалле, вы- полненная с учетом минимизации занимаемой площади. Для удоб- ства трассировки межэлементных соединений как внутри ячейки, так и между ячейками, элементы и контактные площадки имеют унифицированные размеры и регулярное расположение. В качестве примера укажем, что отечественной промышленностью выпускаются быстродействующие ЭСЛ матричные БИС серий К1520ХМ1 и К1520ХМ2. Глава 2. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ , НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 2.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Название транзистора — биполярный — означает, что в физических процессах, проходящих в этом полупроводниковом приборе, участ- вуют как электроны, так и дырки. Движение носителей заряда может быть вызвано двумя причинами: наличием градиента кон- центрации носителей или наличием градиента электрического потенциала. В первом случае возникает диффузия носителей, во втором — дрейф носителей в электрическом поле. Если действуют обе причины, то полный ток носителей состоит из диффузионной и дрейфовой составляющих. В полупроводнике p-типа основные носители — дырки, в полу- проводнике п-типа — электроны. И в электронный, и в дырочный по- лупроводник могут быть тем или иным способом введены неосновные носители. Процесс введения неосновных носителей называется инжекцией. Предположим для определенности, что в поверхностный слой дырочного полупроводника осуществляется инжекция электро- нов. Инжектированные электроны благодаря градиенту концентра- ции начнут диффундировать с поверхности в объем полупроводника. В нем появится электронный ток. Избыточный заряд неосновных носителей — электронов — будет немедленно компенсирован таким же зарядом дырок, притягиваемых к поверхности из глубины полу- проводника. Если инжекция неосновных носителей осуществляется постоянно под действием внешнего электрического поля, возникнут потоки электронов и дырок, направленные в разные стороны. Неосновные носители — электроны — будут двигаться в глубь полупроводника, а основные носители — дырки — в сторону инжек- тирующей поверхности, вблизи которой происходит интенсивная ре- 32
Рис. 2.1. Вертикаль- ная структура ин- тегрального пла- нарно-эпитаксиаль- ного транзистора п+-р-п-типа 'Подложка комбинация дырок с электронами. Полный ток в цепи — величина постоянная, поэтому его электронная и дырочная составляющая меняются в разные стороны: с удалением от поверхности электрон- ный ток убывает (из-за рекомбинации), а дырочный ток растет. Вдали от поверхности дырочная составляющая— главная и имеет чисто дрейфовый характер (дырки двигаются в поле, созданном внешним напряжением); наоборот, в непосредственной близости к поверхности ток почти чисто электронный и обусловлен диффузией электронов. При инжекции электронов в неоднородно легированный полупро- водник с внутренним электрическим полем, их диффузия будет сочетаться с дрейфом под действием этого поля. Так как легирова- ние кремниевой пластины донорными или акцепторными примесями при изготовлении микросхем осуществляется с рабочей стороны по- верхности, то в полупроводниковых слоях всегда имеется градиент концентрации примеси и движение в них носителей тока является комбинированным. Вертикальная структура интегрального биполярного транзисто- ра (см. рис. 1.12) показана на рис; 2.1. Этот транзистор изготовлен по планарно-эпитаксиальной технологии, оба р-п перехода получе- ны диффузией примесей (вначале акцепторной в эпитаксиальный слой n-типа, затем донорной в только что сформированную область p-типа). В процессе первой диффузии формируется базовая область транзистора, р-п переход база — коллектор (коллекторный) и р-п переход эмиттер — база (эмиттерный). Рабочей (активной) областью транзистора называется область, расположенная под донной частью эмиттера (на рис. 2.1 она заштрихована). Остальные области транзистора являются пассивными, т. е. в какой-то мере паразитными. Их наличие обусловлено конструктивно-технологичес- кими причинами. Вырежем под контактом к эмиттеру брусочек материала (см. пунктир на рис. 2.1) и рассмотрим процессы, протекающие в нем при включении транзистора по схеме с общей базой (рис. 2.2). На этом рисунке буквой w обозначена ширина базовой области транзистора, а резисторы Гб и гк имитируют пассивные области базы и коллектора. Эмиттерный и коллекторный переходы транзистора не являются независимыми. Взаимодействие между ними обеспечивается малой 2 Зак. 918 33
п0,Р0' Я Р П If ~5K),sc^ 6) |/VA-/Val Na М021см-з ~10№ar3 а) W I 1 О Рис. 2.2. Нормальное включение nt-p-n-траизисто- ра, работающего в активном режиме Рнс. 2.3. Структура планарно-эпитаксиального п + - р-л-транзистора (а) распределение концентра- ций (б) н результирующее распределение (в) активных примесей, распределение основных и неосновных носителей заряда в отсутствии внеш- него электрического поля Точки — обедненные области р-п переходов, стрелки — направ- ление вектора напряженности внутреннего электрического поля frPl I „ npofw^i Опр/ про'Ф г г) 1по X шириной базы. У современных транзисторов w<l мкм, теоретически минимальное значение w может быть равным 0,03...0,05 мкм. Диффу- зионная длина носителей тока гораздо больше ширины базы и со- ставляет 5... 10 мкм. Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база легирована активной примесью однородно, то движение носителей в ней чисто диффузионное. Если же в базе имеется градиент концентрации примеси, то в ней есть внутреннее электрическое поле и тогда движение носителей в ней бу- дет комбинированным. Транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми, с неоднородной — дрейфовыми. Дрейфовые тран- зисторы имеют в полупроводниковых микросхемах наибольшее распространение. Распределение концентрации атомов донорной примеси в эмит- тере и коллекторе NaK и атомов акцепторной примеси в базе АД, в областях дрейфового транзистора (рис. 2.3, а) показано на рис. 2.3, б, модуль суммарного распределения |МД—Afa| — на рис. 2.3, в. Распределение основных и неосновных носителей заряда в этих областях в условиях равновесия дано на рис. 2.3, г. 34
При нормальном включении транзистора на эмиттерном переходе действует прямое напряжение, а на коллекторном — обратное (см. рис. 2.2, 2.3, а). При этом электроны инжектируются из эмит- тера в базу, проходят через нее почти без потерь (потери элект- ронов на рекомбинацию невелики, так как ширина базы мала) и по- падают в коллектор, находящийся под положительным потенциалом. Коллектор собирает электроны, поступившие из эмиттера в базу. Чтобы третий, изолирующий р-п переход транзистора был смещен в обратном направлении, кремниевая подложка p-типа присоединяет- ся к точке схемы, имеющей наибольший отрицательный потенциал (см. рис. 2.1). В нормальном включении токи коллектора и эмиттера почти одинаковы с точностью до незначительного тока базы (см. рис. 2.2). Последний компенсирует убыль основных носителей (дырок) в результате рекомбинации (хоть и незначительной, но все же отличной от нуля), а также небольшие потери дырок из области базы из-за их инжекции в область эмиттера. Сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода вели- ко— несколько мегаом. Поэтому в цепь коллектора можно вклю- чать большие сопротивления нагрузки, не изменяя величины кол- лекторного тока и обеспечивая в цепи нагрузки выделение значи- тельной мощности. Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, наоборот, довольно мало (от единиц до нескольких десят- ков ом). Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляе- мая в цепи эмиттера, оказывается намного меньше чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор способен усиливать мощность, т. е. он является усилительным прибором. В транзисторных схемах один вывод прибора обычно использует- ся для входного сигнала, другой — для выходного. Третий вывод — общий для входного и выходного сигнала. Из шести возможных ва- риантов включения только три дают увеличение полезной мощности. Это уже рассмотренная схема с общим эмиттером (см. рис. 2.2), а также схемы с общей базой и общим коллектором. Каждый из этих вариантов имеет свой набор положительных качеств и недостатков. Выбор того или иного варианта зависит от требуемых значений вход- ного и выходного сопротивлений, коэффициентов усиления по току и напряжению. Схема с общей базой позволяет наглядно рассмотреть работу транзистора, физическую природу проходящих в нем процес- сов. Однако она обладает малым входным сопротивлением, равным сопротивлению эмиттерного перехода, и не обеспечивает усиления то- ка, что делает ее не очень удобной для большинства применений. Часто используется другой вариант включения — с общим эмитте- ром, для которого характерна заданная величина тока базы. В принципе эмиттер и коллектор в схемных включениях тран- зистора можно поменять местами: на коллекторный переход задать прямое напряжение, а на эмиттерный — обратное. Такой режим ра- боты называют инверсным включением. Передача тока при инверс- 2* 35
ном включении значительно хуже, чем при нормальном по следующим причинам: концентрация активных примесей в коллекторе на не- сколько порядков меньше, чем в эмиттере, из-за чего электронная составляющая коллекторного тока мала; площадь эмиттера меньше площади коллектора и на нее может попасть только часть электронов, инжектируемых коллектором. Нормальное и инверсное включение обеспечивают активный режим работы транзистора как усилительного прибора. Возможны еще два варианта включения: при прямом смещении и эмиттерного и коллекторного р-п перехода транзистор будет работать в режиме насыщения; при подаче обратного смещения и на эмиттерный и на коллекторный переход транзистор будет работать в режиме за- пирания (отсечки). В интегральных микросхемах используются и транзисторы, у которых эмиттер и коллектор имеют дырочную проводимость, а база — электронную. Их называют р-я-р-транзисторами. Естест- венно, что они имеют другие полярности рабочих напряжений. Неосновными носителями в базовой области этих транзисторов будут дырки, подвижность которых в 2...3 раза меньше подвижности электронов. Поэтому быстродействие и ряд других характеристик таких транзисторов хуже, чем у я-р-я-транзисторов. Однако на- личие р-я-р-транзисторов в полупроводниковых микросхемах на- ряду с я-р-я-транзисторами дает дополнительные возможности для улучшения характеристик микросхем. В качестве примера можно указать на наличие горизонтального р-п-р- и вертикаль- ного я-р-я-транзисторов в схемах интегрально инжекционной логики (см. рис. 1.19). Транзисторы п-р-п и р-п-р- типа, упо- требляющиеся совместно в интегральных микросхемах, называют комплементарными (взаимодополняющими). 2.2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ВАРИАНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ПО ПЛАНАРНО-ЭПИТАКСИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ Транзисторы типа п-р-п. Биполярный транзистор я-р-я-ти- па является ключевым схемным элементом полупроводниковых микросхем. Он обладает лучшими характеристиками, чем транзис- тор р-я-р-типа, а технология его изготовления более проста. Остальные элементы микросхемы выбираются и конструируются таким образом, чтобы они совмещались с основной структурой. Их изготавливают одновременно с созданием я-р-я-транзистора на основе какой-либо из его областей. Таким образом, выбор физичес- кой структуры транзистора однозначно определяет основные электри- ческие параметры микросхемы. Самое широкое распространение получила транзисторная п+-р-я-структура со скрытым подколлекторным я^-слоем (см. 36
рис. 1.12 и рис. 2.1). Следует обратить внимание на то, что вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора. Это ведет к увеличению сопротивления тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора как в усилительном (час- тотную), так и в переключающем (уменьшает эффективность пере- ключателя в режиме насыщения) режимах. Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления снижает пробивное напряжение перехода коллектор — база и увеличивает емкость этого перехода, т. е. тоже ухудшает характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного п+-слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает низко- омный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту, не снижая величины пробивного напряжения перехода коллектор — база. Конструктивно этот слой располагается непосред- ственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина этого слоя составляет 2,5...10 мкм, типичные значения ps= 10...30 Ом/П. Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной зоной (см. рис. 2.1). Для обеспечения необходимого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. Минимальные значения горизонтальных размеров при- бора определяются двумя основными технологическими факторами: минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле и зазоров между окнами и глубиной боковой диффузии примеси под окисел. Поэтому при проектировании транзистора надо учесть, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боко- вой диффузии p-базы и п+-области под коллекторным контактом. Назначение этой «^-области состоит в обеспечении надежного фор- мирования невыпрямляющего алюминиевого контакта к слаболеги- рованной n-области коллектора, поскольку алюминий является ак- цепторной примесью в кремнии с пределом растворимости около 1018 атомов/см3. Уровень же легирования эпитаксиального слоя п-типа, составляющего тело коллектора, равен 1015...1016 атомов/см3. Он диктуется, как уже сказано, необходимостью увеличить напряжение пробоя перехода коллектор — база. Расстояния между изолирующей областью p-типа и элементами транзистора определяются также эффектом боковой диффузии. Они должны быть равны примерно толщине эпитаксиального слоя, которая составляет обычно 3,5... 12 мкм. Две типичных конфигурации интегральных транзисторов показа- ны на рис. 2.4. Для асимметричной конфигурации характерно то, что коллекторный ток в ней протекает к эмиттеру только в одном на- правлении. При симметричной конфигурации коллекторный ток про- текает к эмиттеру с трех сторон и сопротивление коллектора 37
Рнс. 2.4. Топология бипо- лярных интегральных транзисторов для микро- схем средней степени ин- теграции: а — асимметричная; б — симмет- ричная оказывается примерно втрое меньше, чем при асимметричной кон- фигурации. Для конструкции транзистора симметричной конфигу- рации облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней оказывается возможным часть коллекторной области разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести ; алюминиевую полоску к эмиттерной или базовой области. На рис. : 2.4, а даны топологические размеры областей интегрального биполяр- ного транзистора, типичные для микросхем средней степени интегра- : ции. Типичные параметры этих областей приведены в табл. 2.1. В биполярных транзисторах входной управляющей величиной яв- ляется либо ток базы, либо ток эмиттера, а выходными управляемыми величинами — либо эмиттерный, либо коллекторный токи (см. 2.1). Связь между этими токами записывается в виде следующих уравнений: /к = а/э; (2.1) V /к=В/Б; (2.2) В = а/(1 — а). (2.3.) В этих уравнениях а и В — коэффициенты усиления по току в схемах с общей базой и с общим эмиттером соответственно. Для Таблица 2.1. Типичные параметры слоев интегрального л-р-л-транзистора Наименование слоя Nt см-3 d. мкм р0, Ом-см р,, Ом/D Подложка р-типа 1,5-1016 200...400 10 Скрытый л+-слой — 2,5... 10 — 15...50 Коллекторный л-слой ю'6 3,5...12 0,15...5,0 — Базовый р-слой 5-1018 1,5...2,5 — 100... 300 Эмиттерный л+-слой 1021 0,5...2 — 2...15 Изолирующая область — 3,5...12 — 6...10 Окисная пленка — 0,3...0,6 — — Металлическая (А1.) пленка — 0,6...1,0 2,7-10-6 0,06...0,1 Примечание. N — концентрация примеси (для диффузионных базового н эмиттерного слоев — поверхностная концентрация); d — толщина слоя; р₽—удельное сопротивление материала: ps—удель- ное сопротивление слоя. 38
интегральных транзисторов а=0,99...0,995 при токах порядка не- скольких миллиампер В=1ОО...2ОО и тем больше, чем а ближе к 1. Величину а можно записать в следующем виде: а = = . (2.4) 'э 'э 'Эп где у=/Эп//э=7Эп/(/Эп+7Эр) — коэффициент инжекции, характери- зующий долю полезной (для п-р-п-тразистора электронной 7Эл) составляющей в общем токе эмиттера; х = 7к/7э„—коэффициент переноса, характеризующий долю инжектированных носителей, дошедших до коллектора и избежавших рекомбинации. С допустимой точностью у определяется выражением w6\ 1 L3 D6 nJ (2.5) где w — ширина базы транзистора; L3 — диффузионная длина неосновных носителей в эмиттере; D3 и Об — коэффициенты диф- фузии носителей в эмиттерной и базовой областях, легированных до концентраций N3 и N6 соответственно; у тем ближе к 1, чем меньше величины w и N6/N3. Поэтому эмиттерный слой легируют, как можно сильнее. Значения у равны 0,99...0,977 в нормальном токовом режиме и 0,98...0,985 в режиме микротоков. Коэффициент переноса можно представить выражением (2-6) -1 “’2 И 2D т ’ О где т — время жизни неосновных носителей в базовой области. Величина х тем ближе к единице, чем меньше ширина базы и больше т. Увеличение времени жизни ухудшает частотные свойства тран- зистора, поэтому, как следует из (2.5) и (2.6), главным направлением в улучшении характеристик транзисторов является уменьшение ши- рины базы. Ширина базы в п -р-п-транзисторе, изготовленном по эпитаксиально-планарной технологии, составляет обычно 0,6...0,8 мкм с допустимым отклонением ±0,1 мкм. Коэффициенты усиления тока транзистора зависят от режима его работы (рис. 2.5): при малых значениях тока {10~3...10 2 мА) ве- личина В сравнительно невелика из-за малых значений коэффициен- та инжекции. Это объясняется рекомбинацией носителей в эмиттер- ном переходе. Большая доля рекомбинационных потерь приходится на приповерхностные слои. Именно поэтому качество обработки поверхности, пассивация поверхности имеют огромное значение для получения высоких В при малых токах. В области средних и больших токов (> 1 мА, см. рис. 2.5) существенную роль играет эффект вытеснения тока в эмиттере. Напряжение в любой точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего напряжения иЭБ и падения напряжения в объеме базы. Последнее тем выше, чем дальше удалена эта точка 39
а юоо 1,п\ I I I_____________|________ 0,001 0,01 0,1 1,0 Iff,мА Рис. 2.5. Зависимость коэффициента усиления по току В интегральных бипо- лярных транзисторов в схеме с общим эмиттером от тока коллектора /к ^эв Рис. 2.6. Иллюстрация эффекта от теснения эмиттерного тока от базового контакта (рис. 2.6). Значит, напряжение в центральной части эмиттера меньше напряжения у его краев и край эмиттера приобретает большее прямое смещение, чем середина его площади, значит, внешние области эмиттера будут работать при больших плотностях тока по сравнению с внутренними. Повышенная плот- ность тока у краев эмиттера приводит к повышенным рекомбина- ционным потерям носителей в этих областях и к уменьшению В. Топология мощных транзисторов должна обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Например, целесо- образно использовать узкие эмиттеры с большим периметром. Из- менение конструкции биполярных транзисторов с увеличением их мощности иллюстрируется рис. 2.7...2.9. Коэффициент усиления В уменьшается с понижением температу- ры (термический коэффициент 5-10-31/°С). Это связано с уменьше- *•- нием времени жизни неосновных носителей т (см. уравнение 2.6). Рис. 2.7. Фрагмент топологии микросхемы с биполярными транзисторами малой мощ- ности: VD1—диод (транзистор в диодном включении); VT1—тестовый транзистор; VT2 — транзистор; R1, R2— диффузионные резисторы; I — контактное окно к диффузионным резисторам; 2—p-область разделительной диффузии; 3...5— контуры контактных окон к соответственно коллекто- ру, базе, эмиттеру; 6 ... 8—контуры областей со- ответственно коллектора, базы, эмиттера; 9— пассивирующий слой; 10— проводники; 11—двуокись кремния в-в 40
Рис. 2.8. Фрагмент топологии микросхе- мы с транзистором средней мощности: VD1..VD3— диоды; VT1— транзистор; I ... 3— контуры областей соответственно коллектора, ба- зы, эмиттера; 4 ... 6— контуры контактных окон соответственно к коллектору, базе, эмиттеру; 7— контур п+-обл астей коллектора; 8— приварен- ный к контактной площадке золотой гибкий про- водник; 9—контактное окно резистора; 10—р- область разделительной диффузии; 11—пассиви- рую щийслой; 12— проводники; 13—двуокись кре- мния Рис. 2.9. Интегральный биполярный транзистор повышенной мощности «гре- бенчатой» конструкции: 1— кремний поликристаллический; 2— контур п- слоя к коллектору; 3— контур окна к коллектору; 4— контур базы; 5— контур эмиттера; 6— контур окна к базе; 7— контур окна к эмиттеру; в—диэлектрик (SiOz); Кп — проводник коллек- тора Структура интегрального транзистора характеризуется еще зна- чениями пробивного напряжения двух р-п переходов: эмиттерного и коллекторного. Если концентрация примесей на обеих сторонах р-п перехода в кремниевых транзисторах меньше 1018 атомов/см3, то при обратном смещении перехода напряжение пробоя определяет- ся началом лавинного умножения. Это происходит, когда в обеднен- ной области электрическое поле достигает такой величины, когда свободные носители приобретают энергию, достаточную для выбива- ния дополнительных вторичных электронов, те в свою очередь гене- рируют дополнительные электроны и т. д., что приводит к лавинному увеличению числа свободных носителей. Напряжение лавинного пробоя может быть определено из графика на рис. 2.10 по данным о величине концентрации примеси на слаболегированной стороне р-п перехода. 41
Рис. 2.10. Зависимость напряжения лавян- ного пробоя от концентрация примеси на слаболегироваиной стороне ступенчатого р-п перехода , Значения Uap для перехо- дов эпитаксиально-планарного п-р-п-транзистора даны в табл. 2.2. Из этой таблицы видно, что пробивное напряжение эмиттерного перехода в 5...7 раз меньше коллекторного, так как последний сформирован менее легированными слоями. Для обозначения напряжения пробоя Опр переходов используются три подстрочных индекса ОКБ0 и 0&БО, причем последний символ «нуль» указывает, что при измере- нии Опр цепь третьего вывода разомкнута. Напряжение пробоя коллектор — эмиттер Окэо меньше ОКБ0 и может быть оценено по формуле oK30«oKB0/^s + L (2.7) где т для п-р-п-транзистора равно 3...4. Пробой может иметь место в результате сужения базы по мере роста коллекторного напряжения из-за увеличения ширины обедненного слоя перехода (прокол базы). Если обедненная об- ласть коллекторного перехода расширится настолько, что переходы транзистора сомкнутся, обеспечивается беспрепятственное прохож- дение тока между коллектором и эмиттером. Такой вид пробоя свой- ствен транзисторам с особо тонкой базой. Например, при N6— = 1016 атомов/см3, цу=0,7 мкм прокол базы наступает при ПпР=3,5 В. Характеристики транзистора зависят от частоты сигнала. Эти зависимости различны для разных схем включения транзистора, зависят от физической структуры транзистора, наличия в ней пара- зитных элементов. Частота fT, на которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером уменьшается до единицы и транзистор теряет усилительные свойства, называется предельной частотой коэффициента усиления тока. Другим показателем, харак- Т а блиц а 2.2. Типичные параметры интегральных п-р-п транзисторов Параметр Номинал Допуск Температурный коэф- фициент °C*"1 Коэффициент усиления В 100...200 ±30 4-5-10-3 Предельная частота МГц 200...500 ±20 — Коллекторная емкость Ск, пФ 0,3...0,5 ±10 — Пробивное напряжение UKKa, В . 40...50 ±30 — Пробивное напряжение (7ЭБ0, В 7...8 , ±5 +(2...6)-10~3 42
теризующим высокочастотные свойства транзистора, является макси- мальная частота генерации fmax, при которой усиление по мощности падает до единицы. Они связаны соотношением /и„ = ^[Л/(8лгбСк)]|/2, ' (2.8) где Гб Ск — постоянная времени базы транзистора, ограничиваю- щая предельное быстродействие транзистора; s — ширина эмиттера. Для интегральных п-р-п-транзисторов fT и fmax приблизительно равны 400 и 900 мГц. Из-за того, что подвижность электронов в полупроводниковом материале существенно выше подвижности ды- рок, п-р-п-транзисторы имеют более высокую предельную частоту коэффициента усиления, чем р-п-р-транзисторы. Транзисторы с тонкой базой обладают повышенными значениями коэффициента усиления В и необходимы для создания ряда анало- говых микросхем (входные каскады операционных усилителей). У этих транзисторов гс=0,2...0,3 мкм; S=2000...5000 при /к=20 мкА, /7кэо=О,5 В. Пробивное напряжение коллектор — эмиттер 1,5...2 В. Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ). Структура МЭТ, широко используемых в цифровых микросхемах ТТЛ, приведена на рис. 2.11. Число эмиттеров может быть равным 5...8. МЭТ можно рассматри- вать как совокупность транзисторов с общими базами и коллекто- рами. При их конструировании необходимо учитывать следующие обстоятельства. Для подавления работы паразитных горизонтальных п+-р-п+- транзисторов расстояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое. Если структура легирована золотом, диффузионная длина не превышает 2...3 мкм и достаточно указанное расстояние сделать равным 10... 15 мкм. Для уменьшения паразитных токов через эмиттеры при инверсном включении МЭТ искусственно увеличивают сопротив- ление пассивной области базы, удаляя базовый контакт от активной области транзистора, чтобы сопротивление перешейка, соединяющего базовый контакт с базовой областью, было равным 200...300 Ом. А-А Рис. 2.11. Фрагмент топологии микрос- хемы с многоэмиттерным транзистором: VDI — диод; VTI — многоэмиттерный транзистор; I ... 3—контуры областей соответственно кол- лектора, базы, эмиттера; 4 ... 6— контуры кон- тактных окон соответственно к коллектору, ба- зе, эмиттеру; 7— контур «-области коллектора; 8— контур скрытого слоя; 9— p-область раздели- тельной диффузии 43
Многоколлекторные транзисторы (МКТ) — это практически МЭТ, используемые в инверсном режиме: общим эмиттером является эпитаксиальный слой, а коллекторы — п+-области малых размеров (рис. 2.12). Такая структура является основой микросхем И2Л (см. рис. 1.19). Главная проблема при конструировании МКТ — обеспечение достаточно высокого коэффициента передачи тока от общего n-эмиттера к каждому из п+-коллекторов, поэтому необходи- мо скрытый п+-слой расположить как можно ближе к базовому слою и п+-слои расположить как можно ближе друг к другу. Транзисторы типа р-п-р используются главным образом как нагрузочные приборы для п-р-п-переключательных транзисторов. Все существующие варианты интегральных р-п-р-транзисторов существенно уступают n-р-п-транзисторам по коэффициенту уси- ления и предельной частоте. Для их изготовления используется стандартная технология, оптимизированная для формирования п+-р-п-транзистора. Естественно, что получение р-п-р-транзис- торов с близкими к теоретическим пределам параметрами в этом случае невозможно. Горизонтальные интегральные р-п-р-транзисторы в настоящее время используют наиболее часто (рис. 2.13). Их изготовляют одно- временно с п+-р-п-транзисторами по обычной технологии. Эмит- терный и коллекторный слои получают на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области вовремя эмиттерной диффузии. Перенос носителей в таком р-п-р-транзисторе протекает в гори- зонтальном направлении. Инжектированные из боковых частей эмит- тера в базу дырки диффундируют к коллекторной области. Перенос наи- более эффективен в приповерхност- ной области, так как здесь расстоя- ние w между коллектором и эмитте- ром минимальное и наиболее высокая концентрация примеси в р-слоях. Ширину базы w (т. е. расстояние между p-слоями) удается выполнить равной 3...4 мкм (мешает боковая диффузия под маску), в результате Рис. 2.12. Вертикальная структура многокол- лекторного транзистора 44 Рис 2.13. Конструкция горизонталь- ного р-п-р-транзистора
чего коэффициент усиления удается получить равным 50, а fT = = 20...40 МГц. Без особого труда получают w равной 6...12 мкм, но при этом В=1,5...2О, a fT только 2...5 МГц. Для уменьшения действия паразитных р-л-р-транзисторов (р-эмиттер, л-эпитаксиальный слой, р-подложка) стремятся уменьшить площадь донной части эмит- тера (его делают возможно более узким), используют скрытый п+- слой вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки. На основе го- ризонтального транзистора легко сформировать многоколлекторный р-л-р-транзистор. Основные недостатки горизонтального р-п-р-транзистора — сравнительно большая ширина базы и однородность распределения примесей в ней (этот транзистор является бездрейфовым). Эти недостатки можно устранить использованием дрейфовой структуры, в которой два электрода в противоположных концах базы создают в базовом слое электрическое поле, уменьшающее время переноса инжектированных дырок и создающее в эмиттере смещение, сни- жающее инжекцию из его донной части. Совершенно не изменяя технологический процесс изготовления л+-р-л-транзистора, чисто конструктивно и за счет подключения соответствующих областей транзисторной структуры можно сформи- ровать еще один вариант р-л-р-транзистора, так называемый под- ложечный транзистор (рис. 2.14). Поскольку подложка микросхемы обычно подключена к точке схемы, имеющей наибольший отрица- тельный потенциал, транзистор, показанный на рис. 2.14, можно подключить только по схеме с общим коллектором. По тем же причинам, что и горизонтальные р-л-р-транзисторы, подложечный транзистор имеет худшие коэффициент усиления, частотную харак- теристику. Его база — слаболегированный эпитаксиальный слой — обладает большим сопротивлением и повышенной паразитной ем- костью коллекторного перехода из-за значительных его размеров. Составные транзисторы могут быть реализованы на основе двух транзисторов одного или разного типа проводимости, распо- ложенных в одной изолированной области. На рис. 2.15 представлена транзисторная структура, в которой в зависимости от схемы соеди- нений может быть осуществлен составной транзистор, состоящий из двух n-р-л-транзисторов с общим коллектором, или же Рис. 2.14. Вертикальная структура под- ложечного р-п-р-транзистора Рис. 2.15. Конструкция составного тран- зистора 45
составной транзистор, состоящий из вертикального п-р-п- и горизонтального р-п-р-транзисторов. В принципе, возможна реа- лизация составных транзисторов в разных изолирующих областях. Составной транзистор имеет коэффициент усиления, равный про- изведению коэффициентов усиления составляющих его транзисторов: B=BiB2, однако быстродействие его определяется наименее быстро- действующим транзистором. 2.3. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДИОДЫ Диоды в микросхемах предназначены либо для того, чтобы вы- водить транзисторы из насыщения (фиксация транзисторов), либо для выполнения логических функций. Любой из р-п переходов транзисторной структуры может быть использован для формирования диодов, но только два перехода база — эмиттер и база — коллектор действительно удобны для схем- ных применений. Пять возможных вариантов использования р-п пе- реходов транзистора в качестве диода показаны на рис. 2.16. Пара- метры интегральных диодов приведены в табл. 2.3. Из анализа таблицы видно, что варианты различаются по электрическим пара- метрам. Пробивные напряжения (7пр больше у тех вариантов, в кото- рых используется коллекторный переход. Обратные токи /о6р меньше у тех вариантов, в которых используется только эмиттерный переход, имеющий наименьшую площадь. Емкость диода между като- дом и анодом Сд у варианта с наибольшей площадью переходов максимальна (Б—ЭК). Паразитная емкость на подложку Со (счи- тается, что подложка заземлена) минимальна у варианта Б—Э. Вре- мя восстановления обратного тока /в, характеризующее время пере- ключения диода из открытого в закрытое состояние, минимально у варианта БК—Э, так как у этого варианта заряд накапливается только в базе. Рис. 2.16. Конструкции интегральных диодов: а — на основе перехода база — эмиттер с коллектором, закороченным на базу (БК — Э); б—на основе перехода коллектор — база с эмиттером, закороченным на базу (БЭ—К); в — с использованием эмит- терного и коллекторного переходов, когда эмиттерные и коллекторные области соединены (Б — ЭК); г — на основе перехода база — эмиттер с разомкнутой цепью коллектора (Б — Э), д— на основе перехо- да база— коллектор с разомкнутой цепью эмиттера (Б— К) 46
Таблица 2.3. Типичные параметры интегральных диодов Параметр Вариант включения БК—Э БЭ- К Б—ЭК Б—Э Б-К и„„, в 7...8 40...50 7...8 7...8 40...50 /овр. нА 0,5...1,0 15...30 20...40 0,5... 1,0 15...30 Сд, пФ 0,5 0,7 1,2 0,5 0,7 Со, пФ 3 3 3 1,2 3 /в, НС 10 50 100 50 75 Примечание. Для обозначения вариантов диодного включения транзистора приняты следую- щие сокращения: до черты стоит обозиачеиие анода, после черты — катода; если две области соеди- нены, они пишутся слитно. Оптимальными для микросхем вариантами являются БК—Э и Б—Э, причем чаще используется БК—Э. Пробивные напряжения (7...8 В) достаточны для использования этих вариантов в низко- вольтных микросхемах. Стабилитроны. Полупроводниковым стабилитроном называют по- лупроводниковый диод с быстрым нарастанием обратного тока при пробое р-п перехода и нормированным значением пробивного напряжения. Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения. Интегральные стабилитроны могут быть сформированы на базе структуры интегрального транзистора в различных вариантах в зависимости от необходимого напряжения и его температурного коэффициента. Обратное включение диода Б—Э используют для получения напряжения 5... 10 В с температурным коэффициентом + (2...5) мВ/°С. Диод работает в режиме лавинного пробоя. Обрат- ное включение диода БЭ—К применяют для получения напряжения Рис. 2.17. Верти- кальная структура стабилитрона 3...5 В (явление прокола базы, температурная чувствительность — (2...3) мВ/°С). Один или несколько последовательно включенных в прямом направлении диодов БК—Э могут быть использованы как источники напряжения, равного напряжению на открытом переходе (около 0,7 В) или кратного ему. Их температурная чувст- вительность — 2 мВ/°С. В температурно компенсированном стабили- троне, сформированном на основе базового и эмиттерного (рис. 2.17) слоя, при подаче напряжения между л+-слоями один переход рабо- тает в режиме лавинного пробоя, второй — в режиме прямого смещения. Температурная чувствительность напряжения на этих двух переходах имеет противоположный знак, поэтому суммарная температурная чувствительность такого стабилитрона менее ±2 мВ/°С. 47
2.4. АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ И СВЕРХСКОРОСТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Диоды Шотки. Применение диодов на р-п переходах, например в цепях связи элементов памяти с разрядными шинами в быстро- действующих БИС, оказывается недостаточно эффективным из-за сравнительно больших времени их переключения и занимаемой площади. Во многих практически важных случаях предпочтение отдают диодам Шотки, структура которых представлена на рис. 2.18. Технологические трудности при формировании качественного диодного контакта металл — полупроводник заключаются в необхо- димости воспроизводимого и контролируемого состояния физических свойств поверхности полупроводника и границы раздела металл — полупроводник, для чего непосредственно перед напылением метал- лической пленки в условиях вакуума проводится ионно-плазменная очистка поверхности кремния. Диоды с барьером Шотки получают, нанося металл непосредст- венно на кремний, легированный донорной примесью. При равномер- но легированных эпитаксиальных слоях степень легирования должна быть достаточно низкой, чтобы барьер не оказался проницаемым j для туннелирующих электронов. На практике концентрация легирую- щей примеси должна быть меньше 1017 см 3. Используют различные высоты барьеров Шотки, получать которые можно, применяя раз- ные металлы и (или) проводя под диод Шотки мелкую п+-ионную| имплантацию, понижающую высоту барьера. | Алюминий, который чаще всего используется для создания раз-1 водки, может также служить для формирования диодов Шотки (с высотой барьера 0,7 эВ), но воспроизводимость их параметров низка. В этом отношении лучшие диоды Шотки получают, применяя сплав платины и никеля NixPt|_x, образующий силицидный I слой при взаимодействии с кремнием. Меняя соотношение между никелем и платиной, можно получать высоты барьера от 0,64 (при 100% Ni) до 0,84 эВ (при 100% Pt). Диоды с гораздо меньшими , высотами барьера (соответственно 0,53 и 0,59 эВ) получают при использовании титана и вольфрама. I Вторая трудность заключается в возможности возникновения | сильных электрических полей на краях контакта металл — полупро- I Si Oj 1 б) Рис. 2.18. Конструкции планарных диодов Шотки: а — с охранным кольцом; б—с тонким окислом по периферии контакта и расширенным электродом; в—с выводами выпрямляющего и омического контактов на одну сторону подложки; / — металл, образующий с полупроводником n-типа барьер Шотки; 2—металл, образующий с полупро- водником п+-тнпа омический контакт 48
водник, приводящих к пробою диода. Для предотвращения пробоя применяют следующие конструктивные меры: формируют по пери- ферии контакта сильно легированную р+-область, так называемое охранное кольцо (рис. 2.18, а), или диэлектрическую «прокладку» в виде тонкого (около 0,1 мкм) слоя ЗЮг (рис. 2.18, б). В конструк- ции, представленной на рис. 2.18, в, контакт с барьером Шотки сфор- мирован к «-области полупроводниковой структуры, а омический невыпрямляющий контакт — к «+-области. Транзисторы с диодами Шотки. Скорость переключения тран- зисторов, работающих в режиме насыщения, в цифровых схемах ограничена временем рассасывания избыточного объемного заряда, накапливающегося в областях базы и коллектора. Принимаемые для повышения быстродействия транзисторов меры, связанные с ускоре- нием процесса рассасывания (легирование структуры транзистора золотом, шунтирование диодом с р-п переходом) приводят к услож- нению технологии, конструкции, снижают другие параметры (напри- мер, легирование золотом снижает коэффициент усиления). Изящным решением данной проблемы является сочетание ин- тегрального транзистора с диодом Шотки, который шунтирует кол- лекторный переход транзистора. На рис. 2.19, а, б приведены две конструкции транзисторов с диодами Шотки. В них алюминиевая Рис. 2.19. Конструкции (а, 6) и принципиальная схема (в) транзисторов с диодами Шотки с охранным кольцом (а) и с расширенным металлическим электродом (б) Рис. 2.20. Фрагмент топологии микрос- хемы, содержащей транзисторы с дио- дами Шотки: Я1, R2 — диффузионные резисторы: VTl, VT2 — транзисторы Шотки; 1...3 — контуры областей соответственно коллектора, базы, эмиттера; 4,5— контуры контактных окон к коллектору, эмиттеру; 6—диод Шотки; 7—граница раздела металл — полупроводник, на которой образуется барьер Шоткн 49
металлизация, обеспечивая контакт с p-слоем базы, продлена в сторону коллекторного n-слоя. На первый взгляд, коллекторный слой оказался закороченным на базу. На самом же деле алюминие- вый пленочный проводник образует с p-слоем базы невыпрямляю- щий омический контакт, а с n-слоем коллектора выпрямляющий контакт Шотки (рис. 2.19, в). Конструктивные решения, показанные на рис. 2.19, а, б, могут быть использованы как в микросхемах, содержащих простые транзисторы (рис. 2.20), так и в микросхемах с многоэмиттерными транзисторами, в которых диоды с р-п пере- ходом заменяются диодами Шотки. В обоих случаях увеличивается степень интеграции микросхем, отсутствует накопление и рассасыва- ние избыточных зарядов и получается существенный (в 1,5...2 раза) выигрыш во времени переключения транзисторов из открытого в закрытое состояние. Быстродействующие интегральные транзисторы с уменьшенными размерами элементов. Пропорциональное уменьшение геометричес- ких размеров всех областей элементов микросхемы является тра- диционным направлением увеличения ее быстродействия, что связано прежде всего с уменьшением паразитных емкостей р-п переходов. Первенство по быстродействию сохраняют за собой биполярные п+-р-п-транзисторы, к физической структуре и характеристикам областей которых предъявляются специфичные и одновременно про- тиворечивые требования (§ 2.1): высоколегированный эмиттер с малой глубиной залегания р-п перехода и большим градиентом концентрации примеси в области эмиттерного р-п перехода; тонкая активная база с достаточно высокой концентрацией примеси, малым сопротивлением и одновременно сравнительно высокими значениями напряжения пробоя перехода и прокола базы. Минимальный геометрический размер топологии определяется возможностями литографии. В настоящее время осуществляется переход к минимальному проектному геометрическому размеру топо- логии 1,5...2 мкм (проекционная фотолитография), намечается пе- реход к субмикронным (менее 1 мкм) размерам (электронолито- графия, рентгенолитография). Существенное уменьшение глубин залегания р-п переходов связано прежде всего с освоением технологии ионного легирования, которое, однако, обладает существенным недостатком: очень высок уровень дефектности областей кремния, непосредственно подверг- шихся ионной бомбардировке. Эти недостатки могут быть устранены следующим образом: на подложку с эпитаксиальным слоем наносится пленка поликристаллического кремния, которая и подвергается ло- кальной ионной бомбардировке. Затем проводится диффузионный отжиг, в процессе которого легирующая примесь диффундирует из поликремния в монокристаллическую подложку на небольшую глубину. Конструкция сформированного таким образом быстродейст- вующего транзистора показана на рис. 2.21. Она сформирована в эпитаксиальном слое n-типа толщиной 1,5 мкм, глубина эмиттерного 50
Рис. 2.21. Структура быс- тродействующего бипо- лярного транзистора: /—подложка; 2— скрытый слой; 3— изолирующая область; 4— эпитаксиальный слой; 5—терми- ческий окисел, 6— область пас- сивной базы; 7—область актив- ной базы; 8— эмиттерная об- ласть; 9— пленка поликристал- лического кремния; 10— алюми- ниевая разводка перехода составляет 0,2 мкм. Транзистор имеет следующие парамет- ры: £/Кбо=8...12 В; (УЭБ0= 3,5...6,0; £/кэ=5...12 В; В = 4О...7О. Транзисторы микросхем с эмиттерами на гетеропереходах. Гете- ропереходы — это переходы между двумя материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны. В обычных транзисторах используются гомопереходы, так как ширина запрещенной зоны кремния по обе стороны перехода одинакова и равна 1,1 эВ. Теорети- чески преимущества гетеропереходов известны давно, но технология их формирования не была разработана. Транзисторы с гетеропереходами изготавливаются (рис. 2.22) с использованием легированного фосфором низкоомного полуизоли- рующего поликристаллического кремния в качестве материала эмит- тера, который предложившая эту технологию японская фирма Sony назвала Sipos (semi-insulting polycrystalline silicon — полуизоли- рующий поликристаллический кремний). Этот материал представляет собой смесь поликристаллического кремния и двуокиси кремния и имеет ширину запрещенной зоны 1,3...1,4 эВ. Разница в ширине запрещенной зоны в 0,2...0.3 эВ материалов, образующих эмиттерный переход, обеспечивает значительно более высокий коэффициент инжекции. Это означает, что в полном токе через эмиттерный переход отношение тока электронов к току дырок получается на- много выше. От коэффициента инжекции непосредственно зависит коэффициент усиления транзистора (см. § 2.2). В обычном кремние- вом транзисторе (рис. 2.22, б) единственный способ повышения этого параметра состоит в увеличении концентрации примеси в эмиттере и уменьшении концентрации примеси в базовой области. В транзисторах с эмиттерами на гетеропереходах высокий коэф- фициент инжекции можно обеспечить и при относительно сильно легировйнной базовой области. Меньшее сопротивление пассивной Рис. 2.22. Вертикальная структура интегрального транзистора с эмиттером на гетеропе- реходе (а) и ее сравнение со структурой интегрального планарно-эпитаксиального транзистора (б) 51
области базы дает возможность значительно повысить быстродейст- вие транзисторов без уменьшения или даже с увеличением коэф- фициента усиления по току. В гетеропереходе (рис. 2.22, а) пленка полуизолирующего поликристаллического кремния толщиной около 0,2 мкм контактирует непосредственно с базовой областью тран- зистора. Поверх нее наносится обычная пленка легированного поликристаллического кремния толщиной 0,3...0,5 мкм, с которой контактирует металлическая разводка. Технологическая реализация транзисторов микросхем с гетеро- переходами не связана со сложными усовершенствованиями отдель- ных операций или уменьшением геометрических размеров транзис- торов. По этой технологии возможно получение микросхем с рабочим быстродействием в 1...5 ГГц. 2.5. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РЕЗИСТОРЫ Резисторы микросхем изготавливаются на основе диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ион- ного легирования. Диффузионные резисторы изготавливают одновременно с базо- вой или эмиттерной областью транзистора. Структура таких ре- зисторов показана на рис. 2.23. Сопротивление тела диффузионного резистора (ДР) представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-п переходом. Оно определяет- ся геометрическими размерами резистивной области и характером распределения примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротив- лением ps. При создании микросхем параметры диффузионных слоев оптимизируются с целью получения наилучших характерис- | тик п-р-п-транзисторов, поэтому параметры ДР улучшаются не за счет варьирования технологических режимов, а вы.бором конфигу- I Рис. 2.23. Структура диффузионных резисторов на основе базовой (а) и эмит- терной (б) областей, сформированных по планарно-эпитаксиальной технологии 52
Рис. 2.24. Варианты конфигураций диф- фузионных резисторов рации и геометрических размеров тела резистора (рис. 2.24). Низко- томные резисторы (десятки ом) имеют форму, представленную на рис. 2.24, а и малое отношение 1/Ь. Форма и размеры контактов к ним выбираются такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением в сотни ом и до единиц килоом в плане имеют вид, изображенный на рис. 2.24, в, б, в котором длина и ширина приконтактной области равна ширине резистора. Топология, показанная на рис. 2.24, д, г, используется для создания высокоомных резисторов. В ней тело резистора имеет сравнительно малую ширину, контактные области имеют размеры, определяемые возможностями технологии по созданию надежного контакта про- водящих А1 полосок с полупроводниковым материалом. Еще более высокоомные резисторы имеют форму меандра (рис. 2.24, е) или изготавливаются в донной части базового слоя (пинч-резисторы, рис. 2.24, ж). Длина однополоскового диффузионного резистора не может превышать размеров кристалла (т. е. 1...5 мм), ширина ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2,5...3 мкм), и боковой диффузией (уход под окисел равен примерно глубине залегания диффузион- ного р-п перехода). Типичные значения сопротивления ДР, кото- рые можно получить при данной величине ps, лежат в диапазоне 0,25 ps<R < 104ps. Нижний предел ограничивается сопротивления- ми контактных областей, верхний — допустимой площадью, отводи- мой под резистор. 53
Рис. 2.25. Конструкция пинч-резис- тора Воспроизводимость номиналь- ных значений сопротивления ДР обычно составляет 15...20% и за- висит от ширины резистора. От- клонения от номиналов сопротив- лений резисторов, расположенных на одном кристалле, за счет не- точностей технологии имеют один и тот же знак, т. е. меняются в одну сторону, поэтому отношение со- противлений сохраняется с высо- кой точностью. Аналогично темпе- ратурный коэффициент отношения сопротивлений мал по сравнению с ТКС для отдельного резистора (0,15...0,3%/°С). Эта особенность ДР учитывается при разработке полупроводниковых микросхем. На основе эмиттерной области формируются резисторы неболь- ших номиналов (3...100 Ом с ТКС 0,01...0,02%/°С), поскольку ps эмиттерного слоя невелико (табл. 2.1). Пинч-резисторы. При необходимости создания в микросхемах резисторов с большим сопротивлением используют пинч-резисторы (синонимы: канальные, сжатые, закрытые резисторы). Они форми- руются на основе донной слаболегированной области базового слоя с большим сопротивлением и имеют меньшую площадь сечения (рис. 2.25). Максимальное сопротивление таких резисторов со- ставляет 200...300 кОм при простейшей полосковой конфигурации, ps=2...5 кОм/О. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части p-слоя, большой ТКС (0,3...0,5%/°C) из-за меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора п+- и р-слои закорочены металлизацией (рис. 2.25) и соединены с выводом ре- зистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора. Этот резистор имеет линейный участок ВАХ только до напряжений 1...1,5 В, его пробивное напряжение 5...7 В (эмиттерный переход, см. табл. 2.2). Их структура такая же, как и у ДР, но глубина ионно-легированных слоев, в которых сформировано тело резистора, составляет лишь а) 6) Рис. 2.26. Конструкция ионно - легированных резисторов, сформиро- ванных имплантацией примеси p-типа в эпи- таксиальный (коллек- торный) слой (а) и примеси п-типа в ба- зовый слой (б) 54
0,1.-0,3 мкм (рис. 2.26). Ионная имплантация может обеспечить малую концентрацию легирующей примеси в слое. При соответствую- щем выборе дозы легирования и параметров отжига (10...20 мин при 500...600 °C) можно получить ps=O,5...2O кОм/C в резисторах, изображенных на рис. 2.26, а, и ps= 500... 1000 Ом/П в резисторах, изображенных на рис. 2.26, б. Могут быть достигнуты номиналы сопротивлений в сотни килоом со сравнительно низким ТКС и с допуском ±10%. Ширина и толщина ионно-легированных ре- зисторов с большими номиналами сопротивлений очень малы, что усложняет получение хорошего омического контакта к ним. В качестве контактов к ним используют диффузионные области р- или п-типа, которые формируют на стадии базовой или эмиттерной диффузии. Частотные характеристики интегральных резисторов. Любой ин- тегральный резистор обладает паразитной емкостью С относительно подложки или изолирующего кармана. Постоянная времени, определяющая длительность переходного процесса x=RC, и соответ- ствующая граничная частота frp= 1/(2лт)=1/(2л/?С). (2.9) Для интегральных ДР frp«l/(3psc0/2), (2.10) где Со — емкость на единицу площади р-п перехода. Характерно, чт0 frp уменьшается пропорционально квадрату длины резистора. Для типичного ДР на базовом слое (ps=200 Ом/П, /=1 мм, 6=10 мкм) frp~10...15 мГц. Это означает, что резистор имеет чисто активное сопротивление только до указанных частот, при более высоких частотах его сопротивление становится комплексным. При использовании диэлектрической изоляции вместо изоляции р-п переходом frp для одной и той же конструкции резистора может быть выше в несколько раз. Тонкопленочные резисторы. В совмещенных микросхемах поверх слоя защитного диэлектрика могут быть сформированы тонкопле- ночные резисторы. По сравнению с полупроводниковыми они имеют следующие преимущества: более высокие значения frp, меньшие значения паразитных параметров, более высокая точность изготовле- ния, низкий ТКС. 2.6. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлек- трика могут выполнять обедненные слои обратносмещенных р-п пе- реходов или пленка окисла кремния, роль обкладок — легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки. Характеристики конденсаторов полупроводниковых микросхем невы- соки, а для получения больших емкостей необходимо использовать 55
Рис. 2.27. Варианты формирования интегральных диффузионных кон- денсаторов на основе р-п переходов значительную площадь схемы. Поэтому при проектировании электри- ческой схемы полупроводниковой микросхемы стремятся конденсато- ры исключить. Диффузионные конденсаторы (ДК). Для их формирования может быть использован любой из р-п переходов (рис. 2.27): коллек- тор— подложка (Ci), база — коллектор (Сг), эмиттер — база (Сз), переход p-области изолирующей диффузии и п+-область скры- того слоя (Ct). Варианты Ci и С4 не могут быть реализованы в микросхемах с диэлектрической изоляцией. Поскольку ширина обедненного слоя обратносмещенного пере- хода зависит от напряжения, емкость ДК тоже меняется с измене- нием напряжения. Удельную емкость любого полупроводникового перехода можно аппроксимировать формулой Со~Х-(1 /U)m, где К — коэффициент пропорциональности, зависящий от уровня легиро- вания диффузионных областей, показатель -i-], причем т= /2 соответствует ступенчатому, а т= /з — линейному перехо- дам. Остальные значения т, входящие в указанное множество, соответствуют реальным профилям распределения. Эмиттерный переход обладает наибольшей удельной емкостью, но малыми пробивным напряжением и добротностью. Коллекторный переход используется наиболее часто для формирования ДК (рис. 2.28).. Рис. 2.28. Конструкция интегрального диффузионного конденсатора: 1—алюминиевый вывод от верхней обкладки конденсатора; 2-- алюминиевый вывод от нижней обкладки конденсатора; 3— контакт к подложке-. 4— подложка р-типа; 5— коллекторная п-область (нижняя обкладка конденсатора); б—базовая p-область (верхняя обкладка конденсатора); 7— пленка окисла кремния Рис. 2.29. Конструкция интеграль- ного МДП-конденсатора: 1— верхняя обкладка; 2— алюминиевый вывод о- нижней обкладки; 3—подложка р-типа; 4—кол- лекторная п-область; 5—п+-слой (нижняя об- кладка конденсатора); 6— тонкий окисел (диэлек- трик конденсатора); 7—толстый окисел 56
К недостаткам ДК можно отнести необходимость обеспечения их строго определенной полярности (рис. 2.27), так как условием нормальной работы ДК является обратное смещение р-п перехода. мдп -конденсаторы. Их конструкция представлена на рис. 2.29. Нижней обкладкой служит эмиттерный п -слой, верхней — пленка А1. Диэлектриком служат тонкие слои SiOz или SisN^ последний предпочтителен в связи с большей Сц (е нитрида выше, чем окисла кремния), но SiOz более доступен. Толщина диэлектрика составляет 0,05...0,12 мкм. Недостатком МДП-конденсаторов в составе биполяр- ных микросхем является необходимость введения дополнительной операции создания тонкого диэлектрика (и, естественно, дополни- тельной операции фотолитографии). Тонкопленочные МДМ-конденсаторы в совмещенных микросхе- мах состоят из двух металлических слоев, разделенных слоем диэлек- трика. В качестве обкладок обычно используется А1, или Та, тогда в первом случае диэлектриком служит А1гО3, во втором — Ta2Os. Диэлектрическая постоянная Ta2Os на порядок выше, чем у большин- ства других диэлектриков, но он не используется в микросхемах, работающих на высоких частотах. МДМ-конденсаторы, как и МДП- конденсаторы, работают при любой полярности. Их недостатком является удлиненный технологический маршрут изготовления и не- обратимый отказ в случае пробоя диэлектрика. 2.7 ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БИС Повышению быстродействия БИС наряду с созданием специально разработанных активных элементов (§ 2.4) способствовало примене- ние функционально-интегрированных элементов. Дело в том, что при классической интеграции элементов в одном кристалле повышению степени интеграции и увеличению быстродействия препятствуют большое число выполненных отдельно и изолированных активных и пассивных элементов, к каждому из которых должны быть сфор- мированы контактные окна. При таком обилии контактных окон возникают сложные проблемы создания межэлементной коммутации. В современных БИС и СБИС реализованы элементы, в которых одна и та же область полупроводниковой сруктуры одновременно выполняет несколько функций. Например, области базы или коллек- тора транзистора могут одновременно использоваться в качестве резисторов. Более глубокая интеграция осуществлена в конструкции триг- гера, показанной на рис. 2.30. В ней нагрузочные резисторы R1, R2 совмещены с коллекторами транзисторов VT1', VT2' соответ- ственно. Для увеличения сопротивления резисторов R1 и R2 одно- временно с формированием базовых областей транзисторов проведе- на диффузия примеси p-типа электропроводности, за счет чего умень- шено поперечное сечение резисторов (см. § 2.5). Формирование еще 57
1 2 3 Рис. 2.30. Схема (а) и конструк- ция (б) триггера, в которой совме- щены коллекторы ключевых транзис- торов с нагрузочными резисторами и базами транзисторов связи лишь двух p-областей с контактами позволяет использовать верти- кальные р-«-р-структуры в качестве транзисторов связи VT1" и VT2”. Таким образом, здесь совмещены функции «-области. Она выполняет роль коллектора транзисторов VT1' и VT2’, базы тран- зисторов VT1' и VT2", сжатых резисторов Rl, R2. В БИС по-иному на основе функционально-интегрированных элементов организованы цепи электропитания: традиционные резис- тивные цепи питания заменены либо диодными, либо транзисторны- ми, либо инжекционными. Функции нагрузочных резисторов в цепи питания в функционально-интегрированном логическом элементе с транзисторной цепью питания (рис. 2.31) выполняют р-п-р-тран- зисторы. На рис. 2.31 функционально-интегрированные элементы выделены штриховой линией. Конструктивно-топологическое решение Рис. 2.31. Функциональио-иитегрированный элемент с транзисторной цепью электро- питания: а — электрическая схема; б — топология; в —поперечный разрез 58
цепи электропитания элемента, изображенного на рис. 2.31, реали- зовано таким образом, что базовая область р-п-р-транзистора одновременно является эмиттером переключающего п-р-п-тран- зистора, а база п-р-п-транзистора одновременно выполняет функции коллектора р-п-р-транзистора. Функционально-интегри- рованный элемент, представленный на рис. 2.31, на поверхности кристалла имеет только функциональные межэлементные соедине- ния. Шины элекропитания в нем образованы подложкой и эпитак- сиальным слоем. Это очень перспективное решение для создания матричных БИС. В БИС могут быть функционально совмещены рабочие области различных активных элементов. Примеры такого совмещения нами уже рассмотрены: это составной транзистор, расположенный в одной изолированной области (см. рис. 2.15), это транзисторы с диодом Шотки (см. рис. 2.19, 2.20), это, наконец, структура элемента И2Л (см. рис. 1.19), в которой одна область служит базой транзистора n-p-n-типа и одновременно коллектором горизонталь- ного транзистора p-n-p-типа, а другая — область эмиттера тран- зистора п-р-п-типа — служит базой транзистора р-п-р-типа. Использование функционально-интегрированных элементов в БИС приводит к существенному повышению быстродействия с одно- временным повышением степени интеграции, упрощению коммутаци- онных систем, сокращению длины соединительных проводников и числа контактных окон. Функционально-интегрированные элементы особенно часто используют при создании матричных БИС, микро- схем микропроцессорных наборов, СБИС запоминающих устройств и однокристальных ЭВМ. 2.8. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСХЕМ ДРУГ ОТ ДРУГА При отсутствии изоляции элементов биполярных микросхем все они окажутся электрически связанными между собой через подлож- ку. Изоляцию осуществляют с использованием нескольких конст- руктивно-технологических вариантов. Изоляция обратно-смещенными р-п переходами (см. рис. 1.10, 1.11). Этот способ, будучи исторически первым, распространен и по сей день, так как обладает высокой технологичностью, операции создания изолирующей области (дополнительно одна операция фото- литографии и одна операция диффузии) естественным образом вли- ваются в технологический маршрут, не требуют ни дополнительного оборудования, ни использования новых материалов. Конструкция транзистора, изолированного от других элементов микросхемы р-п переходом, показана на рис. 2.32, а. Недостатком этой конструк- ции является то, что площадь изолирующей области сравнима с площадью, отводимой под транзистор, и даже превышает ее (см. 59
Рис. 2.32. Конструкции интегральных биполярных транзисторов с изоляцией обратно- смещеииыми р-п переходами, изготовленных по планарно-эпитаксиальной техноло- гии (а) и по технологии коллекторной изолирующей диффузии (б) рис. 1.10). Попытка устранить хотя бы частично этот недостаток без изменения способа изоляции привела к созданию транзистора, изоб- раженного на рис. 2.32, б, в котором изолирующая область сформиро- вана диффузией примеси n-типа на всю глубину эпитаксиального слоя до соприкосновения со скрытым п+-слоем и используется в ка- честве коллекторной области транзистора. Изоляция элементов полупроводниковых микросхем с помощью обратносмещенного р-п перехода кроме указанного имеет и другие принципиально неустранимые недостатки. К ним относятся: большая паразитная емкость изолирующих р-п переходов и появление допол- нительных паразитных элементов в структуре микросхемы; необхо- димость подачи на изолирующий р-п переход определенного по вели- чине и знаку напряжения смещения; наличие четырехслойных струк- тур п-р-п-р и р-п-р-п-типа, которые обладают положительной обрат- ной связью по току, вследствие чего при воздействии на них ионизи- рующих факторов увеличение тока через эти структуры будет приво- дить к еще большему его возрастанию. Указанные недостатки не позволяют добиться существенных успе- хов в росте быстродействия микросхем, увеличения степени их интег- рации, радиационной стойкости и стабильности в интервале темпера- тур. Изоляция диэлектриком. Конструкция интегрального транзисто- ра, изолированного от соседних элементов микросхемы с помощью диэлектрика, показана на рис. 2.33. Пленка диэлектрика (SiOz) и непроводящая подложка устраняют кардинальным образом недос- татки, присущие изоляции р-п переходами. Но для осуществления такого способа изоляции необходим довольно сложный технологиче- ский процесс (см. гл. 7), включающий в себя операции по размеще- нию в диэлектрическом материале островков монокристаллического кремния и операции по формированию р-п переходов в этих островках (рис. 2.33, а). Труден подбор материала диэлектрической подложки для этой конструкции, поскольку коэффициенты термического расши- рения подложки и монокристаллического кремния должны совпадать, иначе проведение операций, связанных с нагревом, станет невозмож- ным из-за коробления структур и появления дефектов в кристалли- ческой решетке кремния. 60
a? Рис. 2.33 Конструкции интегральных транзисторов с изоляцией диэлектриком: a — структура кремний в диэлектрике (КВД); б — структура кремний на диэлектрике (КНД) со сформи- рованным торцевым тразистором с вертикальными р-п переходами Структура, изображенная на рис. 2.33, а, носит название кремний в диэлектрике (КВД), а структура на рис. 2.33, б — кремний на диэлектрике (КНД). Технология изготовления таких структур опи- сывается в § 6.4. Основными недостатками конструкций с диэлектрической изоля- цией элементов являются: сложный технологический процесс и малый выход годных микросхем; плохой отвод тепла от элементов микро- схемы в подложку, поскольку тепловое сопротивление диэлектри- ческих материалов в десятки раз больше теплового сопротивления монокристаллического кремния; трудность создания разводки из-за сравнительно большого перепада высот рельефа поверхности в струк- турах КНД; высокая плотность дефектов структуры в изолированных островках кремния и низкая воспроизводимость параметров элемен- тов микросхем. Комбинированная изоляция сочетает технологичность изоляции р-п переходом и высокие качества диэлектрической изоляции: эле- менты микросхемы со стороны подложки изолированы обратно-сме- щенными р-п переходами, а с боковых сторон — диэлектриком (окислом, стеклом, керамикой, поликремнием и т. д.). Таким образом, изоляция р-п переходами заменяется изоляцией диэлектриком в наи- более уязвимом приповерхностном слое и с боковых сторон. Наибольшее распространение сегодня получили такие варианты комбинированной изоляции, как локальное окисление (изопланарная технология) (рис. 2.34, а) и вертикальное анизотропное травление с последующим заполнением канавок поликристаллическим кремнием (полипланарная технология) (рис. 2.34, б). Рис. 2.34. Конструкции интегральных транзисторов с комбинированной изоляцией, полученных локальным окислением кремния (а) и анизотропным травлением кремния с последующим окислением профилированной поверхности и заполнением окислен- ных канавок поликристаллическим кремнием (б) 61
В основе технологических процессов лежит локальное сквозное «прокисление» или протравление тонкого (2...3 мкм) эпитаксиаль- ного слоя кремния п-типа, в результате этот слой оказывается раз- деленным на островки, в которых формируются элементы микросхем. Комбинированная изоляция позволяет уменьшить паразитные ем- кости изолированных областей на подложку за счет устранения боко- вых участков р-п переходов (см. рис. 2.32), устранить токи утечки в области выхода р-п переходов на поверхность и на боковых участках р-п переходов (см. рис. 1.11). В то же время при методе комбиниро- ванной изоляции удается обеспечить хорошие условия теплоотвода и увеличить степень интеграции элементов в микросхеме за счет сок- ращения площади, отводимой под изоляцию. 2.9. ЭВОЛЮЦИЯ КОНСТРУКТИВНО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ, ДИОДОВ И РЕЗИСТОРОВ В ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ Интегральные биполярные транзисторы п-р-п-типа. С начала 60-х годов интегральные микросхемы изготавливают с изоляцией р-п пере- ходом как с эпитаксиальным слоем, так и без него. Чаще всего исполь- зуют структуру со скрытым слоем п + -типа для уменьшения последо- вательного сопротивления коллектора, эпитаксиальный слой п-типа и диффузионную область р+-типа для изоляции (см. рис. 2.32, а; рис. 2.35, а). В другом варианте при использовании коллекторной изолирующей ** диффузии создается эпитаксиальный слой p-типа для формирования базы (рис. 2.32, а; рис. 2.35, б). Чтобы получить необходимую ширину базы, не зависящую от толщины эпитаксиального слоя, можно про- вести дополнительную диффузию примеси p-типа (см. штриховую линию на рис. 2.32, б), которая к тому же позволяет сформировать в эпитак- сиальной базе градиент концентрации акцепторов и получить дрейфовый тран- ; зистор. • Применение точной ионной имплан- ; тации для создания коллекторной обла- 1 сти п-типа позволяет вернуться к тех- ; нологии тройного легирования и форми- ровать п-р-п-транзисторы в подложке fi б Рис. 2.35. Структуры биполярных транзисторов, изготовляемых по планарно-эпитаксиальной тех- нологии с заглубленным коллектором (а); по тех- нологии с применением коллекторной изолирую- щей диффузии (б); по технологии тройного леги- рования (в) 62
p-типа (рис. 2.35, в) без применения эпитаксии. Конструктивно-тех- нологический вариант изготовления микросхем, представленный на рис. 2.35, а — в, прост в осуществлении, дает высокий выход годных микросхем при сравнительно малой их стоимости и используется в производстве микросхем средней и высокой степеней интеграции, но площади элементов недостаточно малы для плотностей упаковки, требуемых в СБИС. Из-за довольно больших площадей велики емкос- ти переходов, у транзисторов с коллекторной изоляцией мала пре- дельная частота коэффициента усиления /т, а у транзисторов, изго- тавляемых по методу тройного легирования, велико последователь- ное сопротивление коллектора. По этим причинам данные варианты не позволяют получить ни малых значений произведения мощности на время задержки, ни малого времени задержки распространения сигнала. Несколько конструктивно-технологических вариантов обеспечи- вает параметры и свойства, нужные для создания быстродейству- ющих БИС и СБИС: малые активные площади транзисторов (опре- деляющие плотность упаковки и величину емкостей), мелкие слои, резкие профили распределения примесей (повышающие fT), а также малые последовательные сопротивления. Разработка новых конструкций преследует следующие цели: свести к минимуму площадь эмиттера для уменьшения емкости перехода база — эмиттер и последовательного сопротивления базы (наилучший эффект благодаря эффекту оттеснения тока дает очень узкая эмиттерная полоска); разместить контакт базы как можно ближе к эмиттеру для умень- шения площади базы (снижения емкости перехода база — коллектор и последовательного сопротивления базы); применить комбинированную изоляцию для получения эмиттер- ных и базовых областей с диэлектрическими «стенками», благодаря чему снижаются емкости переходов база — эмиттер и база — кол- лектор, и емкости коллектор — подложка. Такая изоляция позволяет создавать р-п-р-транзисторы с переходом малой площади с диэлект- рическими «стенками». Конструктивно-технологические варианты биполярных транзисто- ров с комбинированной изоляцией и пристеночными областями эмит- тера и базы (см. рис. 2.34) уже достаточно хорошо отработаны и в настоящее время являются базовыми для производства БИС. В них используются эпитаксиальные слои п- или p-типа, при тонких эпитак- сиальных слоях получаются транзисторы достаточно малых размеров и выход годных БИС довольно высок. В табл. 2.4 приведены пара- метры транзисторов, изготовленных по планарно-эпитаксиальному процессу (рис. 2.35, а) при толщине эпитаксиального слоя 3 мкм и минимальном проектном геометрическом размере 5 мкм, и тран- зисторов, изготовленных с использованием комбинированной изоля- ции (рис. 2.34) при толщине эпитаксиального слоя 1,2 мкм и мини- 63
Таблица 2.4. Параметры транзисторов с изоляцией р-п переходами и комбини- рованной Параметр Планарно-эпнтаксиаль- ный транзистор с р-п переходами Транзистор с комбини- рованной изоляцией и диэлектрическими «стенками» Площадь, мкм2 1500 500 Емкость перехода база — эмиттер, пФ 0,10 0,07 Емкость перехода база — коллектор, пФ 0,12 0,05 Емкость перехода коллектор — подложка, пФ 0,52 0,13 Последовательное сопротивление базы, Ом 250 800 Сопротивление эмиттера, Ом 6 9 Сопротивление коллектора, Ом 40 20 Предельная частота )т, ГГц 1 3...5 мальном проектном геометрическом размере 3 мкм. Оба транзистора имеют один базовый контакт. Из таблицы видно, что плотность упаковки транзисторов с комби- нированной изоляцией в БИС в три раза выше, у них меньше емкости и сопротивления за исключением последовательного сопротивления базы. Для снижения последовательного сопротивления базы можно дополнительно легировать бором область пассивной базы или создать базовый контакт по обе стороны эмиттера, но это, конечно, увеличит размеры транзистора. В некоторых логических схемах, например И2Л (см. рис. 1.19), п-р-п-транзисторы включены инверсно, и тогда скрытый слой работает как эмиттер. Для получения резкого диффузионного профиля между эмитте- ром и базой и ширины базы, почти не зависящей от толщины эпитак- сиального слоя, разработана технология восходящей диффузии: перед выращиванием эпитаксиального п-слоя в подложку локально имплантируется примесь p-типа (бор), которая при последующей высокотемпературной обработке диффундирует вверх в растущую эпитаксиальную пленку п-типа, благодаря чему формируется верти- кальный п-р-п-транзистор с сильно легированным эмиттером п+-типа, тонкой областью (0,3 мкм) базы p-типа и слабо легированной кол- лекторной областью (рис. 2.36). Затем создается омический контакт к заглубленной базе p-типа и производится выделение эпитаксиаль- ной коллекторной области п-типа путем кольцевой диффузии приме- си р+-типа вниз через эпитаксиальный п-слой до касания с базой. Этот метод можно сочетать с методом комбинированной изоляции. Интегральные биполярные транзисторы р-л-р-типа. В большин- стве случаев эмиттер и коллектор горизонтального р-п-р-транзисто- ра (см. рис. 2.13) формируются при совместимой с процессом изго- товления п-р-п-транзистора мелкой р-диффузии (база и-р-и-прибо- ра), а эпитаксиальный п-слой служит базой р-п-р-транзистора. Ши- рина базы р-п-р-транзистора определяется разрешающей способ- ностью фотолитографии и зависит от боковой диффузии бора под окисел (в силу технологических ограничений трудно получить с хоро- 64
Рис. 2.36. Структура п-р- л-транзистора со скры- тым эмиттером Рис. 2.37. Структура инверсионно включаемого р-п-т- транзистора, представляющего собой р-п-р-транзи- стор с диодом Шотки в качестве коллектора (КШ) шей воспроизводимостью базу шириной менее 0,5 мкм). Инжекция дырок из эмиттера p-типа вниз в эпитаксиальный слой приводит к избыточному количеству в нем неосновных носителей, которые, диф- фундируя через скрытый слой к подложке, создают паразитный ток (т. е. как бы образуется паразитный вертикальный р-п-р-транзистор). По этой причине Д горизонтального р-п-р-транзистора невелика, и коэффициент усиления по току тоже мал. У специальных инверсно включенных р-п-р-транзисторов кол- лектором служит диод Шотки (см. рис. 2.37). Их называют также р-п-т-транзисторами (т— означает металл). Достоинство р-п-т-транзистора заключается в том, что его фиксация диодом Шотки происходит автоматически. Показано, что р-п-т-транзистор можно создать совместно в технологическом процессе производства вертикальных п-р-п-транзисторов; для этого требуется дополнитель- ная область р+-типа, полученная восходящей диффузией примеси p-типа из подложки. Варианты конструкций элементов БИС и СБИС с применением по- ликристаллического кремния. Введение пленок поликристаллическо- го кремния (ППК) в технологические процессы производства бипо- лярных транзисторов открыло целый ряд новых способов повышения плотности упаковки и рабочих характеристик транзисторов. На рис. 2.38, а представлена структура интегрального биполярного транзистора с выступающими поликремниевыми электродами (см. рис. 2.35, а). Здесь источником примеси при диффузии для создания эмиттера (см. §2.4), а также в качестве выступающих электродов эмиттера и коллектора служит поликристаллический кремний, леги- рованный мышьяком, обрабатываемый так, чтобы он образовывал нависающий край. Напыленная сверху металлическая пленка в об- ласти нависающего края имеет разрыв, благодаря чему достигается экономия площади, отводимой на зазоры между электродами базы и эмиттера. В этих схемах размеры эмиттера составляют 3X4 мкм2, площадь базы — 64 мкм2, последовательное сопротивление базы 111 Ом, /т = 7 ГГц. Другая конструкция транзистора с ППК дана на рис. 2.38, б (сравни с конструкцией на рис. 2.34, а). Здесь эмиттер также созда- ется диффузией примеси из поликристаллического кремния, легиро- ванного мышьяком. 3 Зак. 918 65
Рис. 2.38. Конструктивно-технические варианты транзисторных структур БИС и СБИС с использованием пленок поликристаллического кремния: а—с выступающими поликремниевыми электродами и изоляцией р~п переходом; б — с выступающими по- ликремниевыми электродами и комбинированной изоляцией; в — с самосовмещенными базой и эмиттером и комбинированной изоляцией; г—с двумя слоями поликремния и изоляцией р-п переходами; /—термический окисел; 2—металлические проводники; 3— пленки поликристаллического кремния; 4~ пленка защитного диэлектрика Окисляя поликристаллический кремний и проводя селективное травление, можно удалить окисел с базы транзисторов, сохранив его на поликристаллическом кремнии. Тогда можно осаждать металл, ко- торый контактирует с базой и изолирован от эмиттера. Металли- ческий контакт к эмиттеру расположен в другом сечении (рис. 2.38, б). На основе показанной на рис. 2.34, а структуры транзистора путем нанесения ППК, локального ионного легирования ее мышьяком и бором и последующей диффузией этих примесей из ППК в моно- кристаллический кремний для создания эмиттерной области и р+-об- ласти базового контакта получают транзистор, изображенный на рис. 2.38, в. Размер такого транзистора может быть очень мал, но существует некоторое дополнительное сопротивление базы за счет последовательного сопротивления легированного бором поликрис- таллического кремния, поэтому конструкция непригодна для созда- ния микросхем с очень высоким быстродействием. Резисторы форми- руются одновременно с транзисторной структурой на основе легиро- ванного бором поликристаллического кремния; это дает возможность уменьшить паразитные емкости и расстояния между резисторами. Конструкция транзистора с самосовмещением и с применением поликристаллического кремния, аналогичная предыдущим, показана на рис. 2.38, г. Различие состоит в том, что электроды Из поликрис- таллического кремния и межэлементные соединения сплавлены с пла- тиной для уменьшения удельного сопротивления до 3 Ом/П. В наиболее перспективном варианте конструкции используют два слоя поликристаллического кремния, что позволяет получать малые эмит- теры, близко расположенные базовые контакты и перекрывающиеся электроды (рис. 2.38, г). Эмиттеры шириной 1 мкм создаются методом 66
точной литографии и маскирования с помощью нитрида кремния. Этим методом уже изготовлены транзисторы с размерами эмит- тера 1X3 мкм2, площадью базовой области 42 мкм2: емкостью пере- хода база — эмиттер 0,013 пФ, емкостью перехода база — кол- лектор 0,022 пФ, емкостью перехода коллектор — подложка 0,110 пФ и последовательным сопротивлением базы 370 Ом. Закрытый поликристаллическим кремнием эмиттер транзистора дает определенные преимущества. Во-первых, это предотвращает взаимодействие с монокристаллическим кремнием при создании кон- тактов из силицида платины. Во-вторых, если между поликремнием и монокристаллической областью эмиттера находится очень тонкий слой S1O2, то формируется гетеропереход и возрастает коэффициент усиления транзистора по току (см. §2.4). Ощутимое улучшение характеристик И2Л-схем дает использова- ние поликремния в качестве контактов с п+-областями многоколлек- торного транзистора (рис. 2.39). Стандартная И2Л ячейка схемы И получается на основе многоколлекторного н-р-н-транзистора, рабо- тающего в режиме инверсного включения, нагрузочным прибором служит насыщенный горизонтальный р-н-р-транзистор, работающий в режиме насыщения (см. § 1.3, рис. 1.19, § 2.2). При использовании легированного поликремния в качестве источника примеси при диф- фузии для создания н+-коллекторных областей, контакты к ним полу- чаются самосовмещенными, в результате чего площадь транзистора резко сокращается, что увеличивает его предельную частоту и быст- родействие. Внешние базовые области между коллекторами н + -типа электрически объединены металлической перемычкой, в результате чего резко снижаются последовательные сопротивления коллекторов и сводится практически к нулю различие времен переключения меж- ду первым и последним коллекторами. При коэффициенте разветвле- ния по выходу, равном трем (см. рис. 2.39), и минимальном проект- ном геометрическом размере в 2,5 мкм И2Л-схемы имеют время за- держки на один логический элемент 0,8 нс при токе порядка 100 мкА, что соответствует произведению мощности на время задержки 0,1 пДж. Рис. 2.39. Структура кВЛ-ячейки, изготовленной с применением легированных пле- нок поликремиия с самосовмещением контактов к коллекторным областям и с диэлек- трическими «стенками»: ^—термический окисел; 2—металлические проводники: 3—пленка поликристаллического кремния 3* 67
Рис. 2.40, Поперечное сечение горизон- тального поликремниевого диода: /—подложка; 2—пленка SiOa; 3 — легирован- ный поликремний р-типа; 4 — легированный по- ликремний п-типа электропроводности; 5—за- щитный диэлектрик Горизонтальные диоды из поликристаллического кремния. Такие : диоды можно создавать над окислом (рис. 2.40). При узких полосках ' поликристаллического кремния легко получить активные площади J переходов диодов всего лишь в несколько квадратных микрометров. . Прямые напряжения этих диодов, как правило, слишком высоки для < фиксации биполярных транзисторов. Однако времена переключения j у них очень малы благодаря малым временам жизни неосновных ; носителей. Следовательно, диоды этого типа, очень удобны для пе- реключения в логических схемах. - Резисторы на основе поликристаллического кремния. Пленки поликристаллического кремния могут быть использованы для полу- чения высокоомных резисторов. Нелигированные пленки поликрис- таллического кремния могут давать удельное сопротивление 1 108 Ом/П, но номиналы сформированных на их основе резисторов обычно невоспроизвотимы. Удельное сопротивление ППК можно уменьшить легированием, однако оно в сильной степени зависит от •. уровня их легирования и размера зерна поликремния. Таким образом, резисторы из поликремния пригодны только для схем, где допустим высокий разброс сопротивлений. Температурный коэффициент этих резисторов довольно высок, ; и в обличие от ионно-легированных резисторов (см. § 2.5) может быть отрицательным. Резисторы на основе ППК позволяют получать j высокоомные нагрузки на очень малой площади (по сравнению с ре- 1 зисторами, получаемыми ионной имплантацией). Эти резисторы тех- нологически очень удобны для схем с поликремниевыми электрода- J ми транзисторов (см. рис. 2.38). ( Какие же конструктивно-технологические варианты биполярных транзисторов наиболее перспективны для создания сверхскоростных СБИС? Это зависит от используемого схемотехнического базиса. Анализ перспективных вариантов биполярных структур говорит о том, что требованиям СБИС (максимальная рассеиваемая мощность меньше 200 мкВт на логический элемент, плотность упаковки более 200 логических элементов на 1 мм2) удовлетворяют схемы: эмит- терно-связанной логики (ЭСЛ), ТТЛ с диодами Шотки (ТТЛШ), а также И2Л-схемы (см. § 1.3, рис. 1.17, 1.19). При их изготовлении необходимо использовать комбинированную изоляцию элементов и применять элементы на основе поликристаллического кремния с трехмикронными нормами на проектирование. У И2Л-схем наивыс- шая плотность упаковки, но сравнительно низкое быстродействие; 68
ЭСЛ и ТТЛШ могут быть реализованы в виде СБИС при условии ограничения мощности рассеяния до 200 мкВт на один логический элемент, поскольку большинство корпусов микросхем для кристаллов средних размеров не допускает мощности рассеяния более 1 Вт, а для больших кристаллов СБИС 4...5 Вт. Все три этих типа схем будут иметь задержку на распространение около 1 нс. Можно ожидать в будущем, что с переходом к субмикронным нормам на проектирова- ние быстродействие микросхем и плотность упаковки повысятся. 2.10. КОНТАКТЫ К КРЕМНИЮ, ПРОВОДНИКИ РАЗВОДКИ, КОНТАКТНЫЕ ПЛОЩАДКИ ВНЕШНИХ ВЫВОДОВ МИКРОСХЕМЫ В полупроводниковых микросхемах на биполярных транзисторах электрические межэлементные связи осуществляются, как правило, с помощью пленочных проводников. Материал пленочных проводников должен обеспечивать низкоомный контакт к кремниевым электродам активных и пассивных элементов схемы, обладать хорошим сцепле- нием с диэлектриком и допускать разделение пленки на очень узкие полоски с большой точностью, а также быть металлургически сов- местимым с металлами, которые применяются для присоединения внешних выводов к контактным площадкам. Пленочные проводники соприкасаются с участками кремниевых структур через окна в слое термически выращенной окисной пленки, образуя электрический кон- такт (рис. 2.41). Для осуществления электрической связи между элементами микросхемы необходимо сформировать невыпрямля- ющие омические контакты. Омические контакты. Они должны обладать высокой электро- проводностью, теплопроводностью, механической прочностью. Мате- риал контакта должен иметь хорошую адгезию к кремнию и окислу, химическую инертность, устойчивость к воздействию окружающей среды. Наиболее распространенным материалом для контактов, ком- мутационных шин и контактных площадок является алюминий. Он обладает большой электропроводностью ((>,,=2,7• 10 6 Ом-см), имеет хорошую адгезию к кремнию и SiCh, пластичен, технологи- чен (т. е. легко наносится на поверхность микросхемы в виде тонкой пленки, плотно заполняет окна в окисле, поддается фотолитографи- Рис. 2.41. Конструкция одноуровневой пленочной разводки биполярных микро- схем 69
Рис. 2.42. Диаграмма состояния спла- вов алюминий — кремний (а) и фраг- менты ее алюминиевого (б) и кремние- вого «углов» (в): АВ — линия, показывающая увеличение раствори- мости кремния в алюминии в твердом состоянии при увеличении температуры; CD — линия, пока- зывающая увеличение растворимости алюминия в кремнии в твердом состоянии с ростом темпера- туры I ческой обработке и дает качественные контакты с внешними прово- лочными выводами методом термокомпрессии), образует низкоомный контакт к кремнию р- и п-типов, дешев. Для получения низкоомного стабильного контакта и улучшения адгезии к Si и SiCh проводится вжигание алюминиевых контактов в среде инертного газа при температуре 500...550 °C, т. е. обязательно ниже температуры эвтектики 577 °C (рис. 2.42). При этом происходит взаимная диффузия и растворение (см. рис. 2.42, кривые АВ и CD) алюминия в кремнии и кремния в алюминии, что ведет к повышению механической прочности контакта, но одновременно может изменить его электрофизические характеристики. При вжигании в кремний p-типа алюминий, будучи акцептором, дополнительно легирует по- верхностный слой кремния, что увеличивает проводимость контакта. При вжигании в низколегированный кремний п-типа концентра- ция акцепторных атомов алюминия, определяемая линией CD (рис. 2.42, в), может превысить концентрацию донорных атомов легиру- ющей примеси, что приведет к формированию р-п перехода. Контакт перестанет быть омическим, невыпрямляющим. Чтобы этого не слу- чилось, область контакта в кремнии /г-типа дополнительно легируют донорами, превращая ее в слой п+-типа с концентрацией доноров не менее 5 • 1018 см~ 3. Растворение кремния в алюминии при нагреве (рис. 2.42, б) также приводит к некоторым нежелательным явлениям: с одной сто- роны, это ведет к перемещению границы раздела кремний — алюми- ний вглубь кремния, что при малых глубинах залегания р-п переходов может привести к их разрушению; с другой стороны, переход кремния в пленку алюминия при нагреве ведет к образованию более насыщен- 70
ного кремнием твердого раствора кремния в алюминии, который при снижении температуры становится пересыщенным (рис. 2.42, б, кри- вая АВ) и из него выделяется богатая кремнием [3-фаза, т. е. факти- чески легированный алюминием кремний. Он выделяется в виде мелких кристаллов на границе алюминиевой пленки с монокристалли- ческим кремнием и по границам зерен алюминиевой пленки, снижая механическую прочность контакта. Для уменьшения растворения кремния в алюминии в месте их контакта в настоящее время исполь- зуют для создания металлизации не чистый, а сплав алюминия с кремнием, содержащий около 1% Si. Коммутационные проводники. Их наносят непосредственно на термический окисел кремния. Минимальная ширина дорожек опреде- ляется возможностями литографии (2...4 мкм в настоящее время, менее 1 мкм в перспективе). В связи с особенностями автоматизиро- ванного проектирования и изготовления фотошаблонов изгиб про- водников возможен на 90 или 45° (рис. 2.43, 2.44). При вжигании алюминий взаимодействует и с окислом кремния, восстанавливая его по реакции 4AI -|-3SiO2= 2А1гОз+ 3Si. С одной стороны, это явление положительное, так как помогает создавать надежный контакт с кремнием даже в том случае, когда в контактном окне имеется тонкая пленка или островки окисла. С другой стороны, в местах расположения коммутационных алюминиевых дорожек на окисле реакция восстановления идет с большей скоростью на дефек- 1 Рис. 2.43. Фрагмент микросхемы с диф- фузионным резистором, расположенным поверх него пленочным алюминиевым проводником, двумя контактными и тер- мокомпрессиониым соединениями: I— резистор; 2— прохождение проводника над ре- зистором; 3— токорастекатели; первая кон- тактная площадка Рис. 2.44. Система соединений с алюминиевыми дорожками, диффузионной пере- мычки, контактной площадкой, 1ермокомпрессиоииым соединением и кресто- образной отметкой (ключом контактной площадки) 1 ~~ диффузионная перемычка; 2 — контактная площадка; 3 — ключ 71
тах окисла, что может привести к закорачиванию проводников на ! подложку. ' В интегральных микросхемах с одноуровневой разводкой про- j водящие дорожки могут располагаться над резисторами поверх за- | щитного диэлектрика (рис. 2.43), что облегчает конструирование раз- ! ВОДКИ. ; Когда в одноуровневой разводке не удается избежать пересече- ’ ний, применяют диффузионные перемычки (рис. 2.44). Речь идет о развязке в двух уровнях двух взаимно перпендикулярных проводни- ков, первый из которых идет поверх защитного окисла, второй «под- ныривает» под него в виде участка п+-слоя. Так как этот участок имеет заметное сопротивление (3...5 Ом), вносит дополнительную 1 паразитную емкость и занимает сравнительно большую площадь (он i должен быть обязательно помещен в отдельную изолированную об- ! ласть), диффузионной перемычкой пользуются в исключительных слу- । чаях. Диффузионные перемычки неприемлемы в цепях питания, так ; как по ним протекают достаточно большие токи. В микросхемах с коллекторной изолирующей диффузией нижняя полупроводниковая шина пересечения может быть сформирована на основе скрытого слоя и диффузионного и+-слоя, создающегося на этапе изолирующей диффузии (рис. 2.45). В таких схемах можно . создать конструкции не только пересечений проводников, но целую ; систему разводки, размещающуюся в приповерхностном слое крем- ниевой пластины под защитным окислом и содержащую шины пита- ния и шины межэлементных соединений. Причем дри формировании в процессе коллекторной изолирующей диффузии происходит их самоизоляция, что приводит к существенной экономии площади, г отводимой под разводку. Такая конструкция разводки очень хорошо подходит для создания матричных БИС, так как некоторые необхо- димые соединения элементов матрицы могут быть созданы в полу- проводниковой пластине, а алюминиевая металлическая разводка для формирования необходимых функций матричных БИС может быть выполнена по заказу потребителя БИС или даже самим потре- бителем. К недостаткам алюминиевой металлизации относятся: низкая прочность, пластичность, ведущие к механическим повреждениям пленки; низкая температура рекристаллизации, приводящая при нагревах к росту одних зерен алюминиевой пленки за счет других, к появлению на пленке бугорков и к повреждению лежащего поверх пленки защитного диэлектрического слоя; существенное различие Рис. 2.45. Конструкция пересечений и полупро- водниковых шин коммутации в схемах с кол- лекторной изолирующей диффузией элемен- тов: /— проводник, сформированный на основе скрытого слоя и слоя коллекторной изолирующей диффузии; 2— слой термически выращенного SiOa; 3— металлические провод- ники 72
рис. 2.46. Многоуров- невая коммутация: /—слой SiO2; 2 —первый слой металлизации; 3— второй слой металлиза- ции; 4 —защитный слой стекла; 5 — третий слой металлизации; 6 — диэле- ктрическая изоляция коэффициентов термического расширения алюминия, кремния и окис- ла кремния, приводящее к возникновению механических напряжений в микросхемах при их нагревах и охлаждениях; способность алюми- ния образовывать хрупкие интерметаллические соединения в месте присоединения к алюминиевой пленке золотых проволочных выводов; склонность к коррозии в электролитах. Существенным недостатком алюминия как материала коммута- ционных пленочных проводников является подверженность его ато- мов электромиграции, т. е. их направленному перемещению под дей- ствием носителей тока («электронного ветра») при высоких плотнос- тях тока (более 5-Ю5 А/см2) и повышенных температурах (100... ...150 °C). Это приводит к возникновению бугорков, холмиков, усов в пленке в области контакта с более высоким положительным потен- циалом и пустот в области контакта с отрицательным потенциалом, к резкому снижению надежности микросхемы. Недостатком алюми- ниевой металлизации является нерешенность до конца проблемы получения хорошего контакта между двумя пленками алюминия, что очень важно для структур с несколькими уровнями металлиза- ции (рис. 2.46), и растворимость алюминия в растворах для протрав- ливания окон в диэлектрических пленках, вызванная его амфотер- ностью. Последнее обуславливает определенные технологические трудности при вскрытии окон в защитном диэлектрике для доступа к контактным площадкам и протравливания окон в межслойном диэлектрике при создании структур с несколькими уровнями метал- лизации (рис. 2.46). Многоуровневая разводка используется в основном в БИС на биполярных транзисторах и позволяет резко сократить площадь, за- нимаемую схемой за счет уменьшения площади, отводимой под раз- водку и увеличения плотности размещения элементов. Точнее, много- уровневая разводка позволяет сохранить размеры кристаллов полу- проводниковых БИС в приемлемых для технологии пределах при зна- чительном увеличении степени интеграции. Многоуровневая разводка позволяет также уменьшить длину межэлементных связей в микро- схеме и задержку распространения сигналов, что очень важно для сверхбыстродействующих БИС. Несмотря на попытки использовать для межуровневой металлизации другие металлы, почти все серийные БИС выпускаются с алюминиевой металлизацией. Изоляция одного 73
уровня металлических проводников от другого осуществляется при помощи диэлектрика — обычно 5Юг или фосфоросиликатного стек- ла, содержащего до 4 % Р2О5. Перспективны полимерные пленки, формируемые путем нанесения полиимидного лака, выдерживающие температуру обработки до 400 °C. Основной вопрос, который встает при работе по созданию много- уровневой разводки,— об отсутствии сквозных отверстий в пленке изолирующего диэлектрика, разрывов и утончений в металлических пленках на ступеньках диэлектрических слоев. Первые ведут к за- коротке двух уровней металлизации, вторые— к обрывам проводни- ков или к их перегоранию под нагрузкой. Двукратное осаждение SiO2 с двукратной фотолитографией переходных отверстий в меж- уровневой изоляции позволяет существенно снизить число коротких замыканий между слоями металлизации. Для предотвращения разрывов и утончений в металлических пленках принимают необходимые конструктивные и технологические меры: отношение толщины слоя окисла к толщине металлической пленки должно быть более 1,3; осуществляется сглаживание ступе- нек в диэлектрике у сквозных отверстий и на пересечениях метал- лических дорожек разных уровней; увеличивается толщина метал- лических проводников более высоких уровней металлизации. Перспективные системы многоуровневой разводки. Пленки S1O2 в многоуровневой разводке осаждаются из газовой фазы путем раз- ложения кремнийорганических соединений (например, тетраэтокси- силана Si(OC2H5)4) или в результате реакции моносилана SiN4 с кислородом. Они являются более рыхлыми и уступают по своим свойствам термически выращенному окислу, особенно в отношении появления сквозных пор. Поэтому поиск перспективного межуровне- вого диэлектрика и способов его нанесения актуален. В качестве такого диэлектрика естественно предложить пленку AI2O3. Пленки AI2O3 отличаются от 5Юг высокой плотностью, лучшими изоли- рующими свойствами, мало чувствительны к воздействию атмосферы, паров воды, обладают более высокой радиационной стойкостью. На кремниевую пластину со вскрытыми в пленке окисла кремния окнами под омические контакты напыляют пленку алюминия. Поверх этой пленки формируют маску фоторезиста. Пластина с защитной маской присоединяется к аноду установки электролитического окис- ления, и незащищенные участки алюминия окисляются на всю глу- бину. Затем фоторезистивную маску удаляют и перед напылением второго слоя алюминия поверхность пластины очищают ионным травлением. После напыления второго слоя алюминия процесс пов- торяют для формирования второго уровня металлизации. Участки анодированного алюминия AI2O3 изолируют первый и второй уровни металлизации, а в нужных местах уровни контактируют. Далее по той же технологии можно получить третий и следующие слои металлизации. Максимальная температура получения металлизации не должна превышать 500 °C. 74
В отличие от системы AI — SiO2—Al в системе А1—AI2O3—А1 диэлектрическая изоляция получается при комнатной температуре. Изолирующий слой AI2O3 в отличие от ВЮг не имеет сквозных отвер- стий. Однако получение качественного слоя межуровневого диэлект- рика в системе А|—AI2O3—А1 путем электролитического окисления встречает значительные трудности из-за наличия островков и вклю- чений неокисленного алюминия, приводящих к наличию коротких замыканий. Эти трудности пока еще препятствуют широкому приме- нению этой системы многоуровневой коммутации. Межуровневая изоляция из полиимида перспективна для БИС с высокой плотностью упаковки элементов. После нанесения первого уровня металлизации и получения в ней рисунка с помощью фото- литографии на поверхность подложки наносят слой полиимидного лака и проводят термообработку для его полимеризации. Вскрытие окон в пленке полиимида выполняют ионным травлением. Для полу- чения последующих уровней металлизации процесс повторяется. Полиимидная изоляция отличается хорошими физическими, хими- ческими и электрическими свойствами, которые сохраняются на воз- духе в диапазоне температур от 260 до 420 °C. Выше 420 °C начинает- ся выделение летучих компонентов, и при температуре около 485 °C происходит деструкция пленок. В вакууме полиимид устойчив вплоть до 500 °C. Полиимидные пленки по сравнению с пленками окиси крем- ния имеют более высокую адгезию к алюминию и другим металлам, которая сохраняется после термоциклирования и испытаний на тер- моудар. Плотности сквозных микроотверстий в полиимидных пленках и пленках SiO2 сравнимы. Растрескивание пленок полиимида в отли- чие от пленок окиси кремния не наблюдается. Полиимидные пленки отличаются высокой радиационной стойкостью. Многоуровневая раз- водка с полиимидным диэлектриком позволяет уменьшить число отказов микросхем из-за разрывов металлизации на ступеньках диэлектрика. Многослойная разводка. Алюминиевая разводка одного уровня и многоуровневая оправдали себя при использовании в БИС, рабо- тающих на частотах до 1 ГГц, не слишком мощных и не рассчитанных на жесткие требования в отношении надежности. В микросхемах повышенной надежности используют коммутационные проводники и контактные площадки, состоящие из нескольких слоев различных материалов. В частности, качество алюминиевой металлизации можно су- щественно улучшить путем совместного ее использования с другими материалами, из которых наиболее часто используют переходные металлы, например молибден, палладий. Молибден и палладий в таких двухслойных системах металлизации играют роль контактно- го слоя. Контактным слоем в многослойных системах металлизации на- зывают первый по порядку нанесения на полупроводниковую струк- туру слой, обеспечивающий омический контакт к кремнию'любого 75
типа проводимости в широком диапазоне легирующих кремний при- месей п- или р-типа (1 О' ... 1021 см3). Контактный слой должен обес- печивать прочный контакт с кремнием и с материалами вышележа- щих слоев. Материал контактного слоя должен иметь малую растворимость и малую диффузионную подвижность в кремнии, низкое переходное сопротивление в контакте с кремнием, способность к восстановлению SiO2 (как и алюминий), он должен иметь хорошую адгезию к SiO2- В качестве материала контактного слоя используют молибден, хром, никель, титан, платину, палладий, иридий и др. В современ- ных БИС и СБИС с диодами Шотки материал контактного слоя дол- жен образовывать с кремнием барьер Шотки в диапазоне концентра- ций легирующих примесей (1О13...1О38 см3) с необходимой высотой потенциального барьера и близкой к идеальной вольт-амперной ха- рактеристикой. Такими материалами являются никель, вольфрам, молибден, силицид платины (PtSi). Приведем краткую характеристи- ку некоторых материалов контактных слоев. Молибден обеспечивает получение хорошего омического контак- та к кремнию обоих типов проводимости, имеет высокую электро- проводность, не взаимодействует с алюминием и золотом, хорошо травится в процессе фотолитографии и отвечает большинству при- веденных требований к контактному слою. К недостаткам молибдено- вых пленок относят их сравнительно высокую пористость, а также химическую активность, приводящую к коррозии. Хром отличается очень хорошей адгезией к пленке SiO2. Как и алюминий, он активно восстанавливает SiO2. Пленки хрома имеют сравнительно высокие механические напряжения, что приводит к образованию в них сквозных пор. Никель часто применяется благодаря его технологичности. Он легко наносится из растворов электролитов. Его можно наносить термовакуумным напылением, катодным распылением, разложением паров карбонила Ni(CO)4 при температуре 270...310 °C. Титан часто применяется в качестве контактного подслоя. Как и другие переходные металлы, титан обладает высокой адгезией к кремнию, окиси кремния и к фосфоросиликатному стеклу. Титан химически не реагирует с кремнием, не образует интерметаллических соединений. При температуре 400...500 °C он взаимодействует с плен- кой SiO2: Ti-f-S iO2-<-TiC)2-|-Si. Пленка двуокиси титана имеет невысокое сопротивление, и поэтому общее сопротивление контакта невелико. Из-за быстрого окисления на воздухе к пленке трудно подсоединить вывод. Функции адгезионного слоя заключаются в обеспечении высокой прочности сцепления многослойной разводки с пленкой SiO2 (рис. 2.47, рис. 2.48) и с контактным слоем. При использовании в качест- ве контактных слоев платины, палладия, иридия наличие адгезион- 76
ных слоев обязательно. Материалами адгезионных слоев могут быть титан, молибден, хром и другие переходные металлы. Естественно, когда эти материалы используются в качестве контактных слоев, они же одновременно выполняют функции адгезионного слоя. Проводящий слой, наносимый поверх контактного и адгезион- ного, должен выполнять основные функции разводки, иметь низкое удельное сопротивление, обеспечивать надежное контактирование с внешними выводами микросхемы. В качестве материалов прово- дящего слоя естественно назвать золото, алюминий, серебро, медь. Однако два последних металла не используют в производстве микро- схем из-за их большой миграционной подвижности и отрицательного влияния на характеристики элементов. Сочетания слоев из Мо, Сг, Ni, Ti с Au и Al нестабильны при повышенных температурах из-за образования плохо проводящих электрический ток интерметалли- ческих соединений на границе раздела пленок этих металлов, а также не обеспечивают защиты кремния от проникновения в него золота диффузионным путем. Поэтому в многослойных системах разводки предусматривают буферный слой (рис. 2.47), который предотвращает образование ин- терметаллических соединений между верхним и нижним слоями, например между хромом и золотом, титаном и золотом, препятствует диффузии металла одного слоя в другой, приводящей к ухудшению механической прочности и изменению сопротивления контакта. В ка- честве буферного слоя применяют молибден, никель, платину, пал- ладий. Последним из наносимых на интегральную микросхему, в том числе на металлизацию, слоев является диэлектрический защитный слой (см. рис. 2.47), который обеспечивает ее защиту от внешних воздействий в межоперационный период в процессе присоединения выводов и размещения в корпус. Поверхностный проводящий слой благородного металла (золота, например) сам выполняет защитные функции. Наилучшими эксплуатационными свойствами обладают трехслойные системы металлизации: титан — платина — золото, ти- тан— молибден — золото, силицид платины (PtSi)—платина — золото и четырехслойные: хром — титан — платина — золото. Пос- Рис. 2.48. Конструкция контактного уз- ла с многоуровневой многослойной разводкой: /— пленка термически выращенного окисла крем-, ния; 2— слой молибдена; 3 — слой золота; 4— слой ванадия; 5— золотой пленочный проводник второго уровня; 6—сплошная пленка осажден- ного окисла кремния или стекла Рис. 2.47. Конструкция контактного уз- ла с использованием многослойной раз- водки: /— термический окисел; 2— контактный слой; 3— адгезионный слой; 4— буферный слой; 5— про- водящий слой; 6— слой защитного диэлектрика 77
ледняя система металлизации обеспечивает хороший воспроизводи- мый омический контакт к кремнию и рассчитана на сравнительно большие плотности тока. Слой титана имеет хорошую адгезию к хрому и платине и служит для их прочного сцепления. Слой платины применяется для улучшения адгезии пленки золота к титану, а также в качестве барьера против эррозии золотого покрытия. Золото имеет высокую электропроводность и обеспечивает наилучшие возмож- ности для качественного подсоединения внешних выводов с помощью золотых проволочек. В связи с необходимостью экономии драгоценных металлов разрабатываются системы многоуровневой металлизации, не содер- жащие золота и платины, такие как Ni—Re, Ni—Nb, Ni—V, Re—Ti, Re—Hg, Ni—V—Re, Ni—Rb—Re, Ni—Re—Mo. В современных высоконадежных БИС и СБИС система металли- зации является многоуровневой и многослойной. Такая система ме- таллизации, представленная на рис. 2.48, состоит из слоев Мо—Au— —V—Au. Молибден служит контактным слоем к кремнию, адге- зионным слоем к SiO2 и барьерным слоем между золотом и кремнием. Лежащая поверх молибдена пленка золота является проводящим слоем нижнего уровня металлизации, пленка ванадия — адгезион- ным слоем к пленке золота и к межуровневому изолирующему диэлектрику SiO2 и, наконец, пленка золота — проводящим слоем верхнего уровня разводки и одновременно защитным слоем. При конструировании многослойной многоуровневой разводки особое внимание уделяют правильному выбору материалов контак- тирующих друг с другом слоев (для исключения образования гальва- нических элементов, интерметаллических соединений и пр.), а также выбору соотношения толщин слоев разводки, методов и режимов их нанесения с целью получения разводки с высоким уровнем элект- ропроводности, малыми внутренними напряжениями и согласован- ными коэффициентами термического расширения. Типичные значе- ния толщин таковы: контактный и адгезионный слой 0,03... ...0,25 мкм, проводящий буферный слой 0,15...0,20 мкм, проводящий слой 0,5...1,0 мкм. Контактные площадки. Контактная площадка интегральной по- лупроводниковой микросхемы — это металлизированный участок на кристалле, служащий для присоединения внешних выводов, а также для контроля ее электрических параметров. Контактные площадки располагают, как правило, по периферии полупроводникового крис- талла. Они представляют собой расширенные области коммутацион- ных пленочных проводников и формируются одновременно с развод- 1 2 ' А п К Рис. 2.49. Конструкции контактных площадок в микросхе- ме с изоляцией элементов р-п переходами: 1—контактная площадка; 2—термический окисел; 3—изолированная область под контактной площадкой 78
кой. С целью предотвращения замыканий контактных площадок на подложку в случае нарушения целостности окисла в процессе присое- динения внешних выводов (рис. 2.42, рис. 2.44, рис. 2.49) под каждой контактной площадкой формируется изолированная область (за исключением площадок, имеющих контакт с подложкой). Внешние выводы микросхем. Для соединения контактных площа- док кристалла с выводами корпуса или контактными площадками коммутационных плат используют гибкие проволочные или жесткие (шариковые или столбиковые) выводы, а также балочные и паучко- вые выводы. К конструкции выводов предъявляется ряд требований: малое и стабильное электрическое сопротивление самого вывода и контак- тов, высокая механическая прочность и виброустойчивость, высо- кая антикоррозионная стойкость и совместимость материалов, входящих в конструкцию вывода, по их физическим (термический коэффициент линейного расширения, малые коэффициенты диффузии материалов друг в друге и др.) и химическим (отсутствие интер- металлических соединений, хорошая адгезионная способность) свой- ствам, возможность применения групповых методов изготовления выводов и автоматизированной сборки микросхемы в корпус или на коммутационную плату. Гибкие выводы изготавливают из золотой или алюминиевой проволоки 0 25...50 мкм. Золотая проволока позволяет получать высококачественные электрические соединения методом термокомп- рессии или пайки (рис. 2.50). Для контактирования алюминиевых проволочек используют ультразвуковую пайку. Алюминиевые прово- лочки характеризуются пониженной механической прочностью. Жесткие выводы (шариковые, столбиковые, балочные) в боль- шинстве случаев имеют многослойную конструкцию (рис. 2.51). Ниж- ний слой обеспечивает качественный контакт с контактной площад- кой или полупроводниковой областью и хорошую адгезию к изоляционному материалу на поверхности кристалла, верх- ний слой — высокую проводи- мость вывода, качественный контакт к контактным площад- кам коммутационной платы и антикоррозийную защиту, а промежуточные слои выполня- ют роль барьера, устраняющего нежелательные взаимодействия между материалами слоев, ве- Рис. 2.50. Гибкие проволочные выводы микросхемы, присоединенные к кристал- лу и внешним выводам корпуса методом термокомпрессии 79
Рис. 2.51. Конструкции жестких выводов микросхем: | а — Шариковый вывод; б — столбиковый вывод; В — балочный вывод; 1 1— монокристаллический кремний; 2— пленка термически выращенного SiCb; 3—алюминиевый провод-1 ник; 4—защитный слой боросиликатного стекла или пленка осажденного нз газовой фазы SiOa; 5—кон- 1 .тактный и адгезионный слои хрома (а), молибдена (б), титана или тантала (в); 6—буферные слон Я медн (а), меди или серебра (б), молибдена (в); 7—слой золота; 8—слон припоя (а); 9—медный шарик (а); золотой или медный столбик (б); 10— слой никеля; 11— слой золота дущие к образованию интерметаллических соединений. Для улучше- ния качества пайки применяют покрытие припоями. Жесткие шариковые выводы формируют следующим образом, j После создания алюминиевых контактных площадок кремниевую | пластину покрывают слоем боросиликатного стекла толщиной 1,5 мкм (рис. 2.51, а), в котором с помощью фотолитографии над контактны- | ми площадками формируют окна, в которых поверх алюминия напы- .1 ляют многослойную систему хром — медь — золото — припой (оло-1 вянно-свинцовый). Пластины помещают в гнезда кассеты, и на под- | готовленные контактные площадки помещают медные шарики, 1 покрытые двойным слоем никеля и золота. Кассета с пластиной нагре- я вается в атмосфере водорода, и шарики напаиваются на контактные i площадки. Основную сложность представляет изготовление микро- 1 шариков и сборка кассеты. ’ Столбиковый вывод (рис. 2.51, б) изготавливают из золота ) или меди, которую покрывают слоем серебра и оловянно-свинцовым ' припоем. При сборке кристаллы с шариковыми и столбиковыми выводами устанавливают лицевой стороной (сторона с элементами, коммута- . ционными проводниками и выводами) к контактным площадкам ком- мутационной платы. Высота шариковых и столбиковых выводов 35... ...40 мкм. Недостаток такого метода установки кристаллов микросхем (метод перевернутого кристалла) — отсутствие возможности про- контролировать качество сборки и затрудненный отвод тепла от кристалла. Этих недостатков лишены конструкции с балочными и паучковыми выводами (рис. 2.51, в, рис. 2.52). Для изготовления балочных выводов в одном из вариантов используют трехслойную систему Ti—Pt—Au. Балочный вывод имеет толщину 10... 15 мкм, ширину около 100 мкм и длину за преде- лами кромки кристалла 150...200 мкм. Расстояние между балочными выводами на периферии кристалла 100...200 мкм. Балочные выводы 80
рис. 2.52. Конструкция кристалла мик- росхемы с паучковыми выводами, его мон- таж и сборка на коммутационной плате: I__кристалл; 2—гибкая лента-носитель; 3—вы- вод; 4— контактная площадка коммутационной платы позволяют осуществлять простой визуальный контроль качества установки кристаллов лицевой стороной к контактным площад- кам коммутационной платы. При этом существенно упрощается технологический процесс группо- вого монтажа кристаллов при сборке. Однако необходимо иметь в виду, что при применении балочных выводов усложняется технологи- ческий процесс разделения полупроводниковых пластин на отдель- ные кристаллы. В других вариантах конструкций балочных выводов используют- ся системы металлизации PtSi—Ti—Pt или Al—Ti—Mo—Au. Кон- такт, адгезионный и буферный слои наносят методом тонкопле- ночной технологии, а платиновые или золотые балки наращивают из растворов электролитов. Паучковые выводы получили такое название благодаря внешнему сходству кристалла микросхемы с прикрепленными к нему выводами с представителями отряда паукообразных (рис. 2.52). Они формиру- ются из тонкой (25...75 мкм) медной, коваровой или алюминиевой фольги с золотым или никелевым покрытием механическим способом (вырубка штампом) или химическим локальным травлением с ис- пользованием фотолитографии. Число и расположение выводов соот- ветствует числу и расположению контактных площадок микросхемы, с которыми они будут соединены. До и в процессе присоединения сис- темы паучковых выводов с контактными площадками выводы сос- тавляют единое целое с металлической рамкой или лентой, в которой они сформированы. После одновременного группового присоедине- ния всех выводов ко всем контактным площадкам можно вслед за герметизацией кристалла обрубить лишние части рамки. Проверка параметров микросхемы и качества соединений путем электрических измерений в этой конструкции возможны только после вырубки выводов. При использовании непрерывной металлической ленты возможна вытяжка тонкой фольги, механические повреждения и перегибы па- учковых выводов. Для увеличения их механической прочности, удоб- ства тестирования и сборки применяют конструкции с использова- нием гибкого носителя (рис. 2.53). Гибким диэлектрическим носи- телем служат ленты из полиимида, лавсана, полиэфира толщиной 40... 120 мкм с перфорацией для осуществления автоматической подачи кадров этой ленты при формировании рисунка паучковых 81
Рис. 2.53. Ленты-носители кристаллов с паучковыми выводами: > а — гибкая лента со сформированными из фольги выводами; б — лента-носитель с установленными кристаЛ лами БИС и присоединенными выводами; в — конструкция ленты-носителя; Я /—столбиковый вывод; 2— паучковый алюминиевый или медный вывод; 3— полиимидная пленка-носЯ тель; 4—кристалл; 5—контактная площадка для контроля параметров микросхемы; 6— перфорационная отверстие, 7— защитный компаунд Я выводов в нанесенной на гибкую ленту-носитель медной или алюмЛ ниевой фольге. Чаше других используются конструкции паучковьш выводов, сформированные на основе полиимидной пленки толщиной 40...50 мкм с накатанной на пленку медной фольгой толщиной 35 мкм. Для закрепления фольги на пленке перед накаткой на ленту наносят специальные клеи или адгезивы. Формирование паучковых выводов осуществляется после фотолитографии травлением медной фольги. Помимо перфорированных отверстий в полиимидной пленке локальй но протравливают сквозные отверстия, над которыми нависают внеии ние концы паучковых выводов и через которые осуществляется прД соединение паучковых выводов микросхемы к коммутационной платв| при сборке аппаратуры. Для контроля параметров микросхемы на концах выводов предусматриваются контактные площадки. Присоединение паучковых выводов к кристаллу ИС приходится, проводить с использованием промежуточных жестких шариковых ил! столбиковых выводов (рис. 2.51, б) из-за невозможности присоедЯ нения плоского вывода к контактной площадке через окно в слое зЯ щитного диэлектрика. Перспективна конструкция паучковых вывЛ 82 1
дов, на внутренних, обращен- ных к кристаллу, концах кото- рых имеются обтравленные вы- ступы толщиной около 30 мкм, благодаря которым отпадает необходимость в формировании жестких выводов (рис. 2.54). Кроме того, на внешних концах паучковых выводов можно сформировать утолщение, дово- дящее толщину паучкового вы- вода до 60...70 мкм, повышаю- щее его жесткость. Обычно внешние выводы Рис. 2.54. Паучковые выводы с кон- тактными выступами микросхемы присоединяются к контактным площадкам, рас- положенным на рабочей поверхности кристалла там, где сфор- мированы все ее элементы. Это неудобно, так как, во- первых, контактные площадки занимают большую площадь кристал- ла (что видно из рис. 2.43 и рис. 2.44), во-вторых, операция присое- динения внешних выводов часто отрицательно сказывается на пара- метрах и надежности микросхем, в-третьих, монтаж и сборка бескор- пусных микросхем на коммутационных платах при таком односторон- нем расположении контактных площадок часто затруднены. Было бы желательно для формирования контактных площадок использовать нерабочую сторону кристалла и найти способ создания электрического соединения с ними элементов микросхемы через его толщу. Предложено несколько вариантов создания проводящих кана- лов через кристалл. Метод термомиграции. Каналы создаются проплавлением алюми- ния через кремниевую пластину под действием градиента температу- ры. Если локально нанести островки алюминия на рабочую сторону кремниевой пластины, нагреть пластину до температуры выше 577 °C, создать в ней градиент температуры, так чтобы на нерабочей стороне была более высокая температура, чем на рабочей, то на по- верхности в месте контакта алюминия с кремнием образуется зона жидкого эвтектического сплава (рис. 2.42), которая будет переме- щаться в направлении более горячей стороны пластины. Процесс термоградиентной зонной миграции (ТГЗМ) происходит за счет растворения атомов кремния на горячей стороне расплавленной зоны, диффузионного переноса их через эту зону и осаждения на хо- лодной стороне зоны. В результате ТГЗМ в кремнии n-типа образуют- ся каналы p-типа с выходами на нерабочую сторону подложки. Скорость ТГЗМ при 1100 °C и градиенте температуры 50 °С/см сос- тавляет 3 мкм/мин, т. е. формирование сквозного проводящего ка- нала завершится в течение нескольких десятков минут. При ТГЗМ происходит увеличение поперечного размера проводя- щего канала, но незначительное, составляющее 3...5 мкм при тол- 83
SJ S) Рис. 2.55. Сквозные проводящие ка- налы в кристаллах полупроводнико- вых БИС, сформированные методом термомиграции алюминия в кремни- евой подложке п-типа (а), методом прожигания отверстий лазерным лу- чом с последующим заполнением ме- таллом в сапфировой (б) н кремние- вой (в) подложках щине пластин 200...400 мкм. Концентрация примеси в канале приб- лизительно соответствует растворимости алюминия в кремнии при эвтектической температуре, что соответствует удельному сопротивле- нию р=0,005 Ом-см. Создание проводящих каналов целесообразно проводить до начала формирования элементов в полупроводнико- вой микросхеме. Градиент температуры в пластине обычно создают путем ее одностороннего нагрева. Термомиграцию проводят при 1100... 1300 °C с градиентом температуры по толщине пластины 50... 150 °С/см. Для получения каналов п-типа в кремнии p-типа в качестве легирующего и создающего движущуюся жидкую зону ма- териала можно использовать сплав олово — сурьма. Методы лазерного прожигания отверстий. Лучом лазера можно прожигать сквозные отверстия в кремниевых и сапфировых подлож- ках 0 200 мкм, они легко могут быть заполнены жидким проводящим материалом за счет капиллярного эффекта. В кремниевых подлож- ках перед заполнением отверстий проводящим материалом их стенки легируют подходящей примесью, с тем чтобы изолировать проводя- щие каналы от подложки с помощью р-п перехода (рис. 2.55). Создание сквозных проводящих каналов, соединяющих рабочую и обратную стороны кристалла, позволяет осуществить их сборку в этажерочную конструкцию. Благодаря этому можно перейти к старой идее создания микроэлектронной аппаратуры в виде этажерочных микромодулей (см. гл. 1), но на новом уровне, когда каждый этаж будет содержать не один или несколько электрорадиоэлементов, а уже целое устройство в виде БИС или СБИС. 2.11. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МИКРОСХЕМ Фигуры совмещения необходимы для точного выполнения опера- ции совмещения рисунка фотошаблона при фотолитографии с рисун- ком ранее созданных слоев. Их число на единицу меньше количества операций фотолитографии, использованных при изготовлении микро- схемы. Фигуры совмещения могут иметь форму треугольника, квад- рата, креста (рис. 2.56) и т. д. Ключ — это какая-либо конструктивная особенность первой контактной площадки или других элементов микросхемы, располо- женных вблизи первой контактной площадки, позволяющая без тру- 84
рнс. 2.56. Фрагмент топологии микро- схемы с фигурами совмещения да распознать ее и отличить от других. Это необходимо для правиль- ной ориентации кристалла при размещении его в корпусе микросхемы и в процессе присоединения выводов. На рис. 2.43 ключом является специфичная геометрия первой контактной площадки с двумя токо- растекателями, а на рис. 2.44 ключом является крестообразная отметка (часть фигуры совмещения). Тестовые элементы — резисторы, диоды, транзисторы — могут быть включены в состав микросхемы для контроля результатов тех- нологических операций по электрофизическим характеристикам отде- льных слоев транзисторных структур или для контроля результатов всего технологического маршрута по данным о полученных парамет- рах тестовых элементов. Например, о результатах операции базо- вой диффузии можно судить по сопротивлению тестового резистора, а результаты технологического процесса в целом дают измерения параметров тестового транзистора (рис. 1.17, б, рис. 2.4). В пос- леднем случае с помощью зондов путем задания набора тестовых сигналов можно получить информацию о таких рабочих характе- ристиках транзистора, как напряжение пробоя р-п переходов, коэф- фициенте усиления, токах утечки и т. д. Как правило, дополнительно в центре каждой кремниевой плас- тины и еще в четырех точках располагаются специально разрабо- танные тестовые структуры (рис. 2.57). Они являются, по сущест- ву, спутниками, свидетелями и позволяют проводить межопера- ционный тестовый контроль и контроль микросхем на пластине, не разделенной еще на кристаллы. Измерения параметров элементов и электрофизических, оптических и других характеристик отдельных полупроводниковых или пленочных структур дают информацию о поверхностном сопротивлении, контактном сопротивлении между слоем металла и полупроводника, толщине окисной пленки и т. д. Тестовые структуры позволяют использовать многопозиционное кон- трольно-измерительное оборудование с многозондовыми головками и получить данные о свойствах и параметрах рабочих элементов и структур на пластине. Статистические методы обработки результатов позволяют по Данным тестового контроля составлять объективную оценку техно- логических операций и маршрутов, прогнозировать процент выхода годных микросхем и т. д. 85
Необходимость создания специальных тестовых структур опреде- ляется очень малыми размерами активных областей элементов микросхемы, параметры которых можно контролировать только после изготовления контактов и контактных площадок. В тестовых струк- турах размеры отдельных областей элементов микросхемы, окон в окисле, контактных площадок выбираются такими, чтобы без труда| можно было провести измерения с помощью системы зондов. 86
Глава 3. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ НА МДП-ТРАНЗИСТОРАХ Интегральные микросхемы на транзисторах со структурой металл — диэлектрик—полупроводник получили широкое распространение, и их производство составляет значительную долю продукции электронной промышленности. Они занимают доминирующее поло- жение при выпуске таких изделий микроэлектроники, как полупро- водниковые оперативные и постоянные запоминающие устройства, БИС электронных микрокалькуляторов, БИС микропроцессорных наборов. 3.1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ Транзисторы со структурой МДП представляют собой одну из разновидностей полевых транзисторов — активных полупроводнико- вых приборов, в которых используются эффекты дрейфа основных носителей под действием продольного электрического поля и моду- ляции дрейфового тока поперечным электрическим полем. Действие полевых транзисторов основано на перемещении только основных носителей заряда в полупроводниковом материале, в связи с чем эти транзисторы называют униполярными в отличие от биполярных, использующих оба типа носителей. МДП-транзисторы имеют существенные преимущества перед би- полярными по конструкции (размеры и занимаемая ими площадь от- носительно невелики, в принципе, отсутствует необходимость их изо- ляции) и электрофизическим параметрам (низкий уровень шумов, устойчивость к перегрузкам по току, высокие входное сопротивление и помехоустойчивость, малая мощность рассеивания, низкая стои- мость) . В то же время БИС на МДП-транзисторах уступают БИС на бипо- лярных транзисторах в технологической воспроизводимости, ста- бильности параметров и быстродействии. МДП-транзистор имеет четыре электрода: исток, сток, затвор и подложку (см. рис. 1.14). Полупроводниковая область, от которой начинается дрейф основных носителей, называется истоком, область, в которой осуществляется дрейф основных носителей и амплитудная модуляция дрейфового тока,—каналом, область, к которой под дей- ствием поля движутся (дрейфуют) основные носители,— стоком, металлическая или полупроводниковая область, используемая для создания модуляции дрейфового тока,— затвором. Подложка явля- ется конструктивной основой МДП-транзистора. 87
Рис. 3.1. Конструкция МДП транзистора Области истока и стока одного типа электропроводности формируют на не- котором расстоянии /к друг от друга ло- кальной диффузией или ионным леги- рованием (рис. 3.1). Они самоизолиро- ваны друг от друга р-п переходами. Между ними поверх слоя диэлект- рика расположен затвор, выполненный из проводящего материала. Принцип действия МДП-транзисто- ра основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного слоя полупроводникового материала, расположенного между истоком и сто- ком. Этот эффект вызывают наложе- нием поперечного электрического поля в пространстве между проводящим за-1 твором и полупроводниковым материалом (подложкой) за счет] напряжения, подаваемого на затвор. Тип электропроводности! канала обязательно совпадает с типом электропроводности! областей истока и стока. Так как тип электропроводное-] ти истока, стока и канала противоположен типу электропроводности] подложки, то сток, исток и канал образуют с подложкой р-п переход.] В зависимости от типа основных носителей тока в канале раз-1 личают п-канальные и р-канальные МДП-транзисторы. По конст-1 руктивно-технологическому исполнению МДП-транзисторы подраз-1 деляют на две разновидности: со встроенным и с индуцированным каналами (рис. 3.2). Встроенный канал предусмотрен конструктивно! и создается на этапе производства транзистора легированием при-] поверхностной области между истоком и стоком. | Создавая электрическое поле в структуре металл — диэлектрик -| полупроводник, можно управлять электропроводностью канала м соответственно током, протекающим между истоком и стоком. Так! при отрицательном относительно n-канала напряжении на затворе! в канале у границы полупроводника с диэлектриком концентрация электронов снижается и проводимость канала уменьшается (режии обеднения) (рис. 3.2, а). В р-канальном МДП-транзисторе в завис» мости от величины и полярности напряжения на затворе наблюдав» ся обеднение (и3>0) или обогащение (и3<0) канала дыркамЯ (рис. 3.2, б). --Я В МДП-транзисторе с индуцированным каналом (рис. 3.2, вЯ при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует. *Я Рассмотрим качественно принцип действия транзистора с индуциВ рованным каналом п-типа (рис. 3.2, в). Пусть транзистор включеЯ так, что на подложку подается самый отрицательный потенциал, а нЯ затвор 0. В результате р-п переходы исток—подложка и сток-Я подложка будут смещены в обратном направлении. Ток через обра» 88
И 3 с В) Рис. 3.2. Структуры н условные обозначения МДП-транзисторов: со встроенными п-(а) и p-каналом (б), с индуцированными л-(в) и p-каналом (г); И - исток; 3 — затвор; С — сток; П — подложка но-смещенный р-п переход мал, что соответствует высокому сопротив- лению между областями исток — сток. И если к областям исток — сток подключить питание, ток носителей от истока к стоку будет нич- тожно мал, т. е. транзистор будет закрыт. Обратим внимание на то, что структура затвор—диэлектрик—полупроводник подобна кон- денсаторной структуре, и приложим к затвору положительный потен- циал. Под его действием в окисле и тонком приповерхностном слое проводника будет создано электрическое поле с напряженностью, пропорциональной напряжению на затворе и обратно пропорцио- нальной толщине диэлектрика. Под действием этого поля электроны, имеющиеся в подложке, будут притягиваться к поверхности полупро- водника, а дырки отталкиваться. Тем самым будет изменяться кон- центрация носителей в тонком приповерхностном слое (4...5 нм) полу- проводника между областями исток — сток. Вначале образуется слой, обедненный акцепторами, а затем, по мере роста положительно- го смещения на затворе, инверсионный слой электронов. При некото- ром напряжении на затворе, именуемом пороговым (С/о), между исто- ком и стоком образуется проводящая область — канал — с очень низким сопротивлением. Транзистор будет открыт. После этого ток стока принимает определенное значение при определенном напряже- нии на затворе. Поскольку входной управляющий ток (в цепи зат- вора) ничтожно мал по сравнению с управляемым (в цепи исток — сток), получается значительное усиление мощности, гораздо боль- шее, чем у биполярных транзисторов. МДП-транзистор является эффективным усилительным прибором. Электрическое сопротивление канала зависит от его длины 1К и ширины Ьк, оно модулируется напряжением на затворе и3 и зави- 89
сит от напряженности наведенного поля в полупроводнике, обратно 1 пропорционально толщине диэлектрика 1гл и прямо пропорционально | диэлектрической проницаемости диэлектрика ед. з Таким образом, для формирования индуцированного канала в I n-канальном транзисторе на затвор необходимо подать положитель- J ное напряжение определенной величины, а в р-канальном — отрица- а тельное. Транзисторы с индуцированным каналом работают только в Я режиме обогащения. 9 Исток и сток в принципе обратимы, и их можно менять местами Я при включении транзистора в схему. В этом случае при симметричной Я структуре транзистора (сток и исток могут различаться формой, Я размерами, площадью) его параметры сохраняются. Я Здесь целесообразно остановиться на нежелательном явлении возникновения Я индуцированных каналов в полупроводниковых структурах под действием положи- Я тельного электрического заряда в окисле. Этот заряд возникает при формировании Я окисла на поверхности полупроводникового материала любого типа проводимости Я и обусловлен внедрением в него из окружающей атмосферы, материалов техно- логической оснастки и оборудования положительных ионов щелочных и щелочно- Я земельных металлов. Он получил название встроенный заряд. Расположение такого Я заряда над полупроводником p-типа электропроводности приводит к увеличению Я в его приповерхностном слое числа электронов и уменьшению концентрации дырок. Я При значительной величине встроенного заряда и малой концентрации акцепторной Я примеси в полупроводнике это приводит к самопроизвольному образованию вблизи Я границы окисел — полупроводник индуцированного канала. Именно это явление Я долгое время препятствовало созданию эффективной технологии производства .Я микросхем на n-канальных МДП-транзисторах. Получалось, что некоторые (или Я даже все) транзисторы оказывались во включенном состоянии в отсутствие потен- Я циала на затворе. При производстве микросхем на р-канальных транзисторах встроен- Я ный заряд в окисле вызывает некоторое обогащение поверхности полупроводника Я электронами и несколько повышает отрицательное напряжение на затворе, необ- Я ходимое для формирования канала p-типа электропроводности. Именно благодаря Я этому первые МДП-микросхемы были созданы на р-канальных транзисторах, хотя Я заранее было известно об их сравнительно небольшом быстродействии, так как Я дырки в кремнии менее подвижны, чем электроны. Я Образование индуцированных каналов в областях p-типа электропроводности Я часто препятствует формированию работоспособных структур и в технологии изго- Я товления микросхем на биполярных транзисторах (см. гл. 7). Я Для борьбы со встроенным зарядом с целью снижения концентрации в ок и еле Я положительных ионов принимаются различные конструктивные и технологические Я меры: покрытие окисла тонким слоем гетерирующего ионы щелочных и щелочнозе- Я мельных металлов фосфоросиликатного стекла (I...4 % Р2О5), проведение процес-Я са формирования окисла в хлорсодержащей среде и др. Очень важны с точки зренияЯ производства структур, исключающих самопроизвольное формирование индуциро-® ванных каналов, соблюдение требований гигиены производственных помещений, Я технологического оборудования и обслуживающего персонала. Я Помимо деления МДП-транзисторов по основному признаку —Ш способу формирования и типу электропроводности проводящего ка-Я нала — существует и более детальная классификация, учитывающая® конструктивно-технологическое исполнение МДП-транзисторов,® например, по материалу затвора (с алюминиевыми, молибденовыми,® поликремниевыми затворами); сочетанию с другими элементами в®, микросхеме, например комплементарные МДП-транзисторыЯ| (КМДП-транзисторы), т. е. взаимодополняющие, сформированные в® 90 I
одном кристалле р- и n-канальные транзисторы; по функциям, вы- полняемым в схеме, например активные и нагрузочные транзисторы. Нагрузочные МДП-транзисторы используют в составе микросхем в качестве резисторов. Необходимое значение сопротивления канала этих транзисторов создается конструктивно (выбором геометриче- ских размеров канала) и схемотехнически (подачей на его затвор потенциала определенной величины). Каждый из четырех типов МДП-транзисторов (рис. 3.2) может быть использован в качестве нагрузки, а его подложка присоеди- нена к источнику питания или нулевой шине. Затвор же может иметь пять вариантов подключения: к выходу схемы, шине питания, нулевой шине, автономному источнику питания положительной или отрица- тельной полярности, ко входу микросхемы. Иными словами, сущест- вует 48 вариантов использования МДП-транзистора в качестве нагрузки в инверторе. Базовой схемой многих МДП-микросхем является инвертор — ключевая схема, содержащая активный транзистор и нагрузку, вклю- ченные между шиной питания и землей. С учетом 48 вариантов ис- пользования МДП-транзистора в качестве нагрузки и четырех вари- антов схемного включения активного транзистора существует 192 варианта построения инверторов на основе двух МДП-транзисторов. В настоящее время используются лишь немногие из них: с линейной, нелинейной, квазилинейной, токостабилизирующей нагрузками и вариант инвертора на КМДП-транзисторах (рис. 3.3, а). Некоторые из этих вариантов в дальнейшем нами будут рас- смотрены с точки зрения конструктивного и технологического их исполнения. МДП-транзисторы могут служить в схеме и в качестве конден- саторов, для чего можно использовать емкости структур затвор — подложка или емкости обратносмещенных р-п переходов сток (исток)— подложка. Таким образом, МДП-транзистор может быть основным и единст- венным элементом МДП-микросхем. Он может выполнять функции как активных приборов (ключевой транзистор в инверторе, усили- Рис. 3.3. Электрическая схема инвертора с входной шиной, подключенной к охран- ным диодам (а), и конструкции шины с охранными диодами (б) 91
тельный транзистор), так и пассивных элементов (нагрузочный тран- зистор в инверторе, конденсатор в элементе памяти). При проекти- ровании МДП-микросхем можно обходиться только одним элемен- том — МДП-транзистором, конструктивные размеры которого и схе- ма включения будут зависеть от выполняемой функции. Это обстоя- тельство дает существенный выигрыш в степени интеграции (полу- проводниковые резисторы и конденсаторы занимают большую пло- щадь и требуют для себя отдельную изолированную область, кроме того, наличие пассивных полупроводниковых элементов влечет за собой появление дополнительных паразитных элементов, в частности паразитных емкостей, существенно ухудшающих частотные свойств! микросхем). 1 3.2. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 1 МДП-МИКРОСХЕМ j Вспомогательные элементы в МДП-микросхемах предусматри- ваются для защиты приборов от воздействия статического электри- чества в процессе их производства и эксплуатации, а также для борьл бы с паразитными каналами. : Охранные диоды предусматриваются во входных цепях МДП- микросхем и предназначены для предотвращения пробоя подзатвор-J ного диэлектрика под действием зарядов статического электричест- ва, накапливающегося на одежде и руках операторов, на инструменте^ монтажника и технологической оснастке. Заряд этот может быть’ любого знака. Диоды VD1 и VD2 (см. рис. 3.3), подключенные к входной шине инвертора, позволяют положительному заряду стекать, через Диод VD1, а отрицательному — через диод VD2. При проекти- ровании охранных диодов необходимо обеспечить высокое напряже-j ние прибоя р-п переходов диодов (более 2(/ип) и малые паразитный емкости. Первое требование выполняется использованием в качества одной из областей диода VD1 низколегированной подложки, а для диода VD2 — низколегированной p-области. Второе требование вы| полняют минимизацией площади р-п переходов. 1 Недостатками рассмотренной схемы защиты и конструкций охран-1 ных диодов являются уменьшение входного сопротивления МДП-1 микросхемы и появление входного тока утечки, а также то, что прин Пвх>Пип. через входную цепь могут протекать большие токи, чтси приводит к разрушению диодов. Часто используют и более простые! схемы защиты с одним охранным диодом (рис. 3.4). | Охранные кольца. При наличии положительного встроенного? заряда в толстом окисле и положительного потенциала на алюминие-1 вых шинах разводки создаются условия для формирования паразит-1 ного индуцированного n-канала в приповерхностных участках крем-1 ния p-типа электропроводности с низким уровнем легирования. Уве! личение толщины диэлектрика /1т д (рис. 3.1) над опасными участками 42 1
р- канальный п-канальный транзистор транзистор Рис. 3.5. Охранные кольца в структуре инвертора с п- и p-ка- нальным транзисторами: 1 — область формирования паразитного канала р-типа; 2— область формирования паразитного канала л-типа; 3—п + -об- ласти охранного кольца; 4—р + -областн охранного кольца Рис. 3.4. Конструкция n-канального транзистора с охранным диодом: /—подложка г-типа; 2, 7—алюминиевые шины; 3, 6—области истока и стока; 4—алюминиевый затвор; 5— подзатворнын окисел; 8— контакт истока с подложкой; 9— охранный диод; 10— катод защитного диода; 11—толстый окисел не всегда возможно и не всегда гарантирует отсутствие паразитного канала. Эффективным средством против возникновения сквозных пара- зитных каналов является формирование кольцевой каналоограничи- вающей р+-области, в которой инверсия проводимости вследствие высокого уровня легирования поверхности практически невозможна. Для полного исключения возможности формирования паразитного канала на р+-область охранного кольца можно подать самый низкий потенциал схемы (рис. 3.5). Паразитный p-канал может образоваться между р+-областью истока р-канального транзистора и p-областью, в которой располо- жен n-канальный транзистор, при отрицательном потенциале на алюминиевом проводнике. Вероятность появления этого канала тем выше, чем ниже уровень легирования п-подложки. Охранная коль- цевая область п+-типа, соединенная с точкой схемы, имеющей самый высокий потенциал (+ Uun), предотвращает появление сквозного паразитного канала на этом участке схемы. Применение охранных колец существенно увеличивает площадь элементов и снижает степень интеграции МДП-микросхем. 3.3 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ И ИХ СВЯЗЬ С КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ Основными для МДП-транзисторов являются стоковая характе- ристика /с=/((/с) при [73= const и стоко-затворная характеристика ^с—/(t/з) при t/c=const (рис. 3.6). Основные электрические парамет- 93
Рнс. 3.6. Схемы включения (а), стоковые (б) и стоко-затворные (в) статические харак-1 тернстики п- и р-канальиых МДП-транзисторов 1 ры МДП-транзисторов: пороговое напряжение Uo, крутизна S,J удельная крутизна So, дифференциальное сопротивление канала RK, | постоянная времени канала тк, входное сопротивление /?вх. | Конструктивно-технологические варианты исполнения МДП-1 транзисторов приводят к получению различных электрических пара-1 метров. Для улучшения электрических характеристик интегральных! микросхем на МДП-транзисторах, в первую очередь для повышения! их быстродействия, необходимо снижать пороговые напряжения! МДП-транзисторов и увеличивать удельную крутизну их характерис-1 тик. Каждый технологический способ изготовления МДП-транзисто-| ров оценивается прежде всего с точки зрения улучшения именно! этих параметров. i Способ изготовления МДП-транзисторов характеризуется прежде! всего следующими конструктивными параметрами МДП-структур| (см. рис. 3.1): длиной канала /к, его шириной Ьк и толщиной подзат-| ворного диэлектрика /тд. Физическая структура МДП-транзистора| характеризуется следующими электрофизическими параметрами:I типом электропроводности и концентрацией примеси в исходной] кремниевой пластине No, см“3, однозначно связанных со значениями!] удельного объемного сопротивления кремния р„, Ом-см; подвиж-1 ностью носителей (электронов или дырок) в канале МДП-транзисто-1 ра или цр, см2/(В-с); концентрацией поверхностных состояний] Nn0B, см~2; диэлектрической проницаемостью материала подзатвор-1 ного диэлектрика ед; электрофизическими характеристиками мате-е риала затвора. I Рассмотрим вначале качественно связь электрических параметр] ров МДП-транзисторов и конструктивно-технологических парамет-1 ров МДП-структур. | Прежде всего для снижения порогового напряжения следуете повысить напряженность электрического поля зазора металл — полу-Я 94 I
проводник, т. е. в подзатворном диэлектрике. Это можно сделать, уменьшив толщину подзатворного диэлектрика йд, а также подобрав диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью ед. С этой же целью, чтобы облегчить формирование инверсионного проводящего канала при меньших значениях Uo, используют слаболегированную подложку с высокими р„. Существенное влияние на пороговое напряжение оказывает плот- ность поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик — полупроводник и связанный с ней заряд. Причиной возникновения этого заряда является то особое положение, в котором находятся поверхностные атомы любого кристалла. На поверхности происходит обрыв рядов атомов кристаллической решетки, поверхностные атомы имеют так называемые оборванные (ненасыщенные) связи. Это означает, что на зонной энерге- тической диаграмме имеются дискретные разрешенные уровни, связанные с нали- чием поверхностных атомов. Эти уровни были открыты акад. Иг. Евг. Таммом в 1932 г. и носят название уровней Тамма. Плотность этих уровней и определяет плот- ность поверхностных состояний. Электроны могут занимать уровни Тамма, т. е. лока- лизоваться у поверхности, образуя некоторый поверхностный заряд. Естественно, что плотность поверхностных состояний зависит от населенности поверхности полу- проводника атомами, т. е. от кристаллографической ориентации поверхности крем- ния. В кремнии наиболее плотно заселены плоскости (111). Меньшую заселенность имеют пластины кремния с ориентацией (100). Вероятность перехода электронов на уровни Тамма зависит от взаимного расположения в запрещенной зоне полупровод- ника уровня Ферми и поверхностных уровней. В зависимости от типа электропроводности области канала заряд, вызванный наличием поверхностных состояний, может либо способствовать (н-канальные транзисторы), либо препятствовать (р-канальные транзисторы) образованию канала. Сопротивление канала /?к и связанная с ним удельная крутизна выходной характеристики транзистора зависят от подвижности но- сителей в канале ц и, конечно, от его размеров Ьк и /к. Но в случае МДП-транзисторов сопротивление канала зависит от величин йд и ед, которые при заданном напряжении на затворе влияют на концентра- цию носителей в канале. Выявим связь параметров Uo, S, So и RK с конструктивно-техно- логическими параметрами, анализируя стоковые и стоко-затворные характеристики МДП-транзистора в схеме включения с общим исто- ком (рис. 3.6, а), наиболее распространенной в микросхемах. Семейство стоковых характеристик МДП-транзисторов приведено на рис. 3.6, б для н-канальных (первый квадрант рис. 3.6, б) и р-канальных (третий квадрант) транзисторов. Условно каждую сто- ковую характеристику можно разделить на два участка: крутой и пологий. На пологом участке характеристики ток стока достигает максимального для данного напряжения затвора значения. Причиной такого поведения стоковых характеристик является характер распре- деления зарядов в областях МДП-транзистора при различных напря- *ениях затвора и стока относительно истока (рис. 3.7). Приложе- ние к затвору напряжения Дз>До при Дс=0 приводит к формирова- нию в подзатворной области полупроводника однородного по тол- 95
Т3 - Tg /7* Jq|Q+Q+q+q+q|qI п+ е е е е 10+©+0+0+0|е е е е t-0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+еч ~£ Ik Инверсионный a* Обедненная слой +j 1- । область . Г I rr~l r ©1-0-0-0-04-0-1 77I ___Д—<0 © 0 0 0' о _ 0 0 0 0/-----------\0 0 0 0 0+0+0+O+0+0+0+0+0+0+0+0+&* _______________P____________ l/3 Ut Рис. 3.7. Распределение концентрации зарядов в областях n-канального МДП-тран- зистора: jfl а) 1/3 = 1/с = 0; б) -и3>и0, Ус = 0; в) -U3>U0, (7С> 0; г) -U3>U0, Uc>U3-U0 щине и другим характеристикам инверсионного слоя. При положгИ тельном потенциале стока Uc>0 по каналу от стока к истоку течеИ ток. Канал и объемный заряд в подложке в этом случае имеют первИ менное сечение (рис. 3.7, в) : у области стока минимальная толщинИ канала и максимальная толщина слоя объемного заряда. Это обуД ловлено изменением разности потенциалов затвор — канал и кж нал — подложка по длине канала. Когда разность потенциалов И канале вблизи стоковой области будет равной [73 — Uc=Uo, проиЯ ходит перекрытие канала у стока областью объемного зарядИ (рис. 3.7, г). Накануне перекрытия (£73— Ur^Uo'i ток достигает маЯ симального уровня (режим насыщения). Границу насыщения на сто» ковой характеристике характеризуют напряжением насыщения Uc»ac=U3— Uo (рис. 3.6, б). Аналитически крутой участок (ДсНвс=Дз—Uo) стоковой характеристики выражают уравнением ‘ /с=±^[2(7с(б3-1/с)-бд, (3.1)1 к ж! а пологий участок (Uc>Uc„ac=U3—Uo) уравнением М <3-| В этих уравнениях через С3 о обозначена удельная емкость затвД par относительно канала, определяемая выражением Я С „=епе / h , (3-Я зО 0 д' д ’ остальные величины известны. Я По существу уравнение (3.2) представляет собой выраженД геометрического места точек, в которых наступает насыщение 96 К ковых характеристик (штриховая линия на рис. 3.6, б). Семейство стоко-затворных характеристик дано на рис. 3.6, в. Начало характе- ристик лежит в точке Uo. При стоковых напряжениях, больших (Уснас, эти характеристики практически сливаются. Усилительные свойства МДП-транзистора характеризуются кру- тизной его стоко-затворной характеристики в области насыщения: д!Г I I1C „6 S= Д/Ч пс=псна =^7^ ^сНие=50бСнвс, (3.4) 3 к где So — удельная крутизна. Из выражений (3.4), (3.5) видно, что для увеличения крутизны необходимо уменьшить толщину подзатворного диэлектрика /1д, уве- личить ширину канала Ьк и уменьшить его длину /к. Для крутого участка стоковой характеристики сопротивление канала можно определить из выражения (3.1) по формуле /? — —!— _______!_____________сх “ dIc/dUc S0(y3-Uc-U0) е08дДк ^U3-Uc-U0) ' При ^определении сопротивления канала на участке насыщения стоковой характеристики используют эмпирическую формулу: где So — удельная крутизна, определяемая экспериментально, пока- затель степени п зависит от технологии изготовления МДП-тран- зисторов, его значения лежат в интервале 1...2. Пороговое напряжение связано с электрофизическими парамет- рами МДП-структуры следующими соотношениями: для р-канального транзистора ,, _ / । । , О™ Qn „ \ Го——I I Фмп I 4—с-------------6 2<Рф ) , у C-зО C-зО у (3.8а) для га-канального транзистора Q Q ^о=~ Ч’мп_'7^'+’г^_+2Ч)ф;- (3.86) зО G зО В этих формулах срмп — контактная разность потенциалов ме- талла и полупроводника, определяемая разницей в их работах вы- хода (значение срмп при использовании алюминиевого затвора можно найти из зависимостей данных на рис. 3.8); Qss = qNncR— плотность заряда поверхностных состояний на границе полупровод- ник— диэлектрик, где // — заряд электрона, Апов — плотность по- 4 Звк. 918 97
верхностных состояний; Qn — это плотность объемного пространст- венного заряда в полупроводнике, определяемая выражением: (2п=-у12еоепчМп<рФ1- (3.9) Формулы (3.7)...(3.9) дают связь величины Uo с концентрацией легирующей примеси в подложке Nn и (рФ1 —потенциалом, зависящим от положения уровня Ферми в полупроводнике относительно середи- ны запрещенной зоны, который вычисляется по формуле (рф,= = фт1п(М!/щ), где фт — температурный потенциал («0,026 В), nt — концентрация собственных носителей в полупроводнике (для Si« 2• 101D см-3). Из формул (3.8а) и (3.86) видно, что пороговое напряжение п-канального транзистора ниже, так как для него в формуле (3.86) I два последних слагаемых меняют знаки на обратные. Существен- ным резервом понижения пороговых напряжений является умень- шение разности потенциалов срмп (подбором материала для затвора и уменьшением плотности поверхностных состояний Nn0B за счет ка- чества обработки поверхности и выбора ориентации кристалличес- кой решетки материала пластины). Существует большое число факторов, влияющих на быстродей- ствие (скорость переключения) МДП-транзисторов. Главные из них имеющиеся в транзисторе паразитные емкости и сопротивления (рис. 3.9). Ток стока во времени изменяется медленно при мгновенном из- менении входного напряжения, так как при изменении входного нап- ряжения на затворе паразитные емкости начинают заряжаться или разряжаться через паразитные сопротивления. Чем больше значе- ния этих паразитных элементов, тем медленнее проходит процесс за- ряда или разряда. Довольно велики емкости между диффузионными областями и затвором Сзс и Сзи и между диффузионными областями и подложкой СПс и Спи- Параметры паразитных элементов умень- шаются с уменьшением размеров транзистора, увеличением точ- ности формирования конфигурации затвора и совмещения его с об- ластями истока и стока, с созданием са несовмещенных областей затвора, стока и истока. Рис. 3.8. Зависимость контактной раз- ности потенциалов в МДП-сгруктурах с алюминиевыми затворами от типа электропроводности и степени легирова- ния кремния Рнс. 3.9. Паразитные элементы в МДП- транзисторе 98
3.4. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗНОВИДНОСТИ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ Конструкции МДП-транзисторов в микросхемах с алюминиевой металлизацией. Вариант конструкции активного транзистора с прямоугольным каналом и со средним значением крутизны стоко-зат- ворной характеристики представлен на рис. 3.1. Под алюминиевым затвором находится тонкий слой термически выращенного окисла кремния (0,05...0,10 мкм). За пределами области канала толщина окисла составляет 1 мкм. Этот сравнительно толстый слой окисла выполняет функции защитного диэлектрика, позволяет существенно снизить значения паразитных емкостей сигнальных шин и повысить пороговое напряжение паразитных МДП-транзисторов (рис. 3.10) в местах прохождения алюминиевых проводников над диффузионными шинами питания. В нагрузочных транзисторах значение крутизны стоко-затворной характеристики может быть небольшим, и соответственно отношение длины канала к его ширине выбирается таким, чтобы при задан- ной крутизне нагрузочный транзистор занимал минимальную пло- Рис. 3.10. Чертеж топологии (а) н электричес- кая схема (б) паразитного р-канального МДП-транзистора: /—алюминиевая шина, 2—толстый окисел, 3—диффу- зионные шины А-А Рис. 3.11, Конструкция (а) и электрическая схема (б) нагрузочного р-канального МДП- транзнстора Рис. 3.12. Конструкция МДП-тран зистора с П-образным каналом 4* 99
щадь (рис. 3.11). В том случае, когда для обеспечения высоких значе- ний крутизны характеристик активного транзистора отношение Ьк//к должно быть равно или больше 20, с целью экономии площади рекомендуется П-образная форма канала (рис. 3.12). Для повышения степени интеграции в микросхемах, требующих последовательного и параллельного соединения транзисторов, облас- ти истоков или стоков МДП-транзисторов могут быть объединены (рис. 3.13). На рис. 3.14 приведена конструкция инвертора, в которой диффузионная область стока активного VT1 и истока нагрузочного VT2 МДП-транзисторов объединены. Освоение производства р-канальных МДП-транзисторов с инду- цированным каналом и алюминиевым затвором позволило получить следующие параметры МДП-структур: минимальная длина канала 10...12 мкм (по затвору 20 мкм), глубина залегания р-п переходов 2,5 мкм, боковая диффузия под окисел 2 мкм, толщина подзатворного диэлектрика 0,12...0,15 мкм, напряжение питания 12 В, пороговое напряжение (—4±0,5) В, удельное поверхностное сопротивление диффузионных областей истока и стока и диффузионных шин 50... 100 Ом/П, пробивное напряжение р-п переходов областей истока и стока свыше 30 В, пороговое напряжение паразитных транзисторов Рис. 3.13. Фрагменты топологии (а, в) и электрические схемы (б, г) при параллельном (а, б) и последовательном (в, г) включении транзисторов Рис. 3.14. Конструкция (а) и электри- ческая схема (б) инвертора на МДП- транзисторах с нелинейной нагрузкой и алюминиевой металлизацией 100
свыше 40 В, подвижность дырок в канале около 200 см2/(В - с), плот- ность поверхностных состояний 10’1012 см-2. На таких структурах были созданы одни из первых логических интегральных МДП-микро- схем с минимальным временем задержки.на вентиль 80... 100 нс и основным показателем качества микросхем — произведением мощ- ности на задержку 60...80 пДж. Хорошо отработанная технология производства и меньшая стоимость способствуют тому, что микросхе- мы на р-МДП-транзисторах выпускают до сих пор, несмотря на худ- шие характеристики. Усовершенствование технологических операций, в первую очередь тех, которые направлены на снижение встроенного в окисле заряда и плотности поверхностных состояний, привело к созданию интеграль- ных «-канальных МДП-транзисторов. Преимуществами микросхем на таких транзисторах являются: повышенное в 2...3 раза быстродей- ствие, совместимость по знаку и уровню питающего напряжения с ТТЛ-микросхемами на биполярных транзисторах. Применение кремниевых подложек с рабочей поверхностью, ори- ентированной по кристаллографической плоскости (100), приводит к уменьшению плотности поверхностных состояний до 1011 см"2 и к еще большему снижению порогового напряжения. Возможности управления пороговым напряжением расширяются, если использовать многослойный подзатворный диэлектрик. В этом случае в игру вступают дополнительный заряд на границе диэлект- риков, объемный встроенный заряд дополнительного диэлектрика, заряд, обусловленный поляризацией диэлектриков. МНОП-транзисторы. Одним из вариантов МДП-транзистора с многослойным диэлектриком является структура металл — нитрид кремния — окисел кремния — полупроводник (сокращенно — МНОП). Пленка нитрида кремния обладает высокой пассивирующей способностью (поскольку скорость дрейфа положительных ионов в нитриде на несколько порядков меньше, чем в окисле) и более высо- кой диэлектрической проницаемостью. Уже одно это позволило бы снизить пороговое напряжение на 1...1,5 В и повысить удельную крутизну. Однако использовать один только нитрид кремния в качестве подзатворного диэлектрика оказалось невозможно из-за появления заряда на границе раздела кремний — нитрид кремния, зависящего от напряжения на затворе. Это приводит к непостоянству порого- вого напряжения приборов и к его гистерезису. Использование МНОП-структуры позволило получить приборы, в которых эквивалентная толщина диэлектрика уменьшается пример- но в полтора раза, пороговое напряжение снижается в среднем на 1 В. Эта же МНОП-структура при толщине пленки SiO2 0,005 мкм (5 нм) может быть использована в качестве элемента памяти в ППЗУ с электрическим стиранием и записью информации (см. § 3.6). МОАП-транзисторы. Использование А12О3 в качестве второго подзатворного диэлектрика обусловлено его способностью создавать 101
на границе с SiCb встроенный отрицательный заряд, что позволяет получать rt-канальные приборы с индуцированным каналом, рабо- тающие в режиме обогащения при пороговом напряжении, примерно равном +' В. Конструкции МДП-транзисторов с поликремниевыми затворами. В МДП-транзисторах с алюминиевым затвором имеются значитель- ные по площади области перекрытия затвора с областями истока и стока (см. рис. 3.1), что, с одной стороны, необходимо для надежного обеспечения формирования канала транзисторов, с другой — приво- дит к наличию .паразитных емкостей Сзи и Сзс, снижению быстро- действия МДП-микросхем. Уменьшение размеров областей перекры- тия затруднено ошибками совмещения фотошаблонов металлизации с областями истока и стока, т. е. разрешающей способностью фото- литографии по алюминиевой металлизации, которая не превышает ±1 мкм. Использование поликремния в качестве материала затвора (рис. 3.15) позволило получить ряд существенных конструктивно- технологических преимуществ и значительно повысить параметры МДП-приборов. Значительно уменьшена глубина залегания р-п переходов исто- ка и стока (до 2...1 мкм) и боковой диффузии (до 0,6...1,4 мкм), а вместе с тем значительно уменьшены перекрытие затвором облас- тей истока и стока и площади р-п переходов, и, таким образом, суще- ственно снижены значения соответствующих паразитных емкостей. Наименьшие величины перекрытий получены при использовании ион- ного легирования при формировании областей истока и стока, однако сопротивление поликремниевых шин при этом остается высоким. Для увеличения проводимости шин используют комбинацию диффузион- ного и ионного легирования. Совместимость материала затвора с материалами защитного слоя (например, поликремния и пиролитически нанесенного окисла крем- ния) позволила значительно сблизить контакты стока и истока, Рис. 3.15. Структура МДП-транзистора с поликремниевыми затворами: /— подложка р-типа; 2, 3— диффузионные п + -об- ласти истока и диффузионных шин (пер- вый уровень разводки), 4, 5, 7—алюминиевые контакты к истоку, затвору и стоку;. 6— поли- кремниевый затвор; 8— проводник из легирован- ного поликремния (второй уровень разводки); 9—алюминиевая шина (третий уровень развод- ки); 10—межслойный диэлектрик (SiOs. БСС, ФСС) Рис. 3.16. Структуры МДП-транзис- торов с индицированным и встроен- ным каналами, истоки и стоки которых сформированы комбинацией диффузии и ионного легирования: /—подложка р-тила; 2—диффузионная /г + -об- ласть истока; 3—ионно-легированная /г+-область истока; 4— встроенный ионно-легированный /г-ка- нал; 5, 7 ,8 , 10, 11— алюминиевые выводы исто- ков, стоков и затворов; 6, 9— поликремниевые затворы 102
уменьшить размеры этих областей и всего прибора в целом, повысить степень интеграции МДП-микросхем. Уменьшена ширина канала до 4...6 мкм за счет более точного формирования конфигураций истока, стока и затвора и меньшего перекрытия этих областей. Снижение толщины подзатворного диэлектрика до 0,07...0,1 мкм позволило резко увеличить крутизну характеристики транзисторов (3.5) и повысить быстродействие мик- росхем. Применение поликремния в качестве материала затвора дает снижение контактной разности потенциалов <рМп (3.8 а), (3.8 б) и уменьшение порогового напряжения. К этому же результату при- водит уменьшение плотности заряда поверхностных состояний Qss благодаря эффективной защите подзатворного диэлектрика материа- лом затвора и отжиг этого диэлектрика при высоких температурах в процессе проведения операций легирования кремния. Снижение пороговых напряжений дало возможность перейти к использованию источников питания с рабочим напряжением 5 В, снизив потребляе- мую мощность БИС. Освоение технологии изготовления МДП БИС с поликремниевыми затворами транзисторов, сочетающей диффузионное и ионное леги- рование, позволило создать в составе микросхем МДП-транзисто- ры ср встроенным каналом, работающие в режиме обеднения (рис. 3.16). Нагрузочные транзисторы н-МДП-типа со встроенным каналом обладают более высоким быстродействием, лучшей помехо- устойчивостью и занимают вдвое меньшую площадь, чем нагрузочные транзисторы, работающие в режиме обогащения (см. рис. 3.11, 3.14) при той же потребляемой мощности. Все указанные факторы в сочетании позволили создать МДП БИС с минимальной задержкой на один элемент 1...4 нс и значительно уменьшить такой важный параметр, как произведение мощности на задержку (1...4 пДж), что уже вплотную подходит к аналогичным параметрам БИС на биполярных транзисторах. Конструкции Д-МДП-транзисторов. Конструкция Д-МДП-тран- зистора (рис. 3.17, б) разработана специально для обеспечения вы- сокого быстродействия за счет уменьшения длины канала до субмик- ронных размеров. Короткий канал получают по принципу формиро- вания тонкой базы в биполярном транзисторе — за счет медленного, хорошо контролируемого и управляемого процесса диффузии (поэто- му Д-МДП, т. е. диффузионный МДП-транзистор). В этом транзисто- ре (рис. 3.17, б) области канала p-типа и истока д+-типа формиру- ются в процессе двух диффузий в одно и то же окно в окисной маске. Конструкция Д-МДП-транзистора не требует высокой точности сов- мещения затвора с областями истока и стока, как в обычном МДП- транзисторе. В связи с этим оказалась возможной реализация МДП- структур с длиной канала 0,4...1 мкм даже при ограниченных воз- можностях фотолитографического процесса по разрешающей способ- ности. Короткий канал формируется в приповерхностной области 103
6) Рис. 3.17. Структура обычного n-канального МДП-транзистора (а) и диффузионного™ «-канального Д-МДП-транзистора (б): /— область канала; 2— область дрейфа электронов :Я кремния p-типа электропроводности в промежутке между двумяг р-п переходами. Число носителей тока в этом индуцированном ка- ] нале определяется напряжением на затворе, а скорость их переме- I щения — напряжением, приложенным между истоком и стоком. 1 Произведение числа носителей на их скорость пропорционально току стока. В «-канальных Д-МДП-транзисторах при длине канала менее одного микрона электроны, инжектированные из области истока, даже при сравнительно небольших напряжениях на стоке приобре- тают значительную скорость. В обедненной «-области между каналом и стоком при нормальных смещениях (UC>Uс нас) электроны, прошедшие канал, инжекти- руются в область объемного пространственного заряда, прилега- ющую к «+-области стока, и дрейфуют к стоку в сильном электри- ческом поле. Такая же область дрейфа существует и в обычных МДП- транзисторах при (/с>^сиас (рис. 3.7, г, 3.17, а). Таким образом, несмотря на различия в конструкциях, принцип работы Д-МДП- и МДП-транзисторов одинаков. Но в производстве Д-МДП-транзисторов использованы достижения как биполярной технологии (малое расстояние между двумя р-п переходами), так и технологии изготовления МДП-структур (формирование тонкого подзатворного диэлектрика с малой толщиной, низкой дефектностью и плотностью поверхностных состояний). Освоение технологии микросхем на Д-МДП-транзисторах с ис- пользованием эпитаксиальных структур позволяет, кроме того, фор- мировать на одной и той же подложке биполярные «-^-«-транзисторы , и изолированные бт них Д-МДП-транзисторы (рис. 3.18), что имеет : исключительное значение для производства как аналоговых (напри- мер, операционных усилителей), так и логических микросхем. Перекрытие электродом затвора обедненной области объемного заряда (рис. 3.17, б) дает лишь незначительный вклад в паразитную емкость Сзс, но наличие этой области позволяет повысить рабочее напряжение прибора до нескольких сотен вольт. Короткий канал j и малая емкость Сзс позволили увеличить быстродействие микро- ] схем с Д-МДП-транзисторами примерно в 5 раз при том же мини- 1 мальном проектном геометрическом размере, что и в БИС на обычных Я МДП-транзисторах: значения времен переключения и задержки в ло- | 104
Рис. 3.18. Структура планарно-эпитак- сиального Д-МДП-транзистора: / 7—диффузионные области истока и стока; 2, 5— шины алюминиевой металлизации; 3— зат- вор; 4— подзатворным тонкий окисел; 6— изоли- рующая область; 8— н-эпитаксиальиый слой, 9— подложка; J0— область получаемая методом двойной диффузии для формирования канала транзистора Рис. 3.19. Фрагмент структуры кристал- ла с V-образным углублением для фор- мирования V-МДП-транзистора гических микросхемах на Д-МДП-транзисторах составляют 1 нс и менее. Пробивное напряжение Д-МДП-транзисторов составляет 300...400 В. В связи с малой плотностью размещения элементов в кристалле маловероятно, что Д-МДП-транзисторы будут широко использовать- ся в БИС, но благодаря своим уникальным свойствам они найдут при- менение в быстродействующих переключающих устройствах с высо- ким рабочим напряжением и в устройствах большой мощности. Конструкции V-МДП-транзисторов. Все рассмотренные ранее МДП-транзисторы имеют планарную конструкцию, т. е. являются двумерными. V-МДП-технология добавляет в конструкцию МДП- транзисторов третье измерение, позволяя формировать исток прибо- ра под его затвором и стоком, а не рядом с ними. Это третье измере- ние дает V-МДП-приборам преимущества как по быстродействию, так и по. плотности упаковки перед такими структурами, как п-ка_-_ нальные МДП-приборы с кремниевыми затворами. Собственно говоря, термин «V-МДП-транзистор» относится к МДП-приборам, в которых буква V означает, во-первых, верти- кальное направление протекания тока от расположенного в подлож- ке истока к расположенному над ним стоку и, во-вторых, способ фор- мирования приборов селективным вытравливанием в исходной заго- товке углубления V-образного сечения (рис. 3.19). V-МДП-транзис- тор получают на боковых стенках этого углубления. Особо следует отметить, что д+-исток, расположенный под и+-стоком, вообще не требует для своего формирования дополнительной площади на по- верхности пластины, что обусловливает высокую компактность V-МДП-структуры. Кроме этого, истоковая область п+-типа вы- полняет роль земляной шины и не требует, как это бывает в других конструктивно-технологических вариантах, дополнительной площади кристалла для заземляющих шин. Пирамидальная ямка вытравливается на такую глубину, чтобы она пересекла ионно-легированный слой п+-типа и эпитаксиальный слаболегированный p-слой, диффузионно-легированный «"-слой, достигнув вершиной высоколегированной подложки л + -типа. Сече- 105
ние p-слоя служит основой для формирования канала. Этот слой имеет глубину менее 1 мкм, его сечение плоскостями V-образного), углубления определяет длину V-МДП-транзистора. Ширина кана-: ла в V-МДП-транзисторе получается большой, так как этот канал: расположен по всему периметру V-образного углубления. Поскольку ширина канала определяет максимальный ток транзистора и его усиление, постольку V-МДП-транзисторы можно непосредственно сопрягать с системами, требующими больших управляющих токов, например со схемами, содержащими большое количество ТТЛ- нагрузок, светодиодными индикаторами и даже небольшими электро- двигателями. Слой подзатворного диэлектрика формируется на поверхности V-образного углубления (рис. 3.20). В качестве материала зат- вора применяют алюминий либо поликремний. Область объемного пространственного заряда выполняет в V-МДП-транзисторе ту же роль, что и обедненная область пространственного заряда в Д-МДП- транзисторе: увеличивает пробивное напряжение транзистора, дает пониженные значения паразитной емкости Сзс. Трехмерность V-МДП-транзисторной структуры является фак- тором существенного повышения плотности упаковки БИС. В связи с низким выходом годных и ограниченных логическими возможностями перспективы создания V-МДП-БИС невелики. Но такие структуры обладают уникальными способностями управления очень большими токами с высокой скоростью их переключения. Они нашли применение в звуковых высококачественных усилителях мощ- ности, в широкополосных усилителях, в источниках вторичного элект- ропитания для преобразования постоянного тока в переменный при меньших затратах, массе и габаритных размерах, чем традиционные источники питания. Конструкции МД П-траизисторов на диэлектрической подложке. Использование структур с эпитаксиально выращенным на диэлектри- ческой подложке (сапфир или шпинель) слоем монокристаллическо- го кремния толщиной 0,7...2,0 мкм с целью изготовления МДП-тран- зисторов целесообразно, так как позволяет существенно снизить па- Рис. 3.21. Структура МДП-транзистора на диэлектрической (сапфир) подлож- ке: /— подложка; 2, 4— исток и сток; 3— эпнтак скальная р-область; 5, 8— шины металлизации; 6— подзатворный тонкий диэлектрик; 7— затвор \ \ 1 2 Рис. 3.20 Структура V-МДП-транзис- тора: /— область канала; 2— область дрейфа электро- нов 106
разитные емкости транзистора и коммутационных проводников, изба- виться от паразитных транзисторных структур, упростить техноло- гию изготовления МДП-приборов. Транзисторы формируются в изо- лированных друг от друга островках, что позволяет уменьшить прак- тически до нуля паразитные межэлементные связи через подложку. Диффузия для формирования истока и стока (рис. 3.21) проводится на всю глубину эпитаксиального слоя, что позволяет получать вер- тикальные р-п переходы малой площади с малыми емкостями. МДП-структуры на диэлектрической подложке обладают сущест- венно более высоким быстродействием по сравнению с аналогичными структурами на кремниевой подложке и позволяют, кроме того, несколько сэкономить площадь при создании МДП БИС. 3.5. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КМДП-БИС Из всех возможных схем инверторов схема на транзисторах с разными типами проводимости обладает выдающимися свойствами и с развитием конструктивно-технологических способов ее изготовле- ния выдвигается на первый план как основа для создания БИС и СБИС сложных полупроводниковых цифровых и аналоговых уст- ройств. Такие схемы (рис. 3.22, а) называют схемами с взаимодопол- няющими (комплементарными) транзисторами (К.МДП). Подложки каждого из транзисторов соединены с их истоками, что предотвра- щает открывание р-п переходов. Затворы транзисторов объединены. На них подается управляющий входной сигнал, уровень которого изменяется от Г7вх~0 и U'BX№UK.„. Выходной сигнал снимается с объединенных стоков транзисторов. Функционирование КМДП-инвертора. Характерной особенностью функциони- рования КМДП-инвертора является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором. При низком уровне напряжения на входе (логический 0) открыт р-МДП-транзистор, n-МДП-транзистор закрыт и на выходе имеет место высокий уровень напряжения (логическая 1), близкий к напряжению источника питания иял. При высоком напряжении на входе открыт Рис. 3.22. Электрическая схема (а) КМДП-инвер- тора на основе взаимодо- полняющих п- и р-тран- зисторов с индуцирован- ными каналами и его пе- редаточная характеристи- ка (б) ^ил а) 107
«-МДП-транзистор, а р-МДП закрыт и выходное напряжение является низким. Таким образом, КМДП-ячейка (рис. 3.22, а) работает как инвертор, в котором р-МДП-транзистор играет роль переменной нагрузки. Запирание одного транзистора связано с отпиранием другого, и наоборот. Такая работа транзистора в КМДП- инверторе связана с тем, что в схеме всегда выполняется условие бЗИп + = = и уменьшение одного транзистора приводит к увеличению Г/Зи другою. Рассмотрим в упрощенном виде передаточную характеристику (зависимость ивЫ!1 от идк) (рис. 3.22, б) инвертора: параметры транзисторов будем считать оди- наковыми, а токи утечки пренебрежимо малыми. При общем условии IHopl +1I< <|НиП|<|Нпр|, где и„р — напряжение пробоя перехода сток—подложка «-каналь- ного транзистора, работа инвертора осуществляется следующим образом. При О<Пвх<(/оп активный транзистор «-типа закрыт, нагрузочный транзистор р-типа открыт и выходное напряжение (Дых= (/„.„= U1 (рис. 3.22). При увеличении Пвх от Uq,, до U^.p—Uop происходит плавное запирание р-транзистора, отпирание «- транзистора и уменьшение напряжения на выходе UBblx. При Пвх={7и.п—UoP нагру- зочный транзистор VT2 закрыт и Г/вых=О=Г/0. Как мы видим, и в состоянии логического нуля и в состоянии логической едини- цы один из транзисторов находится в закрытом состоянии и ток от источника пита- ния отсутствует. Потребление энергии происходит только в момент переключения инвертора из одного состояния в другое и расходуется на перезарядку емкости нагрузки. При этом рассеиваемая мощность пропорциональна частоте переключе- ния f, емкости нагрузки С„ и квадрату напряжения источника питания: Р= =^-fCHUи2п. Отсюда естественно вытекает, что самым эффективным средством сни- жения рассеиваемой инвертором мощности является уменьшение напряжения ис- точника питания, на величину которого, как это видно из предыдущего рассмотрения, накладываются ограничения: Г/ол<би.п, UOp<U„.„, Uo„+Uop>U,.„. Минимальные значения пороговых напряжений, как это следует из уравнений (3.8а, 3.86), опре- деляются возможностями технологии изготовления КМДП-инвертора, а также до- пустимыми уровнями помех (рис. 3.2,6). Напряжение источника питания обычно лежит в интервале 3,0... 12 В. Эти данные говорят также о том, что КМДП-инвертор малочувствителен к достаточно большим колебаниям напряжения источника пи- тания. Преимущества, недостатки, перспективы использования КМДП- структур. Главно^ преимущество — минимальное энергопотребле- ние, благодаря чему вначале основной областью применения КМДП- микросхем было создание интегральных устройств с батарейным питанием (для наручных часов, микрокалькуляторов и др.). Новые области применения открываются перед КМДП-схема- ми не только благодаря их малому энергопотреблению, но и в не меньшей степени из-за их повышенной помехоустойчивости и обус- ловленной этим возможности работать при предельных температу- рах и в широком диапазоне температур. Имеются данные, что именно КМДП-микросхемы могут уверенно работать в температурном ин- тервале —60...-)-125 °C и при более высоких температурах. 108
Еще одно преимущество КМДП-микросхем — широкий диапа- зон напряжений питания (см. табл. 1.2). Их способность работать при напряжениях питания от 3 до 15 В означает принципиально более высокую независимость от флуктуаций напряжения источни- ка питания, шумов, колебаний температуры. Высокая помехоустой- чивость КМДП объясняется тем, что ее передаточная характерис- тика имеет очень крутой перепад. Благодаря исключительно малому потреблению энергии в режиме хранения информации КМДП-технология является привлекатель- ной для создания БИС памяти, так как в большинстве систем памя- ти их элементы в основном работают в режиме пассивного хранения, а не в режиме обращения, и поэтому малое потребление мощности в статическом режиме, свойственное КМДП-схемам, может обес- печить значительное снижение затрат на источники питания. И хотя у КМДП-микросхем плотность упаковки (сравни рис. 3.14 и 3.23) и быстродействие не достигли еще того уровня, что и в МДП-микро- схемах на «-канальных транзисторах, по полной рассеиваемой мощности с ними могут соперничать очень немногие другие типы микросхем (рис. 3.24), а других подобных им приборов с автомати- ческим снижением потребляемой мощности при переходе в стати- ческий (хранение логического 0 или 1) режим работы вообще не существует. Структуры КМДП не лишены недостатков. К их числу относится сравнительно низкое быстродействие (см. табл. 1.2), обусловленное малой скоростью переключения р-МДП-транзисторов из-за низкой подвижности дырок. Для повышения быстродействия ширину p-каналов необходимо увеличить в 1,5...2 раза по сравнению с шири- ной «-каналов, если длина каналов обоих типов выполнена мини- мальной. Другой недостаток — большая площадь кристалла, зани- маемая КМДП-элементом (рис. 3.23). В тех случаях, когда можно обойтись невысоким быстродействием, ширину p-каналов лучше выбрать такой же, как у «-каналов (один и тот же проектный размер), чтобы не увеличивать без необходимости и без того боль- шую площадь КМДП-ячейки (см. рис. 1.21,6). К отрицательным свойствам КМДП-структур относится измене- ние (сдвиг) передаточной характеристики элемента со многими входами с изменением числа входов, на которых сигнал изменяет- ся одновременно. Это связано с изменением сопротивления цепочки р-МДП-транзисторов (см. рис. 1.21). Если в цепочке изменится сиг- нал только на входе 1, ее сопротивление будет вдвое больше, чем при его одновременном изменении на входах / и 2, и втрое больше при изменении сигнала одновременно на трех входах. Это ограничивает Допустимое число входов КМДП. Если источник питания обладает хорошей стабильностью напряжения и помехоустойчивость схемы не вызывает беспокойства, то число входов в КМДП-ячейке может быть больше обычно принятого значения, равного четырем. 109
Спорость переключения, с Рис. 3.23. Конструкция КМДП-инвертора с алюминиевыми затворами (а) н его топология (б): I— алюминий; 2— охранное кольцо р-канального транзистора; 3— охранное кольцо л-канального транзистора; 4— р-карман n-канального транзистора; штриховой линией показана область тонкого окисла Рис. 3.24. Зависимость потребляемой мощ- ности от скорости переключения для раз- личных конструктивно-технологических вариантов МДП БИС (в расчете на один логический элемент), выполненных с 5- микронными проектными нормами и рабо- тающих при напряжении питания 5 В 110
\ Одним из недостатков КМДП-микросхем, выполненных по тра- диционной технологии (см. рис. 3.23), является вероятность защел- кивания: вследствие своей близости друг к другу р- и «-канальные приборы вместе могут образовывать сквозные р-п-р-п- или п-р-п-р- структуры, которые ведут себя как кремниевые управляемые выпря- мители (тиристоры), т. е. защелкивающиеся приборы, которые обычно срабатывают от бросков тока во входной или выходной цепи. Этот бросок тока попадает в базу п-р-п- или р-«-р-прибора, а раз открывшись, паразитная р-«-р-«-структура остается в этом состоя- нии вплоть до выключения питания. Решение проблемы защелки- вания КМДП-микросхем — в создании изолирующих карманов для каждого типа транзисторов. Конструктивно-технологические варианты исполнения КМДП- инверторов. Развитие технологии КМДП-приборов (поликремниевые затворы и самосовмещение), формирование охранных колец не для одного, а для группы транзисторов одного типа проводимости (см. рис. 1.21) и новые схемотехнические решения, позволившие умень- шить соотношение числа р- и «-канальных транзисторов (не по одному р-канальному транзистору, на каждый «-канальный, как это обычно принято, а меньше), позволили приступить к разработке и массовому производству КМДП БИС различного назначения. Технология КМДП-структуры с металлическими затворами (рис. 3.23) была в свое время разработана на базе р-канальной МДП-технологии, отсюда и использование в них карманов р-типа. В то время единственной легирующей примесью, с помощью кото- рой можно было получать глубокие и вместе с тем слаболегирован- ные карманы, был бор. Развитие конструкций КМДП-приборов шло, с одной стороны, по направлению модификации структур, раз- мещенных в кремниевой подложке, с другой стороны, по направле- нию модификации пленочных структур, расположенных поверх полупроводниковой пластины. Естественно, что эти два направле- ния осуществлялись одновременно и параллельно. Первой модернизацией конструкции и технологии изготовления КМДП-инвертора было использование пленок поликремния в ка- честве материала затвора с целью возможности использования самосовмещения и получения более высоких характеристик МДП- структур р-канального и «-канального транзисторов. На рис. 3.25, а показано поперечное сечение обычного КМДП-инвертора с кремни- евыми затворами: р-канальный транзистор для получения необхо- димого порогового напряжения (порядка 1 В) выполнен непосред- ственно в подложке «-типа с соответствующей примесной концен- трацией. Для «-канального транзистора в подложке «-типа сформи- рован карман p-типа. Уровень легирования этого кармана естест- венно выше, чем в подложке, так как это легирование должно обес- печить перекомпенсацию исходной примеси с определенной точно-' стью и воспроизводимостью. Вследствие этого возрастают емкости р-«-переходов стока и истока. 111
Рис. 3.25. Варианты формирования структуры КМДП БИС с карманом p-типа (а), n-типа (б) и с карманами двух типов (в): /—толстый окисел; 2—тонкий (подзатворный) диэлект- рик; 3—поликремниевые затворы; 4—р+-диффузионные области стока и истока р-канального МДП-транзистора; 5— п+-диффузионные области стока и истока л-канального МДП-транзистора Улучшить рабочие характеристики «-канальных приборов по- зволяет конструктивно-технологический вариант исполнения КМДП- инвертора с карманами «-типа (рис. 3.25, б). Этот вариант является наиболее пригодным при создании КМДП-микросхем с большим количеством «-канальных приборов. При этом «-канальные тран- зисторы имеют такие же высокие характеристики, что и транзисторы в обычных «-канальных МДП-микросхемах, что представляет со- бой весьма важное преимущество. К сожалению, в этом случае сра- зу же возникает аналогичная проблема снижения рабочих харак- теристик р-канальных транзисторов, у которых возрастают пара- зитные емкости. Полное решение проблемы повышения характеристик транзис- торов связано с освоением КМДП-технологии с карманами двух типов (двойными), в которой оба типа транзисторов формируются в своих карманах (рис. 3.25, в). В этом случае исходный уровень легирования подложки (на рис. 3.25, в — эпитаксиального слоя) должен быть очень невысоким, чтобы для каждого типа карманов можно было подобрать оптимальную для его транзисторов дозу имплантируемой примеси. При наличии двойных карманов для каж- дого из типов приборов можно принять независимые меры защиты от эффектов второго порядка — сквозного обеднения, влияния под- ложки, пробоя, эффекта защелкивания. В частности, эффект за- щелкивания мон?но устранить использованием «+-подложки (рис. 3.25, в), которая образует общий базовый контакт ко всем базовым областям паразитных р-«-р-транзисторов. Соединив ее с положительным полюсом источника питания, можно получить низ- коомную шунтирующую цепь, закорачивающую эмиттерные пере- ходы паразитных р-«-р-транзисторов. Технология с двойными карманами позволяет реализовать струк- туры транзисторов с минимальными размерами, так как возмож- ность независимого легирования каждого типа карманов решает максимально для каждого типа транзисторов проблему сквозного обеднения. Кроме того, карманы получаются самосовмещенными 112
р-канальный п-нанальный Многоуровневая транзистор транзистор разводка Металл Рис. 3.26. Структура фрагмента КМДП БИС с двумя слоями поликремния, сплошным р-карманом и подлегированием периферийных областей друг с другом: всюду, где нет кармана н-типа, есть карман р-типа. Это позволяет использовать для их формирования один и тот же фотошаблон. На рис. 3.26 представлена структура КМДП-инвертора с р- карманами, в которой для повышения плотности размещения эле- ментов на кристалле используют пленочную систему с двумя слоями поликремния и одним слоем металлизации. Для затрудения обра- зования паразитных МДП-транзисторов применяют подлегирование периферийных областей соответствующими примесями методом ион- ной имплантации. Эта структура используется для создания БИС микропроцессоров. Два слоя поликремния в сочетании со слоем металлизации обеспечивает большую свободу в организации раз- водки БИС и, следовательно, более высокие плотность упаковки и степень интеграции. В современной технологии КМДП БИС помимо поликремниевых затворов и двух уровней поликремния используются двойные кар- маны для независимой оптимизации характеристик р- и м-канальных транзисторов (рис. 3.25). В некоторых конструктивно-технологи- ческих вариантах КМДП-приборов карманы различного типа про- водимости разделены в приповерхностной области слоем толстого окисла, как в биполярных транзисторах с комбинированной изоля- цией (см. рис. 2.34, а; 2.38, г). На рис. 3.27 дан наибольший размер топологии КПДП-инвер- тора, изготовляемого по современной технологии (43 мкм), для сравнения с соответствующим размером аналогичного инвертора, изготовленного по технологии с алюминиевыми затворами (120 мкм, рис. 3.23). Рис. 3.27. Структура КМДП-инвертора с двум> карманами (Г- и «“-типа электропроводности, изоляцией толстым окислом, одним уровнем поли- кремния и подлегированием периферийных облас- тей Металл Окисел ИЗ
Конструкции элементов КМДП БИС на сапфировых подлож- ках. Хотя в настоящий момент технологию КМДП БИС на сапфиро- вых подложках нельзя рассматривать как серийную массовую тех- нологию БИС, она по-прежнему является многообещающей с точки зрения создания чрезвычайно быстродействующих приборов. Этот конструктивно-технологический вариант обещает существенное по- вышение плотности упаковки КМДП-приборов. По сравнению с КМДП-схемами на кремниевых подложках вариант КНС позволяет уменьшить площадь кристалла приблизительно на 30% главным образом за счет исключения металлической или поликремниевой перемычки между р+- и «+-областями р-канального нагрузочного и «-канального управляющего транзисторов (рис. 3.23, 3.27), путем их непосредственного конструктивного объединения. Кроме того, КНС-приборы характеризуются приблизительно вдвое меньшей па- разитной емкостью по сравнению с приборами на кремниевых подложках. Преимущества КМДП-схем на сапфировых подложках по плот- ности упаковки, быстродействию, рассеиваемой мощности по срав- нению со схемами на монолитных кремниевых подложках пока еще в массовом производстве не оправдывают тех дополнительных затрат, которые связаны с очень высокой стоимостью эпитаксиаль- ных структур кремния на сапфировых подложках. Поэтому исполь- зование данного конструктивно-технологического варианта КМДП БИС оправдано лишь при разработке аппаратуры специального назначения. 3.6. МДП-ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ г ПОСТОЯННЫХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ Элементной базой полупроводниковых постоянных запоминаю- щих устройств (ПЗУ) служат интегральные диоды, биполярные транзисторы или транзисторы МДП-типа, размещенные в узлах двухкоординатной матрицы. Информация в ПЗУ определяется на- личием диода или транзистора в узле матрицы (например, хране- ние «0») или их отсутствие (хранение «I»), Запись информации в диодные ПЗУ или ПЗУ на транзисторах проводится либо выжигани- ем соответствующих диодов, либо пережиганием специально пре- дусмотренных в каждом узле матрицы плавких перемычек, либо отсутствием соответствующего окна в окисле для создания контактов к транзистору. В последнем случае информация фактически со- держится на фотошаблоне для формирования контактных окон. Наибольшее распространение получили ПЗУ на МДП-транзи- сторах в связи с возможностью достижения высоких степеней ин- теграции и соответственно большой информационной емкости, а также благодаря малому потреблению энергии. Запись информации в ПЗУ на МДП-транзисторах осуществляется либо пробоем кон- 114
У, Уz Уз Ун б) Рис. 3.28. Фрагмент топологии запоминающей матрицы ПЗУ на «-канальных МДП-транзисторах (а) и электрическая схема фраг- мента (б): /—металлическая разводка; 2, 3—диф- фузионные шины денсатора, входящего в состав запоминающего элемента, либо кон- струированием шаблона для вскрытия окон под тонкий окисел. Фрагмент топологии ПЗУ на «-канальных МДП-транзисторах, в котором запись информации осуществляется на стадии произ- водства при вскрытии окон под затворный окисел в соответствую- щих узлах матрицы, показан на рис. 3.28, а. Диффузионные адрес- ные шины 3 образуют стоки транзисторов, а заземленные диффу- зионные шины 2 — истоки. Металлические дорожки 1 выполняют функции шин адресов и затворов МДП-транзисторов. МДП- транзисторы формируются в тех узлах матрицы, где должен быть записан «О» (рис. 3.28, б). В рассматриваемом случае на фрагменте топологии сформировано восемь МДП-транзисторов и записана информация 0 0 10 Oloi (3.10) 0 0 0 1 Считывание-информации, т. е. выбор запоминающего элемента или совокупности запоминающих элементов осуществляется воз- буждением определенных координатных шин запоминающего поля, для чего используются матричные дешифраторы. С матричных дешифраторов адреса подается высокий уровень напряжения на одну из шин адресов по координате Y и, через сопротивления, роль которых выполняют «-канальные МДП-транзисторы, на одну из шин по координате X. При этом на одной из выходных информа- ционных шин появляется высокий уровень напряжения, если в 115
выбранном узле запоминающей матрицы отсутствует запоминающий элемент («-канальный МДП-транзистор), т. е. если не вскрыто j окно для его формирования, что соответствует считыванию «1». | И наоборот, на соответствующей информационной шине появляет-1 ся низкий уровень напряжения, если запоминающий МДП-транзис-1 тор сформирован (окно вскрыто), что соответствует считыванию «О». I В описанном фрагменте БИС ПЗУ информация заносится один-1 единственный раз в процессе изготовления и хранится бесконечно! долгое время. Однако такой способ записи не всегда удобен, так ’ как корректировка однажды записанной информации невозможна. Для микропроцессорных систем с целью оперативного изменения решаемых ими задач необходимо иметь устройства перепрограм- мируемой памяти: перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ), в которых информация могла бы храниться годами и в которых имелась бы возможность стирать эту информа-J цию полностью или частично и заносить новую. Я Элементной базой современных БИС ППЗУ служат: лавинно- инжекционные МДП-транзисторы с плавающим затвором (тран-Я зисторы ЛИПЗМДП); лавинно-инжекционные МДП-транзисторыЯ с плавающим и управляющим затворами; МДП-транзисторы со’ структурой металл — нитрид — окисел — полупроводник (транзи- сторы МНОП-типа, см. § 3.4). Структура лавинно-инжекционного МДП-транзистора с плаваю- щим поликремниевым затвором, созданного на основе р-канальнойл| технологии, представлена на рис. 3.29, а. Подложкой служит пласти- я на кремния «-типа с удельным сопротивлением 4...8 ОмХсм. Я Механизм зарядки плавающего затвора пояснен на рис. 3.29, б.Я ** Он основан на следующих эффектах. На стоковую область р-ка-Я нального МДП-транзистора подается отрицательный потенциал.Я По мере увеличения отрицательного смещения обедненный слой иЯ электрическое поле в нем будут расти. Под действием электрического® поля обедненного слоя неосновные носители ковой р+-области будут выноситься электроны — из сто-| в «-область подложки. С увели-i а) Рис. 3.29. Структура ЛИПЗМДП- транзистора (а) и механизм записи информации — зарядки плавающего затвора (б): /—р+-область стока; 2—граница области пространственного заряда; 3—граница р-п-перехода сток'- подложка; 4— область лавинного умножения электронов; 5— подложка п-типа; 6— подзатворный диэлег рик; 7— поликремниевым плавающий затвор; 8— защитный диэлектрик 116
чением напряженности этого поля будет возрастать дрейфовая ско- рость электронов и при определенном критическом значении напря- женности поля становится возможным лавинное умножение элек- тронов в п-области. Одновременно за счет емкостной связи Сзс на плавающем затворе индуцируется положительный заряд, который будет искривлять обедненную область в р+-слое вблизи поверхно- сти и формировать электрическое поле, направленное от плаваю- щего затвора к стоку. Таким образом, электрическое поле в обедненной области обрат- носмещенного стокового р-н-перехода формирует значительное ко- личество высокоэнергетических (горячих) электронов, обладающих достаточным запасом энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер границы раздела кремний — окисел кремния и тонкий под- затворный диэлектрик. Преодолев подзатворный окисел, горячие электроны стекают на плавающий затвор, так как на него предва- рительно за счет емкостной связи подается притягивающее их по- ложительное напряжение смещения. По мере зарядки плавающего затвора на нем аккумулируется отрицательный заряд, который будет создавать поле, препятствующее процессу зарядки. При этом ток лавинной инжекции через диэлектрик будет уменьшаться и при определенной величине заряда снизится до нуля. Практически для зарядки электронами плавающего затвора на сток ЛИПЗМДП-транзистора необходимо подать отрицательный импульс напряжения, при этом величина аккумулированного заряда на плавающем затворе Q будет зависеть от амплитуды и длитель- ности импульса приложенного напряжения, геометрических разме- ров и свойств материалов затвора и подзатворного диэлектрика: С,п ^“ к71ПР+еХР[-*1^с + 1п(~*Л2^СТе)]Ь (3.11) где Uq — амплитуда импульса приложенного напряжения, Сзп — емкость структуры плавающий затвор — подложка, тс — длитель- ность импульса записи, Л), fa— коэффициенты, характеризую- щие геометрические размеры канала (длину, ширину), толщину подзатворного диэлектрика, глубину и площадь р-п перехода сток — подложка. Типичные значения: Uq=30...50 В, тс=1...1О нс, йд= = 0,1 мкм, /гТд=1 мкм. После зарядки плавающего затвора электронами в области канала МДП-транзистора p-типа возникает инверсионный слой, транзистор переходит в открытое состояние, т. е. хранит «0». Поскольку плавающий затвор со всех сторон окружен дву- окисью кремния, представляющей собой один из лучших сущест- вующих диэлектрических материалов, заряд на плавающем затворе сохраняется длительное время (рис. 3.30). Исследования стабильно- сти заряда показали, что даже при 125 °C за 10 лет заряд может Уменьшиться лишь на 30% своей первоначальной величины. 117
Рис. 3.30. Экспериментальная зависимость изме- нения заряда на плавающем затворе от времени хранения при 125 и 300 °C, начальной удельной плотности заряда Q(0)/</= 1,8-1012 электронов/ см2 (кривые 1, 3) и 3,0-1012 электронов/см2 (кривые 2, 4). Толщина подзатворного диэлект- рика й,= 0,12 мкм АШ Рис. 3.31. Схема запоминающег] элемента ППЗУ на ЛИПЗМДП транзисторе VT2 с электрическо записью информации и стира ннем ультрафиолетовым освещя нием 1 Стирание хранимой в ППЗУ информации осуществляется при облучении информационного поля ультрафиолетовыми лучами. При этом длина волны излучения должна быть достаточной для того, чтобы фотоны могли передать электронам энергию, необходимую для преодоления потенциального барьера на границе кремний — двуокись кремния в обратном направлении при возвращении в подложку. В обычно используемых для этой цели источниках уль- трафиолетового излучения (ртутная лампа) указанному требова- нию отвечает длина волны 2i=253,7 нм (£=4,9 эВ). Корпуса БИС ППЗУ на ЛИПЗМДП-транзисторах с электри-Я ческой записью и ультрафиолетовым стиранием информации должньИ иметь специальное окно с вставленным в него кварцевым стекломИ прозрачным для ультрафиолетового излучения, что делает эти кор-W пуса черезвычайно дорогими. Стирание информации при ультра- фиолетовом облучении происходит во всех ячейках БИС ППЗУ одновременно. Стирание информации и ее перезапись осуществля- ются на изолированных БИС, изъятых из устройств, в которых они установлены и эксплуатируются. г Для формирования запоминающих элементов ППЗУ на ЛИПЗМДП-транзисторах необходим по крайней мере еще один МДП-транзистор, затвор которого выводится на адресную шину (рис. 3.31). ЛИПЗМДП-транзистор может находиться в двух устой- чивых состояниях: открытом (плавающий затвор несет на себе заряд Q, достаточный для формирования инверсионного канала) или за- крытом (плавающий затвор не заряжен), что соответствует хране- нию запоминающим элементом «0» или «1». Адресный транзистор VT1 запоминающего элемента — обычный р-канальный МДП-тран- зистор. Если на адресной шине АШ низкий уровень напряжения, 118 А
то он подключает запоминающий транзистор VT2 к разрядной шине РШ. Дальнейшим развитием описанной выше конструкции тран- зистора явилась структура с двумя затворами — плавающим и управляющим (рис. 3.32). Эту структуру изготавливают по р-ка- нальной МДП-технологии на кремниевой пластине н-типа электро- проводности с удельным сопротивлением 5 ОмХсм с ориентацией (100). После выращивания подзатворного окисла толщиной поряд- ка 0,1 мкм формируют пленку поликристаллического кремния для плавающего затвора, после чего создают металлическую разводку и формируют управляющий затвор. Толщина диэлектрика между плавающим и управляющим затворами, создаваемого осаждени- ем S1O2 из газрвой фазы, равна примерно 0,2 мкм. Зарядка плаваю- щего затвора в таком приборе осуществляется также за счет лавин- ной инжекции носителей с обратносмещенного р-п перехода. В процессе зарядки плавающего затвора электронами на управ- ляющий затвор подается положительное напряжение, что повышает уровень инжекции, а следовательно, и эффективность записи. Для запоминающего транзистора, изображенного на рис. 3.32, возможен процесс стирания информации (удаление накопленного заряда с плавающего затвора) с помощью электрического импуль- са. Приборы постоянной памяти с электрическим стиранием инфор- мации позволяют осуществить перезапись не всей, а только части информации, и, кроме того, это можно сделать в БИС электрически стираемого перепрограммируемого ПЗУ (ЭСППЗУ), не изымая ее из электронной системы устройства (например, одноплатной микро- ЭВМ). В режиме стирания к управляющему затвору прикладыва- ется положительный потенциал. Ток разрядки, протекающий через межзатворный диэлектрик между плавающим и управляющим затворами,,определяется формулами /P=4i£,2exp(—А2/Е2), (3.12) "с + ё-ЙГ + С-0) ’ (ЗЛЗ) мз е изд \ СЗП"Г мз + СЗС Сзп + С мз *"•"* ЗС ' где Еч — напряженность поля в межзатворном диэлектрике; СМз, Сзп, Сзс—емкости между затворами, плавающим затвором и под- ложкой и плавающим затвором и стоком соответственно, SM3 — площадь межзатворного промежутка; ем3 — диэлектрическая посто- Рис. 3.32. Структура ЛИПЗМДП-транзистора с плавающим и управляющим затворами; с элект- рическим стиранием и электрической записью информации 119
янная материала межзатворного диэлектрика; А и Д2 — коэффи- циенты, зависящие от величины потенциального барьера срб между поликремниевым плавающим затвором и межзатворным диэлект- риком. Очень важно то, что величина <рб может меняться в довольно широких пределах (1,0...1,6 эВ) в зависимости от способов форми- рования пленки поликремния и пленки межзатворного диэлектрика. Расчет и экспериментальные данные говорят о том, что уменьшение фб на 0,1 эВ влечет за собой снижение времени стирания минимум на порядок! Это еще раз указывает на теснейшую связь технологии изготовления и конструкции элементов с получением необходимых электрических характеристик приборов. Снижение времени стирания возможно и за счет увеличения напряжения стирания на управляющем затворе. В обоих случаях уменьшение времени стирания происходит за счет возрастания тока разрядки. Согласно имеющимся данным р-канальные МДП-транзисторы с двумя затворами выдерживают более пятисот циклов перезаписи без существенных изменений характеристик. К недостаткам прибо- ров такого типа относятся черезвычайно высокие напряжения сти- рания (около 80 В). Для устранения этого недостатка было предло- жено несколько других конструкций запоминающего транзистора. В первой из них (рис. 3.33, а) управляющий электрод служит толь- ко для стирания информации и изолирован от плавающего затвора слоем нитрида кремния толщиной около 0,07 мкм (3.12), (3.13). Во второй конструкции запоминающего элемента (рис. 3.33, б) перезарядка плавающего затвора осуществляется при лавинной инжекции горячих дырок и электронов, генерируемых в электричес- ких поЛях обратносмещенных п + -р и р+-п переходов соответственно. Инжекция электронов на плавающий затвор осуществляется за счет подачи на сток сравнительно большого отрицательного сме- щения, когда на управляющем затворе поддерживается нулевой либо положительный потенциал. Для инжекции дырок из обратно- ПлаВакнций Стирающий» зитВор электроВ \ 9 ,Смй Инжекция Инжекция п дырок злентрокой Инжекция . Инжекция „ Вырой " злентраноь Рис. 3.33. Структуры ЛИПЗМДП запоминающих транзисторов с различными ва- риантами стирания информации 120
Рис. 3.34. Варианты структуры запоминающих элементов БИС ЭСППЗУ на основе n-канальных МДП-транзисторов с двумя поликремниевыми затворами смещенного н+-р-перехода на подложку подается положительный потенциал относительно истока, а на затвор — отрицательный по- тенциал. Для данного запоминающего элемента характерны два уровня порогового напряжения, измеряемого по управляющему затвору: первый, когда плавающий затвор заряжен электронами (пороговое напряжение имеет положительное значение), и второй, когда пла- вающий затвор заряжен дырками— (отрицательное). В модифицированном варианте конструкции данного запоми- нающего элемента ППЗУ область инжекции дырок располагается непосредственно в области истока (рис. 3.33,а). Общим для всех запоминающих элементов, изображенных на рис. 3.29, 3.32, 3.33, является то, что запись информации в них осу- ществляется лавинной инжекцией электронов из области обратно- смещенного р-п перехода. Это приводит к формированию проводя- щего канала в р-канальном МДП-транзисторе, поэтому запоми- нающая ячейка для осуществления выборки информации должна содержать дополнительные транзисторы, что, естественно, не ведет к экономии площади кристалла. Кроме того, память на ^-канальных МДП-транзисторах имеет сравнительно малое быстродействие из- за низкой подвижности дырок в кремнии по сравнению с электро- нами. Перспективными запоминающими элементами СБИС ЭСППЗУ большой информационной емкости и высокого быстродействия являются «-канальные МДП-транзисторы с плавающим и управ- ляющим затворами, изготовляемые на основе совмещенной техно- логии с применением пленок поликремния для обоих затворов, самосовмещения и ионного легирования. На рис. 3.34 показаны три варианта структуры таких запоминающих МДП-элементов СБИС перепрограммируемой памяти, отличающихся конфигурацией и вза- имным расположением затворов. Управление запоминающим элементом осуществляется за счет емкостной связи управляющий затвор — плавающий затвор и пла- вающий затвор — подложка. Для достижения максимальной ем- костной связи толщина межзатворного диэлектрика должна быть соизмерима с толщиной подзатворного диэлектрика. Различные 121
Illlllllllllllllllllllllll!' lllllllllllllllllllllllllltsi Меток „ ? Подложно 3.35. Эквивалентная схема запо- минающего элемента с двумя затворами на основе «-каналь- ного МДП-транзистора: 1— управляющий затвор; 2— плавающий затвор состояния транзистора определяются зарядом на плавающем затво- ре. Зарядка плавающего затвора, как и для других описанных выше ячеек, осуществляется горячими электронами, проходящими через слой подзатворного диэлектрика толщиной 0,05...0,1 мкм, однако механизм разогрева электронов в данном приборе иной. В режиме зарядки плавающего затвора на сток и затвор одновременно пода- ется большое положительное напряжение (около 20 В). При этом наличия электрического поля вблизи стокового перехода еще не достаточно, чтобы вызвать его пробой на подложку, но достаточно, чтобы вызвать ударную ионизацию в канале транзистора. Число горячих электронов будет определяться током в канале МДП-тран- зистора. Инжекция горячих электронов в плавающий затвор осу- ществляется под действием тянущего поля со стороны управляю- щего затвора. Очень важно то, что величина накопленного заряда определяется геометрическими параметрами ячейки памяти и ампли- тудой импульсов записи, прикладываемых к управляющему затвору ги стоку ячейки. На рис. 3.35 представлена эквивалентная схема запоминающих элементов, структура которых дана на рис. 3.34. Потенциал на плавающем затворе определяется по формуле ^пз~ Смз ^уз + сзс + Ф Смз + Сзп+Сзп (3.14) где Смз— межзатворная емкость, £/уз— потенциал на управляющем затворе; Uс— потенциал на стоке. Транзистор бу^ет открыт, когда напряжение на плавающем затворе достигнет величины Uo. При этом на управляющий затвор необходимо подать напряжение: ,, ^опз(Смз+сзп) <2 уз~ с С мз мз (3.15) В незаряженном состоянии пороговое напряжение ячейки имеет низкое значение (t/0~2...3 В), а после зарядки плавающего затво- ра электронами оно возрастает на величину Q/CM3- Согласно зависимости (3.14), (3.15) (рис. 3.36) для получения большего сдвига Uo (т. е. для более эффективной зарядки плаваю- 122
Рис. 3.36. Характер зависимости изме- нения порогового напряжения запоми- нающего МДП-транзистора от напря- жения на управляющем затворе (а), площади перекрытия управляющего и плавающего затворов (б) и от толщины межзатворного диэлектрика (в) О, OS 0,07 0,08 0,09 0,1 S) щего затвора) необходимо увеличить емкостную связь управляю- щего затвора с плавающим или потенциал на плавающем затворе. Также важно правильно выбрать длину канала МДП-транзистора. Это необходимо для нормального процесса зарядки плавающего затвора. Длина канала по расчетам и экспериментальным данным не должна превышать 3...4 мкм, чтобы разогрев электронов в канале был возможен при меньших напряжениях на стоке. На рис. 3.37 приведены входные характеристики п-канального МДП-транзистора с двумя затворами до и после зарядки плаваю- щего затвора, из которых видно, что пороговые напряжения МДП- ^транзистора с заряженным и незаряженным плавающим затвором существенно различаются и, если на управляющий затвор подать напряжение считывания 6/oi<t/c<£A)2, то транзистор с незаряжен- ным плавающим затвором будет открыт (график /), а с заряжен- ным— закрыт (график 2). Из этого следует важный вывод о воз- можности построения на /г-канальных МДП-транзисторах с двумя затворами матричного накопителя ЭСППЗУ с одним запоминающим элементом; фрагмент такого накопителя показан на рис. 3.38. В последних разработках электрически перепрограммируемых ячеек памяти стремятся к понижению напряжений, управляющих режимами записи — стирания. Это становится возможным прежде всего за счет создания воспроизводимой и высококачественной технологии получения тонких диэлектрических слоев, изолирующих плавающий затвор. Подход к этой проблеме учитывает противоре- Рис. 3.37. Входные характеристики запо- минающего элемента ЭСППЗУ на л-ка- нальных МДП-транзисторах с поликрем- ниевыми управляющими и плавающими затворами: 1— до зарядки плавающего затвора; 2— после заряд- ки плавающего затвора 123
Рис. 3.38. Фрагмент матричного нако- пителя на n-канальном МДП-транзис- торе с поликремниевыми плавающим и управляющим затворами (а) и фраг- мент его топологии (б) чивость требований, возникающих в процессе записи — хранения — стирания в таких энергонезависимых полупроводниковых ЭСППЗУ, Хранящих информацию в виде электрического заряда. Противо- речивость эта заключена в том, что нужно найти способ быстрой записи информации с малым потреблением энергии, который соче- тался бы в одной конструкции со способом бесконечно длительного хранения этой информации. При реализуемых в настоящее время размерах запоминающих элементов на плавающем затворе хранится fзаряд всего в несколько миллионов электронов. Для передачи на плавающий затвор такого количества электронов за цикл програм- мирования, равный 10 мс, средний ток программирования элемента должен составлять 1О-10 А. С другой стороны, необходимо, чтобы за 10 лет хранения информации утечка хранимого заряда составила менее 10%, т. е. ток утечки не должен превышать 10-21 А. Реализо- вать отношение этих токов, равное 1:10п,— проблема технически исключительно сложная. Известно мало механизмов инжекции заряда, которые после программирования, да еще при малых напря- жениях записи, выключались бы абсолютно надежно и обеспечи- вали получение указанного выше отношения токов. Решение проблемы, как оказалось, нашлось на том пути, ко- торый сначала представлялся невозможным. После исследования многих методов генерирования электронов с высокой энергией (го- рячих) было решено подойти к проблеме с другой стороны: найти способ проникновения электронов с низкой энергией через окисел. Реализовать такой способ можно было с помощью туннелирования Фаулера—Нордхейма, представляющего собой хорошо известный физический механизм, который проиллюстрирован с помощью зон- ной диаграммы на рис. 3.39. По существу, дело здесь заключается в том, что когда электрическое поле в диэлектрике становится 124
больше примерно 107 В/см, электроны с отрицательно заряженно- го электрода (на рис. 3.39, а— это поликремний) могут попасть в зону проводимости диэлектрика. Пройдя лишь очень короткое рас- стояние через его запрещенную зону, эти электроны свободно дости- гают положительного электрода. Однако на пути к использованию этого механизма возникли две большие трудности. Во-первых, всегда считалось, что при элек- трических полях около 107 В/см в двуокиси кремния происходит катастрофический пробой, и поэтому в нормальных режимах работы поля в МДП-транзисторах были на порядок ниже. Во-вторых, для возникновения туннелирования по указанному механизму при приемлемых с практической точки зрения напряжениях (20 В) толщина окисла должна быть меньше 20 нм. Окисные пленки тол- щиной менее 50 нм редко изготавливались даже при эксперименталь- ных исследованиях, поэтому были опасения, что плотность дефектов в таких тонких пленках может оказаться недопустимо высокой. Однако этим недостаткам противостоят следующие достоинства. Процесс туннелирования в общем случае идет с малым расходом энергии и с высокой эффективностью, что обусловливает малое потребление мощности. Туннелирование электронов через диэлек- трик по данному механизму — процесс двусторонний, и его можно использовать как для заряда, так и для разряда затвора. И наконец, область туннельного окисла может быть сделана очень малой по площади, что, естественно, хорошо согласуется с требованием по- лучения высокой плотности упаковки. Вследствие этих побудительных причин были начаты работы по Созданию методов выращивания надежных окисных и нитридных пленок толщиной менее 20 нм с малой плотностью дефектов. К на- стоящему времени рекордным в этом отношении прибором является МДП-транзистор с окисно-нитридным диэлектриком толщиной а) Рис. 3.39. Механизм туннелирования электронов через тонкий окисел (а), структура запоминающего элемента с туннельным окислом (б), вольт-ампериая характеристика эффекта туннелирования по механизму Фаулера-Нордхейма (в) 125
10 нм (0,01 мкм). Подзатворный диэлектрик такой толщины полу‘ чается при термическом окислении пленки нитрида кремния, выра- щенной перед этим путем термической нитридизации поверхности кремния при температурах свыше 1100 °C в среде аммиака. Чистый подзатворный нитридный диэлектрик трудно вырастить термическим способом с необходимой заранее толщиной, целостностью и требуе- мой электрической прочностью, а слои окисла толщиной менее 20 нм обычно имеют слишком много дефектов. Разработанные окисно-нитридные диэлектрики имеют толщину 10... 15 нм, обладают приемлемой воспроизводимостью и вместе с тем имеют вполне приемлемые пробивные напряжения. После окисления пленки нитрида кремния чистый нитрид остается только на границе с подложкой, а далее диэлектрик плавно переходит в двуокись кремния. Используя такой подзатворный диэлектрик, можно полу- чить МДП-прибор с дифференцированным потенциальным барье- ром: высота этого барьера со стороны подложки при программиро- вании ЭСППЗУ получается намного меньше высоты барьера, дей- ствующего в противоположном направлении. В результате может быть получен запоминающий элемент с напряжением программиро- вания менее 12 В, имеющий хорошие характеристики хранения информации. Успехи технологии формирования тонких бездефектных диэлек- трических слоев на кремнии позволили разработать конструкции электрически перепрограммируемых ячеек памяти, работающих на эффекте туннелирования (рис. 3.40). На плавающем и управляю- щем кремниевых затворах в этих конструкциях имеются ступеньки в областях перехода к более тонкому туннельному диэлектрику. В варианте конструкции, изображенном на рис. 3.40, а, туннель- ный окйсел располагается над областью канала. При подаче на верхний затвор напряжения соответствующей полярности при нуле- вом напряжении на остальных электродах, на плавающий затвор Рис. 3.40. Варианты запоминающих элементов ЭСППЗУ на «-канальных МДП-тран- зисторах с двумя поликремниевыми затворами и тонким подзатворным туннельным диэлектриком: / — толстый окисел; 2— металлическая шина, 3— межзатворный диэлектрик; 4— тонкий туннельный диэлект- рик Г26
через емкостную связь передается положительное напряжение. Электроны при этом проходят через туннельный окисел и заряжают плавающий затвор. И наоборот, при подаче к областям стока, истока и подложки положительного потенциала ( + 17 В) при нуле- вом потенциале на управляющем затворе происходит разрядка плавающего затвора. Для создания на основе запоминающего элемента, изображенного на рис. 3.40, а, схемы ЭСППЗУ необхо- димо осуществить развязку между матричным накопителем и схе- мой управления. С этой целью запоминающий элемент размещают в р'-кармане, сформированном в подложке п-типа. Во втором варианте (рис. 3.40, б) туннельный окисел расположен над стоковой п -областью. Сформировать тонкий окисел над п+- областью сложнее, однако преодоление этих технологических труд- ностей позволяет создать схему ЭСППЗУ, в которой кроме изби- рательной (побайтовой) записи можно осуществить и избирательное стирание. Под действием разности потенциалов между плавающим затвором и стоком в туннельном окисле можно создавать электри- ческое поле разной направленности — вытягивающее электроны с области стока на плавающий затвор и снимающего заряд с плаваю- щего затвора. Таким образом, структуры с туннельным окислом позволяют просто и воспроизводимо выполнять как программирова- ние, так и стирание запоминающего элемента. Но возникает вопрос о том, насколько надежно будет сохраняться записанный заряд и не понадобится ли регенерация информации при таком тонком окисле. Ответом на этот вопрос является график, показанный на ирис. 3.39, в, который свидетельствует об очень сильной зависимости туннельного тока от напряжения на окисле. Как видно из графика, туннельный ток возрастает на порядок при увеличении приложенного напряжения на каждые,4),8 В. Если выполнить сформулированное выше требование о различии токов программирования и утечки на 11 порядков, то становится ясным, что разница между напря- жением на туннельном окисле во время программирования и во время считывания должна превышать 8,8 В. Такая величина, до- полненная соответствующими запасами на технологические разбро- сы, является вполне приемлемой. Кроме того, надо учесть, что в про- цессе считывания и хранения никакого разрушения информации не происходит, и поэтому при нормальных условиях работы ЗУ или пассивного хранения в нем информации никакая ее регенерация не нужна. Экспериментальные исследования подтвердили, что структу- ра, изображенная на рис. 3.40, б, может сохранять информацию в течение более 10 лет при температуре 125 °C. Другим важным моментом является поведение электрически стираемого запоминающего элемента при многократных повторениях циклов запись — стирание. Эта характеристика обычно называется долговечностью элемента памяти и связана с деградацией свойств Диэлектрика, вызванной захватом электронов на его ловушках и 127
Рис. 3.41. Изменение пороговых напряжении (Л)! и U&2 запоминающего элемента ЭСППЗУ с увеличением числа циклов программирова- ние — стирание информации при незаряжен- ном (кривая /) и заряженном (кривая 2) сос- тоянии плавающего затвора образованием в нем объемного заряда. Как показано на рис. 3.41, по мере возрастания количества циклов запись — стирание пороговые напряжения запоминающего элемента и в заряженном и в незаря- женном состояниях изменяются таким образом, что их разность уменьшается и становится меньше 8,8 В, что означает, по существу, отказ элемента памяти. К счастью, это происходит только после очень большого количества циклов (104...10s), что практически обе- спечивает необходимый срок службы запоминающего элемента. В ячейке ЭСППЗУ, структура и топология которой приведены’ на рис. 3.42, использован ряд новых конструктивных усовершен- ствований. В ней применяется «-канальный МДП-транзистор с ко- ротким (3,5 мкм) каналом и с поликремниевым управляющим за- твором, расположенным над плавающим затвором. Последний пе- рекрывает лишь часть канала, прилежащую к стоковой области, и в стороне от канала лежит над небольшим участком области истока. Управляющий затвор перекрывает плавающий затвор и область канала. Толщина межзатворного и подзатворного диэлектриков (окись кремния) ' ’' имеет обычные для МДП-технологии значения 0,07...0,12 Рис. 3.42. Структура и топология запоминающего элемента ЭСППЗУ на /г-канальио МДП-транзисторё с двумя поликремииевыми затворами — управляющим (УЗ) '1; плавающим (ПЗ): 1 /— межзатворный диэлектрик; 2— подзатворный Диэлектрик; 3— туннельный диэлектрик; 4— толстый ой сел; 5— область перекрытия плавающим затвором истоковой области для стирания информации 128 мкм, а толщина туннельного окисла в области стирания значитель- но меньше (0,03...0,05 мкм). Подобная конструкция довольно часто используется для построения ЭСППЗУ. Она не требует введения в схему ячейки памяти дополнительных транзисторов выборки, что существенно уменьшает площадь. Для программирования применяется инжекция электронов из «-канала в плавающий затвор. Для усиления инжекции канал сделан воронкообразным с уменьшающимся к области стока сече- нием. Программирование осуществляется одновременным подключе- нием достаточных напряжений к стоку и управляющему затвору при заземленном истоке. В канале возникают горячие электроны, ко- торые инжектируются в плавающий затвор (ПЗ) и изменяют поро- говое напряжение МДП-транзистора. Пороговое напряжение неза- программированной ячейки равно приблизительно 1 В. В процессе программирования оно повышается до 8 В. При этом хранение «0» соответствует состоянию транзистора с незаряженным плавающим затвором. Считывание осуществляется дискриминацией двух состоя- ний (По=1 В и U0=8 В) с помощью считывающего импульса со стандартным напряжением 5 В, прикладываемого к управляюще- му затвору. Электрическое стирание информации, т. е. разрядка плавающего затвора, производится над областью истока, расположенной над плавающим затвором. Для этого импульс стирания амплитудой примерно 4-35 В прикладывается к истоку И, при этом управляющий затвор УЗ заземляется, а сток С остается свободным. За счет емко- стной связи в туннельном диэлектрике создается сильное электри- ческое поле, под действием которого осуществляется туннелиро- вание электронов с плавающего затвора в исток по механизму Фаулера—Нордгейма. На основе рассмотренных «-канальных МДП-транзисторов с двумя уровнями поликремния с тремя слоями тонкого окисла (под- затворный, межзатворный и туннельный) может быть спроектиро- вано программируемое логическое устройство (ПЛУ) с электри- чески изменяемой конфигурацией, очень удобное для быстрого из- готовления заказных логических микросхем. 3.7. КОНСТРУКЦИИ И МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОММУТАЦИИ В МДП-БИС В микросхемах на МДП-транзисторах в качестве элементов коммутации используют высоколегированные диффузионные шины с низкими значениями сопротивления. Эти шины изолированы от объема полупроводниковой подложки обратносмещенным р-п пере- ходом (рис. 3.43), а сверху покрыты изолирующей пленкой SiC>2, по поверхности которой прокладываются металлические проводя- 5 Зак. 918 ’ 129
Рис. 3.43. Элементы коммутации в полупроводниковой микросхеме на МДП-транзисторах с алюминиевыми зат- , ворами: I— металлизация обратной стороны подложки; 2— монокристалли- ческий кремний п-типа; 3— пленка SiCh; 4— алюминиевая шина ком- мутации Рис. 3.44. Предельные возможности различных систем металлизации для выполнения элементов коммутации и затворов МДП-микросхем . Предел для Металл и чесние затворы полинренния одинарный саносовнещенные поликремнии тликренний затворы ^Затворы ВИС У и/,/7,- Высококачественное селективное масштабирование Силициды на поликремнии Тугоплавкие металлы Проводники между эле- ментами ВИС Предел для алюминия Чистый алюминий Чистый + нагрев обработка на напыли- алюминий подложки'' тельном оборудовании Легированный алюминий магнетронное распыле- (27°неди,1%кремния) ‘ ние мишени барьерные несколько мишеней алюминий ' металлы * (установок) Системы благородных или тугоплавких металлов I______।_____L О 0,5 .1 2 3 4 5 Ширина затворов, мкм Ширина проводников, мкм 8 6 7 130
щие дорожки (алюминий) в направлении, перпендикулярном рас- положению диффузионных шин. При использовании в качестве затворов поликристаллического кремния создается еще один (тре- тий) уровень разводки. Для этого проводящие дорожки формируют при диффузионном или ионном легировании пленок поликремния. Удельное поверхностное сопротивление токоведущих сигнальных шин в МДП БИС имеет следующее значение: для алюминиевых шин ps^0,05 Ом/П, для диффузионных шин /?+-типа ps^50 Ом/П, для диффузионных шин я+-типа ps^10 Ом/П, для шин из поли- кристаллического кремния ps^40 Ом/П. По ме^ре того как минимальный размер элементов СБИС уменьшается до микрометра и менее, возникают новые требова- ния к материалам и технологии создания разводки. Предназначенные для создания затворов и соединяющих их шин разведки пленки поликристаллического кремния обладают существенными преимуществами: низкие пороговое напряжение и контактное сопротивление с шинами других уровней разводки и с монокристаллическим кремнием; плавное перекрытие крутых ступе- нек; стабильность границ раздела ППК—окисел, ППК—крем- ний; высокая разрешающая способность литографических процес- сов. Однако при ширине дорожек менее 2 мкм высокое сопротивле- ние ограничивает применение пленок ППК- Усилия по снижению ps ППК методами легирования и термических рекристаллизацион- ных обработок не дали существенных результатов: ps не удалось снизить больше чем до 10...20 Ом/П. Уменьшить сопротивление разводки можно, применив пленки тугоплавких металлов или их силицидов (рис. 3.44). Они имеют низкое поверхностное сопротивление; наносимые поверх пленок ПК (рис. 3.45), они играют роль шунта поликремниевой шины разводки. Металлические молибденовые или вольфрамовые шунты требуют нанесения защитного слоя, предотвращающего их от окисления. У вольфрамовых пленок при толщине 0,12 мкм ps« 1 Ом/П. Посколь- ку химическое или иное травление пленок Мо и W — процесс слож- ный, а на заключительных этапах создания микросхем на МДП- транзисторах даже нежелательный, разработаны методы селектив- ного осаждения этих материалов на поверхность пленок ПК. Силициды тугоплавких металлов привлекают к себе все большее внимание как материалы для соединительных проводников БИС и СБИС. Наиболее перспективны силицид молибдена и силицид вольфрама. Использованный для формирования затворов и раз- водки силицид молибдена MoSi2 при толщине пленки 0,3 мкм имеет ps=3,5 Ом/П. Столь низкое удельное поверхностное сопротивле- ние позволяет уменьшить задержку из-за распределенных сопро- тивлений и емкостей в линиях связи примерно в десять раз по срав- нению с задержкой, свойственной приборам с поликремниевыми затворами и разводкой. 5* 131
Рис. 3.45. Коммутация в МДП БИС с исполь- зованием легированного поликремния (а) и поликремния с шунтом из тугоплавких'пере- ходных металлов (W, Мо) или их силици- дов (б): /— кремниевая подложка; 2— пленка S1O2; 3— пленка поликристаллического кремния; 4— пленка переходного металла (или силицида) Q__________Si I j р$ = 15 Ом/п р$=2 Ом/а 1 а) 5} При создании соединений между элементами БИС возникают] собственные требования. В первую очередь речь идет об устойчи-Я вости.к электромиграции при высоких плотностях тока, равномер-1 ном плавном перекрытии ступенек в слое диэлектрика, об устойчи-1 вости к коррозии и о возможности хорошей приварки проволочных] выводов. I Оценки показывают, что при размерах элементов, характерных] для сегодняшнего дня, алюминиевые сплавы обладают преимущест-1 вами. Однако с уменьшением ширины дорожек до 1 мкм сущест-1 венную роль начинают играть три недостатка: ограниченные воз-] можности алюминия с точки зрения пропускания через него тока,] его недостаточно стабильный контакт с кремнием и его склонность! к коррозии (см. также § 2.10). 1 Любая возможная замена алюминия имеет свои недостатки,] но вольфрам обладает наиболее перспективным сочетанием свойств.] Вольфрам, по-видимому, будет наиболее перспективным металлом’ для создания разводки. Ни одно рассмотрение перспективной технологии создания раз- водки не будет полным, если не уделить внимание диэлектрикам, разделяющим слои разводки. Требования к этим диэлектрикам сформулировать легко: пленки не должны иметь значительных । механических напряжений и должны быть устойчивыми к растрески-] ванию, они должны содержать минимум дефектов, обеспечивать! гладкую поверхность. К методам сглаживания рельефа диэлектри-] ческих пленок, наносимых на металлические дорожки, проявляет- ся значительный интерес. Предпочтение отдается низким темпера- турам осаждения и отжига. Пленка должна быть барьером для пере- носа примесей и обладать низкой диэлектрической постоянной. В основном в качестве межслойных диэлектриков применяют рленки SiO2, осажденные из газовой фазы и из плазмы, а также пленки нитрида кремния, фосфоросиликатного и борофосфоросили- катных стекол. К. этому следует добавить полиимидные пленки, особенно с учетом того, что они позволяют улучшить планарность. 132
Г л ав а \ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ 4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВЫХ МИКРОСХЕМ Микросхемы, содержащие интегрированные на одном кристалле биполярные и полевые транзисторы, по конструктивно-технологи- ческому исполнению классифицируют на содержащие биполярные и полевые с управляющим р-п переходом транзисторы, содержа- щие биполярные и полевые с изолированным затвором транзисторы и на содержащие биполярные и полевые с управляющим р-п пере- ходом и полевые с изолированным затвором транзисторы. По функциональному назначению они подразделяются на анало- говые и логические; в аналоговых микросхемах, в свою очередь, можно выделить операционные усилители, негатроны, усилитель- ные каскады БИС и СБИС, повторители напряжения, аналоговые мультиплексоры, компараторы, схемы выборки и хранения и др. Уже первые работоспособные аналоговые микросхемы, изготов- ленные по биполярно-полевой технологии, непременно превосхо- дили те, что созданы на основе только биполярных приборов. Наиболее широкое распространение к настоящему времени полу- чили микросхемы с биполярными и полевыми с управляющим переходом транзисторами, так как они могут быть изготовлены на основе хорошо отработанных и освоенных технологических вариан- тов, например планарно-эпитаксиальной технологии. Естественно, что необходимость оптимизации физико-топологических моделей как биполярного, так и полевого транзисторов, пригодных для форми- рования их в одном кристалле с целью получения необходимых электрофизических параметров микросхем, приводит или к некото- рому усложнению технологии или к снижению выхода годных. 4.2. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С УПРАВЛЯЮЩИМ р-п ПЕРЕХОДОМ Интегральные микросхемы на основе одних только полевых транзисторов с управляющим р-п переходом (см. § 1.2, рис. 1.13) в настоящее время не выпускаются. В последнее десятилетие такие транзисторы стали одним из основных элементов полупроводниковых микросхем, использующихся в сочетании с биполярными транзис- торами в одном кристалле. На рис. 4.1 показана конструкция полевого транзистора с управляющим р-п переходом (ПТУП) и каналом p-типа, совмести- мая с технологией изготовления микросхем на биполярных транзис- торах «+-р-п-типа. 133
Рис. 4.1. Структура полевого транзистора с управ- ляющим р-п переходом, совместимая с изготовле- нием микросхемы на биполярных транзисторах по планарно-эпитаксиальной технологии Рис. 4.2. Структура (а...г) и выходные характеристи- ки (д) полевого транзистора с управляющим р-п переходом и каналом п-типа: / — крутая линейная область; 2— граница перекрытия канала; 3— пологая область насыщения; 4— область пробоя На рис. 4.2, а показана структура полевого транзистора с управ- ляющим р-п перехсуюм и каналом п-типа, совместимая с п+-р-п- биполярной технологией. Области канала n-типа и высоколегиро- ванные области п+ и р+, являющиеся электродами полевого тран- зистора, получены диффузией примесей. Участок управляемой про- водимости или канал, находящийся между истоком и стоком, распо- лагается под областью затвора. Подложку рассматривают как са- мостоятельный электрод. В структуре ПТУП и каналом п-типа можно указать следующие переходы: затвор—исток ЗИ, затвор—сток ЗС, подложка—исток ПИ, подложка—сток ПС. Все эти переходы при работе полевого транзистора должны быть смещены в обратном направлении, отку- да следует, что напряжение на затворе относительно истока должно 134
бытьотриц.ательцым, а напряжение на стоке относительно истока — положительным. В дискретных ПТУП подложка, как правило, технологически соединяется с верхним низкоомным затвором, а в интегральных полупроводниковых схемах — с точкой, имеющей наименьший потенциал, поскольку является общей частью и для остальной схемы. Для полевого транзистора с управляющим р-п переходом и каналом p-типа знаки напряжений на внешних электродах необхо- димо заменить на противоположные, а подложку соединить с точ- кой с наибольшим потенциалом. Наличие разнополярных напряже- ний — существенный недостаток схем, выполненных с применени- ем ПТУП. Принцип действия полевого транзистора с управляющим р-п переходом и каналом н-типа поясняет рис. 4.2, б...г. Поскольку потенциалы на электродах транзистора измеряются относительно истока, будем считать его заземленным. При нулевых напряжениях на затворе и стоке ток через канал не проходит. Тол- щины обедненных слоев (областей пространственных зарядов) в этом случае ми- нимальны и определяются контактной разностью потенциалов между р- и «-облас- тями. Если на затвор транзистора подается отрицательное напряжение, то обед- ненный слой проникает в глубь канала, сужая сечение той его части, в которой находятся свободные (подвижные) носители заряда. И хотя физические размеры структуры остаются неизменными, сечение проводящей части канала регулируется напряжением, приложенным к затвору. Таким образом, изменяя уровень отрица- тельного напряжения на затворе, можно управлять проводимостью канала между его истоком и стоком. Максимальная проводимость достигается при напряжении 1/зи=0, так как в этом случае сечение проводящей части канала максимально. При некотором значении напряжения на затворе обедненный слой проникает на всю толщу канала, полностью перекрывая его, что приводит к падению прово- димости до нуля. Напряжение Пзи, при котором наступает этот эффект, называется напряжением отсечки и обозначается t/„TC. Проводимость канала остается равной нулю, если |t/3Hl>l t/0TJ. Поскольку выражение «полностью перекрытый канал» не содержит в себе количественного критерия, Umc условно определяется как на- пряжение на затворе (при заданном напряжении (7СИ, при котором ток стока имеет определенное значение — обычно 1 или 10 мкА). При приложении положительного напряжения к стоку и при Пзи=0 по каналу потечет ток, обусловленный основными носителями заряда (в данном случае элек- тронами). Ток стока /с сначала растет пропорционально росту напряжения t/си- На выходных характеристиках (рис. 4.2, д) этому случаю соответствует «линейная» область. Когда напряжение <7си по величине сравнимо или больше Uотс, выходные характеристики становятся нелинейными. Это объясняется тем, что ПСи увеличивает разности потенциалов между каналом и затвором, что в свою очередь увеличивает толщины обедненных слоев. Толщина обедненных слоев максимальна у стока и минимальна у истока. При некотором напряжении на стоке обедненные слои смы- каются вблизи него и в результате наступает момент, называемый перекрытием канала (рис. 4.2, в). Дальнейшее увеличение напряжения С/си не приводит к росту 135
тока /с, а лишь увеличивает напряженность поля в обедненном слое. При этом точка смыкания обедненных слоев смещается в сторону истока. В узкой проводящей области вблизи стока плотность тока и электрическое поле велики; явления переноса носителей подобны инжекции носителей эмиттером биполярного транзистора в обедненную область обратносмещенного коллекторного перехода. Поскольку перекрытие канала при некотором 1/си приводит не к отсечке тока, а только лишь к отсечке его приращений, удобнее это напряжение называть напряжением насыщения U нас (при изи=0). После наступления насыщения ток /с не зависит от напряжения U^, но остается зависимым от напряжения (/зи. При одновременном приложении напря- жений затвора и стока насыщение тока стока наступает при различных напряже- ниях на стоке: чем больше запирающее напряжение, тем меньше напряжение на стоке, соответствующее насыщению тока /с. На семействе полных выходных характеристик, показанных на рис. 4.2, д, можно выделить три области: (крутую) «линейную», (пологую) насыщения и область пробоя, в которой ток Iq резко возрастает при небольших увеличениях напряжения {?си- При увеличении напряжения £7ЗИ может произойти пробой соответствующего перехода, однако он не выводит из строя транзистор, если при этом мощность рассея- ния иа нем не будет превышать максимально допустимую. После возвращения в нормальный рабочий режим транзистор восстанавливает свою работоспособность. Это свойство полевых транзисторов с управляющим р-п переходом дает им большое преимущество перед транзисторами МДП-типа, так как у последних возникнове- ние пробоя в цепи затвора приводит к выходу их из строя. При положительном напряжении (7ЗИ ток If. увеличивается незначительно, так как изменение смещения в прямом направлении несущественно влияет на шири- ну обедненного слоя. Выше отмечалось, что если переход смещен в прямом направле- нии, то для работы транзистора требуется большой ток затвора /3. При отрица- тельном напряжении (73ц входное сопротивление /?вх составляет величины поряд- ка 1О8...1О? Ом. Роль и значение полевых транзисторов с управляющим р-п переходом в полупроводниковых микросхемах, содержащих в одном кристалле и биполярные транзисторы, особенно заметны при созда- нии усилительных каскадов. Сочетание биполярного и полевого транзисторов в различных усилительных каскадах устраняет недо- статки, свойственные каскадам, построенным исключительно на би- полярных транзисторах. Хорошо известно, что биполярный транзистор обладает высокой крутизной передаточной характеристикой, но низким входным сопро- тивлением по сравнению с полевым транзистором. Простая схема (рис. 4.3) усилителя-инвертора, состоящего из полевого VT1 и биполярного VT2 транзисторов, позволяет устранить этот недостаток, сохранив положительные качества транзистора VT2. Работает данный усилитель следующим образом. Входной управ- ляющий сигнал от источника U3 отрицательной и положительной полярности, подаваемый на затвор VT1, вызывает соответствующее 136
Рис. 4.3. Схема биполярно-полевого усилителя-инвертора Рис. 4.4. Биполярно-полевой усилитель- ный каскад без насыщения изменение тока стока полевого транзистора, пропорциональное его крутизне, и последующее изменение тока коллектора биполярного транзистора, пропорциональное его коэффициенту передачи тока (крутизне). Следовательно, результирующая крутизна такой схемы равна произведению крутизны полевого на крутизну биполярного транзисторов. Так как входной сигнал подается на затвор полевого транзистора, то дополнительно достигается и высокое входное со- противление. Известно, что при больших токах базы биполярный транзистор входит в режим насыщения и становится неуправляемым. На рис. 4.4 изображена схема усилительного каскада, свободная от этого не- достатка. В исходном состоянии полевой транзистор VT1 закрыт положительным напряжением от источника электропитания U^. Когда напряжение на коллекторе биполярного транзистора вслед- ствие увеличения входного тока станет равным напряжению на базе, транзистор VT2 должен войти в режим насыщения. Однако при этом откроется полевой транзистор, и часть входного тока через него потечет на землю. Это вызовет уменьшение коллекторного тока, потенциал коллектора VT2 (а также затвора VT1) повысится и полевой транзистор закроется. Таким образом, биполярный тран- зистор не входит в насыщение, и каскад стабильно работает в активном режиме. Известно, что для обеспечения высокого коэффициента пере- дачи тока и граничной частоты усиления биполярного транзистора необходимо уменьшить толщину его активной базы. Однако это ведет к снижению его пробивного напряжения в схеме с общим эмиттером и напряжения смыкания коллекторного и эмиттерного р-п переходов. Оптимальное сочетание перечисленных электри- ческих характеристик достигается соединением биполярного и поле- вого транзисторов по каскодной схеме, изображенной на рис. 4.5. Введение в коллекторную цепь биполярного транзистора полевого транзистора, сопротивление канала которого возрастает с увеличе- нием напряжения С/к.Э- позволяет перераспределить это напряжение, между р-п переходом коллектора и сопротивлением канала. Уже не все напряжение прикладывается к коллекторному переходу, 137
р+у V" Рис. 4.5. Биполярио-полевая каскодная Рис. 4.6. Симметричный оконечный уси- схема с высоким напряжением пробоя лительный каскад без переходных иска- жений который в этом случае пробивается при большем питающем напря- жении, чем в обычном биполярном транзисторе. Симметричные оконечные усилительные каскады, построенные на основе комплементарных биполярных п-р-п и р-п-р-транзисторов, в режиме линейного усиления обладают существенным недостат- ком — переходными искажениями. Этот недостаток обусловлен тем, что ток в нагрузке усилителя отсутствует до тех пор, пока напряже- ние эмиттер—база на одном из транзисторов не превысит прибли- зительно 0,6 В (для кремниевых транзисторов). Для исключения переходных искажений в таких усилительных каскадах предлага- ется использовать параллельное включение биполярных транзисто- ров и полевого транзистора с управляющим переходом, как это показано на рис. 4.6. Биполярный р-п-р-транзистор VT2 и р-каналь- ный полевой транзистор VT3 образуют единый трехэлектродный элемент. Транзистор VT3 работает как истоковый повторитель в диапазоне входного напряжения, при котором оба биполярных транзистора VT1 и VT2 закрыты. Следовательно, устраняются переходные искажения, свойственные симметричному каскаду на биполярных транзисторах, при сохранении экономичности его цепи питания. На основе этого принципа уже разработана интегральная микро- схема повторителя Напряжения, содержащая на одном кристалле биполярные и счетверенные полевые транзисторы, благодаря нали- чию которых существенно возросла скорость нарастания сигнала. Из приведенных выше примеров создания усилительных каска- дов полупроводниковых микросхем видно, что объединение биполяр- ного и полевого транзисторов в одной микросхеме позволяет не только существенно улучшить ее электрические характеристики, но и расширить ее функциональные возможности. В схемотехническом отношении такие структуры позволяют в линейных микросхемах достичь существенного уменьшения входного статического тока сме- щения, повышенной скорости нарастания сигнала и большого вход- 138
ного сопротивления. Улучшение примерно на порядок частотных характеристик является еще одним, в ряде случаев еще более важ- ным преимуществом таких микросхем. Особенно ярко эти возмож- ности видны на примере разработок интегральных полупроводни- ковых схем операционных усилителей (ОУ). Динамические характеристики операционных усилителей, изго- товленных по чисто биполярной технологии, ограничены парамет- рами р-л-р-транзисторов. Биполярно-полевая технология позволяет заменить их полевыми с p-каналом и тем самым существенно улуч- шить быстродействие ОУ. Применение полевых транзисторов во входных каскадах ОУ позволяет на несколько порядков снизить входной ток смещения, что приводит к улучшению точностных ха- рактеристик усилителя. Входной ток в полевом транзисторе с р-п переходом не превышает 10 н А. Для схем операционных усилителей с частотной компенсацией скорость нарастания сигнала пропорцио- нальна отношению статического тока смещения транзистора вход- ного каскада к его крутизне. По сравнению с биполярными тран- зисторами токи смещения полевых транзисторов, необходимые для получения такой же крутизны, больше, поэтому применение поле- вых транзисторов обеспечивает значительное увеличение скорости нарастания выходного сигнала. В операционных усилителях с по- левыми транзисторами на входе скорость нарастания выходного сигнала можно повысить примерно в 20 раз без увеличения полосы пропускания. Использование на одном кристалле наряду с биполяр- ными полевых транзисторов позволило существенно расширить полосу пропускания, снизить уровень шумов, повысить скорость нарастания сигнала и входное сопротивление усилителя, схема которого представлена на рис. 4.7. Схема содержит дифференциальный входной каскад на полевых транзисторах с управляющим р-п переходом. Этот каскад выполнен на двух полевых транзисторах с согласованными параметрами, за которыми идет дифференциальный каскад на биполярных тран- Рис. 4.7. Базовая схема операционного усилителя с бис яркими и полевыми с управляющим р-п переходом транзис- торами Рис. 4.8. Схема выходного каскада операционного усилителя с составным биполярно-полевым транзистором 139
зисторах, обеспечивающий симметричную нагрузку с точки зрения токов смещения. Транзисторы VT1 и VT2, как видно из рис. 4.7, используются для усиления входного сигнала, вторая же пара поле- вых транзисторов VT3 и VT4 обеспечивает одинаковые токи сме- щения на первых. На рис. 4.8 показан пример использования полевого транзис- тора в выходном каскаде операционного усилителя для повышения его устойчивости при работе на большие емкостные нагрузки. Тран- зисторы VT1 и VT2 образуют широкополосный составной биполяр- но-полевой транзистор. Здесь мы вновь встречаемся с универсальностью полевых при- боров, о которой говорилось в § 3.1. Полевые транзисторы могут быть использованы и как активные и как пассивные нагрузочные элементы, что не осуществимо в микросхемах на биполярных транзисторах. В каждом конкретном случае совместного применения биполярного и полевого транзисторов в составе полупроводниковой микросхемы к каждому из них предъявляются свои специфические требования. 4.3. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ БИПОЛЯРНОГО И ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРОВ В ОДНОМ КРИСТАЛЛЕ При изготовлении биполярного и полевого транзисторов в одном кристалле возникает та же проблема оптимизации характеристик и физико-топологических структур, которая обсуждалась в § 2.2 в *3;вязи с необходимостью оптимизации одновременно двух биполяр- ных транзисторов п+-р-п- и р-п-р-типов, создаваемых в одном кри- сталле. Из описания принципа работы полевого транзистора с управ- ляющим р-п переходом ясно, что одновременно обеспечить низкое напряжение отсечки и высокое напряжение пробоя р-п перехода затвор — исток полевого транзистора можно созданием тонкого и слаболегированного канала. Для обеспечения большого коэффи- циента передачи тока и высокой граничной частоты биполярного транзистора база также должна быть тонкой. Но при снижении степени легирования базы уменьшаются предельная частота усиле- ния и напряжение прокола базы. Такая взаимосвязь конструктивно- технологических параметров областей и электрических характерис- тик транзисторов определила один из возможных путей создания интегрированных биполярных и полевых с управляющим электро- дом структур — формирование активных областей транзисторов раз- личных типов с различной толщиной и степенью их легирования. Один из вариантов такого рода структур, характеризующийся малым напряжением отсечки ПТУП, представлен на рис. 4.9. В дан- ном случае уменьшение напряжения отсечки достигается за счет 140
Рис. 4.9. Структура, содержащая биполярный и V-ПТУП-транзистор: / — подложка кремния р-типа; 2— эпитаксиальный слой; 3— скрытый слой; 4— изолирующие области; 5— базовая область; 6 — область канала р-типа; 7— V-образное углубление; 8— облает) эмиттера; 9—область затвора; 10— п+-область контакта к ко1 лектору п*-р-п-транзитор V-ПТУП-транзистор использования V-ПТУП. Технология изготовления данной структуры состоит из следующих этапов: в кремниевую подложку p-типа с эпитаксиальным слоем п-типа, содержавшую скрытый п-слой и изолирующие диффузионные области р+-типа, проводится диффу- зия для формирования областей базы и канала p-типа. Затем с по- мощью фотолитографии вскрывается окно в окисном слое и осущест- вляется химическое травление базовой области в структуре ПТУП для образования V-образного углубления. Подложка имеет крис- таллографическую ориентацию (100). Далее проводится диффузия для формирования областей п+-типа эмиттера, затвора и омичес- кого контакта коллектора. Этот конструктивно-технологический вариант изготовления ми- кросхемы позволяет полностью совместить технологические опера- ции формирования областей обоих типов транзисторов, но требует введения дополнительных операций фотолитографии и травления. Обеспечить более точную регулировку концентрации легирующей примеси в канале, а следовательно и напряжения отсечки, по сравнению с щффузионной технологией, можно с помощью ионно- го легирования. Применение ионного легирования позволяет изготовлять микросхемы, содержащие на одном кристалле высоко- качественные биполярные транзисторы и высококачественные поле- вые транзисторы с точно согласованными параметрами. Структура, содержащая такие транзисторы, представлена на рис. 4.10. В ней одна ионно-легированная область образует канал p-типа между областями истока и стока, вторая ионно-легированная область об- разует затворную область над этим каналом. Такая технология включает операции диффузии базы, истока и стока, а также эмиттера и омических контактов коллектора и затво- ра. На следующих этапах изготовления микросхемы готовая пласти- на с диффузионными областями дополняется областями канала и затвора, формируемыми методом ионного легирования. По данной технологии изготавливаются описанные в § 4.2 операционные усилители. Различие между структурой биполярный транзистор — ПТУП и структурой на основе обычной планарно-эпитаксиальной техноло- гии заключается в наличии сформированного ионным легированием канала, заглубленного под поверхность полупроводникового мате- риала в промежутке между областями истока и стока. В процессе 141
Рис. 4.10. Структура, содержащая бипо- лярный транзистор и полевой транзис- тор с управляющим р-п переходом с ионно-легированным каналом (/) и ионно-легированным верхним управля- ющим затвором (?) Рис. 4.11. Биполярно-полевая структура с диэлектрической изоляцией элементов, обеспечивающая высокий коэффициент усиления: /— ионно-легированная область базы тран- зистора; 2— изолирующий окисел кремния; 3— поликристаллический кремний с большим удель- ным сопротивлением; 4— область канала полево- го трап tистора изготовления этой структуры одна операция ионного легирования обеспечивает формирование канала p-типа между истоковым и стоковым контактами, которые представляют собой стандартные диффузионные области p-типа, формируемые одновременно с диффу- зией базы в биполярных транзисторах. С помощью второго ионного легирования формируется затворная область п-типа, закрывающая сверху область канала. Напряжение отсечки полевого транзистора с управляющим р-п переходом пропорционально суммарному коли- честву легирующей примеси, имеющемуся в его канале. При использовании диффузионной технологии напряжение от- *"xe4KH полевых транзисторов контролируется очень плохо и получить два полевых транзистора с согласованными напряжениями отсечки почти невозможно. При переходе на формирование канала с помо- щью ионного легирования появляется возможность практически точно задать количество ионов примеси, необходимое для получе- ния канала с заданными свойствами. В результате становится впол- не реальным управлять абсолютными значениями напряжений от- сечки и получить ПТУП с точно согласованными параметрами. В то же время формирование ионно-легированных каналов с ма- лыми примесными концентрациями позволяет получить не только небольшие по абсолютному значению напряжения отсечки, но и высокие пробивные напряжения полевых транзисторов. В рассмотренных выше вариантах структур биполярный тран- зистор — ПТУП особое внимание уделено обеспечению малых зна- чений напряжения отсечки полевых транзисторов. Однако при ис- пользовании этих структур в ОУ следует учитывать и необходимость обеспечения высоких электрических характеристик биполярных тран- зисторов, в частности, статического коэффициента передачи тока В. Для этих целей разработана структура биполярного транзис- тора с большим коэффициентом передачи тока, в которой область 142
активной базы имеет низкую концентрацию легирующей примеси (М==2...4Х Ю15 см-3). Такой уровень легирования базы при ее ма- лой толщине, обусловленной необходимостью обеспечения высокой граничной частоты и коэффициента передачи тока, достигается в данной структуре сочетанием ионной имплантации и диффузии. Биполярно-полевая структура с диэлектрической изоляцией элементов, содержащая биполярный транзистор с большим В, изображена на рис. 4.11. Технологическая последовательность ее изготовления следующая: диффузия р+-областей, длительная диф- фузия для образования p-канала, ионное легирование и кратковре- менная диффузия p-области для образования базы биполярного транзистора, диффузия п+-областей для образования эмиттера биполярного и затвора полевого транзисторов. При изготовлении биполярно-полевой каскодной схемы (см. рис. 4.5) необходимо создание на одном кристалле биполярного п-р-п- и полевого с п-каналом транзисторов (рис. 4.12). В этой структуре полевой транзистор имеет кольцевую геометрию, а область канала полевого транзистора изолирована от коллектора биполярного транзистора диффузионными р-п переходами. Нижним затвором служит подложка. Для создания верхнего затвора прово- дится предварительная диффузия примеси бора с высокой поверх- ностной концентрацией и длительный диффузионный отжиг для заглубления р+-области затвора. Затем проводится диффузия бора с меньшей поверхностной концентрацией и менее длительным вре- менем для формирования базы биполярного транзистора. В резуль- тате более высокой концентрации и более длительной диффузии бор в полевом транзисторе диффундирует глубже, чем в биполярном. Области п+-типа эмиттера и омического контакта коллектора би- полярного транзистора, стока и истока полевого транзистора обра- зуются одновременно диффузней фосфора. Рис. 4.12. Биполярно-полевая структура с изоляцией элементов р-п переходами и п-канадьным полевым транзистором: /—диффузионная область базы биполярного транзистора; 2— область изолирующей диффузии; 3—р+-область верхнего затвора полевого тран- зистора; 4—область канала полевого транзис- тора Рис. 4.13. Биполярно-полевая структу- ра, содержащая ПТУП с вертикальным каналом /г-типа: /— область канала ПТУП; 2— р + -область затво- ра; 3— скрытый слой; 4— изолирующая р -об- ласть; 5—р+-область пассивной базы; 6— р_-область активной базы 143
Структура, в которой интегрированы малошумящий высоко-1 частотный n-канальный полевой и биполярный п-р-п-транзисторы, I изображена на рис. 4.13. Она отличается от приведенных выше! тем, что содержит не горизонтальный, а вертикальный полевой тран-1 зистор. Важным преимуществом последнего является возможность! формирования очень короткого канала и, тем самым, достижения! высокого быстродействия. При изготовлении этой структуры одновременно формирую™ п+-области эмиттера, контакта к коллектору, стока и истокаИ р+-область затвора может формироваться или при диффузии активИ ной базы p-типа, или, что более эффективно, при создании заглуб-И ленной области р+-типа пассивной базы биполярного транзистораИ В целях повышения воспроизводимости параметров структурьИ диффузия может быть заменена ионной имплантацией. И Вертикальный полевой транзистор при площади истока, равнойя 250 мкм2, имеет предельную частоту усиления 7 ГГц, напряжение ! отсечки 2 В, напряжение пробоя исток — затвор 10 В. Следует! отметить, что область истока с целью осуществления контакта вы-Я полняется шире канала и поэтому перекрывает диффузионные! области затвора. | Недостатками такой конструкции полевого транзистора, обус-1 ловленными перекрытием затвором области истока, является повы-| шенная емкость затвор — исток и малое напряжение пробоя. Пе-1 рекрытие может быть исключено с помощью техники самосовме-1 щения, но это требует дополнительных технологических операций.I Трудность изготовления на одном кристалле биполярного и поле-'! вого с вертикальным каналом транзисторов заключается в выборе | г оптимального значения сопротивления эпитаксиального слоя, опре-j деляющего сопротивление канала и коллектора. 1 4.4. ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЕ 1 БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ. 1 ИНЖЕКЦИОННО-ПОЛЕВАЯ ЛОГИКА 1 Функционально-интегрированная структура, содержащая бипо-1 лярный р-п-р-транзистор VT1 и полевой транзистор с управляющим! р-п переходом VT%, показана на рис. 4.14. В ней совмещены кол-! лекторная область биполярного р-п-транзистора с затворной обла-1 стью и n-канального полевого транзистора, а также базовая область! р-п-р-транзистора с истоковой областью полевого транзистора.! Эта структура является основой нового схемотехнического базиса! логических элементов, использующего явление инжекции основных! носителей заряда и полевой эффект и названного инжекционно- ] полевой логикой, выполняет функции инвертора и содержит поле- 1 вой транзистор в качестве переключательного элемента, а в ка- честве нагрузочного элемента (генератора тока) — биполярный транзистор. Затвор полевого транзистора служит входом (рис. 4.14 а, б, в), а сток — выходом инвертора. 144
Рис. 4.14. Структура (а), топология (б) и эквивалентная электрическая схема (в) инжекционио-полевого инвертора Инжекционно-полевой элемент работает следующим образом. Подключение базы и эмиттера р-п-р-транзистора соответственно к земле и к плюсовым электродам цепи питания при подаче на последние напряжения, равного напряжению откры- вания эмиттерного р-п перехода (0,3...0,6 В), обеспечивает протекание тока питания между эмиттером и коллектором р-п-р-транзистора. При этом р-п-р-транзистор включен по схеме с общей базой и является генератором постоянного тока, величина которого практически не зависит от напряжения на его коллекторе. Ток питания представляет собой ток неосновных носителей заряда, перемещающихся в базовой области р-п-р-транзистора, являющейся одновременно истоковой областью полевого транзистора. Неосновные носители заряда собираются (коллектируются) р-п пере- ходом затвор — исток. Полевой транзистор в ИПЛ-инверторе работает в режиме, не характерном для работы полевых транзисторов в традиционных схемах (см. § 4.2). При нулевом потенциале на входе инвертора (т. е. при замыкании затвора полевого транзистора на «землю», см. рис. 4.14), соответствующем напряжению логического нуля, поле- вой переключательный транзистор закрыт, так как его канал перекрыт обедненным слоем объемного заряда р-п перехода затвор — исток и имеет очень высокое сопро- тивление (рис. 4.15). Кроме того, обычно напряжение между затвором и истоком, при котором происходит перекрытие канала слоем объемного заряда, имеет отрица- тельную полярность и составляет несколько вольт. В случае ИПЛ-элемента это напряжение имеет положительную полярность и составляет несколько долей вольта. В самом деле, если гальваническая связь между входом и «землей» отсутствует, то неосновные носители заряда, коллектированные будут накапливаться в затворной области, пока на примерно равный напряжению источника питания. При этом р-п переход затвор — исток смещается в прямом направлении и сопротивление канала резко уменьшается вследствие уменьшения слоя объемного заряда. Переключательный полевой транзистор открывается. Напряжение 0,3...0,6 В соответствует напряжению логической «1». Рис. 4.15. Структура нормально закрытого полевого п-канального транзистора с управляющим р-п пере- ходом: i— область канала; 2— область объемного заряда; 3— диффузион- но-легированная кольцевая p-область затвора; 4— ионно-легиро ванная и+-область стока р-п переходом затвор — исток, ней не установится потенциал, 145
Описанный выше режим работы полевого транзистора не оптимален с точки зрения обеспечения привычных характеристик полевых транзисторов, в частности высокого входного сопротивления, реализуемых в традиционных схемах. Однако такой режим работы является единственно возможным для осуществления работы ИПЛ-инверторов в логических схемах непосредственно друг на друга без. промежу- точных каскадов и при одном только источнике питания. Включение переключательного полевого транзистора по схеме с общим истоком, а биполярного нагрузочного транзистора по схеме с общей базой позволяет строить логические схемы на ИПЛ-элементах в общей подложке без эпитаксиального слоя и без изоляции отдельных элементов друг от друга. Это заранее предопределяет простоту технологии, повышение выхода годных микросхем и снижение их стоимости. Топология элемента допускает в случае необходимости выполне- ние выходов инвертора в виде нескольких независимых стоковых областей, аналогичных многоколлекторному выходу классической инжекционной логики (см. § 1.3, 2.7). С целью получения более высо- кого быстродействия элементов инжекционно-полевой логики, их строки формируют совмещенными с диодами Шотки (рис. 4.16). В основу конструкции элемента ИПЛ с диодами Шотки положена обычная планарно-эпитаксиальная структура со скрытым п+-слоем. Изолирующие области р+-типа в ней соединены металлизацией с л+-областью стока полевого транзистора. Кроме описанной выше и приведенной на рис. 4.14 основной структуры ИПЛ-элемента возможны и другие ее варианты, исполь- зующие различные конструкции переключательного и нагрузочного элементов. Общим для всех модификаций будет принцип работы, заключающийся в инжекции неосновных носителей заряда посред- ством прямосмещенного р-п перехода в истоковую область нормаль- но закрытого полевого транзистора с последующим их коллектиро- ванием выпрямляющим переходом затвор — исток полевого транзи- стора, за счет чего и осуществляется управление проводимостью канала. На рис. 4.17 представлена функционально-интегрированная биполярно-полевая структура, формируемая с применением ионной^ Я ОД/ VD2 С 3,3 Выход 1 выход 2 111 а) VDt | Д оВыход! VD2 -Д-----°Выхсд2 i7//////// % iSSSSSSSS». 3,3 й I Рис. 4.16. Структура (а) и эквивалеит-1 ная электрическая схема (б) элемента] иижекциоино-полевой логики с диодами] Шотки | 146
Ионное- легиро&ание примесью р-тила I II I 111 Рис. 4.17. Структура биполярного-полевого элемента микросхемы с применением ионного легирования: /—подложка; 2— скрытый н+-слой; 3— эпитаксиальный п-слой; 4—область перекомпенсирования примеси n-типа имплантацией бора; 5— окисел кремния; 6—фоторезист имплантации. В ней биполярный р-п-р-транзистор изготавливается по обычной планарно-эпитаксиальной технологии, а для формиро- вания области стока нормально закрытого ПТУП и создания необ- ходимой низкой концентрации примесей в л_-области канала исполь- зуются две операции ионного легирования. Одним из важнейших условий формирования структуры полевого транзистора в ИПЛ-схемах является обеспечение низкой (на уровне Ю13...1О15 см~3) концентрации примеси в канале. Поэтому вначале имплантацией примеси p-типа в базовую область р-п-р-транзистора за счет перекомпенсации создается участок с пониженной концен- трацией донорной примеси (рис. 4.17,6), а затем имплантацией примеси n-типа формируется п -область стока полевого транзистора. Перспективы развития инжекционно-полевой логики на основе нормально закрытого полевого транзистора оцениваются очень вы- соко, что объясняется возможностью создания на их основе сверх- скоростных, сверхбольших интегральных микросхем и их способно- стью работать в широком диапазоне температур. Предполагается, что интегральные микросхемы на элементах ИПЛ найдут примене- ние при создании аналоговых устройств (операционных усилителей, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, усилите- лей считывания в цифровых устройствах), логических устройств (БИС-часов и микрокалькуляторов, однокристальных ЭВМ), запо- минающих устройств (БИС оперативной памяти, БИС ПЗУ и др.). Рис. 4.18. Структура кристалла микро- схемы, содержащей ЭСЛ и ИПЛ, изго- товляемые в одном технологическом процессе с комбинированной изоляцией Элемент ЭСЛ Элемент ИПЛ 147
Некоторые конструктивно-технологические решения направлены на создание на одном кристалле элементов инжекционно-полевой логики и элементов других схемотехнических базисов (рис. 4.18). 4.5. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВЫХ СТРУКТУР, СОДЕРЖАЩИХ МДП-ТРАНЗИСТОРЫ Варианты построения биполярно-полевых структур, содержащих вес три типа транзисторов — МДП, полевых и биполярных — весьма многочисленны. Рассмотрим в качестве примеров три ячейки памяти на основе таких структур. ™ Простой вариант биполярно-полевой структуры, содержащей™ вертикальные и-р-п-транзисторы, получают по КМДП-технологицИ без каких-либо дополнительных технологических операций™ (рис. 4-.1S). Вертикальный р-п-р-транзистор выполняет функцию™ усилителя тока, необходимого для создания КМДП ПЗУ с электри-Я ческой записью информации путем пережигания плавких перемы-Я чек. Протекание тока в этом транзисторе показано на рис. 4.19Я жирной стрелкой. Поликремниевые плавкие перемычки присоеди-” няются к эмиттеру программирующего р-п-р-транзистора запоми- нающего элемента через контактное окно над его диффузионной эмиттерной областью. Другие их концы присоединяются к столбцо- вым линиям через непосредственный контакт к металлической разводке. На рис. 4.20 показана ячейка памяти на основе функционально-А интегрированной структуры, содержащей нагрузочный биполярный™ р-п-р-транзистор, переключательный ПТУП и n-канальный МДП-Я транзистор. Я Данная ячейка обладает повышенным быстродействием, прису-Я щим ячейкам на биполярных транзисторах, малой энергией пере-™ ключения, что характерно для МДП-транзисторов, большой сте-Я пенью интеграции, благодаря наличию функционально интегриро-Я ванных областей. Подобного типа ячейку можно создать на основе™ структуры, изображенной на рис. 4.21, содержащей элементы ИПЛ сЯ диодами Шотки и полевой МДП-транзистор. Рис. 4.19. Структура КМДП ПЗУ с вер-1 тикальным биполярным л-р-п-траизис-| тором: | /—контакт к подложке; 2— p-области кармана! n-канального МДП-транзистора и базы биполяр-| ного n-p-rz-транзистора; 3— подложка; 4— поли-я кремниевые затворы | 148
Рис. 4.20. Функционально интегрированная структура (а) и электрическая схема (б) ячейки памяти, содержащей нагрузочный горизонтальный биполярный р-и-р-транзис- тор VT1, вертикальный переключательный полевой n-канальный транзистор с управ- ляющим р-п переходом VT2 и n-канальный МДП-транзистор VT3. /— эмиттерная область нагрузочного р-п-р-транзистора; 2— подложка п-типа электропроводности (база р-п-р-транзистора и исток переключательного ПТУП); 3—коллектор р-п-р-транзистора и одновременно <атвор полевого транзистора; 4— сток ПТУП и одновременно исток МДП-транзистора; 5— канал верти- кального ПТУП; 6— поликремниевый затвор МДП-транзистора; 7— область индуцированного канала МДП-транзистора; 8— стоковая область МДП-транзистора; 9— п+-область контакта к подложке п-типа Выход Технология производства структур, изображенных на рис. 4.20, 4.21, достаточно сложна и содержит в ряде случаев до 12 фотолито- графических обработок. Технологические маршруты содержат ряд самых современных технологических операций: прецизионное ион- ное легирование с фотонным отжигом легированных слоев, низко- температурное окисление кремния при повышенных давлениях, низкотемпературные методы нанесения пленок диэлектриков и поликристаллического кремния в реакторах пониженного давления. Таким образом, объединение в одном кристалле биполярных и полевых транзисторов позволяет существенно улучшить электри- ческие характеристики аналоговых микросхем за счет сочетания достоинств обоих типов транзисторов, а также осуществить синтез новых функционально-интегрированных элементов логических устройств и элементов полупроводниковой памяти. Рис. 4.21. Структура кристалла микросхемы, содержащего элементы ИПЛ с диодами Шотки и полевые МДП-транзисторы: /—эпитаксиальный слой; 2— легированный п+-типа электропроводности поликремний (исток ПТУП); /—скрытый п+-слой; 4—изолирующая р+-область; 5—легированный п+-типа поликремний (затвор нДП-транзистора); 6— р-карман для формирования «-канального МДП-транзистора с индуцированным каналом 149
Глава 5. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ И КОМПОНЕНТОВ ПЛЕНОЧНЫХ ГИБРИДНЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОСБОРОК 5.1. НЕОБХОДИМОСТЬ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИБРИДНОГО КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ВАРИАНТА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ В настоящее время накоплен достаточный опыт в технологии микро- электронных изделий, для того чтобы определить, какой из кон- структивно-технологических вариантов больше всего соответствует данному типу схемы. Наиболее подходят для изготовления по тонкопленочной тех- нологии микросхемы, в которых число пассивных элементов намного превышает число активных. Большинство логических схем содержит значительное количество активных элементов, поэтому для их изго- товления лучше использовать технологию полупроводниковых инте- гральных микросхем. В то же время линейные и аналоговые схемы, состоящие обычно из множества пассивных компонентов и лишь нескольких транзисторов, лучше всего выполнять в виде гибридных микросхем. Пленочные резисторы и конденсаторы имеют допуски, диапазон параметров, температурные коэффициенты и другие свойства зна- чительно лучшие, чем в полупроводниковых интегральных микро- схемак. Часто бывает невозможно обойтись без использования навесных элементов в виде катушек индуктивности, дросселей, трансформаторов, а также конденсаторов или резисторов с боль- шими номиналами. В таких случаях предпочтителен гибридно- пленочный вариант. Лучшие параметры пленочных пассивных элементов и навесных компонентов вместе с надежной их изоляцией обеспечивают гибрид- ным пленочным микросхемам явное преимущество перед полупро- водниковыми в тех случаях, когда эти свойства существенны. Любой из конструктивно-технологических вариантов изготовле- ния микросхем накладывает ограничение на рассеиваемую мощ- ность. Для максимальной надежности необходимо, чтобы рассеиваемая мощность была минимальна. Это достаточно просто обеспечить в логических схемах низкого и среднего быстродействия, которые должны только различать состояния «единица» и «нуль» при неко- тором конечном уровне помех. В линейных микросхемах обеспечить ' малые мощности рассеяния труднее, так как обычно на их выходе требуется получать заданное напряжение или мощность. В пленочки I
ных гибридных микросхемах эта мощность может быть вполне приемлемой. Цена оборудования, необходимого для производства тонкопле- ночной гибридной микросхемы определенного типа, значительно меньше, чем для производства полупроводниковой схемы того же типа. Поэтому то минимальное количество схем, при котором про- изводство становится рентабельным, также оказывается меньше при гибридно-пленочной технологии, чем при полупроводниковой. Тем не менее для производства всегда выгодно минимизировать номен- клатуру гибридных микросхем различного функционального назна- чения и проектировать схему так, чтобы она выполняла более одной функции, а окончательный выбор функции оставлять за потребите- лем. В этом случае реализация функционального назначения гиб- ридных микросхем по заказу потребителя производится на одном из последних этапов их производства, например при сборке, за счет применения определенного варианта коммутации элементов и компо- нентов. Подход такой же, как и при проектировании полупроводни- ковых микросхем на основе БМК и ПЛМ. Конечно, в каждом частном случае могут оказаться важными и другие аспекты, но перечисленные выше всегда служат общим ори- ентиром. Отметим, что они подтверждают особую перспективность пленочного гибридного варианта для аналоговых и линейных микро- схем. Наличие большого числа контактных узлов, сварных соединений несколько снижает надежность гибридных микросхем по сравнению с полупроводниковыми, но использование при их производстве пле- ночных и навесных пассивных и активных компонентов, предва- рительно отобранных, определяет широкий диапазон применения гибридных микросхем, оправдывает целесообразность и перспектив- ность их производства как схем частного применения при разра- ботке микроэлектронной аппаратуры любой серийности. Подводя итоги, следует сделать вывод о том, что гибридные микросхемы имеют ряд преимуществ с точки зрения конструктора электронной аппаратуры: они обеспечивают широкий диапазон номиналов пассивных элементов, меньшие пределы допусков и луч- шие электрические характеристики этих элементов (более высокая добротность, температурная и временная стабильность, меньшее ко- личество и менее заметное влияние паразитных элементов); в них могут быть использованы почти любые дискретные компоненты, в том числе полупроводниковые БИС, при мелкосерийном производстве они дешевле полупроводниковых примерно одной и той же функцио- нальной сложности; подготовка персонала для производства гиб- ридных микросхем осуществляется сравнительно просто. Основными конструктивными и схемными элементами и компо- нентами как пленочных, так и толстопленочных гибридных микро- схем являются: диэлектрическая подложка; пленочные резисторы, конденсаторы, проводники и контактные площадки, а также рас- 151
пределенные пленочные RC-, LC- и Д£С-структуры; навесные бес- корпусные полупроводниковые приборы и микросхемы; навесные миниатюрные пассивные компоненты; корпус. 5.2. ПОДЛОЖКИ Подложки служат диэлектрическим и механическим основанием для пленочных и навесных элементов и теплоотводом. Для обеспече- ния заданных электрических параметров микросхем материал под- ложки должен обладать: высоким коэффициентом теплопроводности для эффективной передачи тепла от тепловыделяющих элементов (резисторов, дио- дов, транзисторов) к корпусу; высокой механической прочностью, обеспечивающей целостность подложки с нанесенными элементами как в процессе изготовления микросхемы (разделение на платы, термокомпрессия, пайка, уста- новка платы в корпус и т. д.), так и при ее эксплуатации в условиях термоциклирования, термоударов и механических воздействий; высокой химической инертностью к осаждаемым материалам для снижения временной нестабильности параметров пленочных элемен- тов, обусловленной физико-химическими процессами на границе раз- дела пленка—подложка и проникновением ионов из подложки в пленку; стойкостью к воздействию высокой температуры в процессах формирования элементов и установки навесных компонентов; стойкостью к воздействию химических реактивов в процессе под- готовки поверхности подложки перед нанесением пленок, при элек- трохимических обработках и химическом осаждении пленок; способностью к хорошей механической обработке (полировке, резке). Материалы подложки и нанесенных на нее пленок должны иметь незначительно различающиеся ТКЛР для обеспечения достаточно малых механических напряжений в пленках, вызывающих их от- слаивание и растрескивание при охлаждении подложки после нане- сения пленочных элементов. Для маломощных гибридных микросхем в качестве материала подложек можно применять бесщелочные боросиликатные стекла С41-1 и С48-3, а также ситаллы (стеклокристаллические материалы). По сравнению с ситаллами стекла имеют меньшую теплопровод- ность, что не позволяет использовать их при повышенных уровнях мощности. Ситаллы имеют ряд преимуществ перед стеклами: они хорошо обрабатываются, выдерживают резкие перепады темпера- туры, обладают высоким электрическим сопротивлением, а по ме- ханической прочности в 2...3 раза прочнее стекла. Для мощных микросхем применяют керамику (поликор), а для особо мощных — бериллиевую керамику, имеющую очень высокую теплопроводность. 152
Структура материала подложки и состояние ее поверхности оказывают существенное влияние на структуру пленок и характе- ристики пленочных элементов. Большая шероховатость поверхности подложки снижает надежность тонкопленочных резисторов и конден- саторов, так как при наличии микронеровностей толщина резистив- ных и диэлектрических пленок становится неравномерной. При тол- щине пленок около 100 нм допускается высота микронеровностей примерно 25 нм. Следовательно, обработка поверхности подложки для тонкопленочных микросхем должна соответствовать 14 классу шероховатости. Толстые пленки имеют толщину 10...50 мкм, поэтому подложки для толстопленочных микросхем могут иметь микронеров- ности до 1...2 мкм, что соответствует 8... 10 классам шероховатости. Для обеспечения хорошей адгезии пасты к подложке высота микро- неровностей должна быть 50...200 нм. Керамика имеет значительную шероховатость поверхности, что затрудняет получение воспроизводимых номиналов тонкопленочных элементов. Увеличение класса чистоты обработки поверхности гла- зурованием керамики слоем бесщелочного стекла приводит к зна- чительному уменьшению теплопроводности. Если требуется обеспечить хороший теплоотвод, высокую механи- ческую прочность и жесткость конструкции, то применяют метал- лические подложки: алюминиевые, покрытые слоем диэлектрика или эмалированные стальные. Габаритные размеры подложек стандартизованы (60X48 мкм). Обычно на стандартной подложке групповым методом изготавли- вают несколько гибридных микросхем. Деление подложки на части, кратные двум и трем, дает ряд типоразмеров плат, соответствующих размерам посадочных мест в стандартных корпусах для гибридных микросхем. Платой называется часть подложки с расположенными на ее поверхности пленочными элементами одной ГИС (гибридной микросхемы). Толщина подложек составляет 0,35...0,5 мм. Размеры подложек имеют только минусовые допуски в пределах (0,1...0,3 мм). 5.3. КОНСТРУКЦИИ ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Конструкции пленочных резисторов. Пленочный резистор распо- лагают на поверхности диэлектрической подложки. Конструктивно он состоит из резистивной пленки, имеющей определенную конфи- гурацию, и контактных площадок. На рис. 5.1 показаны наиболее распространенные конфигурации таких резисторов. С учетом тре- бований автоматизации проектирования во всех этих конфигурациях отсутствуют пересечения не под прямым углом и криволинейные контуры. Пленочные резисторы должны обладать высокой стабиль- ностью сопротивления во времени и в интервале температур, низким Уровнем шумов, малыми значениями паразитных параметров, тре- буемой мощностью рассеяния и минимальной занимаемой площадью. 153
Рис. 5.1. Конструкция полоскового резистора (а) и конфигурации пленочных резисто- ров сложной формы: типа меандр (б), составных (в, д, е), Z-образиого (г): /— тело резистора; 2— пленочный проводник; 3— области контактов резистивной пленки с пленочными проводниками; 4— диэлектрическая подложка Значение сопротивления пленочного полоскового резистора оп- ределяется по формуле Я + Р«(Й) +2У?к’ (51) где pv — удельное объемное сопротивление; /?к — переходное сопро- тивление областей контактов резистивной и проводящей пленок; 6 — толщина резистивной пленки. У высокоомных резисторов сопротивление областей контактов обычно значительно меньше сопротивления резистивной пленки, поэтому /? = (Ри/6)(//6) = р^ф, (5.2) где ps = pu/6 — удельное поверхностное сопротивление (сопротивле- ние квадрата пленки толщиной 6); К$ = 1/Ь — коэффициент формы резистора. Удельное поверхностное сопротивление пленки или любого дру- гого тонкого слоя (например, диффузионного, ограниченного р-п переходом, см. § 2.4) играет важную роль в расчетах, связанных- с сопротивлением элементов различных конфигураций, формируемых из тонких слоев резистивного материала. На рис. 5.2 показан квадрат резистивной пленки толщиной 6 со стороной I и площадью попереч- ного сечения S. Через его боковые грани протекает электрический ток /. Из известного выражения R=pvl/S можно получить выра- жение для удельного поверхностного сопротивления однородного слоя резистивного материала с равномерной толщиной /: _ ро1 _ pxz _ р« Ps S /6 6 ' (5.3) 154
рис. 5.2. Схематическое изображение прохождения электрического тока через квадратный участок резистивной плен- ки, поясняющее смысл удельного по- верхностного сопротивления Заметим, что абсолютное значение / не играет никакой роли: если пленочный элемент квадратный, то сопротивление этого элемента не зависит от размеров квадрата. Именно поэтому для характеристики тонкого однородного слоя употребляют частное от деления удельного объемного сопротивления материала слоя на толщину слоя. Оно измеряется в омах на квадрат. Использование понятия удельного поверхностного сопротивления весьма удобно для расчета сопротивления R пленочных элементов произвольной формы. Сопротивление полоскового резистора вдоль длины полоски I можно легко рассчитать путем умножения удель- ного поверхностного сопротивления на число квадратов со стороной Ь, укладывающихся на длине этой полоски I (оно равно 1/Ь, см. ф-лу (5.2)). Аналогично поперечное сопротивление этой полоски можно рассчитать путем деления удельного поверхностного сопро- тивления на число параллельно соединенных квадратов (тоже равное 1/Ь). Расчеты подобного типа характерны при конструиро- вании гибридных микросхем. Удельное поверхностное сопротивление тонких пленок для наи- более широко применяемых материалов лежит в пределах от 100 до 10000 Ом/П, толстых пленок в пределах 10 Ом...1 МОм/П. Коэффициент формы прямоугольных резисторов Аф=0,1... 100. Для высокоомных резисторов необходимы большие значения Дф. Повышение возможно уменьшением b и увеличением I. Значения b ограничены по минимуму возможностями технологии, требова- ниями к точности сопротивления и рассеиваемой мощностью, а значения I ограничены по максимуму как возможностями техноло- гии, так и приемлемыми габаритными размерами резисторов. Например, при формировании тонкопленочных резисторов с помо- щью масок Хф<10, так как длинные щели в маске снижают жест- кость ее конструкции. Низкие значения /Сф в основном ограничива- ются приемлемыми габаритными размерами низкоомных резисторов при технологических ограничениях на минимальные расстояния между контактными площадками I. Размеры контактной области должны выбираться такими, чтобы при наихудших сочетаниях геометрических размеров резистивного слоя и контактных площадок резистивная и проводящая пленки перекрывались и обеспечивалось малое переходное сопротивление контакта в низкоомных резисторах (7?<10 Ом). 155
Температурный коэффициент сопротивления (TKR) пленочного резистора определяется в основном нестабильностью удельного по- верхностного сопротивления, отношение же 1/Ь=К$ с изменением температуры меняется практически очень мало в силу того, что резистивный слой жестко сцеплен с подложкой, имеющей малый температурный коэффициент линейного расширения (обычно мень- ше io-5 °с~') Таким образом, TK.R пленочного резистора aR«aPs, где aPs— температурный коэффициент удельного поверхностного сопротивле- ния, зависящий от состава материала и толщины пленки, а также условий ее формирования. Относительное изменение сопротивления пленочного резистора при изменении его температуры на АГ состав- ляет (AR//?)T=aPjA7’=aPs(7’-7’H), (5-4) где ТИ — нормальная температура (20 °C). Коэффициент старения пленочного резистора определяет вре- менную нестабильность сопротивления. Он тоже практически равен коэффициенту старения удельного поверхностного сопротивления: KctS=(A/?/7?)ct / AZ«KCT₽ = (Aps/ Ps)CT/ Kt, (5.5) где Kt — промежуток времени, в течение которого поверхностное сопротивление изменилось на величину Aps. Удельное сопротивле- ние изменяется в процессе эксплуатации и хранения микросхемы вследствие постепенного изменения структуры пленки и ее окисле- ния. С увеличением нагрузки (мощности рассеяния) и повышени- ем рабочей температуры интенсивность старения материала воз- растает. За время t эксплуатации или хранения относительное изменение сопротивления составит (А/?//?)ст»КстРД. (5.6) Нагрузочная способность пленочных резисторов определяется удельной мощностью рассеяния Ро. Для уменьшения размеров резистора желательно выбирать ре- зистивный материал с большей удельной рассеиваемой мощно- стью Ро. Значение удельной мощности ограничивается максималь- ной рабочей температурой резистивной пленки Тртах- Для тонко- пленочных резисторов Ро=Ю...ЗО мВт/мм2, для толстопленочных Z’o=4O...8O мВт/мм . Паразитные индуктивность L# и емкость CR определяют час- тотные свойства пленочных резисторов. Индуктивность (мкГн) пле- ночного резистора прямоугольной формы Lr=2 • 10-3/[ln(2//6) + 0,255 &// + 0.5], (5.7) где /, b — размеры резистора, см. 156
Влияние индуктивного сопротивления резистора на полное |ZSI =[/?2+(<oLR)z] ’ (5.8) проявляется в низкоомных резисторах на достаточно высоких часто- тах при (<oL^)2^0,1/?2, т. е. при <о£^//?^0,3. Паразитная емкость пленочного резистора в основном определяется емкостями резис- тивного слоя и контактных площадок. Наибольшее их влияние на полное сопротивление проявляется в высокоомных резисторах. Приведенные выше параметры пленочных резисторов опреде- ляются свойствами применяемых резистивных материалов, толщи- ной резистивной пленки и условиями ее формирования. Для созда- ния гибридных микросхем необходимы резистивные пленки с удель- ным поверхностным сопротивлением ps от 10 до 10000 Ом/П. Чем меньше толщина пленок, тем выше ps, но одновременно повышается TKR, а также ухудшается временная и температурная стабильность пленок. В качестве резистивных материалов тонкопленочных резисторов используют чистые металлы и сплавы с высоким электрическим сопротивлением, а также специальные резистивные материалы — керметы, которые состоят из частиц металла и диэлектрика (напри- мер, Сг и S1O). Широко распространены пленки хрома и тантала. Сплавы имеют большее значение ps по сравнению с пленками чис- тых металлов. На основе керметов получают высокоомные резисторы. Наиболее распространен кермет, в состав которого входят хром и мо- ноокись кремния (50...90% Сг, 50...10% SiO). В зависимости от содержания хрома можно получить резистивные пленки с ps= = 100... 10 000 Ом/П, обладающие высокой стабильностью. Однако в связи с тем, что свойства керметных пленок в сильной степени зависят от технологических факторов, резисторы имеют худшую воспроизводимость номиналов и больший TKR по сравнению с ме- таллическими. В настоящее время промышленностью освоена боль- шая группа металлосилицидных сплавов системы Сг—Si, легиро- ванных небольшими добавками железа, никеля, кобальта, вольфра- ма (PC-3001, PC-3710, РС-5604К, МЛТ-ЗМ, РС-5406Н). При срав- нительно малом TKR и высокой стабильности воспроизводимости удельных поверхностных сопротивлений диапазон номиналов спла- вов PC достаточно широк: 0,05...50 кОм/П. Наиболее часто исполь- зуют сплавы PC-3001, РС-3710 (37,9% Сг, 9,4% Ni, 52,7% Si), МЛТ-ЗМ (43,6% Si, 17,6% Сг, 14,1% Fe, 24,7% W). Для изготовления толстопленочных резисторов применяют пасты, состоящие из основного функционального материала (на- полнителя), порошка стекла (фритта) и органической связки. В ка- честве наполнителя резистивных паст применяют серебро, палладий и их сплавы, окислы таллия и рутения. Для получения фритты наиболее широко используются свинцовые и цинковые боросили- катные стекла. После термообработки пасты, нанесенной на подлож- ку через маску, образуется резистивная стеклоэмаль. Удельное 157
поверхностное сопротивление ps и температурный коэффициент стеклоэмали aPs зависят от процентного содержания наполнителя и стекла в исходной пасте. Повышенными температурной и времен- ной стабильностью характеризуются стеклоэмали, в состав которых входит сплав палладий — серебро. Промышленностью выпускаются десять типов резистивных паст с удельным поверхностным сопро- тивлением получаемых из них толстых стеклоэмалевых пленок от 5 Ом/П до 100 кОм/П. В толстопленочных микросхемах используют главным образом прямоугольные полосковые резисторы (см. рис. 5.1, а). Резисторы сложной (5.1, б...е) формы используют в тонкопленочных гибридных микросхемах для формирования сопротивлений больших номиналов. Применение таких конструкций позволяет несколько сэкономить площадь, отводимую под резистор, и оптимально скомпоновать топологию для размещения других элементов и компонентов микро- схемы. Резисторы типа меандр имеют технологические ограничения на размеры amin и Втах (см. рис. 5.1,6), аналогично полосковым ре- зисторам в отношении их коэффициента формы. Обычно при ма- сочном методе в конфигурации резисторов стараются придержи- ваться соотношения Втал/а^10, a aminx2hll, где — толщина би- металлической маски, а 2/ги — минимальное допустимое технологией расстояние между двумя щелями в биметаллической маске. Для составного резистора (см. рис. 5.1, в) допускается Втах/а^50, так как прямоугольные резистивные полоски и проводящие перемычки формируются раздельно с помощью двух различных масок. Эта же технологическая особенность позволяет формировать тонкопленоч- ные резисторы сложной нерегулярной формы (см. рис. 5.1,6) с применением дополнительных металлических перемычек по углам контура резистора. Конструкция (см. рис. 5.1, е), представляющая собой парал- лельное соединение группы резистивных полосок, характерна для мощных резисторов. В ней наблюдается более равномерное распре- деление температуры по поверхности подложки, занятой резисто- ром. При конструировании резисторов сложной формы необходимо обращать внимание на правильное расположение контактов, обес- печивающее отсутствие погрешностей из-за неточности совмещения резистивного слоя и контактов. Неточность совмещения Асм не влияет на сопротивление, если направления втекающего в резистор и вытекающего токов совпадают. Конфигурации тонкопленочных резисторов, сопротивление кото- рых зависит от погрешности совмещения проводящего и резистив- ного слоев Асм, представлены на рис. 5.3. В них входящие и выходя- щие токи направлены в противоположные стороны или перпендику- лярны друг другу, а неточности совмещения изменяют длину таких 158
Рис. 5.3. Конфигурации тонкопленочных резисторов, сопротивление которых за- висит от неточности совмещения (сме- щения ДсМ) резистивного и проводяще- Рис. 5.4. Распределение плотности тока в уголках резистора сложной формы го слоев: а - (Л/?/Л)„«2Дсы//; б - (ДЛ/Л)С.« Дс.I// + +Д™2/1 резисторов. По этой причине резисторы такой формы применять в гибридных микросхемах не рекомендуется. В конструкциях резисторов со сложной конфигурацией плот- ность тока в изгибах неравномерна (рис. 5.4). Это приводит, с одной стороны, к снижению стабильности и надежности таких резисторов из-за перегрева в уголках, с другой стороны, к сокращению электри- ческой длины /ср пленочного резистора и уменьшению его сопротив- ления в изгибах. Неравномерное распределение плотности тока наблюдается в пределах трех квадратов области изгиба. Для изги- ба под прямым углом (рис. 5.5, а) /?и=2,55р5, для П-образного изгиба (рис. 5.5, б) /?„=4ps. Сопротивление резисторов сложной формы можно представить как сумму сопротивлений прямолинейных участков и изгибов: п R=9,=ZlJb^R№} (5.9) П 2 гДе — суммарная длина прямолинейных участков; 2/?и— сум- 2 , марное сопротивление изгибов. Конструкции подгоняемых резисторов. При- меняют плавную и ступенчатую подгонку сопротивлений резисторов. Плавная подгонка обеспечивает точность до сотых долей процента, ступенчатая — единицы процентов. Плавную подгонку сопротивления тонкопленочных резисторов осуществляют, изменяя удельное поверхностное сопротивление (при термическом, химическом или механическом воздействиях за счет упорядочения структуры или окисления пленки) или форму резистивной пленки (механическим или термическим удалением части резистивного материала). Подгонку ведут в сторону увеличе- ния сопротивления (рис. 5.6, а...е). Ступенчатая подгонка сопротивления осуществляется удалени- ем металлических перемычек в подгоночных секциях. В конструк- 159
Рис. 5.5. Конфигурации изгибов тонко- пленочных резисторов сложной формы: а—изгиб под прямым углом; б — П-образный изгиб Рис. 5.6. Конструкции плавно подго- няемых резисторов -> Рис. 5.7. Конструкции пленочных резисторов со ступенчатой подгонкой сопротивления! путем добавления секций перерезанием перемычек (а — в) и уменьшением числа параллельно подключенных резистивных дорожек (г) I циях рис. 5.7, а —в к сопротивлению основного резистора добавляю! сопротивление секций с постоянным (рис. 5.7, б) или переменным (рис. 5.7, а, в) шагом. В конструкции рис. 5.7, г сопротивления дополнительной секции увеличивается за счет уменьшения коли! чества шунтов. Такая конструкция применяется при подгонке сопро! тивлений низкоомных резисторов. I Процесс подгонки толстопленочных резисторов в принципе н! отличается от подгонки (плавной) тонкопленочных резисторов! Разброс сопротивлений резисторов после вжигания составляв! 30...40% вследствие изменения параметров подложек в партии! погрешности оснастки, используемой при нанесении, отклонений I 160 ‘ I поддержании режимов вжигания и целого ряда других факторов. Если все резисторы на подложке имеют отклонения сопротивлений в одну сторону, может быть проведена групповая подгонка путем повторного вжигания. При этом происходит уменьшение сопротив- лений; низкая точность групповой подгонки не позволяет полно- стью отказаться от индивидуальной подгонки каждого резистора. Наиболее распространены способы подгонки, связанные с изме- нением геометрии резистора. Для этих целей используют воздушно- абразивную или лазерную подгонку. Сопротивление при этом может изменяться только в сторону увеличения, поэтому при проектирова- нии резисторов предусматривают отрицательный допуск сопротив- лений относительно номинальных значений. Воздушно-абразивная подгонка проводится на установке, в которой струя воздуха, содер- жащая абразивный порошок, через сопло направляется на подго- няемый резистор и производит его фрезерование (см. рис. 5.6, а, б). Недостаток способа заключается в повреждении абразивными частицами соседних элементов, кроме того, в процессе подгонки разрушается верхний слой резистора, в основном состоящий из стекла и являющийся защитой от климатических воздействий. Процесс такой подгонки сопровождается выделением пыли. При термической (лазерной) подгонке сначала (грубо) выжига- ют пленки поперек резистора, затем (точно) — вдоль резистора (рис. 5.8, а); выжигание резистивной пленки под углом (рис. 5.8, б) позволяет совместить грубую и точную подгонки. При лазерной подгонке толстопленочных резисторов поврежденные участки ре- зистора закрываются расплавленным стеклом. Для получения качественного реза важно подобрать режимы работы установки. Большая часть мощности лазерного излучения должна расходо- ваться на испарение резистивного материала. В противном случае при охлаждении после подгонки вокруг лазерного реза образуется множество микротрещин, которые приводят к снижению стабиль- ности сопротивления резистора. При лужении проводников толстопленочной микросхемы изме- няются и сопротивления резистрров на 1...2% в зависимости от материала резистивной пасты и ее удельного сопротивления. Поэто- му точная подгонка прецизионных толстопленочных резисторов должна проводиться после лужения проводников. Конструкции пленочных конденсаторов. Наряду с резисторами пленочные конденсаторы относятся к числу наиболее распростра- ненных элементов гибридных микросхем. По конструкции пленочные конденсаторы чаще всего представляют собой трехслойную струк- Рис. 5.8. Толстопленочный резис- тор после лазерной подгонки: а — с участками грубой и точной подгон- ки; б — с подгонкой под углом 6 Зак. 918
Рис. 5.9. Разновидности конструкций тонкопленочных конденсаторов: а — с активной площадью перекрытия обкладок S=5 мм2; б — с S= 1...5 мм2; в — с S<1 мм2; г — гребен чатая; д~ в виде двух параллельно расположенных проводящих пленок; е — с компенсатором, ас—с двусторонним расположением выводов верхней и нижней обкладок; з —с односторонним расположением выводов; /—диэлектрик; 2— нижняя обкладка; 3~ верхняя обкладка; 4— подложка; 5—компенсатор туру металл—диэлектрик—металл и состоят из нижней и верхней обкладок, разделенных слоем диэлектрического материала. К конструкции конденсаторов предъявляется ряд конструктив- но-технологически требований: минимальные габаритные размеры; воспроизводимость характеристик в процессе производства; сов- местимость технологии их изготовления с процессами производства других элементов гибридной интегральной микросхемы. Конструкция, изображенная на рис. 5.9, а, характерна для кон- денсаторов с повышенной емкостью (сотни—тысячи пикофарад). Ее особенностью является то, что контур верхней обкладки полно- стью вписывается в контур нижней обкладки. Эта конструкция имеет следующие положительные качества: неточность совмещения контуров обкладок не сказывается на величине емкости; контур диэлектрика заходит за пределы обеих обкладок. В этом случае 162
гарантируется надежная изоляция обкладок по периферии конден- сатора при предельном их несовмещении. Пленочный конденсатор с большой емкостью может иметь слож- ную конфигурацию, отличную от прямоугольной, причем линии периметра обкладок обязательно пересекаются под прямым углом. При разработке топологии микросхемы конструктор может полно- стью использовать свободные участки площади подложки. Конструкция пленочного конденсатора, изображенная на рис. 5.9, б, характерна для конденсаторов с небольшой емкостью (десятки пикофарад), когда для получения необходимой емкости достаточна площадь взаимного перекрытия двух коммутационных проводников, разделенных пленкой диэлектрика. Емкость рассмат- риваемого конденсатора нечувствительна к смещению обкладок из-за неточности совмещения. В высокочастотных конструкциях применяют гребенчатые кон- денсаторы (рис. 5.9, г). Роль обкладок выполняют пленочные про- водники в форме гребенки. Здесь используется составной диэлек- трик подложка — воздух или подложка — диэлектрическое покры- тие. Емкость пленочного конденсатора, пФ, рассчитывается по из- вестной формуле: С = 0,0885 zrS/d=C0S, (5.10) где S — площадь взаимного перекрытия обкладок, см2; е, — отно- сительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; Со= =0,0885er/d— удельная емкость, пФ/см2, которая определяется диэлектрической проницаемостью применяемых материалов у^З... ...25 и толщиной диэлектрика d, см, минимальное значение d ограни- чено требованием сплошности пленки, рабочим напряжением, тре- буемой точностью емкости, качеством пленки и связанным с ней выходом годных, эксплуатационной надежностью конденсатора; максимальное значение d ограничено механической прочностью сцепления пленки с подложкой. С ростом толщины уровень меха- нических напряжений, обусловленный разностью ТКЛР пленки и подложки, увеличивается. Емкость гребенчатого конденсатора определяется погонной емкостью между соседними элементами и средней длиной диэлек- трического канала между элементами гребешков. При активной площади пленочного конденсатора менее 5 мм2 начинает сказываться краевой эффект, причем тем сильнее, чем меньше площадь. Если расчетная площадь конденсатора менее 1 мм2, его можно выполнять в виде двух последовательно соединен- ных конденсаторов (рис. 5.9, в). При малых емкостях (единицы или Доли пикофарад), когда расчетная площадь пленочного МДМ- конденсатора слишком мала и технология не позволяет его выпол- нить в виде трехслойной пленочной структуры, можно формиро- вать конденсатор в виде двух параллельных проводящих полосок (рис. 5.9,6). 6* 163
При малых размерах площади верхней обкладки конденсатора (менее 5 мм2) для устранения погрешности емкости, вызванной смещением вывода верхней обкладки при совмещении топологии ; верхней и нижней обкладок, с противоположной стороны вывода ; делают компенсатор (рис. 5.9, е). Потери в обкладках зависят от расположения выводов нижней и верхней обкладок по отношению друг к другу. На рис. 5.9, ж при- • ведена конструкция с двусторонним, а на рис. 5.9, д — с односто- ронним расположением выводов. При высоких частотах предпочи- тают вариант конструкции с двусторонним расположением выводов, так как на частотах выше 10 МГц емкость конденсатора с ростом частоты падает медленнее при двустороннем расположении выводов. Температурный коэффициент емкости (ТКС, °C ') пленочных конденсаторов практически полностью определяется температур- ным коэффициентом диэлектрической проницаемости диэлектрика, которая для большинства используемых в качестве диэлектрика конденсатора материалов колеблется в пределах от —60-10~6 до ’ +500-НГ6 °C-1. Коэффициент старения, определяющий в основном изменение i емкости конденсатора вследствие изменений свойств пленочного i диэлектрика с течением времени, для использующихся материалов • обычно равен (1...5) • 10 5 ч-1. ‘ Рабочее напряжение пленочного конденсатора Uva6 обеспечива- 1 ется подбором материала диэлектрической пленки с необходимым j значением электрической прочности (пробивной напряженности i электрического поля) ЕПр и необходимой толщиной пленки d. Тол- I щина диэлектрика, выбираемая из условия обеспечения заданного ‘ рабочего напряжения, определяется формулой ) • d = K 3-^-, (5.11) где К,— коэффициент запаса, необходимый для обеспечения на- ; дежностных характеристик и равный 3...10. Последнее значение ! относится к конденсаторам повышенной надежности. Для большин- ства используемых диэлектрических материалов Епр=(1...9)Х ХЮ6В/см. j Добротность пЛеночного конденсатора Q существенно зависит от его конструкции и используемых материалов: | Q = (tg^ + tg60B)-1, (5.12) где 1§6д=соСгд — тангенс угла диэлектрических потерь в диэлектри- | ке (tg64= 10~2...10~3 на частоте 1 МГц для большинства использу- ’ емых материалов диэлектриков), tg6o.B=wC(ro+rB) —тангенс угла потерь в обкладках и выводах. Сопротивление обкладок го зависит от конструкции конденсатора, проводимости материалов обкладок ; и их геометрических размеров, картины распределения линий тока ’ 164
в обкладках. Для конденсатора с двусторонним расположением выводов Го«(<.>,н + Го.в)/3, где гон и гов — сопротивления нижней и верхней обкладок соответственно, которые могут быть рассчита- ны по формуле (5.2). Добротность пленочных конденсаторов лежит в интервале значений 10...100. Материал диэлектрика конденсатора в значительной степени определяет его характеристики. К диэлектрику конденсаторов предъ- являются следующие требования: высокая диэлектрическая проница- емость ег, малый температурный коэффициент диэлектрической про- ницаемости Ofr, высокая электрическая прочность, низкие диэлект- рические потери, высокое сопротивление изоляции, хорошая ад- гезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхемы. Диэлектрические пленки тонкопленочных конденсаторов форми- руются обычно напылением в вакууме, химическим осаждением из газовой фазы или окислением. Характерной особенностью напыленных и осажденных пленок является зернистая структура. Пленки, полученные окислением, имеют поры. В результате миграции атомов металлов обкладок в пространстве между зернами или в порах диэлектрика возможно существенное снижение сопротив- ления изоляции и напряжения пробоя диэлектрических пленок, а также локальные короткие замыкания обкладок как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации микросхем. Чтобы уменьшить количество дефектов в диэлектрике, совершенствуют технологию их нанесения, разрабатывают новые материалы, при- меняют многослойный диэлектрик. В качестве диэлектрика конденсаторов применяют моноокись кремния SiO, моноокись германия GeO, халькогенидное стекло ХГ-44, окислы алюминия АЬОз, тантала ТагОд, титана ТЮг, окис- лы редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости позволяют получить титанаты бария и кальция. Особенно перспективны диэлектрические пленки из сложных по составу стекол. Так, стеклообразные пленки, содержащие I2O3, В2О3, SiOz, AI2O3, СаО, имеют высокие технологические качества и значения ег при комнатной температуре и f=l кГц, равные 11...12, tg6=0,0025...0,0035, £„р= (2,5...3,5) • 106 В/см, ТКС=10 4 "С "1, удельную емкость 100 000 пФ/см2, а пленки состава ВаО, Та2О5-Bi2O3-ЬОз-GeOz имеют er=40...50,tg6—0,005...0,008, £пр= = (2...3)-106 В/см, ТКС» (0,5....0,8) • Ю-0 °С~‘ и удельную ем- кость 100...200 тысяч пФ/см2 при толщинах 0,2...0,4 мкм. Для толстопленочных конденсаторов используют пасты, содер- жащие в качестве наполнителей титанат бария или двуокись ти- тана, которые имеют высокую диэлектрическую проницаемость. Ти- танат бария позволяет получить удельную емкость со«8ООО пФ/см2 при толщине пленки около 25 мкм. Конденсаторы на основе ти- таната бария характеризуются большими диэлектрическими поте- 165
рями на высоких частотах, потому применяются в качестве бло- кировочных и разделительных. Пленки с наполнителем из двуоки- си титана обеспечивают со«1 000 пФ/см2 и малые потери на частотах вплоть до 500 МГц. Стеклоэмали без наполнителей [ имеют малую диэлектрическую проницаемость (егж 10) и исполь- | зуются в качестве изоляционных материалов в местах пересечения | проводников. | Стеклоэмалевые пленки имеют монолитную структуру, поэтому I конденсаторы с таким диэлектриком характеризуются повышенной 1 надежностью. Отсутствие микроотверстий в диэлектрической пленке 1 обеспечивается с помощью двухслойной печати. При этом одицЛ слой заполняет пустоты в другом слое. fl Материал обкладок конденсатора должен удовлетворять следую® щим требованиям: иметь низкое электрическое сопротивление (ocofl бенно для высокочастотных конденсаторов); обладать низкой миг-у рационной подвижностью атомов; иметь ТК.ЛР, равный ТК.ЛР под- , ложки и диэлектрического слоя; иметь хорошую адгезию как к подложке, так и к ранее напыленным пленкам; обладать высокой антикоррозионной стойкостью в условиях агрессивной среды. Для устранения теплового разрушения диэлектрика в процессе нанесе- ния верхней обкладки необходимо применять материал с низкой температурой испарения. Нижняя обкладка конденсатора должна иметь мелкокристаллическую структуру. Не допускается образование кристаллов, выступы которых снижают толщину и соответственно электрическую прочность диэлектрика. Большинству требований, предъявляемых к материалам обкла- i док, удовлетворяет алюминий. Атомы и мельчайшие частицы алюми- ния, попавшие в межзеренные области диэлектрика, интенсивно окисляются, что способствует устранению проводящих цепочечных структур между обкладками. Кроме того, участки алюминиевых ! обкладок в области коротких замыканий самоизолируются от ко- ; роткозамыкающих мостиков вследствие термического испарения алюминия при протекании тока короткого замыкания. Для изготовления обкладок тонкопленочных конденсаторов чаще всего применяются следующие материалы: алюминий А99, тантал ТВЧ, титан ВТ1-0. Обкладки тол<*топленочных конденсаторов изготавливаются из паст с высоким (более 70%) содержанием таких металлов, как палладий, золото, сплавов палладий — золото и др. Проводники, содержащие золото, имеют ps«0,005 Ом/П. Конструкции подгоняемых конденсаторов. Иног- да возникает необходимость конструирования пленочных конден- саторов с повышенной точностью воспроизведения емкости, превос- ходящей технологические возможности способа их изготовления, или конденсаторы, емкость которых может изменяться в опреде- ленных пределах. В этом случае в конструкции пленочного кон- денсатора приходится предусматривать кроме основной секции . 166
Рис. 5.10. Конструкции подгоняемых пленочных конденсаторов: /— верхняя обкладка; 2— подгоночные секции; 3— нижняя обкладка; 4— диэлектрик; 5— проволочная перемычка с неизменяемой емкостью участок, емкость которого можно каким- либо способом изменять. Подгонка может осуществляться как в сторону уменьшения (отрезанием секций, рис. 5.10, а, г, д), так и в сторону увеличения (подключением секций рис. 5.10, б, в) емкости. Увеличение емкости конденсатора.при подгонке возможно с по- мощью проволочных перемычек (рис. 5.10, б, в). Величина до- бавочной емкости определяется площадью обкладки дополнительно подключаемой секции. На рис. 5.10, г изображена другая, так называемая «матричная» конструкция пленочного конденсатора со ступенчатым изменением емкости в очень широком диапазоне. Об- кладки / и 3 этого конденсатора представляют собой гребенки, которые разделены общим диэлектрическим слоем 4. В местах пересечения пленочных проводников, принадлежащих разным слоям, образуются секции конденсатора, которые можно отсоединить раз- рывом проводника на заданном участке. Конструкция конденсатора с матричными секциями показана на рис. 5.10, д. Конструкции пленочных индуктивностей. В аналоговых микро- схемах довольно часто необходимо использовать индуктивные эле- менты. Они входят в состав колебательных контуров автогенера- 167
Рис. 5. 11. Тонкопленочные спиральные индуктивности круглой (а, б) и квадратной формы торов, полосовых фильтров, цепей коррекции частотных характе- ристик и т. д. Топология пленочных индуктивностей представлена на рис. 5.11. Они представляют собой плоские спирали из про- водящего материала. Значения индуктивности пленочных спиралей определяются характеристиками электромагнитного поля, возникаю- щего вокруг витков при прохождении через них переменного тока. С целью повышения добротности спиральных катушек индуктивности стремятся получить образующие их проводники большой толщины (30... 100 мкм). С этой целью проводят электрохимическое осаж- дение меди или золота (в ответственных изделиях) на тонкий под- г- слой титана или ванадия. Индуктивность круглой пленочной спирали, нГ, при £)н^3,5 DBH определяется по следующей приближенной формуле: 25 0 п2 ср 1+ЗА/Рср ’ (5.13) где Оср — 0,5(Он + Овн) — средний диаметр витка, см; h — nt-\-b — ширина обмотки, см; t — шаг обмотки, см; b — ширина проводника; п — количество витков спирали. При одинаковый габаритных размерах и числе витков индуктив- ность квадратной катушки в 1,27 раза больше индуктивности круг- лой катушки. Площадь, занимаемая одной спиральной катушкой, не превы- шает в современных микросхемах 1 см2. Максимальное число витков, которые можно разместить на этой площади, определяется раз- решающей способностью технологического процесса создания катуш- ки, в частности величиной bmtn. При bm,„=50 мкм значение ин- дуктивности пленочных катушек составляет примерно 10 мкГн, их добротность лежит в пределах 80... 120 при оптимальном соотношении внутреннего и наружного диаметров спирали Z)BH/Z>H~0,4. 168
На характеристики спиральных пленочных индуктивностей вли- яют значения их собственной емкости CL и сопротивления об- мотки гоб. От собственной емкости зависит собственная резонанс- ная частота /0 катушек, которая оценивается по приближенной фор- муле /о = с/4/СпЛ^7 где с = 3-108 м/с — скорость света, ('/•/?, —ско- рость распространения электромагнитной волны между витками спирали, /сп — полная длина пленочного проводника спирали. Необходимая толщина пленочной спирали зависит также от рабо- чей частоты и определяется глубиной проникновения 6 электро- магнитной волны в материал пленочного проводника (скин-эффект): 6 = ^ А На индуктивность и добротность оказывают влияние металли- ческие элементы конструкции микросхемы, расположенные вблизи катушки индуктивности. Размагничивающее действие вихревых то- ков, наведенных в близлежащем металлическом предмете (напри- мер, в крышке корпуса), снижает индуктивность спиральной катуш- ки. Снижается в результате этого и ее добротность, так как воз- никают дополнительные потери электромагнитной энергии катушки в области формирования вихревых токов. Этот эффект может быть использован для подстройки индуктивных элементов, например ис- пользованием подвижной перемещаемой металлической пластины, параллельной подложке, на которой размещена пленочная катуш- ка индуктивности. 5.4. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КОММУТАЦИИ Электрические соединения элементов и компонентов осуществля- ются с помощью довольно сложной в топологическом отношении системы пленочных проводников, контактов проводников с пленоч- ными элементами микросхемы и контактных площадок под навес- ные компоненты и внешние выводы. Электрофизические свойства проводников и контактных площадок , в значительной степени определяются свойствами применяемых ма- териалов, к которым предъявляется ряд требований: низкое удель- ное сопротивление; хорошая адгезия к подложке; высокая анти- коррозийная стойкость; обеспечение низкого и воспроизводимого переходного сопротивления контакта; возможность присоединения (пайки или сварки) выводов навесных компонентов и проволоч- ных перемычек, совместимость технологии нанесения проводников и контактных площадок с технологией изготовления других эле- ментов микросхем. t Самым распространенным материалом тонкопленочных проводни- ков и контактных -площадок в гибридных микросхемах повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или ти- тана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото — нужную проводимость, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки и сварки. Толщина пленочных проводников обычно составляет 0,5... 169
...1 мкм. В аппаратуре с менее жесткими требованиями к надежности в качестве проводников используют пленки меди или алюминия с под- слоем хрома, нихрома или титана. Для предотвращения окисления меди и улучшения условий пайки или сварки ее покрывают нике- лем, золотом или серебром. Алюминий обладает достаточно высокой коррозионной стойкос- тью и может использоваться как с защитным покрытием никеля для обеспечения возможности пайки, так и без него, если при- соединение навесных компонентов и внешних контактов осуществля- ется сваркой. Толщина медных и алюминиевых проводников прибли- зительно равна 1 мкм, а толщина никелевого или золотого пок- рытия обычно составляет десятые — сотые доли микрометра. В толстопленочных микросхемах для формирования коммутацион- ных проводников и контактных площадок применяют проводни- ковые пасты. Следует отличать многослойную разводку от многоуровневой, когда создается система коммутации элементов и компонентов гиб- ридной микросхемы в несколько этажей (уровней), разделенных слоем диэлектрика. В каждом из уровней разводка может быть многослойной. Конструкции многоуровневой разводки. Рост функциональной сложности устройств, использование многовыводных полупроводни- ковых БИС в качестве компонентов гибридной микросхемы обус- ловило необходимость создания в ней многоуровневой разводки. К системе многоуровневой разводки предъявляют следующие тре- бования: высокая плотность монтажа; качественная межуровневая г изоляция; малое и постоянное во времени переходное сопротивле- ние контактов в областях контактирования проводников разных слоев; малые сопротивления проводников и паразитные емкости; высокая механическая прочность; эффективный перенос тепла от элементов, компонентов и кристаллов к теплоотводящим поверх- ностям; низкая стоимость. Эти требования удовлетворяются подбо- ром применяемых материалов, конструкцией и технологией из- готовления. Так, например, материалы изолирующих слоев долж- ны обладать низкой диэлектрической проницаемостью, высо- кой электрической, прочностью и высоким сопротивлением изо- ляции. Известно очень большое число способов создания многоуровне- вой тонкопленочной разводки на жестких основаниях (более 500). На практике реализуются конструктивно-технологические варианты с использованием: неорганических или органических (рис. 5.12) диэ- лектрических слоев; воздушного зазора (рис. 5.13, а, в) и обеих сторон гибкой подложки (рис. 5.13, б); оксида алюминия, полу- чаемого путем локального сквозного окисления последовательно на- носимых слоев алюминиевой пленки (см. § 2.10), термопластиков в качестве межслойных диэлектриков и некоторые другие. 170
Рис. 5.12. Многоуровневая разводка в большой гибридной микросхеме, пред- полагающая установку полупроводни- ковых микросхем поверх уровней раз- водки (а) и непосредственно на тепло- отводящую подложку (б) и (в): подложка; 2—диэлектрическая пленка; <?— второй слой диэлектрика; 4— внешний вывод гиб- ридной микросхемы; 5-- межуровневый переход; 6~ первый уровень разводки; 7— кристалл полу- проводниковой БИС; 8— второй уровень развод- ки; 9— защитное покрытие; 10— выводы полупро- водниковой БИС Рис. 5.13. Фрагменты конструкций мно- гоуровневой разводки гибридной микро- схемы с использованием воздушного за- зора в качестве диэлектрической изоля- ции: Коммутация с ис- пользованием неорга- нических диэлектри- ческих слоев по структуре тождественна тонкопленочному конденсатору: в качестве изо- ляционного слоя используются такие отработанные в техноло- вариант а: I— адгезионный слой; 2— защитный слой; 3— проводящий слой; 4— пленочная пере- мычка; 5-— воздушный зазор; 6—диэлектрическая жесткая подложка; вариант б: 1— адгезионный слой; 2— проводящим слой; 3— защитный слой; 4— гибкая диэлектри- ческая подложка; 5— конусообразное отверстие; вариант в: адгезионный слой; 2— проводящий слой первого уровня; 3— проводящий слой второ- го уровня; 4— воздушный зазор; 5— подложка; 6— защитный слой гии материалы, как моноокись кремния или германия, двуокись крем- ния, окись алюминия, стекла; в качестве проводников — золото с подслоем хрома, алюминий. Предельная толщина диэлектрических слоев, получаемых мето- дами вакуумного осаждения, обычно не превышает 3...4 мкм; па- разитная емкость в местах пересечений проводников при этом зна- чительна (до 1...2 пФ при ширине проводников 100 мкм). Поэтому необходимо наносить слои толщиной не менее 50 мкм, но надежная металлизация переходных ступенек такой глубины методами вакуум- ной технологии практически невозможна. 171
Коммутация с использованием органических диэлектрических слоев отличается простотой техно- логии нанесения слоев, обладающих хорошими диэлектрическими свойствами при высокой разрешающей способности рисунка. Коммутация с использованием воздушного за- зора в качестве диэлектрической изоляции пересечений проводни- ков и многоуровневой (здесь уместно сказать многоэтажной) раз- водки весьма перспективна в связи с малой диэлектрической про- ницаемостью воздуха и малой вследствие этого задержкой рас- пространения сигнала в линии. Последняя, как известно, обрат-' но пропорциональна корню квадратному из диэлектрической про- ницаемости среды, в которой размещены проводники. Мостики вто- рого уровня разводки (рис. 5.13, а, в) могут изготовляться раз- личными способами, в частности методом контактной маски. Многоуровневая алюминиевая коммутация с диэлектрической изоляцией из окиси алюминия создается следующим образом: после нанесения первого сплошного слоя алюминиевой разводки проводящие дорожки первого уровня формируются не травлением, а локальным анодным окислением от- дельных участков алюминиевого слоя и превращения их в А12О3. Затем после окисления поверхности и формирования кон- тактных окон напыляется второй слой алюминия и процесс ано- дирования повторяется. Существенными ограничениями этого мето- да многоуровневой коммутации являются повышенная паразитная емкость между уровнями из-за малых толщин изолирующего слоя, а также наличие в отдельных местах шунтирующих включений не- окисленного алюминия вследствие трудностей подключения всех ано- дируемых участков к электродам установки электролитического анодирования. Многоуровневая коммутация с использованием термопластиков (см. рис. 5.12, б) состоит из первого уров- ня коммутации и избирательно выращенных металлических стол- биков, которые в дальнейшем будут соединены со вторым уров- нем коммутации. На подложку с большой точностью монтируются кристаллы полупроводниковых микросхем (контактными площадка- ми вверх), и подложка сверху покрывается термопластиком, име- ющим ТКЛР близкий к ТК.ЛР подложки и кремния. В дальней- шем проводятся избирательное травление термопластика с целью обнажения переходных столбиков и выводов кристалла, нанесение верхнего слоя металлизации и формирование его рисунка. Известны и некоторые другие методы монтажа кристаллов запрессовкой в пластмассу, однако в основном их принцип такой же. К достоинствам этих методов следует отнести совмещение про- цессов монтажа кристаллов и создания многоуровневой коммута- ции, высокую плотность упаковки кристаллов, эффективный теп- лоотвод (если подложка выполняется из металла). Недостатки: высокая стоимость изготовления гибридной микросхемы (в случае 172
некачественного выполнения операции в брак уходит вся подложка с годными кристаллами), низкая ремонтопригодность. Многоуровневая коммутация гибридных БИС и микросборок с применением гибких полиимид- пых плат и жестких металлических оснований. Увеличение функциональной сложности БИС и МСБ приводит к обострению проблем коммутации и теплоотвода. Эти проблемы успешно решаются применением конструктивно-технологического ва- рианта, в котором функции несущей конструкции теплоотвода и подложки БИС выполняет металлическая (алюминиевая) плата, покрытая слоем анодного окисла, а функции коммутационной печатной платы — система гибких полиимидных пленок толщиной 40...60 мкм с нанесенными на них методом тонкопленочной технологии проводящими дорожками. Двустороннюю металлиза- цию пленки и боковых поверхностей вытравленных в ней отверстий (см. рис. 5.13, б) осуществляют термовакуумным напылением многослойной пленки Сг — Си — Сг толщиной 1...2 мкм с последую- щим гальваническим наращиванием меди (13...16 мкм) и сплава Sn — Bi толщиной 7...10 мкм. На плате из анодированного алюминия создан один слой про- водников и резисторов (рис. 5.12, 5.14), два или большее число слоев разводки могут быть созданы на полиимидной пленке Рис. 5.14. Фрагмент топологии слоя проводников и резисторов на алюминиевой подложке, покрытой слоем анодного окисла 173
Рис. 5.15. Двуслойная гибкая коммутационная плата на полиимидной пленке с двумя ортогональными системами сигнальных проводников, шинами питания, контакт- ными площадками и переходными отверстиями (рис. ,5.13, б, 5.15). Коммутационные переходы с одной стороны гибкой платы на другую осуществляются системой металлизирован- ных отверстий (рис. 5.13, б). Эксплуатационные и электрофизические характеристики двух- слойной разводки на полиимидной пленке (рис. 5.15) следующие: удельная емкость паразитной связи между двумя слоями разводки не превышает 80 пФ/см2. Это дает значение паразитной емкости в месте пересечения не более 0,02 пФ; пробивное напряжение в местах пересечений значительно превышает возможный диапазон значений рабочего напряжения (свыше 1000 В), что обеспечивает высокую надежность многослойной разводки; вероятность короткого замыкания и обрыва перехода между слоями не превышает 10 *...109. Такова же вероятность обрыва при переходе со слоя на слой от полиимидной пленки к жесткому основанию через пере- ходные отверстия с заполнением их припоем (рис. 5.16, б, г). Гибкие коммутационные платы присоединяют к анодированной алюминиевой подложке методом групповой пайки, для чего на под- ложке сформированы контактные площадки, покрытые припоем. На полиимидных гибких платах в соответствующих контактным пло- 174
Рис. 5.16. Конструктивно-технологические варианты присоединения двухуровневой коммутации иа полиимидной пленке к жесткому основанию путем посадки на клей (а), сварки с металлическими столбиками, сформированными на жестком основании (б), крепления балочных выводов (в) и вакуумной пайки переходных отверстий (г): {—кристалл; 2—подложка (жесткое основание); 3—гибкий вывод от кристалла к контактной плате на полиимиде; 4— клей; 5— полиимид; 6~ коммутация на полиимнде; 7— сформированные на подложке столбики; 8— балочные выводы щадкам местах имеются переходные металлизированные отверстия. При подогреве системы подложка — гибкие платы в условиях ваку- ума (вакуумная пайка) припой поднимается по переходным отверс- тиям и, застывая, образует прочные коммутационные соединения и одновременно механическое крепление. Для изоляции между гиб- кими платами с разводкой на обеих сторонах используют прок- ладки из полиимидной пленки с системой отверстий в местах меж- слойных переходов. Бескорпусные полупроводниковые БИС и другие навесные компоненты могут быть смонтированы как на коммута- ционных полиимидных пленках, так и непосредственно на металли- ческой плате через окна, вытравленные в гибких платах. В качестве металлических подложек гибридных БИС используют- ся пластины из алюминиевого сплава АМГ-3 (3,2...3,8 % Mg, 0,3...0,6 % Мп, остальное А1) толщиной порядка 1...1,5 мм, на рабочей поверхности которых методом анодного окисления в соот- ветствующих электролитах создается диэлектрический слой АЬОз толщиной 50...100 мкм. Сплав АМГ-3—один из немногих упроч- няемых алюминиевых сплавов, на которых может быть получена путем шлифовки и полировки шероховатость обработки поверхности, соответствующая 12-му классу (7?z=O,2 мкм), что, в свою очередь, позволяет получить равномерную по толщине и свойствам пленку диэлектрика на рабочей поверхности подложек. Глубокое анодное окисление алюминиевых подложек осуществляется в электролите на основе щавелевой кислоты с добавками лимонной и борной кислот при плотностях тока 1,5...2,0 А/дм2. Полиимидные пленки играют в производстве гибридных тонко- пленочных БИС на металлическом основании все более возрастаю- 175
щую роль. В будущем они, видимо, займут такое же место в производстве микроэлектронной аппаратуры, какое сейчас занимают печатные платы из текстолита. Гибкая полиимидная пленка об- ладает высокой прочностью на растяжение, отличными изоляционны- ми свойствами (er=3,5; tgf>=3- 1(Г3 на частоте 1 кГц); элект- рической прочностью (150...275-106 В/м), химической стойкостью, несгораемостью. Она имеет высокую радиационную и наиболее высокую среди полимеров температурную устойчивость (не теряет гибкости при температурах жидкого азота и выдерживает тем- пературные воздействия до +400° С). Она обладает хорошим на- бором технологических свойств, делающих ее незаменимой в про- цессах, связанных с вакуумным осаждением металлических пленок и фотолитографией: отсутствие газовыделения в вакууме до тем- ператур 200...250° С, устойчивость к воздействию кислот и спо- собность к травлению в сильных щелочных средах. Палиимиды — это синтетические органические полимеры, содержащие в молекуле имидную группу — , где А — остаток молекулы полиимида (не сле- дует путать с полиамидами, содержащими в молекуле амидные группы —СО — — NH—). Это твердые вещества белого или желтого цвета, обладающие высокой термостойкостью, радиационной стойкостью и хорошими электроизоляционными свой- ствами. Помимо использования в электронной технике полиимиды нашли большое, применение в электротехнической промышленности, авиации и космической технике в виде пленок, лаков, волокон, клеев. Полиимиды — представители целого ряда поли- меров, которые разработаны за последние три десятилетия в связи с развитием космонавтики, ракетной техники, строительством сверхзвуковых самолетов и глубо- ководных устройств. Общий принцип строения таких полимеров состоит в сцеп-. лении ароматических и гетероциклических колец, которые кроме углерода включают , атомы и других химических элементов, например азота или кислорода. Полиими- ды образуются при поликонденсации тетракарбоновых кислот или их производныхj с диаминами. Наиболее важный из полиимидов, тот, который обычно и используют в технике в настоящее время, образуется при поликонденсации диангидрида тетра- карбоновой (пиромеллитовой) кислоты с ароматическим диамином, например с диами- нодифилиловым эфиром. После специальной термической обработки он образует показанную на рис. 5.17, а, б структуру. При формировании таких полимеров образуется структура связи молекул, похожая на лестничную. В ней разрыв одной связи хотя и приводит к дефекту в цепи полимера, но не вызывает расщепления по- лимера на более короткие цепн. В этом причина выдающихся механических свойств Рис. 5.17. Структурная формула (а) и упрощенная лестничная схема (в) полиимида 176
ii термостойкости полиимида. Полиимидная пленка не претерпевает существенных изменений структуры и формы в течение 100 000 ч при нагрузке 85 Н/мм2 и температуре 200 0 С. Пленка выдерживает восьмилетнее применение при 250° С и не становится хрупкой. Она может выдерживать без разрушения кратковременное повышение температуры даже до 400 ° С. Полиимид — это материал трудновос- пламеняющийся и самогасящийся. Весь этот букет выдающихся свойств высоко це- нится конструкторами. В перспективе возможно создание органических полимеров, выдерживающих кратковременное воздействие температуры 600, 700 и даже 900 ° С. Полиимиды очень дороги. Их получают из соединений, синтез которых сложен, проводится во много стадий и требует применения труднодоступных исходных веществ. Конструктивно-технологические варианты многоуровневой раз- водки гибридных ИС с использованием полиимидного лака пред- ставлены на рис. 5.12, а с использованием полиимидных пленок — на рис. 5.16. Многоуровневая разводка с использованием толстых пленок реализуется в двух конструктивно-технологи- ческих вариантах: в виде нескольких чередующихся проводящих и изолирующих слоев, расположенных на одной или двух сторонах монолитной керамической подложки, и в виде нескольких керами- ческих слоев с нанесенными на них коммутационными системами толстопленочных проводников и контактных площадок, сквозных, заполненных проводящим материалом отверстий для электрической связи между слоями. Первый из этих вариантов изображен на рис. 5.18. Такие многоуровневые толстопленочные структуры получают последовательным нанесением и вжиганием проводящих и изоли- рующих слоев. Изолирующие слои необходимо изготовлять беспо- ристыми для устранения коротких замыканий металлизации. Для повышения выхода годных применяют двукратную печать материала изолирующего слоя. При этом уменьшаются паразитные емкости за счет увеличения толщины диэлектрика. Плотность толстопленочного монтажа ограничивается технологи- ческими возможностями формирования соседних отверстий в изоли- рующем слое для переходов. В процессе создания многоуровневых коммутационных плат могут формироваться также толстопленочные резисторы и конденсаторы. Многослойные керамические подложки формируются из несколь- ких слоев необожженной алюмооксидной керамики толщиной при- Рис. 5.18. Фрагмент толстопленочной много- Уровневой разводки:• /— сечение проволочной перемычки; 2— слой припоя; верхний луженый (третий) слой проводников; 4, 6— изоляционные слои; 5, 7— второй и первый проводящие слои; 8— керамическая подложка; 9— навесной компонент 'олстопленочной гибридной БИС; Ю— выводы навесного компонента 177
мерно 100 мкм, на поверхность которых последовательно наносят пасту для коммутационных проводников (рис. 5.19 ,а). После опрес- совки и обжига многослойного пакета образуется монолитная струк- тура, внутри и на поверхности которой расположены коммутацион- ные проводники (рис. 5.19, б, в). Межслойные соединения формиру- ются через сквозные отверстия в керамических слоях при заполнении проводящей пастой в процессе получения коммутационных про- водников слоя. Увеличение степени интеграции до 105...106 элементов на крис- талл, повышение их быстродействия до КГ8... 10“9с, увеличение до нескольких десятков и даже сотен числа внешних выводов поставило перед конструкторами микроэлектронной аппаратуры необходи- мость обеспечения плотнейшей упаковки кристаллов полупроводниковых СБИС, в которой для уменьшения задержки сиг- нала кристаллы следует расположить ка можно ближе друг к другу. Рис. 5.19. Конструкция многослойной коммутацией ной керамической платы: а— набор слоев керамики в многоуровневой керамической ллат| б—верхний слой с коммутацией и контактными площадкам для навесных компонентов; в — расположение контактных перем дов в промежуточных слоях коммутационной платы 6) —J ффффф ф ф J фОф0ф __, ффффф J ф ф ф ф 1 ф ф —J ффффф Г'ффффф" 7 Ф ф ; Ф Ф ф ф "1 ффффф __I г-1 г-1 Н X. j—u-i—i—г-1 <T^i । । ( \ J । । । । I- ффффф I— ф Ф Г- ф ф I_ ф ф г— ффффф [__ ффффф г— ф ф L_. ф ф Ф ф г ФФФФФ 1—2 178
Проблема размещения в малом объеме большого количества кристаллов, каждый из которых имеет множество внешних выводов, сопряжена с решением принципиально новых конструкторско-техно- логических вопросов: во-первых, нужно в небольшом объеме рас- положить тысячи соединительных проводников, по которым подается электропитание и распределяются информационные сигналы между кристаллами; во-вторых, электрофизические свойства этой системы проводников должны быть такими, чтобы передаваемые по ним сигналы искажались как можно меньше. Добиться этого по мере увеличения скорости переключения и уменьшения размеров схем становится все труднее. Наконец, в-третьих, система плотно упако- ванных кристаллов СБИС выделяет значительное количество тепла, которое необходимо отводить. Во многих случаях проблема тепло- отвода оказывается наиболее сложной. Самая совершенная технология, позволяющая создавать высокую плотность разводки и размещать большое количество кристаллов микросхем в малом объеме, окажется бесполезной, если не обеспечить отвод выделяемого кристаллами тепла без опасности их перегрева и потери работоспособности. Считается, что при воздушном охлаж- дении цифровой МЭА тепловой поток на уровне кристалла не должен превышать 2 Вт/см2, на уровне платы — 0,5 Вт/см2. С увеличением числа выводов на кристалле СБИС и числа кристаллов на единице площади платы главной становится про- блема присоединения, подвода проводников к этим выводам. Сиг- нальные проводники должны проводиться между контактными пло- щадками для присоединения выводов кристаллов и между сквоз- ными отверстиями для соединения слоев. Размещение нескольких проводников между соседними отверстиями позволяет повысить плотность монтажа, но одновременно усложняет технологию изго- товления и процесс конструирования платы с многоуровневой разводкой. 5.5. РЕКОРДНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ДОСТИГНУТЫЕ ПРИ СОЗДАНИИ МНОГОУРОВНЕВОЙ разводки Конструктивно-технологический вариант тонкопленочной много- уровневой разводки с использованием полиимидных коммутационных плат на жестком алюминиевом основании позволяет разместить до 120 бескорпусных цифровых БИС с 48 выводами, используя Ю уровней тонкопленочных сигнальных проводников шириной до 70 мкм с минимальным диаметром переходных отверстий 50 мкм. Та- кая многоуровневая плата цифровой аппаратуры на жестком алюми- ниевом основании показана на рис. 5.20, ее вертикальная структура показана на рис. 5.16, г. Коммутационные тонкопленочные провод- ники шириной 50... 100 мкм, а также переходы с одного уровня на Другой выдерживают ток силой до 2,5 А, платы работоспособны при низкой (77К) и сравнительно высокой (470К) температурах. 179
I оооооооооооааоооааооооооооааааааааоооаоао аооооаоаооояооопоооооооаоаооооапоааоаооаооЕшооо Рис. 5.20. Общий вид конструкции гибридной многоуровневой БИС на металлическом] анодированном основании с полиимидными коммутационными платами и бескорпус-1 ними цифровыми полупроводниковыми БИС с гибкими выводами: /— контактные площадки внешних выводов гибридной БИС; 2— посадочное место; 3—полупроводниковая - БИС на гибком полиимидном носителе ‘ 180
Рис. 5.21. Многоуровневая система разводки на основе керамической платы: /— сигнальная цепь; 2— кристалл полупроводниковой СБИС; 3— контактная площадка; 4— контактный шарик припоя; 5— перераспределяющий слой; 6— «/-слой сигнальных проводников, 7— х-слой сигнальных проводников; 8— слой проводников с опорным напряжением; 9— штыри внешних выводов гибридной БИС Столь же высокие результаты получены при отработке кон- структивно-технологического варианта гибридных СБИС на основе многоуровневых керамических коммутационных плат. Основу этого варианта составляет керамическая подложка раз- мерами 90X90X5 мм (рис. 5.21), которая содержит внутри себя сложную, но компактную сеть коммутационных проводников, шин питания и межуровневых соединений (рис. 5.22). На лицевой верхней стороне подложки выполнены посадочные места для установки от 100 до 133 кристаллов быстродействующих полупроводниковых СБИС на биполярных транзисторах со временем переключения логических схем, входящих в эти кристаллы, около 1,1 нс. В общей сложности для присоединения этих кристаллов с жесткими выводами методом перевернутого кристалла на плате сформировано около 12-Ю3 контактных площадок. На нижней стороне платы укреплены 1800 штырьковых контактных выводов, через которые подается питание на кристаллы, вводятся и вы- водятся сигналы для связи с другими модулями через панель. Жесткие шариковые выводы кристаллов СБИС так же, как и система штырьковых внешних выводов многоуровневой керамической платы, имеют вид двумерных матриц с целью уменьшения зани- маемой ими площади. Керамическая подложка содержит 33 слоя проводников; слои соединяются между собой с помощью более чем 35-104 сквозных контактных отверстий. Из указанного числа проводящих слоев в подложке 16 отведены под сигнальные проводники, прокладываемые по осям X или У. Проектные нормы предусматривают расположение сквозных контактных отверстий в Узлах прямоугольной сетки с шагом 0,5 мм. Между соседними 181
Рис. 5.22. Топология проводящих слоев керамической платы: а — верхний слой для монтажа бескорпусных кристаллов полупроводниковых СБИС; б — один из пяти п распределяющих слоев; в — один из х-слоев сигнальных проводников; г — у-слой сигнальных .прово, ков; д—слой проводников с опорным напряжением; е — слой шин питания 182
отверстиями можно прокладывать только одну сигнальную линию, что облегчает машинное проектирование системы проводников. Ука- занные 16 сигнальных слоев обеспечивают максимальную длину соединений 320 см на 1 см2 площади подложки. В общей слож- ности в сигнальных слоях керамической подложки располагается 130 м сигнальных проводников. Между каждой парой слоев X и Y располагается слой с опорным напряжением, который позволяет контролировать волновое сопротивление сигнальных линий, которое в данной конструкции равно 55 Ом. На рис. 5.21 схематически и с большим увеличением показано сечение участка керамической подложки с двумя соседними крис- таллами полупроводниковых СБИС. На рисунке показана типовая сигнальная цепь, которая идет от сигнального штырькового вывода кристалла. В одном из пяти верхних перераспределяющих слоев сигнал проходит к другому вертикальному проводнику и через него на поверхность к монтажной контактной площадке. Далее сигнал про- ходит по металлической перемычке вдоль поверхности к третьему контактному отверстию, которое спускает его в сигнальный слой в глубине подложки. Проводник, расположенный вдоль оси X, ведет сигнал к следующему контактному отверстию, от которого он проходит дальше через проводник, параллельный оси Y. Через последнее на этом пути контактное отверстие сигнал возвращается на поверхность к посадочному месту другого кристалла, где данная цепь и заканчивается. Некоторые из сигнальных цепей выводятся на нижнюю сторону подложки, где они идут к другим модулям через цепи многослойной печатной платы. Разводка электропитания осуществляется в трех слоях в нижней части керамической под- ложки (см. также рис. 5.22). И рис. 5.21 и 5.22 видно, что пять верхних слоев подложки предназначены для перераспределения сигнальных линий от кон- тактных площадок кристалла на набор контактных площадок, выхо- дящих на поверхность подложки и расположенных двумя рядами вдоль сторон каждого кристалла (рис. 5.23). Эти контактные пло- щадки позволяют контролировать гибридную СБИС с установлен- ными на ней кристаллами. В случае необходимости с их помощью можно изменить и схему соединений, разрушив короткий отрезок проводника на поверхности подложки, отключив любую сигналь- ную линию от внутренних цепей, и сделать новое соединение, про- ложив микропровод между двумя выбранными контактными пло- щадками. Верхние перераспределительные контактные слои наиболее гУсто снабжены сквозными переходными отверстиями, которые рас- полагаются с шагом 0,25 мм. Для каждого посадочного места кристалла сформировано 96 монтажных контактных площадок. В технологии предусмотрены замены отдельных кристаллов как при изменениях конструкции, так и при ремонте, что говорит о вы- сокой ремонтопригодности конструкции. 183
Рис. 5.23. Монтажный узел кристалла полупроводниковой СБИС: /— кристалл СБИС; 2— два ряда контактных пло- щадок, электрически связанных через перераспре- деляющие слои с шариковыми выводами СБИС; 3— перешеек между контактными площадками Рис. 5.24. Отвод тепла от кристаллов полупроводниковых СБИС через алю- миниевые подпружиненные плунжеры: 1— плунжер; 2 — кристалл СБИС; 3— металли- ческая водоохлаждаемая крышка (часть крышки с плунжерами снята); 4—канал для движения охлаждающей жидкости Электропитание распределяется по трем нижним слоям подложки (см. рис. 5.21, рис. 5.22): по двум поданы напряжения, необходимые для работы кристаллов, третий находится под потенциалом земли. Питание на сами эти слои подается по параллельной схеме через матрицу контактов, равномерно расположенных по нижней поверх- ности подложки. От слоев питания ток поступает прямо на соответ- ствующие контактные площадки кристаллов через параллельно вклю- ченные группы сквозных контактных отверстий. Конструкция под- ложки позволяет подводить питание к каждому кристаллу мощ- ностью до 4 Вт, хотя не каждый кристалл работает с максимальным током; мощность питания платы ограничена на уровне 300 Вт, т. е. в среднем около 3 Вт на кристалл. Эти цифры существенно перекрывают допустимые мощности рассеяния на уровне кристалла БИС и средние значения допустимой удельной мощности на плате при воздушном охлаждении. Поэтому в рассматриваемой конструкции применено жидкостное охлаждение (рис. 5.24). Выбор материалов для такой технологически сложной конструк- ции, как керамическая подложка, потребовал компромиссных реше- ний. Основным компонентом материала подложки служит алунД (А12Оз), обладающий отличными механическими свойствами, стой- костью к химическим и термическим воздействиям при изготов- 184
лении подложки и модуля. Главный недостаток алунда — относи- тельно высокая диэлектрическая проницаемость, равная 9,4 (сравни с полиимидом, у которого она равна лишь 3,5). Именно поэтому скорость распространения сигналов в данном модуле ниже, чем на платах с применением полиимидной пленки. Однако тот факт, что кристаллы можно устанавливать прямо на керамическую под- ложку, позволяет значительно сократить среднее расстояние между кристаллами, и именно поэтому полная задержка сигналов в итоге не столь уж велика. Другое компромиссное решение было принято при выборе мате- риала проводников для внутренних слоев подложки. Обжиг алун- довой керамики происходит при температуре 1500 °C, поэтому про- водники пришлось делать из тугоплавкого металла — молибдена, удельное сопротивление которого примерно в три раза больше, чем у меди. Чтобы компенсировать этот недостаток, была увеличена плотность размещения сквозных контактных отверстий, так что большие токи можно подавать на кристаллы по параллельным путям через группы таких отверстий. Технология многослойных керамических плат обладает большой прецизионностью: ширина линий проводников и диаметр запол- няемых под давлением молибденовой пастой сквозных отверстий равны 120 мкм. Пробивка сквозных отверстий в слоях необожженной керамики, рисунок трафарета, контроль отдельных слоев подложки и проверка всех электрических цепей подложки проводятся с использованием системы автоматизированного проектирования. 5.6. КОНСТРУКЦИИ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ За счет совмещения в одной конструкции пленочных резисторов, плоских проводящих и диэлектрических слоев, на RC и ГС-струк- турах могут быть реализованы довольно сложные устройства, выпол- няющие функции фильтров, линий задержки и др. Это своеобразные функционально-интегрированные структуры. Например, интеграция функций конденсатора и резистора в Г?С-структурах осуществля- ется за счет замены одной или обеих обкладок конденсатора пле- ночными резисторами. В таких конструкциях один и тот же элемент, например резистивная пленка, является частью как резистора, так и конденсатора, параметры которых R и С распределены вдоль структуры. Простое, казалось бы, объединение функций металли- ческих пленок, нанесенных по обе стороны диэлектрика конденса- тора, придает этой структуре качественно новые свойства. Сов- мещение функций емкостных и резистивных элементов открывает совершенно новые возможности в разработке схемотехнических ре- шений, не имеющих аналогов в схемах на дискретных элементах, и позволяет при проектировании распределенных структур распо- 185
ряжаться не элементами, а функциями. Таким образом, распре-И деленные пленочные структуры являются элементами функциональ-Т ной электроники. В зависимости от числа, взаимного расположения пленочных элементов и способа их соединения в распределенных структурах могут быть созданы структуры трех-, четырех- и более сложных многополюсников. Основные разновидности /?С-структур. /?С-структуры с распре- деленными параметрами могут использоваться в качестве фазо- сдвигающих и времязадающих элементов фильтров, элементов час- тотно-зависимой обратной связи в активных фильтрах. Две раз- новидности /?С-структур R1 — C—R2 и C1—R—C2 показаны на рис. 5.25, а, б. По конструктивно-технологическому исполнению R1 — С—R2 структура подобна пленочному конденсатору с высоко- омными обкладками, имеющими сопротивления R1 и R2 между а выводами 1...2 и 3...4 соответственно. Структура типа С1—R—С2 состоит из двух конденсаторов емкостями С1 и С2, имеющими общую обкладку из высокоомной^] материала с сопротивлением R между выводами 1 и 3. д) < | - Резисти&ный слой; -^излектричеснии слои; -Металлический слой ; Y %| - Подложна Рис. 5.25. Распределенные пленочные ЯС-структуры: a — Rl —С—R2-, 6 — CI — R—C2-, в — резистивная пленка с постоянными погонными параметра^ (шириной); г — резистивная пленка с плавно по определенному закону меняющейся шириной;/?— рез<| тивная пленка со ступенчато изменяющейся-шириной а 186
4 Рис. 5.26. Конструкции пленочных распределенных структур с постоянными (а) и изменяющимися (б) погонными параметрами: ]— резистивный слой; 2— диэлектрические слои; 3— пленочные проводники; 4— проводящие слои Различают /?С-структуры с постоянными (рис. 5.25, в) и пере- менными по длине конструкции параметрами. В пленочных RC- структурах изменение погонных сопротивлений и емкостей может осуществляться за счет толщин резистивной и диэлектрической пленок или их ширины. В практике используется последний, наи- более технологический вариант. При этом профиль структуры может изменяться плавно (рис. 5.25, г) или ступенчато (рис. 5.25,d). RC- структуры с переменными погонными параметрами позволяют улуч- шить характеристики фильтров. В гибридных микросхемах применяются четырех-, трех- и двух- полюсные /?С-структуры с распределенными параметрами. Электри- ческие характеристики этих структур (амплитудно-частотная, фазо- частотная и переходная; полное входное сопротивление) определя- ются в результате решения дифференциальных уравнений для потен- циалов и токов в любом сечении структуры при определенных потенциалах или токах на полюсах. На рис. 5.26, а показана структура R1—С с постоянными погон- ными параметрами, один резистивный слой которой заменен прово- дящим и используется только один вывод проводящего слоя. Эта структура выполняет функции фильтра нижних частот, фазосдвига- ющей и времязадающей цепи. На рис. 5.26, б дана конструкция технологически очень сложной распределенной С]—R—(^-струк- туры с переменными погонными параметрами. Верхняя проводящая обкладка конденсатора С1 имеет переменную ширину Ьх, а нижняя обкладка конденсатора С2 имеет переменную толщину. На рис. 5.27 представлены частотные характеристики трехпо- люсной распределенной структуры, конструкция которой дана на рис. 5.26, а, в сравнении с частотными характеристиками обычной ^С-цепочки на дискретных элементах. Из сравнения видно, что пленочная /?С-структура с распределенными параметрами имеет более крутую амплитудно-частотную характеристику в области вы- соких частот и позволяет получить сколь угодно большой фазовый сдвиг, в то время как обычная /?С-цепочка обеспечивает фазовый сдвиг максимум на —90°. 187
1 ё) Рис. 5.27. Частотные характеристики трехполюсной (а, б) PC-структуры с распре! деленными параметрами и PC-цепочки (штриховая линия) при равновеликих R и С и их условные обозначения (в, г) Основные разновидности £С-структур (рис. 5.28). Функциональ- ное объединение пленочной индуктивности и плоского конденсатора (плоская проводящая спираль играет одновременно и роль одной из обкладок конденсатора) приводит к созданию пленочной АС- структуры, которая может выполнять функции резонансных эле- ментов, линий задержки и т. п. На частотах ниже 200 МГц такие структуры могут заменить полосковые линии, а на более высоких частотах (до 16 ГГц и выше) конкурируют с ними. Использование распределенных АС-структур на частотах ниже 10 МГц несколько затруднено в связи со сравнительно большими их размерами или необходимостью создавать большое число уровней структур ме- талл — диэлектрик — металл. В простейшем случае они представляют собой плоские про- водящие дорожки в форме круглой или квадратной спирали или Рис. 5.28. Конструкции индуктивных распределенных пленочных ЛС-структур с верх] ней обкладкой спиральной формы (а), формы квадратной спирали (б) и меандра (в)| 1—диэлектрик; 2— пленочный проводник; 3—экран; 4— проволочные выводы 1 188 I
экранов LC- б — гребенчатый Рис. 5.29. Топология структур: а — круглый с разрезами; в форме меандра, расположенные на диэлектрическом основании, с обрат- ной стороны которого нанесен немаг- нитный металлический экран. Экран этот может быть сплошным или содержать разрезы (рис. 5.29), по- зволяющие изменять индуктивность LC-структуры при заданных ее габа- ритных размерах. В принципе LC- структуры, показанные на рис. 5.28, могут быть выполнены в виде пленочных структур металл — диэлектрик — металл на диэлектри- ческой подложке или на полиимидной пленке. Они обладают опреде- ленной индуктивностью, эквивалентной емкостью, коэффициентом потерь и добротностью. Резонансные LC-структуры (рис. 5.30) отличаются от индук- тивных наличие^ еще одного экрана, разрезанного (разделенного) таким образом, чтобы в нем не возникали вихревые токи. Такой экран незначительно уменьшает индуктивность LC-элементов, но позволяет несколько увеличить и, главное, изменять распределенную емкость, т. е. подстраивать элемент. При добавлении экрана в конструкцию собственная резонансная частота LC-структуры пони- жается. Резонансный элемент с дополнительным разделенным экра- ном является уже трехполюсником и, в зависимости от способа включения, имеет различные частотные характеристики. LC-струк- туры с дополнительным экраном позволяют осуществить развязку по постоянному току без дополнительных развязывающих конден- саторов. Рис. 5.30. Конструкции резонансных распределенных пленочных LC-структур с верх- ней обкладкой спиральной формы (а), формы квадратной спирали (б) и меандра (в): Г подложка; 2— металлический экран, 3— пленочный проводник; 4— разделенный экран; 5— пленка межслойного диэлектрика; 6— разрезы второго экрана; 7— замкнутый разрез; 8— отключенный сектор ^полоска) 189
Изготовление Lc-элементов возможно на основе технологий двусторонних печатных плат, двусторонне фольгированных диэлек- трических пленок и многоуровневых толстопленочных и тонкопленоч- ных структур металл — диэлектрик — металл. Технология двусторонних печатных плат позволяет создавать функциональные устройства, работающие в диапазоне десятков и сотен мегагерц. Для более высоких частот целесообразно исполь- зование фольгированных гибких диэлектрических пленок, выпус- каемых отечественной промышленностью (табл. 5.1). Обычно для их изготовления применяется медная фольга толщиной 35...50 мкм, которая может быть уменьшена до 5...7 мкм, что повышает раз- решающую способность операций формирования конфигураций пле- ночных элементов. Свойства гибких диэлектрических подложек мож- но изменять в нужную сторону созданием композиционных мате- риалов, содержащих в полимерной основе модифицирующие добавки. Так, на основе высококачественных полимерных смол — поликарбо- ната и полифениленоксида — путем добавок двуокиси титана (на- полнителя) с большой ег созданы композиционные материалы ПКД и ФЛАН, имеющие в зависимости от марки материала ег=3...1О и tg8^4-10~3. Имеются трудности при фольгировании полиимида из-за низкой химической активности поверхности полиимидных пле- нок: фольгу либо приклеивают к пленке, либо наносят ее методом термопрессования с использованием в качестве адгезионного под- слоя модифицированного полиэтилена. , Механические свойства полимерных пленок улучшаются пр! армировании их, например, стеклотканью. Армирование повышает! иногда на порядок, tgS. Т аблдаца 5.1. Технологические и электрофизические характеристики диэлек: ческих материалов гибких фольгированных подложек Материал Температурный диапазон эксплуа- тации, °C Режим пайки, °C; Ро’ Ом • см &Г При / = 1 МГц tg6 при МГц Фторопласт —70... 4-200 260; 10 ю'6 2,1 0,0005 Фторопласт, армирован- —70... 4-200 260; 10 ю14 2,6 0,002 ный стеклотканью Полиимид 0 —70... 4- 200 260; 10 4- Ю'6 3,3 0,007 Полиимид, облицованный —40...+ 150 260; 10 Ю'6 2,6 0,001 модифицированным поли- этиленом Модифицированный по- —40...+ 150 245;5 2,7 0,0014 ( лиэтилен Армированный модифи- —40...+ 150 245,5 ю16 3,4 0,007 j цированный полиэтилен Полифениленоксид (ари- —60...+ 150 260,20 ю'7 2,6 0,0008 ) локс) Армированный полифени- —60...+ 150 260,20 ю16 3,0 0,001 j леноксид Полиэфир —55...+120 230,1 ю17 3,0 0,016 J Стеклотекстолит —60...+ 150 260,10 ю13 5,1 . 0,03 J 190
5.7 КОНСТРУКЦИИ КОМПОНЕНТОВ ГИБРИДНЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОСБОРОК В качестве компонентов используют полупроводниковые микро- схемы и БИС, диодные и транзисторные матрицы, миниатюрные корпусные диоды и транзисторы, бескорпусные диоды и транзисторы, миниатюрные резисторы, конденсаторы, индуктивности, дроссели, 1рансформаторы. Выбор компонентов для конкретной гибридной интегральной микросхемы проводят, исходя из схемотехнических, конструктивно- технологических требований и требований к надежности, предъяв- ляемых к параметрам схемы, массо-габаритных характеристик уст- ройства, условий эксплуатации и технологии производства, сроков освоения, стоимости и т. п. Поскольку надежность функционирова- ния компонента определяется режимами его работы в схеме, следует учитывать зависимость электрических параметров от условий работы схемы, значений токов, напряжений, мощности компонентов. Рис. 5.31. Конструкции активных компонентов гиб- ридной микросхемы; бескорпусные транзисторы с гиб- кими (а), балочными (б) и шариковыми (в) вывода- ми и бескорпусные полупроводниковые микросхемы с гибкими (г) и столбиковыми (д) выводами 191
контактола Рис. 5.32. Способы крепления компонентов гибридных микросхем и присоединения их вы- водов /,Паяное (сварное) V. Клеедое соединение / соединение Недостатком компонентов с гибкими выводами (рис. 5.31, а, г) является трудность автоматизации процессов их монтажа в гибрид- ную микросхему^ Применение компонентов с шариковыми выводами (рис. 5.31, в) затрудняет контроль процесса сборки. Приборы с балочными выводами ’(рис. 5.31, б) дороги, но позволяют автома- тизировать сборку, контролировать ее качество, увеличивать плот- ность монтажа. Способ монтажа компонентов на плату гибридной микросхемы должен обеспечить сохранность их формы, параметров и свойств, отвод тепла от них, стойкость микросхемы к термоциклированию, вибрациям и ударам (рис. 5.32). Миниатюрные резисторы. Чаще всего применяют резисторы ти- пов С2-12, СЗ-2, СЗОЗ и др. (рис. 5.33). Миниатюрные конденсаторы довольно часто применяют в гибрид- ных микросхемах. Это вызвано тем, что методами пленочной тех-1- нологии получить конденсаторы с требуемыми рабочими характерис- тиками удается далеко не всегда. Промышленностью выпускается' несколько типов миниатюрных конденсаторов (рис. 5.34). Выбор типа конденсатора производят по значениям емкости, рабочего напряжения, интервалу рабочих температур, допустимой Рис. 5.33. Конструкции миниатюрных резисторов гибридной микросхемы: а — С2-12, СЗ-З; б— CT3-32; в — СЗ-2, СТЗ-28 192
МО-9 (Нелцженугш-, МО-9 ( Луженый) Рис. 5.34. Габаритные черте- жи миниатюрных конденсато- ров типов: а—К10-9 (нелуженый); б — КЮ-9 (луженый); в — К10-9М (луженый); г—К.10-17 в (нелуженый); д — К10-17 в; е — К53-15; ж — К53-16 Н53-16 реактивной мощности, допустимому отклонению емкости от номи- нала, величине ТКС. Наиболее перспективны керамические конденсаторы КЮ-17 и К10-9, обладающие высокой емкостью и приемлемыми значениями других характеристик. Эти конденсаторы выпускаются двух типов — с нелужеными (посеребренными) и лужеными торцами, являющи- мися выводами обкладок. Нелуженые выводы предназначены для присоединения к контактным площадкам с помощью гибких вы- 7 Зак. 918 . 193
Рис. 5.35. Способы установки миниатюрных конденсаторов К10-17 и К10-9 на плату гибридной микросхемы: а — с гибкими выводами; б — на контактные площадки водов, луженые — непосредственно к контактным площадкам платье гибридной микросхемы (рис. 5.35). | В качестве электролитических целесообразно использовать мало- габаритные оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Они рассчи- таны на рабочее напряжение до 30 В в интервале температур —60.,.+85°С, применяются в основном в фильтрах вторичных ис- точников питания, в цепях развязки. Электролитические конден- саторы К53-15 и К53-16 отличаются конструкцией выводов. Кон- денсатор К53-15 имеет выводы по типу шариковых и предназ- начен для автоматизированного монтажа, а конденсатор К53-16 имеет гибкие выводы и монтируется на плату с помощью про- волочного монтажа. Миниатюрные диоды и диодные матрицы. В качестве диодных структур преимущественное применение находят бескорпусные диод- ные матрицы (рис. 5.36). Они выполняются в двух вариантах: с общим катодом и с общим анодом. Кроме диодных матриц в конструкциях гибридных микросхем используются дискретные диоды. * В качестве выпрямительных и импульсных применяются крем- ниевые сплавные или диффузионные, а также арсенид-галлиевые диоды. Часть из них выпускается в бескорпусном варианте, ос- тальные — в миниатюрных пластмассовых или металлостеклянных корпусах. В гибридных микросхемах предназначенных для усиления и генерации электрических сигналов, в качестве навесных компонен- тов используются миниатюрные туннельные и обращенные диоды. В оптоэлектронных микросхемах широко используются миниа- тюрные и бескорпусные светодиоды. Промышленностью выпуска- 194
Рис. 5.36. Способы установки диодных матриц и сборок иа плату гибридной микросхемы ются арсенид-галлиевые эпитаксиальные бес- корпусные светодиоды типа АЛ 109 и фосфид- галлиевые эпитаксиальные бескорпусные све- тодиоды типов АЛ301А, АЛ301Б. В ряде слу- чаев в качестве источников инфракрасного из- лучения с длиной волны 0,95 мкм в микросхемах находят применение светодиоды типов АЛ103А, АЛ103Б. Габаритные чертежи миниатюрных и бескорпусных диодов пока- заны на рис. 5.37. Миниатюрные корпусные и бескорпусные транзисторы и тран- зисторные матрицы. Габаритные чертежи некоторых вариантов кон- струкций биполярных транзисторов показаны на рис. 5.38. В бес- корпусном исполнении выпускаются и полевые транзисторы (рис. 5.39). В настоящее время в микросхемах используют кремниевые планарные полевые транзисторы типа К.П201. Указанные транзис- торы имеют структуру ср — п переходом и каналом p-типа. На- пряжение на стоке транзистора — отрицательное относительно ис- тока, а на затворе—положительное. Транзисторы данного типа рекомендуется использовать при температуре окружающей среды —4О...+85°С. В микросхемах подобные транзисторы устанавливают по варианту 1 (см. рис. 5.32). Кроме указанных типов полевых транзисторов в настоящее время промышленностью выпускаются бескорпусные спаренные полевые транзисторы типа КПС202. Эти структуры включают по два бес- корпусных транзистора, устанавливаемых на общей подложке раз- мером 1X2 мм. В пару подбираются транзисторы с идентичными электрическими параметрами. 195
АИ101А,АИЮ1Б,АИ101В, АИ101Д, АИ101Е, АИ101И, АИ301А, АИ301Б,АИ301В,АИ301Г АИ201Б,АИ201Г, АИ201Е,.. АИ20Ш, АИ201И. АИ201К, АИ201Л.АИ Б025, АИЛ02Г, АИА02Е,АИА02И А ДНО A ГИ305А, ГИЗОЬБ, ГИ305А, ГИ305Б, ГИ307А, ГИ 4 03 А 03,7 ГИ103А, ГИ103Б, ГИ103В, ГШОЗГ АЛ ЮЗА, АЛ103Б Рис. 5.37. Конструкции и габаритные размеры миниатюрных и бескорпусных диодов 196
КТ307,КТ317, НТ318, НТ332 Рис. 5.38. Способы установки на плату, габа ритные и присоединительные размеры бипо- лярных транзисторов Миниатюрные трансформаторы. Габаритный чертеж миниатюрного трансформатора приведен на рис. 5.40. Помимо трансформаторов в гибридных микросхемах используют- ся навесные дроссели, миниатюрные катушки индуктивности. Бескорпусные полупроводнико- вые интегральные микросхемы. Они предназначены для эксплуатации в составе микросхем и микросборок, ячеек и блоков МЭА, подвергающих- ся общей герметизации. Бескорпусную герметизацию полупроводни- ковых микросхем проводят после пассивации поверхности кристалла пленками окисла кремния, боро- или фосфоросиликатного стекла. Для бескорпусной герметизации используют кремнийорганические эпоксидные эмали, фосфоросодержащие лаки, эпоксидные компаун- ды. Эмали и лаки наносят на одну рабочую сторону кристалла, ком- паунды — на обе стороны и на боковые грани. Толщина герметизи- рующего покрытия 200... 400 мкм. Как правило, бескорпусные микро- схемы имеют прямоугольную форму, что целесообразно для опти- мального «раскроя» и разделения полупроводниковых пластин на кристаллы и более удобно для их размещения на подложках микро- схем и микросборок в сочетании с другими элементами и компонента- ми. Габаритные и присоединительные размеры некоторых серий бес- корпусных микросхем, их конструкции и варианты установки на плату показаны на рис. 5.31 и 5.41. В бескорпусном варианте выпус- каются также и другие серии логических и цифровых полупро- иодниковых микросхем, например КБ102-1, КБ103-1, КБ743-3. В 197
Рис. 5.39. Дискретный по- левой транзистор. Габа- ритный чертеж Рис. 5.40. Миниатюрный трансформатор для гибрид ных микросхем и микросборок. Вариант установи! и габаритный чертеж числе бескорпусных аналоговых полупроводниковых микросхем наи более широко используются операционные усилители (рис. 5.42) Для крепления к подложке микросхемы компонентов с гибким! и балочными выводами используются стекла с температурой обра ботки 450,..500°С, термостойкие клеи на неорганической основе, си таллы, клеи на основе компаундов. Они не должны разрушат! 673U-1 6716КТ-1 К6111-1 ,K67tt3-1 Рис. 5.41. Конструкции бескорпусных микросхем, варианты их установки на подложк и способы присоединения выводов 198
рис. 5.42. Бескорпус- К57Ь0УДЗ-1 ные интегральные мик- росхемы операционных усилителей. Г абарит- ные чертежи защитное покрытие бескорпусных компонентов. Жидкое стекло нано- сится в виде небольшой капли, на нее устанавливается кристалл, затем производится нагрев в печи или на установке для пайки. Температура отверждения клеевого соединения с использованием эпоксидной смолы 6О...11О°С. Толщина клеевого соединения 0,05... 0,1 мм. Рекомендуется применять эпоксидный клей ВК.-9. Крепление приборов может также осуществляться с помощью припоя или эвтектическим сплавом. В этом случае место крепления компонента на плате гибридной микросхемы нужно металлизировать. Крепление компонентов с шариковыми выводами к контактным площадкам микросхемы производится в защитной атмосфере аргона, азота или гелия с применением припоя. Применение ультразвука позволяет улучшить качество сборки. Соединение выводов компонентов с контактными площадками микросхемы проводится одним из многочисленных способов микро- сварки: термокомпрессией, сдвоенным электродом, с помощью уль- тразвуковых колебаний (25...50 кГц) и т. д. Для контактирования компонентов с пленочным монтажом применяются также пайки низкотемпературными припоями. Остатки флюса на месте пайки должны обладать изоляционными свойствами, не вызывать коррозии и быть негигроскопичными. Резисторы и конденсаторы с лужеными контактными поверхностями присоединяются либо пайкой, либо с помощью контактола К.13-А. Бескорпусные компоненты следует размещать на подложке или плате гибридной микросхемы с учетом рационального использо- вания ее площади, обеспечения минимизации длины проводников и их пересечений. Необходимо также обеспечить заданный тепловой режим работы компонентов, максимально уменьшить паразитные связи, обеспечить ремонтопригодность (возможность замены). Как правило, оптимизировать конструктивные параметры гибридной мик- росхемы или микросборки удается, лишь используя ЭВМ. Основные конструктивные и технологические ограничения при Размещении компонентов определяются техническими условиями, характером и разрешающей способностью существующих технологи- ческих процессов и используемого оборудования. 199
Часть II. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И КОНСТРУКЦИИ МИКРОСХЕМ, МИКРОПРОЦЕССОРОВ И МИКРОСБОРОК Глава 6. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОЛУФАБРИКАТЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ 6.1. МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ КРЕМНИЙ Уникальное сочетание подходящей для изготовления полупроводни- ковых приборов ширины запрещенной зоны кремния, отличных диэлектрических и технологических свойств и стабильности его окисла, больших природных запасов этого материала указывает на то, что в обозримом будущем ни один другой полупроводниковый материал не сможет претендовать на замену кремния при изготов- лении ИС. Свойства монокристаллического нелегированного кремния даны в табл. 6.1. В производстве микросхем он используется в виде круг- лых пластин диаметром 100...120 мм (в перспективе 150...200 мм), толщиной 200...400 мкм. Шероховатость поверхности кремниевых пластин соответствует 14-му классу (/?г=0,05 мкм) для рабочей стороны и 12-му классу (/?г=0,2 мкм) для нерабочей стороны. Кремйий легируют акцепторными или донорными примесями до опре- Таблица 6.1. Свойства полупроводникового монокристаллического кремния Параметр Численное значение Число атомов в 1 см3 при 298 К 4,99-1022 Плотность при 298 К* г/см3 2,3290 J Температура плавления, °C 1417 1 Удельная теплоемкость при 298 К, (Дж/г-°С) 0,75 -I Коэффициент теплопроводности, Вт/(см-°С) 1,2 1 Термический коэффициент линейного расширения, °C-1 +4,2-10~61 Относительная диэлектрическая проницаемость 11,7 1 Работа выхода, эВ 4,8 ] Ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ 1,11 Эффективная масса электронов, отн. ед. 0,33 1 Подвижность и,, электронов при 300 К, см2-(В-1 • с-1) 1400 1 Эффективная масса дырок, отн. ед. 0,55 J Подвижность и,, дырок при 300 К, см2-(В-1-с~') 500 -J Удельное объемное сопротивление (собственное) р„ при 300 К, Ом-см 2,3-105 . Концентрация собственных носителей, см-3 1,5-1010 .| 200
деленного заданного уровня для управления его свойствами. Зави- симость удельного объемного сопротивления монокристалличес- кого кремния при 300К и подвижности носителей тока от уровня легирования иллюстрируется рис. 6.1. В зависимости от назначения и требований промышленности выпускается несколько марок монокристаллического кремния элек- тронного (Э) и дырочного (Д) типов проводимости с регламен- тируемыми свойствами. Обозначение марки кремния состоит из нескольких элементов: первый элемент — буква К (кремний); второй — буква, обозначаю- щая тип проводимости — Э или Д; третий — начальная буква Рис. 6.1. Зависимости удельного объемного сопротивления кремния р„ (а) при 300 К и подвижности носителей ц„, рр от уровня легирования и температуры (6): — концентрация доноров; W. — концентрация акцепторов 201
легирующего элемента (А — алюминий, Б — бор, С — сурьма, М -и мышьяк, Ф — фосфор, 3 — золото); четвертый — числовая дробь, числитель которой — удельное объемное сопротивление, знамена- тель — диффузионная длина неравновесных носителей заряда (миллиметры). Примеры обозначения: 1) КЭФ 4/0,1 — кремний электронного типа проводимости, леги- рованный фосфором с номиналом удельного сопротивления 4 Ом-см, диффузионной длиной неравновесных носителей заряда 0,1 мм; 2) КДБ 10 кремний дырочного типа проводимости, легирован- ный бором с удельным сопротивлением 10 Ом-см, диффузионная длина носителей заряда не регламентирована. На предприятия, выпускающие микросхемы, кремний поставля- ется в виде монокристаллов соответствующего диаметра (100.. 200 мм) длиной 500...2000 мм. Монокристалл кремния разрезают на пластины (подложки) тол- щиной 0,2...0,5 мм. Поверхность подложки чаще всего ориентиров вана вдоль кристаллографической плоскости {111}. Однако в ряд) случаев целесообразно использовать кремниевые пластины с ориен- тировкой вдоль плоскостей {100} или {ПО}. По техническим усло- виям отклонение плоскости пластины от кристаллографических плос- костей не должно превышать 20'. 6.2. ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ Эпитаксиальные кремниевые структуры выпускаются в виде круг- лых пластин диаметром 60, 80, 100 и 125 мм, толщиной 200.. 400 мкм. Принято обозначать марку эпитаксиальной структурь в видё дроби, в числителе которой дается характеристика эпитак- сиального слоя, а в знаменателе — характеристика кремниевой под- ложки. Перед дробью ставится цифра, указывающая диаметр эпи- таксиальной структуры в мм. Например, обозначение 100 —7О’3,,,,, расшифровывается так:: структура 0100 (мм состоит из эпитаксиальной пленки кремния? с электронной проводимостью, легированной фосфором, с удельным^ объемным сопротивлением 0,3 Ом-см, толщиной 7 мкм, выращенной: на кремниевой ориентированной по плоскости (111) подложке с) дырочной проводимостью, легированной бором, с удельным объем- ным сопротивлением 10 Ом-см толщиной 200 мкм. Дополнительные параметры структуры, например диффузионная длина или время жизни носителей заряда, плотность дислокаций? и другие, указываются в паспорте на структуру. 202
6.3. ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ СО СКРЫТЫМИ слоями Такие структуры изготавливаются по специальным заказам под конкретную полупроводниковую микросхему, так как положение скрытого слоя строго определено размещением элементов (тополо- гией) в микросхеме. Данные о параметрах этих структур таковы: 060, 80, 100 и 125 мм; толщина 300...400 мкм; толщина эпитаксиаль- ного слоя 6,0...15 мкм с допуском ±10%; удельное сопротивление эпитаксиального слоя 0,15...5,0 Ом-см; толщина скрытого слоя 2,5...10 мкм, ps скрытого слоя 15...50 Ом/П. Структура со скрытым слоем обозначается и. расшифровыва- ется следующим образом: п 7 КЭФ 0,3/2,5 КЭС 30 100 —зоо КДБ ю (111) — это кремниевая эпитаксиальная струк- тура 0100 мм, полученная на кремниевой подложке толщиной 300 мкм с дырочной проводимостью, легированная бором, с удель- ным объемным сопротивлением 10 Ом-см, ориентированная по кри- сталлографической плоскости (111); эпитаксиальный слой толщи- ной 7 мкм имеет электронную проводимость, легирован фосфором, с объемным удельным сопротивлением 0,3 Ом-см; скрытый слой толщиной 2,5 мкм имеет электронную проводимость, легирован сурьмой, поверхностное удельное сопротивление скрытого слоя 30 Ом/П. Данные о скрытом слое указываются в числителе после знака косой черты с той особенностью, что число после буквенного обоз- начения типа проводимости и вида легирующего скрытый слой элемента (в данном случае после букв КЭС) показывает не объ- емное, а поверхностное сопротивление скрытого слоя. 6.4. СТРУКТУРЫ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ С ПОЛНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ Подложки таких микросхем по расположению областей моно- кристаллического кремния, в которых формируют ее элементы, раз- деляют на два типа: подложки типа КВД (кремний в диэлектрике) I и подложки типа КНД (кремний на диэлектрике) (см. рис. 2.33). I К диэлектрическим подложкам полупроводниковых микросхем предъявляют следующие требования: материал подложки должен обладать малыми значениями тан- генса угла диэлектрических потерь tg6 и относительной диэлек- трической проницаемости е для получения минимальных токов утечки и паразитных емкостей между областями монокристаллического кремния; механическая прочность подложки должна быть высокой даже при небольшой ее толщине; 203
Рис. 6.2. Структуры КСДИ без скрытого слоя (а), со скрытым слоем (б), с вы- ходом скрытого слоя на поверхность структуры (в): I— монокристаллический кремний; 2— окисел; 3— скрытый слой; 4— поликристаллический крем- ний рабочая поверхность подложки должна поддаваться обработке не ниже, чем до 14-го класса шероховатости; , температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР мате- риала подложки должен быть согласован с ТКЛР монокристалли- ческого кремния; материал подложки должен обладать высокой химической стой- костью к воздействию жидких и газовых сред, применяемых в производстве полупроводниковых микросхем; материал подложки должен иметь высокую теплопроводность для обеспечения отвода тепла от элементов микросхем. Для подложек типа КНД этим требованиям удовлетворяют сап- фир и шпинель, а для подложек типа КВД — специальное ситалловое стекло марки С-40-2. Структуры типа КНД получают гетероэпитаксией кремния на сапфировых подложках (КНС) толщиной 250...300 мкм. Их обоз- начают и расшифровывают следующим образом: IzlJr,2 КДБ 15 КНД 6Q с 25Q--это структура типа кремнии на диэлектрике с гетероэпитаксиальным слоем кремния толщиной 2 мкм, дырочной проводимости, легированным бором, с удельным объемным сопро- тивлением 15 Ом-см, выращенным на сапфировой подложке (в зна- менателе буква «с») 060 мм и толщиной 250 мкм. Кристалло- графическая ориентация гетероэпитаксиальных слоев на структуре типа КНС (100). Применение структур КНС затрудняется слож- ностью технологии выращивания бездефектных гетероэпитаксиаль- ных слоев. Из структур КВД распространен вариант КСДИ (кремниевая структура с диэлектрической изоляцией). В зависимости от кон- кретных требований изготавливаются три варианта КСДИ, раз- личающиеся как наличием скрытого слоя, так и его геометрией (рис. 6.2). Конструктивные параметры структур КСДИ таковы: толщина (200±Ю) и (300±Ю) мкм при диаметрах соответственно 40 и 60 мм; толщина изолированного кармана без скрытого слоя 7...20 мкм, со скрытым слоем 10...25 мкм; толщина скрытого слоя 5...8,5 мкм с допуском ±1мкм; толщина изолирующего окисла 1,5...3,5 мкм. I Пример обозначения кремниевой структуры с диэлектриче! - vrnurn 20 КЭФ 4,5 (100) [и + -М1 1 скои изоляцией КСДИ60 --------- „ „.2 ' 1-----1 — это структура! Оби о1\_/2 А,О 4 204
0 60 мм, толщина монокристаллических областей из кремния элек- тронной проводимости, легированного фосфором, с удельным сопро- тивлением 4,5 Ом • см с кристаллографической ориентацией (100) сос- тавляет 20 мкм. В квадратных скобках указывается наличие скрытого п + -слоя, легированного мышьяком (буква М) и выходящего на по- верхность структуры. Если скрытый слой не имеет выхода на поверх- ность, эти данные заключаются в круглые скобки. В знаменателе ука- зывается толщина структуры 300 мкм, вид диэлектрика 2,5 мкм. Структуры для микросхем с диэлектрической изоляцией могут создаваться на предприятиях, производящих ИС, но более целесооб- разно осуществлять их производство централизованно по заказам предприятий-изготовителей ИС и осуществлять поставку структур в необходимом количестве. Глава 7. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С ИЗОЛЯЦИЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ р-п ПЕРЕХОДАМИ Этот классический вариант технологии широко используется в на- стоящее время для производства микросхем малой и средней сте- пеней интеграции. Планарно-эпитаксиальная технология. Рассмотрим изготовление микросхемы на биполярных транзисторах с изоляцией элементов р-п переходами на примере фрагмента (рис. 7.1), представля- ющего собой простейший усилитель. В качестве исходной выбирают пластину кремния КДБ 10/0,1 60, 76 или 100 мм с ориентацией (111), рабочую поверхность которой вначале шлифуют, полируют до 14-го класса шерохова- тости и стравливают нарушенный поверхностный слой. Затем про- водят окисление поверхности кремния (рис. 7.2, а) для формирования окисла SiOa, который будет служить маской при локальном вве- дении примеси п-типа на последующей операции диффузии. Про- никновение примеси через окисел практически исключено, так как диффузия таких примесей, как фосфор, бор, мышьяк, сурьма Рис. 7.1. Электрическая принципиаль- 1 ная схема фрагмента полупроводнико- U вой микросхемы А А 205
206 Резистор База транзистора tn_JZ7^L_E==L_J_^l_Jd Конденсатор Резистор Эмиттер тоанзистопа и)
Рис. 7.2. Изменения кремниевой подложки в процессе изготовления проводниковой микросхемы на биполярных транзисторах с изоляцией элементов р-п переходами после: а — шлифовки, полировки, травления и термического окисления; б — локальной диффузии и формирова- ния скрытого п+-слоя под коллектором будущего транзистора; в — операции эпитаксиального наращи- вания и второго окисления; г — вскрытия окон под изолирующую диффузию; д — разделительной (изо- чирующей) диффузии; е — вскрытия окон под базовую диффузию; ж — базовой диффузии (сечение и топология); з — проведения эмиттерной диффузии (сечение и топология); и — операции создания защит- ного окисла; к — операции формирования контактных окон и напыления пленки алюминия; л — после опе- рации фотолитографии по пленке алюминия, формирования контактов, коммутационных шин и верхней обкладки конденсатора (сечение и топология) в окисле проходит в десятки и сотни раз медленней, чем в кремнии. В пленке окисла методом фотолитографии вскрывают окна в заранее заданных, определенных еще при проектировании микросхемы мес- тах, через которые методом высокотемпературной диффузии вводят примесь n-типа проводимости до предела ее растворимости в кремнии. Таким образом, получается высоколегированный слой п+-типа (рис. 7.2, б), который называют скрытым, потому что он на сле- дующей операции закрывается сверху эпитаксиальным слоем. Скры- тый слой формируют на месте коллектора будущего транзистора микросхемы, что позволяет уменьшить последовательное сопротив- ление коллектора. В дальнейшем будет проведено еще несколько высокотемпературных процессов, поэтому, чтобы толщина скрытого п+-слоя не стала чрезмерно большой, в качестве диффундирую- щих примесей для его формирования используют мышьяк или сурьму, коэффициент диффузии которых в кремнии при одной и той же температуре приблизительно на порядок меньше, чем у фосфора. После снятия (стравливания) окисла проводится операция эпи- таксиального наращивания монокристаллического кремния гг-типа электропроводности, повторяющего кристаллическую структуру под- ложки. Этот слой в дальнейшем будет выполнять функции коллек- торной области планарно-эпитаксиального транзистора. После повторного окисления (рис. 7,2, в) проводят вторую опе- । рацию фотолитографии по окислу для вскрытия окон под раз- i делительную (изолирующую) диффузию (рис. 7.2, г). Эта диффузия примеси p-типа (бор) проводится в две стадии: вначале через поверхность эпитаксиального слоя кремния в тех местах, где вскрыты । окна в окисле, вводится определенное количество атомов бора, j образующих высоколегированный тонкий р+-слой, который на вто- рой стадии диффузии при высоких температурах в окислительной среде разгоняется до толщины, превышающей толщину эпитаксиаль- ного слоя. В результате образуется структура, показанная на рис. 7.2, д, в которой островки кремния n-типа окружены облас- тями p-типа. Каждый островок изолирован от других п-р и р-п переходами, что эквивалентно последовательному соединению двух встречно включенных диодов, которые и выполняют роль изоляции. После формирования еще одного слоя окисла и третьей фото- литографии вскрываются окна в окисле для проведения базовой 207
диффузии над теми карманами, где будут формироваться тран- зистор и резистор на основе базового диффузионного слоя (рис. 7.2, е). Базовая диффузия примеси p-типа (бор) вновь прово- дится в две стадии, но на меньшую (около 3 мкм) глубину, что может регулироваться температурой и временем процесса диффу- зии (рис. 7.2, ж). При проведении второй стадии базовой диффузии бора в окис- лительной атмосфере над карманами под транзистор и резистор вновь формируется пленка окисла. В процессе четвертой фотолитографии вскрываются окна над областями эмиттера транзистора коллекторного контакта нижней обкладки конденсатора. Через эти окна проводят диффузию фос- фора на глубину порядка 2,0...2,2 мкм для получения высоко- легированных п+-областей эмиттера и нижней обкладки (рис. 7.2, з). Как можно видеть, область кремния, в которой сформирован эмиттер транзистора, уже третий раз меняет тип своей электропроводности. Одновременно с эмиттерной п+-областью формируется и п+-область невыпрямляющего контакта к коллектору. Далее проводится еще одна (пятая) операция фотолитографии по окисл-у вскрытия, окон под контакты ко всем областям тран- зистора, к резистору и к нижней обкладке конденсатора, после чего на всю поверхность кремниевой пластины наносится алюми- ниевая пленка толщиной около 1 мкм (рис. 7.2,и,к)- В окнах, вскрытых в защитном окисле, алюминий образует электрический контакт с кремнием после кратковременного отжига при темпе- ратуре 500...550°С. Далее проводится операция фотолитографии (шестая) по алю- минию для формирования пленочной коммутации, верхней обкладки конденсатора (рис. 7.2,л) и внешних контактных площадок. Затем вся поверхность кремниевой пластины покрывается слоем защитного диэлектрика, например пленкой SiO2, наносимой из га- зовой фазы методом плазмохимического осаждения. Эта операция должна проводиться обязательно ниже температуры плавления алю- миния (660 °C), а точнее, ниже температуры плавления эвтектичес- кого сплава А1—Si (см. рис. 2.42). После этого проводится еще одна (седьмая) фотолитография по пленке защитного диэлектрика для вскрытия окон к контактным площадкам микросхемы. Одновре- менно в двух взаимно перпендикулярных направлениях параллельно сторонам кристаллов микросхем на пластине вскрываются дорожки для проведения операции скрайбирования и разделения пластины на отдельные кристаллы. Перед этим микросхемы проверяются на функционирование с помощью системы зондов, через которые подаются тестовые сигналы (контролируют реакцию на эти сиг- налы). Негодные схемы отмечают, например краской, и отбра- ковывают. После разделения на кристаллы следуют операции монтажа и сборки кристаллов в корпус, герметизации, контроля, маркировки 208
и упаковки в тару. Для бескорпусных микросхем после разделения на кристаллы следуют операции присоединения гибких или выра- щивания жестких выводов, нанесения бескорпусной защиты, размещения на носитель или в тару, контроля и упаковки. Всего маршрут изготовления микросхем по планарно-эпитаксиальной тех- нологии насчитывает более ста операций. Здесь мы достаточно подробно рассмотрели процесс одновре- менного формирования структур транзистора, конденсатора и резис- тора. Весь маршрут и режимы технологических операций оптими- зированы на получение наилучших характеристик у основного актив- ного элемента п+-р-п-транзистора. Поэтому в дальнейшем при рассмотрении других вариантов технологических маршрутов мы будем пользоваться описанием процесса формирования транзис- торной структуры. Планарная технология с использованием метода тройной диф- фузии (рис. 7.3). Как и в предыдущем случае подложка пред- ставляет собой пластину кремния p-типа, на которой путем тер- мического окисления выращивают слой двуокиси кремния. После первой фотолитографии проводят локальную диффузию донорной примеси п-типа, формируя сразу же отдельные изолированные р-п переходами островки, которые будут служить коллекторными облас- тями транзисторов будущей микросхемы. Далее дважды идет по- вторение процессов окисления, фотолитографии и диффузии для последовательного формирования областей базы и эмиттера тран- зисторов, и, одновременно с ними, в соседних островках могут быть сформированы резисторы или нижние обкладки конденсаторов Рис. 7.3. Изменения кремниевой подложки в процессе производства полупроводнико- вых микросхем методом тройного легирования после: а—механической обработки, стравливания нарушенного слоя и окисления; б — первой фотолитографии;. в — локального легирования кремния фосфором и создания изолированных переходами карманов; г — второй фотолитографии; д — проведения базовой диффузии; е — третьей фотолитографии; ж—эмит- терной диффузии и формирования областей под коллекторный контакт; з—вскрытия окон под контакты к эмиттеру, базе и коллектору транзистора 209
интегральной микросхемы. Операции металлизации, формирования проводников разводки, нанесения защитного диэлектрика и другие идут таким же образом, как и в предыдущем случае. Исторически этот технологический маршрут был разработан рань- ше планарно-эпитаксиального процесса и заменен им из-за труд- ностей, связанных с двукратной перекомпенсацией примесей в эмиттерной области методом их диффузии с поверхности полу- проводника. Ведь при диффузии наибольшая концентрация примеси, каждый раз создается именно у поверхности пластины, в то время как эпитаксиальный слой легирован равномерно. Кроме того, кол- лектор транзистора в этом методе оказывался слаболегированным и имел большое последовательное сопротивление, к тому же суммар- ное распределение примесей в транзисторной структуре и в об- ласти р-п переходов оказывалось неоптимальным с точки зрения наилучших характеристик транзисторов. Этот метод был возрожден за счет отработки технологии ионного легирования полупроводников: максимальная концентрация ионов имплантированной примеси может быть создана на определенной глубине специальным подбором массы и регулировкой энергии внед- ряющихся ионов. Трехкратная имплантация последовательно ионами п-, р- и п-типа с последующими диффузионными и активационными отжигами позволяет создавать транзисторные структуры с малыми глубинами залегания р-п переходов, оптимальными результирую- щими профилями распределения примесей, высокой плотностью упа- ковки элементов и высокой степенью интеграции. Несмотря на то, что в современной технологии используется ионная имплантация примесей, она по-прежнему называется ЗД-технология, — т. е. тех- нология тройной диффузии. Только теперь уже об этом процессе можно сказать, что он имеет определенные преимущества перед планарно-эпитаксиальным, поскольку не содержит сложной и дорого- стоящей операции эпитаксиального наращивания кремния. Это хо- роший пример диалектики развития: движения вперед по восходящей спирали, возврата к старому, но уже при новых технологичес- ких возможностях и более совершенных технических средствах, а также пример действия закона отрицания отрицания. Планарно-эпитаксиальная технология с использованием метода коллекторной изолирующей диффузии (сокращенно: КИД-техно- логия). В этом варианте технологии используется тонкий (1...2 мкм) эпитаксиальный слой p-типа, служащий базой транзистора (рис. 7.4). Скрытый слой, формируемый в подложке p-типа, играет роль коллек- тора. Изоляция элементов осуществляется созданием вокруг равно- мерно-легированной эпитаксиальной базы вертикального п+-слоя на всю глубину эпитаксиального слоя. Полученный таким образом внешний п+-р переход является изолирующим при его обратном смещении. В данном варианте возможно дополнительное подлеги- рование базовой области акцепторной примесью по всей поверхности пластины без дополнительного фотошаблона (рис. 7.4Д). 210
4 Рис. 7.4. Изменения кремниевой подложки в процессе производства микросхем по планарно-эпитаксиальной технологии с использованием метода коллекторной изоли- рующей диффузии после: а_ механической обработки, травления и окисления; б — формирования скрытого слоя локальной диф- фузией донорной примеси; в — эпитаксиального наращивания тонкого (1...2 мкм) слоя p-типа электро- проводности и его окисления; г — коллекторной изолирующей диффузии локально на всю глубину эпитак- сиального слоя; д — подлегирования приповерхностного слоя акцепторной примесью по всей площади пластины; е — локальной диффузии донорной примеси для формирования эмиттера; ж — вскрытия окон под контакты, напыления и вжигания сплошной пленки алюминия; з — фотолитографии по алюминиевой пленке и создания элементов коммутации; и — нанесения защитного диэлектрического покрытия и фото- литографического вскрытия о-кон для присоединения внешних выводов микросхемы КИД-технология обладает следующими основными достоинства- ми: позволяет в 3...4 раза уменьшить площадь элементов в микросхе- ме; имеет более короткий технологический цикл изготовления ИС (на 1...2 фотолитографические операции); позволяет уменьшить трки утечки за счет высокой концентрации примеси в коллекторной области и время жизни неосновных носителей. Основные недостатки микросхем с коллекторной изолирующей диффузией: эпитаксиальная база и отсутствие дрейфа носителей от эмиттера к коллектору из-за отсутствия градиента концентрации базовой примеси, что снижает быстродействие, низкое (7-...10 В) пробивное напряжение перехода коллектор — база из-за исполь- зования тонких базовых эпитаксиальных слоев и низкоомного коллек- тора (объемный заряд распространяется в базовую область). При помощи КПД-технологии можно изготавливать хорошие БИС токопереключательной логики (ТПЛ), маломощные матрицы логических элементов и даже прецизионные линейные схемы. Спе- циальные интерфейсные схемы позволяют получать в таких матри- цах высококачественные усилители, компараторы, генераторы коле- баний И\ аналоговые ключи. 211
Вскрытие контактных окон Формирование разВодни Формирование р-п переходов ионным легироВанием R В 3 к Формирование поликремниеВых резистороВ и розВодки б) Рис. 7.5. Этапы формирования элементов микросхемы (биполярного транзистора и резистора) по обычной планарно-эпитаксиальной технологии (а) и по технологии с применением поликремния и с самосовмещением (б): 1— термический окисел; 2— металлизация; 3 поликремний ' Использование пленок поликремния в технологии изготовления биполярных микросхем позволило реализовать принцип самосовме- щения, применить операции ионного легирования, резко сократить размеры элементов, формировать высокоомные резисторы с малой г паразитной емкостью (см. § 2.9). Это привело к иной, чем в обычной планарно-эпитаксиальной технологии, последовательности^ операций (рис. 7.5), позволило повысить плотность упаковки элемен- тов и быстродействие элементов микросхемы. 7.2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С ПОЛНОЙ \ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ \ Недостатки изоляции р-п переходом обусловили необходимость поиска более эффективных способов. Один из них — изоляция эле? ментов за счет полного окружения каждого из них диэлектриком или полная диэлектрическая изоляция (см. гл.2). Технология изготовления полупроводниковых микросхем с ди- электрической изоляцией постоянно совершенствуется и благодаря достоинствам получаемых с ее помощью микросхем находит все более широкое использование производства микросхем специального применения средней степени интеграции. Рассмотрим важнейшие из направлений в реализации метода полной диэлектрической изоляции. 212
Изоляция тонкой пленкой диэлектрика (ЭПИК-процесс). Один из методов основан на изоляции элементов микросхемы друг от друга слоем двуокиси кремния на подложке из поликристалли- ческого кремния (pt,—50 Ом-см). Сокращенное название этого про- цесса ЭПИК-аббревиатура от английского выражения Epitaxial Passivated Integrated Circuits. В первом варианте ЭПИК-процесса (рис. 7.6) на исходной пластине кремния n-типа вначале термическим окислением полу- чают маскирующий слой окисла, проводят фотолитографию и ло- кальную диффузию для формирования /г+-слоя. При второй фото- литографии в окисле создают окна для травления кремния в не- защищенных окислом участках. Травлением получаются канавки глубиной 8...15 мкм и шириной 50...70 мкм. После удаления окисной маски на всю поверхность пластины из газовой фазы методом химического осаждения наносят слой окисла толщиной 1,0...1,5 мкм. (Такой способ получения окисла в данном случае предпочтительнее, так как возникающие в толстых окисных пленках, выращенных методом термического окисления, большие механические напряжения приводят к изгибу пластин.) На ней также осаждением из газовой фазы наращивают слой высокоомного поликристаллического кремния. Толщина его состав- ляет 175...200 мкм, т. е. примерно равна толщине кремниевой пластины. Перед выращиванием поликристаллического кремния по- верхность окисла подвергается специальной обработке для облег- чения образования центров кристаллизации. После наращивания слоя поликристаллического кремния с проти- воположной стороны сошлифовывается или стравливается моно- кристаллический кремний «-типа почти на всю его глубину до дна вытравленных ранее канавок. Таким образом, получают области кремния «-типа со скрытыми слоями «+-типа, утопленные в поли- кремнии, изолированные друг от друга окислом. В этих областях методами окисления, фотолитографии и диффузии формируют эле- менты микросхем. Дальнейший процесс изготовления, начиная с формирования базовых областей, проводится так же, как и в планарно-эпитаксиальной технологии. Второй вариант ЭПИК-процесса используется для формирования транзистора с низкоомным коллектором (рис. 7.7). Исходной служит пластина п+ кремния без эпитаксиального слоя. Первоначально осу- ществляются операции, аналогичные операциям, изображенным на рис. 7.6, а — и первого варианта, в результате которых получается структура, показанная на рис. 7.7, а. Профиль вытравленной канавки зависит от ориентации кремниевой пластины и состава выбранного травителя. В первом варианте (рис. 7.6) выбрана ориентация плас- тины кремния по плоскости (100), во втором— (111). В /г+-облас- тях вытравливаются канавки глубиной 5 мкм, которые на операции локального эпитаксиального наращивания заполняются кремнием n-типа с меньшей степенью легирования.
о)___________ ж) и) 0) з) о) е) м) т) Для улучшения характеристик диэлектрической изоляции слой I SiO2 иногда заменяют слоем Si3N4, двойными слоями SiO2—Si3N4 j или SiO2—SiC. Нитрид и карбид кремния обладают лучшими диэлек- | трическими свойствами, что еще в большей степени уменьшает 1 токи утечки и паразитные емкости между монокристаллическим | и поликристаллическим кремнием и увеличивает пробивные напря- | 214 1
Рис. 7.6. Изгдеяение кремниевой подложки в процессе производства биполярных полу- проводниковых микросхем с диэлектрической изоляцией элементов после: а—операций механической обработки; б—формирования пленки окисла на рабочей поверхности плас- тины методом термического окисления кремния; в — первой фотолитографии по пленке окисла для вскры- тия окон под локальную диффузию донорной примеси; г — механической обработки, химического поли- рования, окисления, фотолитографии, локальной диффузии примеси n-типа; д — фотолитографии для вскрытия окон в окнсле перед операцией локального травления кремния; е — травления кремния; ж — снятия окисла; з — нанесения окисла, нитрида или карбида кремния; и — осаждения из парогазовой фазы слоя высокоомного поликристаллического кремния толщиной около 200 мкм; к — сошлифовывания моно- кристаллического кремния др получения изолированных диэлектриком карманов и получения рабочей поверхности высокого класса шероховатости; л — окисления рабочей поверхности; м — фотолитографии для вскрытия окон под базовую диффузию; н — формирования базового слоя; о — фотолитографии для вскрытия окон под эмиттерную диффузию; п — формирования эмиттерного слоя; р — фотолитографии для вскрытия контактных окон; с — напыления пленки алюминия; т — фотолитографии для создания рисунка разводки и нанесения слоя защитного диэлектрика Рис. 7.7. Изменения кремниевой подложки n^-типа при изготовлении микросхем по второму варианту ЭПИК-процесса после: а—«операций окисления, травления канавок, осаждения поликремния и сошлифовывания монокристал- лической пластины кремния п + -типа; б — окисления и фотолитографии; в — травления каиавок в моно- кристаллических участках кремния; г — выращивания коллекторных n-слоев локальной эпитаксией (на пленке окисла растет поликремний); д — удаления пленок SiOj и ППК и получения планарной структуры; е—формирования базовой и эмиттерной областей транзисторов, нанесения термическим окислением пассивирующего окисла, создания разводки и нанесения защитного диэлектрика жения. Карбид кремния, кроме того, отличается высокой твердостью, что облегчает механическое удаление кремния n-типа, так как по- зволяет легко фиксировать момент сошлифовки до уровня слоя карбида. ЭПИК-процесс наиболее распространен среди методов полной диэлектрической изоляции. Изоляция объемными диэлектрическими материалами. При син- тезе стекла, ситалла и керамики можно создать материалы, ТКЛР которых близки к ТКЛР монокристаллического кремния. Это позво- ляет применить их для изоляции элементов полупроводниковых микросхем (рис. 7.8,а,б). Для формирования структуры, показанной на рис. 7.8,а, при- меняется следующая последовательность технологических операций. В исходной эпитаксиальной монокристаллической кремниевой струк- 215
Si02 Al \v/m ъ w. mum a. m. v/mi SiOg 1ЙЙЙ8Й8ЙЙ88ЙИ a 81ЙИ8ИЙ8И8Й -----------------------г|^_ SiO2 Al Al Si02 Al \ Si (несущее основание) S) a) & Рис. 7.8. Структуры полупроводниковых мик- росхем с диэлектрической изоляцией, полу- ченные: ^Pt "Ti — Pt ^SjfC?2 а — методом горячего прессования или заполнения кера- мическим цементом; б — ДИАК-методом; в — декаль-ме- тодом; г—методом балочных выводов \///M 9. Z ОЖЙЯЛЛ'Я '//МУ туре н+-р-типа формируются элементы микросхемы. Между ними J в местах их изоляции локально вытравливаются канавки. В резуль- ; тате получаются выступающие меза-области со схемными элемента- ми. С лицевой стороны этих меза-областей приклеивают вспомо- i гательную (технологическую) пластину, а противоположную сторону 1 сошлифовывают до получения раздельных меза-областей, удержи- 1 ваемых в фиксированном положении вспомогательной пластиной. I На полученную таким образом заготовку наносится стекло, ситалл, 1 керамический цемент. После этого вспомогательная пластина удаля- | ется. А Иногда в качестве изоляционного материала используют ситалл/j .системы SiO2—А12О3—ZnO с добавками, которые обеспечивают полу- • чение материала с ТКЛР, равным ТКЛР монокристаллического кремния.' Отличие ДИАК-метода, изображенного на (рис. 7.8, б), состоит в том, что перед запрессовкой в диэлектрический материал разделенных меза-областей, удерживаемых вспомогательной плас- тиной, на открытой поверхности меза-областей формируется тон- кий слой SiO2. Наличие такого слоя между монокристаллическим кремнием с диэлектрическим материалом предупреждает перевод I примесей из диэлектрического материала в монокристаллический | кремний. \ I Несмотря на технологические отличия рассмотренных методов 1 изоляции элементов микросхем объемными диэлектрическими ми- 1 териалами, конечным результатом их является микросхема с ди- | электрической подложкой, в которую утоплены карманы монокрис-1 таллического кремния с элементами. Диэлектрик, с помощью кото-1 рого осуществляется изоляция, одновременно служит подложкой. 1 В связи со сложностью технологического процесса и трудностью 1 подбора высокочистых материалов для изоляции указанные методы ] не нашли широкого применения. I Изоляция воздушными зазорами. Этот метод основан на полу-1 чении воздушных зазоров между сформированными элементами! 216
при вытравлива1гииучастков кремния. Один из вариантов воздушной изоляции — декаль-метод (рис. 7.8,в) заключается в том, что пла- стину кремния с полностью изготовленными элементами и разводкой, защищенную слоем SiOs, приклеивают лицевой стороной к диэлек- трической пластине, а затем участки полупроводника между элемен- тами удаляют с последующей защитой кристалла слоем SiO2. Второй вариант — метод балочных выводов (рис. 7.8,г) предус- матривает боковую воздушную изоляцию, при которой роль под- держивающего конструктивного основания выполняет не диэлек- трик, а жесткие массивные балочные внешние выводы, которые, кроме того, электрически соединяют между собой элементы микро- схемы, однако, такой метод отличается сложностью технологии, а достигаемая при этом степень интеграции невелика. Третий способ — технология «кремний на сапфире (или шпи- нели)» включает меньшее число операций по сравнению с рас- смотренными технологическими процессами. Способ использует тех- нику гетероэпитаксии кремниевых слоев на сапфировых или шпине- левых подложках. Кремниевые слои осаждаются из парогазовой фазы путем термического разложения моносилана SiH4. Хлоридный способ не применяют, так как выделяющийся при восстановлении тетрахлорида кремния хлористый водород травит сапфировые под- ложки. Затем с помощью фотолитографии проводят локальное трав- ление полученных гетероэпитаксиальных пленок кремния. На под- ложке остаются «островки» монокристаллического кремния, в кото- рых далее формируют элементы полупроводниковых микросхем (см. рис. 2.33). Микросхемы, полученные с использованием технологии КНС, отличаются малыми паразитными емкостями (до 0,1...0,2 нФ/мм2) и высокими рабочими частотами (до 4 ГГц). Широкому промыш- ленному освоению этой технологии препятствуют высокая стоимость подложек и образование в кремниевых гетероэпитаксиальных плен- ках большого числа кристаллографических дефектов (107...109 см-2). Метод перспективен для создания линейных ВЧ- и СВЧ-микро- схем. 7.3. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С КОМБИНИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ Современные БИС и СБИС на биполярных транзисторах, в том числе микросхемы полупроводниковой памяти, микропроцессорные наборы, базовые матричные кристаллы, программируемые логичес- кие устройства изготавливают с применением комбинированной изо- ляции элементов. Изопланарная технология обеспечивает повышение плотности размещения элементов микросхем и микропроцессоров, позволяет использЬ^ать эпитаксиальный слой р-типа — формировать транзис- \. 217
торы с эпитаксиальной базой и п-типа — формировать транзи- сторы с диффузионной базой. Сущность технологического изопланарного процесса с эпитак- сиальной базой на основе эпитаксиального слоя p-типа состоит в следующем: 1. На подложке p-типа локальной диффузией или ионной им- плантацией создают области п+-типа — скрытого слоя, как правило легированного сурьмой. Затем производится наращивание эпитак- сиального слоя p-типа толщиной 1...2 мкм. (оптимальной считается толщина 1,25 мкм.) 2. На поверхности эпитаксиального слоя последовательно фор- мируют диэлектрики: тонкий окисел кремния SiO2, нитрид кремния Si3N4 и окисел кремния из газовой фазы. Нитрид кремния ис- пользуется в качестве маски для глубокого селективного окисления, верхний слой окисла кремния — в качестве маски при селектив- ном травлении нитрида кремния, а нижний слой окисла—для снижения напряжений между осажденным слоем нитрида кремния и эпитаксиальным слоем, приводящих к образованию дислокаций в последнем. 3. Фотолитографию по слою нитрида кремния осуществляют с использованием либо ортофосфорной кислоты, либо плазменного травления. В первом случае в качестве маски для травления ни- трида кремния применяется окисел кремния, так как известные фоторезисторы не выдерживают обработки горячей ортофосфорной кислотой. Во втором случае присутствие верхней пленки окисла кремния не обязательно. 4. Использование маски из нитрида кремния позволяет проводить локальное прокисление эпитаксиального слоя на всю его глубцну. Эта технологическая операция основана на большой разности/ско- ростей окисления кремния и нитрида кремния: скорость окисления нитрида при температурах выше 1 000°С в чистом кислороде и в парах воды почти на порядок ниже скорости окисления кремния. В связи с тем, что плотность 51Ог меньше плотности кре|мния в полтора-два раза, а ее удельный объем соответственно в пол^ора'- два раза выше, в технологический маршрут вводится операция травления (на 60..,65% толщины) кремния перед глубоким ркис-j лением для обеспечения плоскостности поверхности пластинь!. BI процессе выращивания изолирующего толстого слоя окисла форми! руются конфигурации элементов микросхемы — резисторов, диодов] транзисторов, контактов к подложке и к скрытому слою. 5. После формирования толстого изолирующего слоя окисла кремния проводится фотолитография для вскрытия окон к коллектор- ным контактам и диффузия фосфора до смыкания со скрытым п + -слоем. 6. Если поверхностные сопротивления базовых областей и об- ластей резисторов одинаковы, диффузию акцепторной примеси про- водят по всей поверхности пластины сразу после удаления пленки 218
Рис. 7.9. Изменения подложки р-крем ния при формировании полупроводни- ковых микросхем по изопланарной тех- нологии с формированием эпитаксиаль- ной базы после: а — фотолитографии по слоям окисла и нитрида кремния; б—травления кремния; в — формиро- вания разделительного окисла; г — формирования коллектора методом диффузии; д—формирования других областей активных и пассивных элементов методами планарной технологии; /— эпитаксиальный слой, 2— скрытый диффузионный слой, 3— подложка нитрида. Это позволяет получить в базе транзисторов необходимое распределение примеси, позволяющее исключить образование инвер- сионных слоев (высокая концентрация примеси p-типа вблизи повер- хности) и создать тянущее поле (т. е. создать дрейфовый транзистор, см. § 2.1). С такой же целью аналогичная операция проводится в технологии микросхем на биполярных транзисторах с исполь- зованием коллекторной изолирующей диффузии (на рис. 7.4. и 7.9 дополнительно легированные слои p-типа условно показаны штриховой линией). Если поверхностные сопротивления в областях базы транзисторов и резисторов должны быть различными, то проводятся операции фотолитографии по слою нитрида кремния в соответствующих рас- положению базы транзисторов местах и локальная диффузия для подлегирования базовых областей. Области резисторов в этих слу- чаях не легируют. Основные преимущества изопланарной технологии таковы: 1. Уменьшение размеров элементов микросхемы (главным об- разом за счет площади, отводимой под их изоляцию). Снижение паразитных емкостей, (определяемых теперь только емкостью р-п перехода коллектора (Донной части) относительно подложки. 2. Снижение требований к точности совмещения части фотошаб- лонов. В связи с тем, чтЬ базовые области, резисторы, вертикальные коллекторные контакты и другие элементы граничат с диэлектри- ческой изолирующей областью, требования к точности совмещения фотошаблонов при формировании окон для диффузии или для формирования контактов могут быть снижены за счет допустимости перекрытия этих областей окнами фотошаблонов. Сохраняются тре- 219
бования к точности совмещения тех фотошаблонов, которые должны обеспечить точный зазор между формируемой областью и краем окисла. 3. Снижение требования к дефектности фотошаблонов, следую- щих за фотошаблонами для формирования разделительных диэлек- трических областей. Дефекты таких фотошаблонов, попадающие на область разделительного окисла, не оказывают влияния на выход годных. Проблемы изопланарной технологии и методы их решения. 1. Длительность операции высокотемпературного окисления при формировании толстого разделительного окисла. Время формирова- ния разделительного окисла толщиной 0,2...2,5 мкм при темпера- туре 1000°С составляет 18 ч. Это приводит к перераспределению примеси скрытого слоя, проникновению ее в эпитаксиальный слой, а также к формированию дефектов упаковки в монокристаллическом । кремнии. 1 Проведение операции глубокого окисления при повышенном дав- J лении позволяет значительно снизить ее продолжительность. Так, ] при давлении паров Н2О в 3-103 Па длительность формирования окисла кремния толщиной 2,5 мкм при 1000°С снижается примерно 1 в три раза. | 2. Неоднородность маскирующей пленки нитрида кремния: нерегу- лярность химической структуры, наличие сквозных отверстий, тре- щин. Указанная проблема может быть преодолена тщательной раг/ работкой технологии осаждения нитрида кремния. / 3. Возникновение рельефа на поверхности. В процессе локаль- | кого окисления кремния молекулы окислителя диффундируют/под । край маски. В результате форма слоя толстого окисла в /этих | участка^ принимает вид птичьей головки (птичьего клюва, рис./.10). , Высота образующегося по периметру изолированной кремниевой области холмика составляет 0,3...0,6 мкм, ширина 2...4 мкм. Сам по себе этот «холмик» не представляет собой опасности: нет про- блемы для металлизации ввиду пологости его склонов, изменение площади поверхности кремниевой области также может быть учтено J топологическими размерами фотошаблонов. Опасны невоспрбизво-1 а) В) Рис. 7.10. Формирование «птичьего клюва» по периферии изолированной области крем- ния, вызванное окислением кремния под краем маски: а — исходная структура после локального травления кремния; б — конфигурация холмика «птичьего клюва»; /—нитрид кремния; 2—окисел кремния; 3—участок кремниевой пластины; 4—толстый изоли- рующий окисел кремния 220
Рис. 7.11. Образование паразитного канала п-типа между скрытыми слоями соседних элементов микросхемы (а) и его предотвращение путем легирования разделительных канавок акцепторной примесью (б) димость размеров «холмика» и растрескивание приподнимающегося края маски из нитрида кремния. Необходимость использования тонких эпитаксиальных слоев (1...2,5 мкм). Для эпитаксиальных структур характерен высокий уровень дефектности (дислокации и дефекты упаковки) и неоднородность толщины. Для изопланарной технологии необходима чрезвычайно высокая воспроизводимость толщины эпитаксиального слоя, определяющей надежность изоляции элементов. 5. Образование паразитного канала п-типа под изолирующим слоем двуокиси кремния между скрытыми слоями соседних компонен- тов (рис. 7.11). Образование инверсного канала в p-области вызы- вается положительно встроенным зарядом в окисле кремния. Для решения этой проблемы подлегируют разделительные ка- навки перед формированием изолирующего окисла либо бором (сразу после травления кремния), либо галлием (используя его высокий коэффициент диффузии в окисле и применяя в качестве маски слой нитрида кремния). Под областью изолирующего окисла образу- ется диффузионный р+-слой и образование инверсионных каналов предотвращается. Различие между изопланарной технологией, использующей эпи- таксиальный p-слой для формирования базовой области транзи- стора и технологией с эпитаксиальным слоем п-типа, исполь- зующегося для формирования коллектора транзистора (рис. 7.12), заключается в том, что в последнем случае базовые области тран- зистора формируют диффузионным способом с необходимой и ре- гулируемой глубиной залегания р-р. перехода база-коллектор. Особенности указанного технолр/ического процесса заключа- ются в следующем: снижены требрФания к допускам при изготов- лении фотошаблонов и к точности их совмещения с рисунком микросхемы при фотолитографйческом вскрытии окон под эмиттер- ную диффузию, поскольку Неточности приходятся на область раз- дел ительного толстого окисла и не влияют на окончательный ре- зультат; формируется пристеночный эмиттер, большая часть боковых стенок которого изолирована разделительным окислом, что позво- ляет получать транзисторы с более высоким коэффициентом усиления. 221
Рис. 7.12. Изменения кремниевой подложки микросхйй по изопланарной технологии с фо а—наращивания эпитаксиального слоя n-типа, нанесения слоев окисла и нитрида кремц'ия; б — фото- литографии, травления кремния и диффузии акцепторной примеси; в — формирования разделительного толстого окисла и маскирующего тонкого окисла; г — диффузии примеси п + -типа в облас1' _ д— диффузии базовой примеси; е—диффузий эмиттерной примеси; ж — вскрытия контактных окон ме- тодом фотолитографии; з— создания первого уровня металлической разводки •ь коллектора; Примерный маршрут изготовления микросхем по изопланарной технологии с диффузионной базой транзистора: \ 1. Химическая обработка пластин, двухстадийная в перекисно-аммиачном\растворе. 2. Окисление кремния во влажном кислороде при 1000°С в течение 2 ч до получения окисла толщиной (0,6±0,06) мкм. 3. Фотолитография под локальную диффузию сурьмы. 4. Химическая обработка пластин в перекисно-аммиачном растворе. 5. Диффузия сурьмы для формирования скрытого п+-слоя в две стадии: загонка при 1220°С до ps=(45±5) Ом/П из растворных источников диффузии, обработка осажденного сурьмяно-силикатного стекла во влажном кислороде при 1000°С, снятие стекла и окисла в растворе HF, вторая стадия (разгонка) при 1200°С до ps= =(35±5) Ом/1, глубины залегания р-п перехода (3,5±0,5) мкм. 222
6. Снятие окисла в растворе HF. 7. Химическая обработка пластин в перекисно-аммиачном растворе. 8. Эпитаксиальное наращивание монокристаллического слоя кремния n-типа из газовой смеси НС1-|-Н2 (хлоридный метод) при 1100 °C, толщиной (2,0±0,2) мкм, с плотностью дефектов не более 5-102 см-г, легированного мышьяком. 9. Окисление поверхности эпитаксиального слоя при 1000 °C в течение 40 мин в сухом кислороде для получения окисла толщиной (60± 10) нм. 10. Осаждение нитрида кремния из газовой фазы при 1050 °C до толщины (180 + 20) нм с пористостью не более 10 см-2 (см. рис. 7.12, а). 11. Фотография для вскрытия окон в пленках нитрида и окисла кремния для формирования разделительных областей. 12. Локальное плазмохнмическое травление пленок нитрида и окисла кремния до поверхности раздела кремний — окисел кремния. 13. Химическая обработка пластин в перекисно-аммиачном растворе. 14. Травление кремния в травителе HF:HNO2:H2O = 1:19:8 иа глубину (1,0±0,1) мкм. 15. Двухстадинная диффузия бора: Осаждение на поверхность пластины боросиликат- ного стекла из газовой фазы, содержащей ВВгз и О2, при 950 °C с одновремен- ным формированием диффузионного слоя с ps=50 Ом/П обработка бороси- ликатного стекла во влажном кислороде при 600 °C в течение 30 мин, снятие боро- силикатного стекла в травителе HF:H2O=l:10, отжиг структуры (разгонка бора) при 1050 °C в течение 30 мин, в атмосфере кислорода до получения ps = (l 10 + 15) Ом/П, Х/=(0,9±0,1) мкм (рис. 7.12, б). / 16. Локальное окисление каиавок при 1000 °C в парах/воды в течение 18 ч до получения толщины окисла 2,45 мкм с точностью 4/5%. 17. Удаление SiaN4. / 18. Химическая обработка пластин в перекисно-аммиачном растворе с использованием колонковых или беличьих кистей. 19. Термическое окисление структур приЮЭО °C в сухом (10 мин), влажном (20 мин) и снова сухом (10 мин) кислороде (рис. 7.12, в). 20. Фотолитография для вскрытия окон над коллекторными областями, точность совмещения фотошаблона не более 2 мкм. 21. Диффузия примеси п + -типа для формирования коллекторной области тран- зистора (первая стадия) — осаждение фосфоросилнкатного стекла из газовой фазы РОз + Ог в течение 30 мин при 960 °C до р, = (10± 1) Ом/П (рис. 7.12, г). 22. Фотолитография для снятия окисла с поверхности базовых областей. 23. Снятие окисла с областей базы в травителе HF:H2O=l:10 (время травления определяется по спутнику, но не более 9 мин). 24. Освежение поверхности базовых областей (5с, если время хранения между операциями более 4 ч). 25. Диффузия бора в две.стадии для формирования базовой области при 875 °C в течение 15 мин до ps= 180...190 Ом/П и х,в = 0,5 мкм; обработки боросиликатного стекла во влажном кислороде при 600 °C (30 мин); снятие боросиликатного стекла; отжиг при 1050 °C в сухом (15 мин), влажном (15 мин), и сухом (5 мии) кислороде до р., = 700...800 Ом/П, Х; = 0,5...0,6 мкм. Одновременно формируется на базовых областях окисел толщиной 0,18...0,20 мкм и проводится разгонка (вторая стадия) примеси в коллекторной области до р( = (40±4) Ом/П (рис. 7.12, <?). 223
26. Осаждение фосфоросиликатного стекла (ФСС) для уменьшения величины встро- енного заряда в окисле из газовой фазы, содержащей РС1з и О2 при 900 °C в течение 15 мин. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. Пассивация структуры микросхемы: осаждение плазмохимического окисла крем- ния толщиной 0,1 мкм при 300 °C. Термообработка при 970 °C в течение 60 мин в окислительной (О2) атмосфере. Фотолитография под область эмиттера. Время травления определяется по спутни- ку, но не более 4 мин, клин травления не более 0,3 мкм, размер эмиттера 6 мкм, точность совмещения фотошаблона не более 1,8 мкм. Освежение поверхности (если время хранения более 4 ч). Диффузия примеси n-типа для формирования эмиттерной области, осаждение ФСС при температуре 960 °C, время (5±1) мин. Удаление ФСС (рис. 7.12,е). Фотолитография для вскрытия контактных окон в 8Юг к областям тран- зистора (рис. 7.12,ж). 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. Освежеиие (если время хранения более 4 ч). Напыление пленки сплава Al-)-(l%)Si толщиной подложки 200 °C, температура отжига 250 °C. Фотолитография по сплаву алюминий — кремний Клин травления не более 1,5 мкм, уход размеров Контроль ВАХ по тестовым структурам Bc-Js3(), (7КЭО>5 В, УКБО^10 В, пробивное напряжение база — подложка (7БПгС> )+ 10 В. Отбраковка дефектных пластин. Отмывка с применением колонковых или беличьих кистей, сушка. Осаждение изолирующего слоя плазмохимического окисла при 150 °C толщиной (0,5 + 0,05) мкм. Фотолитография для вскрытия окон к нижнему уровню разводки. Осаждение второго слоя изолирующего плазмохимического окисл до суммарной толщины изоляции (1,0 + 0,1) мкм. Фотолитография для вскрытия переходных окон между двумя уровнями разводки. Напылеиие пленки сплава Al+(l%)Si толщиной (1,0 + 0,2) м,км (остальные режимы так же, как и в операции 35) для создания второго уровня разводки. Фотолитография для формирования второго уровня разводки (клин- травления 1,5...3,5 мкм, уход размеров 2,5...4,0 мкм). (0,60±0,1) мкм, температура для формирования разводки, не-более 2 мкм (рис. 7.12,з). Кб= 1,3...2 кОм, Пэб0>5 В, 150 °C пературе Отмывка с применением колонковых или беличьих кистей. Осаждение защитной пленки плазмохимического окисла 0,30...0,55 мкм. Термообработка для формирования надежных контактов межд^ уровнями раа- водки и вжигание алюминиевых контактов к кремнию. Фотолитография для вскрытия окон к контактным площадкам в защитном окисле и вскрытие в окисле дорожек для скрайбирования. I Скрайбирование пластин для разделения их на кристаллы. (Далее следуют операции контроля и разбраковки микросхем по электрическим параметрам и на функционирование на еще не разделенных на кристаллы пластинах (на негодные кристаллы ставится метка краской) с использованием высокопроизводительного контрольного оборудования, в состав которого входит специализированная ЭВМ. Затем производится разделение (ломка) пластин на кристаллы без потери их взаимной ориентировки, после чего кристаллы идут на операции монтажа и сбор- ки в корпус. 8Юг толщиной 224
Эпитаксиальный п-ся ^Скрытый п*-слой Подложка р Шаблон базы Шаблон контактных Шаблон эмиттера и Рис. 7.13. Этапы формирования биполярного транзистора в изопланарной технологии с применением ионного легирования: а — структура после наращивания эпитаксиального слоя; б — формирование пленок окясла и нитрида крем- ния и пленки фоторезиста; в — топология и вертикальная структура перед созданием изолирующего окисла; ионное легирование бором дна канавок для создания противоканальных областей: г—струк- тура с изолированными островками эпитаксиального слоя в процессе создания базы ионной импланта- цией бора; д — вскрытие контактных окон; е — формирование эмиттера и л+-области коллекторного контакта ионной имплантацией мышьяка 8 Зак. 918 225
На рис. 7.13 в сокращенном варианте показан технологический процесс изготовления микросхем с комбинированной изоляцией эле- ментов по изопланарной технологии, в котором для легирования областей транзистора широко используется ионное легирование и для формирования конфигурации элементов плазмохимическое трав- ление слоев. В слаболегированную подложку p-типа »10|5см-3) после ее окисления и вскрытия окон в окисле в местах расположения скрытого слоя проводится ионное легирование мышья- ком или сурьмой и отжиг в окислительной атмосфере. Образовав- шаяся по периметру скрытого слоя ступенька (рис. 7.13,а) вос- производится в последующем на поверхности эпитаксиального слоя и может служить в качестве ячейки совмещения при фотолитогра- фии. После нанесения слоев окисла и нитрида кремния и фотолито- графии проводится травление эпитаксиального слоя примерно на половину его глубины и ионное легирование бором протравлен- ных участков для создания устойчивых к возникновению инвер- сионных каналов областей (рис. 7.13,б,в). После снятия фоторезистора проводится термическое окисление для создания изолирующего окисла, затем удаляют пленки нитрида и окисла, проводят термическую обработку в окисляющей среде для нанесения на островки кремния пленки свежего окисла. Проводится нанесение пленки фоторезиста, в которой вскрываются окна над областями базы (рис. 7.13,г). Имплантация ионов бора в область базы проводится сквозь слой тонкого окисла; маской служит слой фоторезиста. Еще одна фотолитография проводится для вскрытия контактных окон к об- ластям базы, коллектора и к области будущего эмиттера (рис. 7.13,6). Области эмиттера и подколлекторного контакта формируются путем имплантации ионов мышьяка с малой энергией и большой дозой (рис. 7.13,е), маской служит слой фоторезиста. Из рис. 7.13,г,6,е отчетливо видно, что в изопланарной технологии требования к точности изготовления и совмещения фотошаблонов не являются строгими, так как одно окно фотошаблона перекрывает области эмиттера и коллектора транзистора, и кроме того, неточности сов- мещения приходятся на область изолирующего окисла, не меняя топологии транзистора. После формирования контактов и про- /————..................водников разводки микросхему /,;/б '""'э покрывают защитным слоем нит- SiO^ Д п Рис. 7.14. Изопланарный биполярный транзистор 226
г Рис. 7.15. Сокращение размеров и площади S интегральных биполярных транзисторов с развитием технологии и методов изоляции: а — эпитаксиально-планарная технология (5=3100 мкм2); б — «Изрпланар-1» (5=1550 мкм2); в — «Изопланар-П» (5 = 775 мкм2); г—«Изопланар-5» (5 = 200 мкм2) окна под контактными площадками перед разделением пластин крем- ния на кристаллы (рис. 7.14). Рисунок 7.15 иллюстрирует процесс пропорционального умень- шения геометрических размеров транзисторных структур, сформи- рованных с использованием различных технологических процессов. Уменьшение размеров транзистора сопровождается уменьшением паразитных сопротивления базы и емкостей переходов коллектор — подложка, эмиттер — база. Формирование областей эмиттера с ис- пользованием легирования мышьяком дает возможность получать переходы с очень малыми глубинами залегания, повышает быстро- действие приборов настолько, что их предельная частота возрастает до 7...8 ГГц. Наименьшие размеры транзисторов получены при использовании технологии «Изопланар-S», в которой величина мини- мального геометрического размера топологии близка к 1 мкм за счет применения фотолитографии с непосредственным пошаговым ре- продуцированием изображения на пластины. Технология «Эпипланар». Вскоре после того, как были получены первые эпитаксиальные слои кремния, были предприняты попытки эпитаксиального наращивания кремния селективно на определен- ных участках поверхности подложки. Этот метод позволяет фор- мировать компоненты микросхем с комбинированной изоляцией, обеспечивая самосовмещение изолированных областей и скрытого я+-слоя. На рис. 7.16 представлены основные этапы формирования комбинированной изоляции компонентов в эпипланарной технологии. 8* 227
Рис. 7.16. Изменения кремниевой структуры сЪ\скрытыми слоями при формировании полупроводниковых микросхем по эпипланарной технологии после: а—наращивания толстого слоя окисла и вскрытия окон под эпитаксию; б — локального выращивания эпитаксиального слоя n-типа; в - формирования конструкции транзистора путем локальной базовой и эмиттер- ной диффузии и создания разводки Первоначально на кремниевой структуре со скрытыми слоями формируется толстый слой окисла кремния. Этот слой может быть создан термическим окислением при повышенном давлении или осаждением SiO2 из газовой фазы. По выращенному или осаж- денному слою двуокиси кремния производится фотолитография для вскрытия окон, в которых проводят локальное эпитаксиальное нара- щивание кремния n-типа. В изолированных с боков окислом, а снизу р-п переходом областях монокристаллического кремния создают элементы микросхем. Основные требования к технологии локального эпитаксиального наращивания: подложка, эпитаксиальный слой и поверхность раз- дела между ними должны быть свободны от дефектов, неблаго- приятно влияющих на электрические характеристики компонентов микросхем; локально выращенные островки кремния должны быть плоскими и однородными по свойствам. Эпипланарная технология имеет ряд достоинств, но сложна в осуществлении. Технология вертикального анизотропного травления представляет собой разновидность технологии с комбинированной изоляцией эле- ментов, в которой для разделения эпитаксиального слоя на изоли- рованные островки используется вертикальное анизотропное трав- ление (vertikal Anisotropic Etsh— VATE), сущность которого пока- зана на рис. 7.17. В этом технологическом процессе могут быть ис- пользованы кремниевые подложки только с ориентацией рабочей по- верхности по плоскости (100). Анизотропный травитель (этилен- Рис. 7.17. Формиро- вание V-канавокк при анизотропном травле- нии кремния 228
диамин, растворы едкого кали), действуя через окно в окисле, формирует канавку V-образной формы. В процессе травления стенки канавок ограняются плоскостями, имеющими наименьшую скорость травления по сравнению с другими плоскостями. Наименьшую скорость травления имеет плоскость (111), поэтому она и ограняет канавку, в результате чего получается V-образный профиль. Глубина канавки d\ определяется шириной di окна в маске: d\ = di/^2. Процесс травления заканчивается автоматически как только достигается глубина d\ (если его прервать ранее этого момента, канавка будет иметь плоское дно, параллель- ное поверхности пластины). Технологический процесс формирования транзисторных структур состоит из следующих стадий: 1) на подложке p-типа с ориен- тацией поверхности по плоскости (100) после формирования диффу- зионного скрытого п+-слоя наращивают эпитаксиальный слой п- типа, а затем создают мелкую диффузионную базу р-типа; 2) ис- пользуя анизотропный травитель, вытравливают разделительные канавки; 3) с поверхности подложки удаляют окисел и осаждают трехслойный диэлектрик окисел кремния — нитрид кремния — окисел кремния (рис. 7.18,а — г). Методами фотолитографии и диффузии формируют области эмиттера и коллектора и контактные окна. В качестве омических контактов применяют силицид платины. Аналогичный технологический процесс используется также при производстве микросхем на основе V-МДП-транзисторов (см. §§ 3.4 и 8.3). Технология вертикального анизотропного травления с заполне- нием канавок поликристаллическим кремнием представляет собой Рис. 7.18. Технология вертикального анизотропного травления с заполнением канавок поликристаллическим кремнием: °—диффузия для создания скрытого слоя и эпитаксия кремния n-типа; б — базовая диффузия р-области; в—маскирование слоями SiC>2 и травление V-образных канавок; г — защита поверхности слоями SiOg и S13N4; д — заполнение канавок поликристаллическим кремнием и полировка поверхности; е — формирова- ние элементов транзистора и алюминиевой металлизации 229
разновидность VATE-процесса и кратко обозначается VIP (V-brave Isolation Polisilecon). На рис. 7.18 представлена схема процесса. Вслед за формированием окисла нитрида кремния (рис. 7.18,г) осаждают поликристаллический кремний до тех пор, пойф изоля- ционная канавка не будет заполнена. Излишний поликристаХличес- кий кремний сошлифовывают до получения плоской поверхности подложки. При использовании VIP-технологии обеспечивается пла- нарность приборов и облегчается создание разводки по сравнению с4 VATE-технологией (рис. 7.18Дг). Полипланарная технология. Технология «Полипланар» почти не отличается от VIP-технологии. После образования V-образных ка- навок осуществляют выращивание окисла кремния. В отличие от V-ATE- и VIP-технологий в технологии «Полипланар» на стенках канавок слой нитрида кремния не формируют. Сформированные и окисленные канавки заполняют поликристаллическим кремнием на уровень, превышающий глубину канавки, и производят меха- ническую шлифовку для формирования плоской поверхности. Механическая шлифовка является одной из основных и критич- ных операций в технологии VIP и «Полипланар», она затрудняет получение годных структур и снижает технические характеристики технологического процесса. Широкое использование и перспективность методов комбиниро- ванной изоляции объясняются тем, что во всех рассмотренных вариантах по-прежнему используются: групповая технология; пла- нарность процесса изготовления; обычные для микросхем материалы; основное оборудование, характерное для производства микросхем по планарно-эпитаксиальной технологии. В технологических маршрутах с применением комбинированной изоляции элементов в микросхемах на биполярных транзисторах используют последние технологические достижения в самых раз- личных областях, самые прогрессивные технологические операции и их сочетания. В них используются: эпитаксиальное наращивание низкотемпературным разложением силана; диффузия из легирован- ных окислов с применением специальных мер, уменьшающих де- фектообразование; ионное легирование; наращивание поликристал- лического кремния..и пленки нитрида кремния; операции локального глубокого окисления; методы селективного травления; многослой- ная разводка. На рис. 7.19 показана структура транзистора, изготовленного по изопланарной технологии с применением пленок поликрис- таллического кремния (ППК) для создания контактов к областям транзистора, резисторов и одного уровня разводки. В подложке p-типа создается методом диффузии коллекторная область тран- зистора и в этой области методом ионной имплантации — база транзистора. Затем формируется ППК, на нее наносятся маски- рующие пленки SiO2 и SiaN-i, с помощью которых методами фото- литографии, диффузионного и ионного легирования осуществляется 230
Рис. 7.19. Структура биполярного тран- зистора, выполненного по изопланарной технологии с применением пленок поли- кристаллического кремния: /— пленки SiO2, 2— пленка PtSi; 3— пленка поли- кремния Рис. 7.20. Сходство структур биполярно- го транзистора с изоляцией р-п перехо- дами и структур элемента интегральной инжекционной логики формирование области эмиттера, эмиттерного и коллекторного кон- тактов, контакта к базовой области. Поскольку и ППК и области контактов легируют одновременно примесью того или иного типа проводимости, они оказываются самосовмещенными. Электрическое сопротивление проводников из ППК можно снизить, сформировав поверх них пленку сплава PtSi. Выше указывалось на широкую перспективу производства и применения биполярных И2Л-микросхем (см. § 1.3 и § 2.2). Этот класс микросхем превосходит все существующие по плотности компо- новки и значению произведения мощности на задержку переклю- чения (см. табл. 1.2). На основе И2Л-схем созданы серии БИС микропроцессорных наборов. Сравнение типовой структуры биполяр- ного п+-р-н-транзистора со структурой И2Л-элемента (рис. 7.20) указывает на их большое сходство: в конструкции И2Л-элемента используется перевернутый н+-р-н-транзистор, эмиттер которого сформирован на основе скрытого н+-слоя. Близость конструкции этих элементов приводит к большому сходству технологии их изго- товления, а также позволяет решить задачу создания аналоговых и цифровых устройств на одном полупроводниковом кристалле. В таких БИС цифровая часть может быть изготовлена на основе матриц И2Л-элементов, а аналоговые устройства — на основе сфор- мированных в том же кристалле биполярных активных и пассив- ных элементов. 231
Глава 8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ\ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ НА \ МДП-ТРАНЗИСТОРАХ 8.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ПРОИЗВОДСТВА МИКРОСХЕМ НА МДП-ТРАНЗИСТОРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ ЗАТВОРОВ Для изготовления МДП-микросхем используют кремниевые под- ложки с ориентацией рабочей поверхности по плоскости (100), поскольку при такой ориентации плотность поверхностных состоя- ний примерно на порядок ниже, чем при ориентации (111) (см. параграф 3.3). Концентрация легирующей примеси в подложке /V«sl015 см~3. Технология МДП-микросхем на р-канальных транзисторах была первой освоена в промышленном масштабе и заложена в большом количестве серий. Последовательность операций в этой технологии представлена на рис. 8.1. Процесс окисления (рис. 8.1Д) под подзатворный диэлектрик толщиной 0,1...0,15 мкм проводится в тщательно очищенном и осушенном кислороде при 1100... 1200°С; принимаются меры предосторожности, исключающие кристаллиза- Рис. 8.1. Последовательность основных технологических операций производства р-канальных МДП-микросхем с алюминиевыми затворами: а — термическое окисление исходной кремниевой пластины для нанесения маскирующего окисла; б — фото- литография для вскрытия окон под диффузию акцепторной примеси в области истока н стока; в — форми- рование областей истока и стока; г — фотолитография для создания тонкого подзатворного окисла; д — выращивание тонкого окисла в сухом кислороде; <? —фотолитография для вскрытия окон под контакты; ж—нанесение пленки алюминия; з — фотолитография по алюминиевой пленке для создания разводки 232
цию окисла, возникновение в нем механических напряжений и уменьшающие заряд в окисле. Недостатком технологии является значительное (около 3 мкм) перекрытие электродом затвора об- ластей истока и стока. Наличие такого перекрытия определяется тем, что область канала формируется с использованием трех фото- литографий, что заставляет закладывать в фотошаблоны запасы на технологические разбросы и ошибки при совмещении. Эта тех- нология позволяет получать МДП-транзисторы с индуцированным каналом p-типа, работающие в режиме обогащения. В одном из вариантов технологии производства МДП-микро- схем на р-канальных транзисторах с алюминиевыми затворами используют изопланарный процесс (рис. 8.2), что позволяет, как и в биполярной технологии, обеспечить высокую плотность разме- щения элементов, повысить их характеристики. В сформированной структуре МДП-транзистора (рис. 8.2,6) существенно повышено быстродействие за счет снижения паразитных емкостей (чему спо- собствует толстый окисел) и уменьшения длины канала. Эта тех- нология МДП-структур совместима с изопланарной технологией и может быть использована для формирования БИС с биполярными и МДП-транзисторами. При селективном окислении край толстого окисла имеет в сече- нии конфигурацию заостренного «птичьего клюва», с которым свя- заны проблемы накопления вокруг него зарядов, повышения на- пряженности электрического поля, что в МДП-микросхемах крайне нежелательно. На рис. 8.3 показана часть операций технологического процесса, основанного на получении толстого изолирующего окисла путем окисления пленки поликремния, специально разработанного, чтобы избавиться от «птичьего клюва». Этот технологический про- цесс уменьшает длину «клюва» до 0,15 мкм, но не обеспечивает планарности структуры. Технология МДП-микросхем на «-канальных транзисторах. Вна- чале усилия разработчиков и технологов были направлены на со- здание «-канальных приборов в связи с большей, чем у дырок, подвижностью электронов, т. е. возможностью достижения боль- шего быстродействия. Промышленное освоение «-канальной техно- логии стало возможным после того, как научились строго кон- тролировать и стабилизировать свойства границы раздела p-Si—SiO2. Эта «-канальная технология по последовательности и совокупности операций мало отличается от р-канальной за ис- ключением того, что в ней используется подложка p-типа, а об- ласти истока и стока легируются примесью «-типа. Технология изготовления МДП-микросхем методом двойной диф- фузии (ДМДП-технология). Этот технологический процесс разрабо- тан специально для формирования СВЧ МДП-транзисторов с длиной каналов менее 1 мкм (рис. 8.4). На подложке «-типа проводи- мости выращивается слой термического окисла, проводится фото- литография и первая локальная диффузия примеси p-типа. Далее 233
Рис. 8.2. Последовательность основных технологических операций производства М.ДП-микросхем с алюминиевыми зат- ворами с применением толстого.окисла (изопланарный процесс): а — пластина кремния n-типа с пленками окисла и нитрида кремния после операции фотолитогра- фии для формирования окон под ионное или диф- фузионное легирование областей стока и истока; б — формирование областей стока и истока и уда- ление пленок окисла и нитрида кремния с поверх- ности пластины за исключением области канала; в — термическое окисление кремния с образова- нием толстого окисла; г — удаление пленки окис- ла и нитрида кремния с области канала и нане- сение тонкого подзатворного окисла методом термического окисления в сухом кислороде; д— вскрытие окон под контакты к областям стока и истока; нанесение алюминиевой металлизации и фотолитография для создания разводки 234 3) Рис. 8.3. Последовательность техноло- гических операций формирования МДП-структур по изопланарной тех- нологии путем окисления пленки по- ликремния: й. — нанесение на кремниевую подложку пленок окисла, поликристаллического кремния и нитрида кремния; б — фотолитография по нитриду кремния и имплантация примеси для предотвращения об- разования инверсионного слоя; в — селективное окисление пленки поликремния для образования толстого окисла; е — удаление пленок нитрида кремния и поликремния; д —- формирование све- жего подзатворного окисла' / — нитрид кремния. 2 — поликремний, 3 — плен- ка SiO2, —кремниевая пластина, 5—фоторе- зист, б — имплантированная область
V////////M М fZSSSSSSSSSSS. Рис. 8.4. Последовательность технологических опера- ций производства интегральных микросхем на МДП- транзисторах методом двойной диффузии: а— исходная кремниевая пластина n-типа проводимости с нанесенным термическим окислом; б — структура после операций фотолитографии и локальной диффузии акцепторной примеси; в — вскрытие окон под локальную диффузию примеси л-типа; г — диффузия для формирования областей истока и стока; д — фото- литография для вскрытия окон в окисле над областью затвора; е — нанесение методом термического окисления в сухом кислороде тонкого подзатворного диэлектрика; ж—фотолитография для вскрытия окон под контакты к областям истока и стока, напыление алюминиевой пленки и фотолитография по алюминию для создания разводки после еще одной фотолитографии проводится вторая диффузия примеси n-типа под области истока (в кармане p-типа проводимости) и стока. При этом одновременно создается канал p-типа проводимос- ти. Поэтому этот процесс и называется технологией производства МДП-транзисторов методом двойной диффузии. Дальнейшие опера- ции процесса сходны с обычными операциями создания МДП- микросхем: формирование подзатворного диэлектрика, контактных окон, напыление алюминия, формирование металлической разводки, защита кристалла, сборка и монтаж, герметизация. В принципе аналогичным методом в подложке /2-типа могут быть сформированы n-канальные МДП-транзисторы. Этот технологи- ческий вариант пригоден также для изготовления интегральных микросхем с биполярными и МДП-транзисторами на одном крис- талле. Кроме того, возможности подобной технологии позволяют на одном кристалле формировать два типа МДП-транзисторов: ДМДП-транзисторы, работающие с обогащением канала, и обыч- ные МДП-транзисторы, работающие с обеднением. На основе этих транзисторных структур