Одваврвмеино с п-р-п транзистором может быть изготовлен р-п-р/ вертикальный Т1ранэистор, показанный иа рис. 2.17. Здесь подложка являе;ся коллектором, а э!пятаКси1альяый и-слой базой. Эмиттерная область. р-тшцй формируется пооредством диффузии вместе с базовой областью п-р-п тр&нэистора.

Вертикальный (гранэистор имеет следующие недостатки. Вопервх, его коэффициент (усиления ПО току М'.ал, а частотная характеристика ограничена, так как толщина, эпитакоиашьной базовой области относительно - велика и концентрация примеси распределена равноме|рно. Во-вторых, объеМ|Ные эмиттер-ное и коллекторное сопротивления В'елики, так как обе эти обла/стн слабо легированы. В-Т|р.етьих, такой транзистор может работать толькд! в одном режиме-три в(ключен-ии по (схеме с общим .коллектором., так ка*/ его коллектор необходимо поддерживать под отряцательным напряжением of истояника питания.

Г|Оршонтальные и вертикальные .тра1И31Исторы, несмотря jnz присущие им недостатки, находят широкое применение по двум п'ричина)М1 о'ви совместимы с п-р-п транзисторами и большинство недостатков можно устранить, используя (более совершенные методы (проектирования ннтетральнык схем.

Комплементарные транзисторы по ка;честв|у мало отличаются от п-р-п граяз'исторов, но для их изготовления трбб;уется введение даполяительных тех-нологических операций. Один из возможных методов создания таких элементов заключается в том, (что эпитаксиаяьное на)раш;ввание можно прервать при достижении примерно (половины требуемой толщины слой, осуществить диф- фузию Р+-СЛОЯ ниже (6уЩущей области коллектора р-П-р транзистора, закончить зпитаксиальное наращива.иие и провести соотв1етстеующую термическую обработку, чтобы иосредством диффузии вывести скрытый р+-слой на поверхность. Полученный ташм образом островок р-типа служит коллектором для р-п-р транзистора, эмиттер я база которош формирую,тся таким же способом, но не одноврвме(нно с областями п-р-п ггранзистора. Поперечное сечение ст;ру(кту)ры показано на рис. 2..I8.

£ В С п- p-f- В В С р-1- SdOz

п Подложка р-типа

П-р-п п-р-п

Ряс. 2Л8. К|ам(племёнтаряые (гра(нз1И(сторы

2.5. Диоды

(Поскольку интегральные Т1ранаисторы м'Ожно соединить так, ч(То они будут работать как диоды, то .для формирования последних не требуются дополнительные технологические операции. Хотя о^жно использовать любой переход п-р-п траиэистора, ча.ще (всего- применяют оба- перехода. В этом случае дополнительный транэи(сторный эффект скажет1ся на уяуч1шении характеристик ди-ода. Типичные диодные схемы (включения т)ранзвстор'а и значения их параметров сведены в табл. 2.2.

В первом варианте иключения -йсшольз|уется р-п (переход эм(итт€р-база. Он характеризуется малым пробивным напряжением, относительно большим временем (восстановления и значительным падением напряжения, которые обусловлены соответственно высокой проводимостью вм(иттерной области, зарядом, накопленным в базовой и коллекторной областях, и (большим объемным, сопротивлением базы.

(В.0 BTopoiM варяа'нте плавающ.ий потенциал. коллектора иоключается путем соединения (пюслвднвг,о непосредственно с базой. По,добный способ В1ключе-няя обладает тем пранмуществом, что дополнительный транзисторный. эффект уменьшает ,врам-я во-сстано1влвния и падение, напряжэния. (Одцако. прн этом

Т а б ли ц а 2.2

Параметры интегрального диода

Схема включения

Пробивное напряжение, В

Ток утечки при напряжении -5 В, нА

Емкость при напряжении -5 В, пф

Время восстановления,

Надение напряжения при токе 10 мА, В

1Л

0,85

А

I-о

0,95

0,95

аиод диода нагружается есколько большей емкостью (1-3 лФ) перехода Относительно подложки.

В третьем варианте включения используется р-п переход база-жоллек-аор, пробивное напряжение возрастает по сравнению с пе;рвьши дву.мя вариантами. Большое время восстаиовлевия и значительное падение напряжения 1МОЖН0 уменьшить, исключив эмиттер, который в данном случае не выполняет жюикретной функции.

Четвертый вариант имеет преимущества перед третьим в отношенаи вре-Мбни восстановления, поскольку здесь применены включевня с общим эмитте-?)ом и общей базой. Значения остальных параметров такие же, как в предыдущем случае.

iB последних двух вариантах включения, основанных на йспользоваини коллекторного перехода, нагрузка, обусловленная емкостью переход - подлож- жа, влияет на катод. Общий недостаток обоих вариантов соединения состоит в том, что при открытом диоде паразитный р-п-р транзистор работает как нежелательный усилитель тока утеч1ни подложки.

Стабилитрон можно- получить, если подать обратное смещение на диод 9мяттер-,база п-р-п транзистора. Диод будет пробиваться под действием тун-нельного эффекта и иметь отрицательный температурный коэффициент, если пробивное напряжение менее 5 В, или под действием лавинного процесса и шметь положительный ,т€мпер.атурный коэффициант, если это иапряженне более

иетек * Затвор

Сток п

51:02

п

а) Затвор ншок

дно

SCO;

Полевые транз1Исторы (ПТ) можно создавать юдвовремвнно с биполярными. В структуре с каналом л-.тнпа (рис. 2.19а) для форми{1ования затеора р-типа, истока п+-тина и стока л+-тнпа в эпитаисиальной области канала п-типа испольа1ую1Тся базовая и эладттерна.я диффузии. Эти сильно легированные области служат для уменьшения чрезмерно большого соцротивления канала. При создании р-к§нальной структуры (рис. 2.196) базовая диффузия обеспечивает формирование области канала, а эмиттерная - затвора. В обоих случаях область канала оказывается слишком широкой, так как процесс изготовления ориентирован на формирование биполярного транзистора. Вследствие этого крутизна характеристики оказьгеается недостаточно высокой с точки зрения применения ПТ в усилителях. Подобные транзисторы могут служить в качестве источников тока и темпера-турно-компевсирующи'х элементов. Для создания полевых транзисторов, хорошо работающих в режиме усиления, требуются дополнительные технологические операции.

Большинство полевых транзисторов, пригодных для усилительных устройств, относятся к р-канальным. Полевые р-каналь-ные транзисторы можно выполнить либо методом диффузии, либо ионной имплантации. Оба метода обеспечивают достаточно узкие каналы, гарантирующие сравнительно боль-. . шую крутизну.

Полевые р-канальные транзисторы с изолированным затвором и структурой металл -окисел-полупроводник (МОП) можно сформировать, используя операции, описанные в § 2.3 для изготовления MiOП^кo.нiдeиcaтopoв. ДлЯ1 создания и-жанальных иолевых МОП-транзисторов с изолированным затвором, диффузия островков р-тяпа .требует дополнительного (маскирова.йия.

.В компл€мента.рных полевых транзисторах -исток и сток р-канального ПТ формируют на этапе базовой диффузяи, а электроды -(канального-7 змиттер- о-й диффузн-и в островок р^па. Электроды истока и дна выводят на обг щий контакт. Поперечное сечение структуры показано на рис. 2.2€.

Рис. 2.1I9. Полевой транзистор с каналом пл(а) и р-,типа (б)

Дно Истон Затвор Сток

Дно Истон Затвор Стоп

Т2Т

Эпитансиапьньш п-спои\

П1- n-f- р-пстравок

/Зттаксиальтги п-спои

р-подпожт

Рис. 2.20. Комплементарные полевые МОП-транз'исторы

5 В. nipoQHiBBoe напряжение интегрального опорного диода, iKOHeHTpamnw примеси S котором прещопределяются п-р-п }1раизисторам, составляет 6-7 В. Это сзиамает, что пробой обу|СЛОвлен ла©инным процессом, а температурций коэффициент положительный. Последовательное С'!:противлевие перехода, коллектор-база равняется неоколькнм десяткам ом Б|елвдствяе (малой кокдентрации примеси в области базы, а ело емкость можно уменьшить, если .поддерживать коллектор (ПОД положительным напряжением от источника питэиия. К сожалению, диод описанного выше типа харажт1е|ризуется большим шумом, поэтому нецелесообразно его применять.

2.6. Полевые транзисторы /

ijijjiH однощремеиного изюот-овления бипюлярных т,ранзи1стйро.в и вькокока-частвейлых -.канальных полевых транзисторов к р-п переходом используется, метод ионной нмплаитации, отличающийся высотой точностью контроля, тол-иииы слоев и .концентрации примесей. Поперечное сечение структуры бипо-яярио.го .и полевого транзисторов с р-п переходом преиогавлено на .рис, 2.21.

Истон JamBop

j Моно-имплантироданныи р-слЬй Р

л-р-п транзистор База Зматтер /fo/i/ioHmop

гпитам)иапьный п-спой

Л

Зпитапсцапьныи л-слои,

р-подпожна

ЗРис. 2.21. Сочетание виполярнопо и полевют-о траизисторов в., одной структуре

Примесь

Крисгпапппртния п-ипи р-слой

Рис. !2..22. Диф.фуз.ня примеси через окисную маску

2.7. Методы изготовления

(Различным техноло-гическим процессам, которые предприятия-изготовители иапользуют при произ1вод1ст.ве интегральных схем, присуща по крайней мерз юдна о.бщая черта: они основаны на планарной технологий.. Этот очень сложный метод включает п.оследов,а1тельные операции диффузии в селективные области кристалла через полученные путем фотолитографии окна в масках из окиси кремния (рис. 2.22).

Описываемый ниже технологический процесс не является универсальным, но тем не менее он достаточно типичен и позволяет понять сущность практических способов реализации однокристальных ИС различных конструкций.

Исходным материалом служит пластина монокристалла кремния р-типа размерами 40-80X0,25 мм с удельным сопротивлением 2-10 Ом-см, на которой выращивается слой окисла толщиной до 0/3-0,8 км, вависящен от типа вводимой примеси. По.скольку обычный ра31Мер интегральной схемы состав-ш.яет ;1-4 мм, то на одшж пластине .можно оформи/ровать ,в общей сложности до 400-12000 схем.

iB высокоскоростной центрифуге, иуда запружаются пластины, слой окисла равноме,рно покрывается слоем фоторезиста толщиной Oj5-2 мкм. За,т©м на мегатив-ный фоторезист иакладываю1т фотошаблон и полученную м.н.огосл®йную структуру экспонируют в ультраф-иолетовых лучах, гато вьгзыв-ает полимеризацию фоторезиста на аасвеченных участках и .делает их устойчивым к жи-мичосиой обработке. После .удаления незасвеченных участков фоторезиста с ромощью про-явителя в слое окисла .можно вытрави,ть участки, незащ.щенные яоли.меризован-ньш фоторезистом. Последняя операция-удаление (стр.азлива- ие) оставшегося фоторезиста. Теперь ,01кисна.я маока .может трим.е.няться для (Проведения диффузии (рис. 2.23).

Одной из самых се1рьезных П|р.01блвм фотолитографии является тоЧность ма.оки.рования, т. е. сов1мещения фотошаблонов: д.о.пус.ки на их .размеры и сов-мещение не должны превышать 0,2-I мим. Для сведения к м.инимуму разноса размеров создается набор рабочих фотошаблонов. Первая операция - вычерчивание в ущеличенгаом .масштабе (от 20:1 до 5000:1) оригинала. Необходимый рисунок выполняется на специальном материале - рубилите, с помощью -автоматизированной чертежной установки, управляемой ЭВМ. Руби-лит - не1распш.ряюща.яся пластмассовая плешкасостоит из прозрачного и не-

лроэра.чното (iKjpacHOTO) слоев. После удаяеияя вырезаииых в непрозрачном Слое участков рубилитовые нз0(бражения [уменьшают фотографически в 10- 50 раз. Полученные фот'опластинки вставляют в проекционную фотоустановку с автоматическим повторно-шаговым механизмом, которая создает столько' изображении кажщо'й пластинки окончательного размера, сколько необходи.мо для покрытия всей повер'хности пластины кремняя. Таким образом иаготавли-

Кристалл кремния

фртвреаист

Маска

1111

Окиспенив

Лопимераап данный фоторезист

Лонрытие фоторезистом

Энспазиция

Ш Ш ¥Ш{ ут, Г77Я

Проявление ТраВпение Отвная маска

Рис. 2.23. ФОЛлитопрафня юкнсной мяони .

кают комплект Оригиналов фотошаблонов. Каждый оригинал содержит матрицу одинаковых изобра1жений. Последняя операция - создание рабочих фотошаблонов.

Изгото1влени€ П|ростых элементов, описанных в § 2.1-2.6, требует в общей сложности 7 рабочих масок, по одной на каждую из следующих техно-.Югичесиих операций: \) диффузия скрытого слоя; 2) изолирующая диффузия;. 3} базовая диффузия; 4) змиттерная диффузия; 5) травление контактов; 6) металлизация; 7) пассивация.

Через окна в маске \ в полупроводниковую пластину методом диффузии, вводят мышьяк или фосфор на глубину II-2 мкм (рис. 2.24а). Скрытые слои оформирутотся с помощью этой примеси с последующей термической обработкой.

После .выт|равлива.ния первой маски выращивают эпитаксиальный слой с удельной проводимостью 0,3-0,5 Ом.см и толщиной примерно 10 мкм (ри:. 2.246). Обычной летаруюшей примесью служит фосфор или сурьма.

Следующей ол©р.ац.ией Я1вляет1ея дифф.уз.ня. бора через маску 2, нанесенную-, методом фотолитографии на вновь о-бразовавшийся слой окисла после операции энитаксиальното. наращивания, ,и нагрев пластины до тех пор, пока р+-области не сомкнутся с подложкой. iB течение нескольких часов такой обработки врытый слой будет дифф-ундировать вверх и достигнет окончательной заданной толщины (рис. 2.24е).

После термической обработки проводиггся диффузия бора через маску 3 для формирования базовых областей .толщиной 2-3 мкм и резисторных полосок (рис. 2.24г).

Последняя операция - диффузия фосфора через маску 4 - проводится для создания легированных змиттерных областей и контактов к коллекторным об-ла1стя1м (рис. 2.245).

После лолировет и очистки нижней повержности полупроводниковой плас-тржы на нее напыляют пленку золота, которая предназначена для подсоединения кристаллов к шер'жателю и подложек к .внешним контактам.

На той стороне, пде размещаются элементы, в слое окисла вытра.вливают отверстия через- м,аску 5 и на всю поверх]НОКть напыляют слой алюминия-

(ТОЛЩИНОЙ Ю1К0ЛО л MiKiM. Заггеи, страшливая избыточный металл через маюку 6>. Э1даюгг требуемый рисулок межсоединений и контактных площадок. Надеж-aiiOCTb жонтактов обеспечивается нагревом пластины 1ДО температуры, блазкой.К. 1эвтектическ1он температуре кремния-алюминия, при которой шаступает процесс Lмвкpocплa;влeния. При этом проникающий в кремиий алюминий будет действовать жа.к примесь р-типа. Поэтому ажио, 1ЧТ0бы все и-области, к которым бу-

Эпигпаксаапьиый п-спои

р-по8ло>нка

SlOz

Рж. 2.24. Тех1ношогическне операции изготовления одиокристальной полупро-

водниковой схемы:

а -диффузия скрытого слоя; б - эпитаксиальное наращивание п-слоя, в - изолирующая диффузия; г - базовая диффузия; д-диффузия эмиттерного и-

коллекторного контактов

flyrf создаваться контакты, имели достаточно высокую концентрацию донор--1Н0Й примеси. Если какая-либо область слабо легирована, то под контактную площадку дополнительно вводят примесь, превращая ее в область п+-типа.

В результате (многократных процессов .выращ'ивания и травления слой юкисла принимает ступенчатую форму, показанную на рис. 2.25. Наконец, поверхность покрывают защитным слоем-пакснвируют через маску 7.

Из 400-2000 схем, сформированных в пластине, дефектные схемы выявляют при. помощи различных методов иэмерений. Затем пластину 1скра11бируют и разделяют на отдельные кристаллы. После отбраковки дефектных каждый: кристалл (монтируют на держателе, а затем герметивнруют в ко-рпусе. Монтаж заключается в припаивании кристалла к держателю и присоединении к выводам корпуса. Для последней цели используют золотые н алюминиевые-ш.роволочжи толщиной 25 мкм, которые присоединяются методом термокомп-1р-еосии или ультраз(вуковой сварки. Заге1рметизироваиные ИС подвергаются О'оследнем;у (выходно'Му) контролю.

В заКлючение отметим то новое, что можно ожидать (в рассматриваемой: (Области. (На протяжении (РЯДа лет методы се.ми масок, ив которых только-один был здесь изложен, не претерпели существенных изменений. Нельзя ока-

Изолирующая р^-о^павтъ

Лонтатная оФюсть п^нетентора Область /7- эмиттера Область р - базы

Эпитаксиальнсгй область п-каллектора p - подложка

p - подпо^нка

Piac. 2.2i5. Штелралшый тралзисгор

Рис. 2.26. Микрофотография ИС тша CA3,iaO (фирма RCA)

аать, члю .разлигаиые методы и процессы фотолитолрафки, диффузии и т. д. не (усложЯЯЛИСь, однавад метод диффузии через маош ъ телом е претерпел ана - читального уоове,ршенот1воБания. Тем ие менее введение новых методов пред-Ьтавляется иеизбе-жиым.

101ДНИМ .из перспектишых является агетод ионной имилаитации, который; 1по-в димом(у, может сочетать высокую точность с 1чрез1вычайно малыми раз-

Рис. 2.27. Герметизированная иитегральная схема типа CASISO (фирма RCA)

мерами в, как наде.ются, способен решить п.робле.му иаготовлеиия п-р-п т.ран--Ьисторов с большим коэфф.нцйеитюм усиления и полевых тра^изисторов с ма-шым иеренрытием.

Не меньшее 31начение имеет появление .етода изготовления р--канальиых, С р-п переходом й МОП-полевых траизисторов. ПТ с большим быстродействи-ем могут усшашио заменить р^п-р транзисторы с поризонтальвой структурой;. Которым свойственно малое быстродействие.

Ряд пренм^уществ .можно ожвдать от метода фор.мироваиия комплемен-ггарных полевых МОП-транэисторов и биполярных -тра-нзисторов в одном .кр.ис-налле.

Существуют уже -методы, поавояяющие оптимизировать изготовление не-всоторых типов пол.упровошикавых схем, однако их стоимость относительно шьюака. В качестве примера можно уп01мяиуть метод создаиия гибридных мно-(гокристальиых cxeiM.

Чреавьтйно жесткие т;рибо1в.анвя также тощт быи-ь- удовлетворены при жспюдьэавании тонкопленочной технологии иэготовления резисторов и лазер-жого луча для подгонки их номиналов (а иногда и пол1у1пр1оводни1кшых ре-зисторов) с очень высокой точностью.

ГЛАВА 3

АНАЛИЗ ТРАНЗИСТОРНЫХ СХЕМ j

3.1. Параметры четырехполюсника

Линейные ус1пители .пр1едста|вляют собой (более или менее сложные комбинации основных типов усилительных каскадов, (которые, как правило, со--стоят из активного прибора (транзистора и т. д.) н связанных с ним линейных пассивных эле1ментав (резисторов, конденсаторов н т. д.). Если эквива лентиая линейная схема активного прибора в режиме -малых сигналов являет-)ся четцреяполюсяином, то параметры основных типов каокадюв можно ооре- делить любым способом: либо составить эквивалентную схему и соответствую-1(щ е уравнения, мпользуя законы Кирхгофа, либо рассматривать эививалент-;шую схему как систему элементарных четырехшолюсникш и применять хоро--(шо иавестные правила их соединения.

Наиболее удобный метод описания четырехполюсника заключается в нс-пользовании системы двух уравнений, связывающих действующие на его зажи-)мах напряжения и- токи ( вх, ивых, Ibx, 1вых). Из ряс. .3j1 видно, что всегО' -1мо.жно записать шесть пар уравнений в зависимослпи от того, какие Д1ве элект-.ричвдкие (величины, действующие (на его зажимах, считаются незав!иснмыми (переменными. Общая форма записи такова:

i Yi = kuXi+ki2X2, У2 = Й2Л-Ь*22Л:2, (3.1)

!где ku, ki2, kii и Й22 - параметры расоматриваемого четырехзполюсника. Из (матричной формы записи уравнений' (3.-1) следует, что система параметров, .(характери^ующисх данную цепь, имеет вш

ЗКоаффициенты kn, 12, 21 И Й22 часто называют матричными пара1метрами.

Рис. 3.1

Источник I Четырехпапюсник \ Нагрузка \ - I .

Рис. 3.2. -Схема (включения четырехполк^с-ника в цепь

Из шести наборов параметров, определяе(мы1Х уравнениями (3.1), четыре наибольшей creneaiH применимы к .проектированию (и анализу схем. Эти наборы параиметров и соотношения меиаду ними сведены в табл-. 3jl.

Системы и взаимосвязь параметров четырехполюсника

дых

Система

гивридиая

ииверсная гибридная

Д g = giifisa-

полных Прово димостей

А J/ = j/ j/22 -

полных сопротивлений

Дг = г„222 -

Величина

+ Лгг^вых

[Ли = -

= О

hi2 =

вых ~ о

/21 Уи

Полное входное сопротивление при ,к. 3. на выходе

Коэффищ1ент прямой передачи напряЖ'еиия при х.х. на входе

j21.

Коэффициент прямой перс дачи тока при к. з. на выходе

Полная входная проводимость при х.х. на входе