Транзисторы типа n-p-n

Вступление

Интегральная микросхема (ИМС) — это изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые могут рассматриваться как единое целое, выполнены в едином технологическом процессе и заключены в герметизированный корпус.

В даной работе будет рассмотремы элементы полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах. Биполярный транзистор типа n-p-n является основным схемным элементом полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС). Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа p-n-p, а технология его изготовления более проста.                             В настоящее время горизонтальные транзисторы типа p-n-p используют в ИМС наиболее часто.

1. Транзисторы типа n-p-n.

Биполярный транзистор типа n-p-n является основным схемным элементом полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС). Он обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа p-n-p, а технология его изготовления более проста.

Остальные элементы ИМС выбираются и конструируются таким образом, чтобы они совмещались со структурой транзистора типа n-p-n. Их изготовляют одновременно с транзистором типа n-p-n на основе какой-либо из его областей. Таким образом, выбор физической структуры транзистора типа n-p-n определяет основные электрические параметры остальных элементов схемы.

Наиболее широкое распространение получила транзисторная структура типа n+-p-n со скрытым подколлекторным n+-слоем (рис. 1). 

Рис. 1. Конструкция интегрального транзистора типа n+-p-n

Следует обратить внимание на то, что вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора. Это увеличивает сопротивление тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора в усилительном режиме (ухудшается частотная характеристика) и в переключающем режиме (уменьшается эффектность переключения в режиме насыщения).

Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления снижают пробивное напряжение перехода коллектор-база и увеличивают емкость этого перехода, т.е. также ухудшают характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного n+-слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает иизкоомный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту без снижения пробивного напряжения перехода коллектор-база. Конструктивно он располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина слоя составляет 2,5—10 мкм, удельное поверхностное сопротивление ρs=10—30 Ом/ڤ.

Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной областью, и для обеспечения требуемого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному.  

Минимальные горизонтальные размеры прибора определяются двумя основными технологическими факторами: минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле кремния и зазоров между окнами, а также размером боковой диффузии под окисел. Поэтому при проектировании транзистора следует учитывать, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии p-базы и n+-области под коллекторным контактом. Назначение этой n+-области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего контакта алюминия к слаболегированной n-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с растворимостью порядка 1018 атомов/см3 при температуре формирования контакта. Уровень же легирования эпитаксиального n-слоя, составляющего тело коллектора, равен 1015 - 1016 атомов/см3. Как отмечалось, он диктуется необходимостью увеличения напряжения пробоя перехода коллектор-база.

Расстояния между изолирующей р-областью и элементами транзистора определяются также размером боковой диффузии. Они должны быть примерно равны толщине эпитаксиального слоя.

Для асимметричной конструкции (рис. 1) характерно то, что коллекторный ток протекает к эмиттеру только в одном направлении. При симметричной конструкции коллекторный ток подходит к эмиттеру с трех сторон, и сопротивление коллектора оказывается примерно втрое меньше, чем при асимметричной конструкции. Для симметричной конструкции транзистора облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней часть коллекторной области можно разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминиевую полоску к эмиттерной или базовой области. Параметры областей интегрального биполярного транзистора, типичные для ИМС средней степени интеграции приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Параметры областей интегрального транзистора типа n-p-n.

Примечание: N-объемная концентрация примеси для подложки и коллекторной области и поверхностная концентрация примеси для эмиттерной и базовой областей.

При больших токах существенную роль играет эффект вытеснения тока эмиттера, который объясняется достаточно просто. Напряжение в любой точке эмиттерного перехода представляет собой разность внешнего напряжения и падения напряжения в объеме базы, т. е. напряжение в центральной части эмиттера меньше напряжения у его краев, и внешние области эмиттера работают при больших плотностях тока по сравнению с внутренними. Повышенная плотность тока у краев эмиттера приводит к повышенным рекомбинационным потерям носителей заряда в этих областях и к уменьшению коэффициента усиления транзистора В. Конструкция мощных транзисторов должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. Например, целесообразно использовать узкие эмиттеры с большим периметром. Параметры интегральных транзисторов типа п-р-п приведены в табл.2. Рассмотрим разновидности интегральных биполярных транзисторов.

Таблица 2

Параметры интегральных транзисторов типа n-p-n

2. Транзисторы с тонкой базой.

Транзисторы с тонкой базой обладают повышенными значениями коэффициента усиления В и необходимы для создания ряда аналоговых ИМС (входные каскады операционных усилителей). У этих транзисторов ширина базы (расстояние между эмиттерными и коллекторными переходами) w = 0,2 – 0,3 мкм, коэффициент усиленияB = 2000 - 5000 при коллекторном токе Iк = 20 мкА и уровне напряжения Uкэ = 0,5 В. Пробивное напряжение коллектор — эмиттер около 1,5 - 2 В.

3. Многоэмиттерные транзисторы (МЭТ).

Конструкция МЭТ, широко используемых в цифровых ИМС транзисторно-транзисторной логики, приведена на рис. 2. Число эмиттеров может быть равным 5 - 8. МЭТ можно рассматривать как совокупность транзисторов с общими базами и коллекторами. При их конструировании необходимо учитывать следующие обстоятельства.

Рис. 2. Конструкция многоэмиттерного транзистора.

Для подавления действия паразитных горизонтальных n+-p-n+- транзисторов расcтояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей заряда в базовом слое. Если структура легирована золотом, то диффузионная длина не превышает 2 - 3 мкм и указанное расстояние достаточно сделать равным 10 - 15 мкм.

Для уменьшения паразитных токов через эмиттеры при инверсном включении МЭТ искусственно увеличивают сопротивление пассивной области базы, удаляя базовый контакт от активной области транзистора, чтобы сопротивление перешейка, соединяющего базовый контакт с базовой областью, составило 200 - 300 Ом.

4. Многоколлекторные транзисторы (МКТ).

МКТ - это практически МЭТ, используемый в инверсном режиме: общим эмиттером является эпитаксиальный слой, а коллекторами – n+-области малых размеров. Такая структура является основой ИМС интегральной инжекционной логики (И2Л). Главной проблемой при конструировании МКТ является обеспечение достаточно высокого коэффициента усиления в расчете на один коллектор, для чего скрытый n+-слой необходимо располагать как можно ближе к базовому слою, а n+-коллекторы - как можно ближе друг к другу.

5. Транзисторы типа p-n-p.

Интегральные транзисторы типа р-п-р существенно уступают транзисторам типа п-р-п по коэффициенту усиления и предельной частоте. Для их изготовления используют стандартную технологию, оптимизированную для формирования транзистора типа п+-р-п. Естественно, что получение транзисторов типа р-п-р с близкими к теоретическим пределам параметрами в этом случае невозможно.

6. Горизонтальные транзисторы типа p-n-p.

В настоящее время эти транзисторы используют в ИМС наиболее часто. Их изготовляют одновременно с транзисторами типа п+-р-п по обычной технологии. Эмиттерный 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 во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей заряда в транзисторе типа р-п-р происходит в горизонтальном направлении. Дырки, инжектированные из боковых частей эмиттера в базу, диффундируют к коллекторной области. Перенос наиболее эффективен в приповерхностной области, так как здесь расстояние w между коллектором и эмиттером минимально и, кроме того, наиболее высокая концентрация примеси в р - слоях. Ширину базы w удается выполнить равной 3 - 4 мкм (мешает боковая диффузия под маску), в результате чего коэффициент усиления оказывается равным 50, а fт = 20 - 40 МГц. Без особого труда получают w = 6 - 12 мкм, но при этом В = 1,5 - 20, а fт = 2 - 5 МГц. Для подавления действия паразитных р-n-р - транзисторов (р -эмиттер, n - эпитаксиальный слой, р – подложка) стремятся уменьшить площадь донной части эмиттера (его делают возможно более узким), используют скрытый n+-слой вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки. На основе горизонтального транзистора легко сформировать многоколлекторный транзистор типа р-n-р (рис. 3).

Рис.3. Конструкция многоколлекторного горизонтального транзистора типа p-n-p.  

Основные недостатки горизонтального транзистора типа р-п-р - сравнительно большая ширина базы и однородность распределения примесей в ней (транзистор является бездрейфовым). Их можно устранить двумя способами. Для этого используют дрейфовую структуру. Два электрода в противоположных концах базы создают в базовом слое электрическое поле, которое уменьшает время переноса инжектированных дырок и создает в эмиттере смещение, снижающее инжекцию из его донной части.

7. Вертикальные транзисторы типа p-n-p.

Можно использовать также вертикальную р-n-р - структуру. Для ее формирования необходимо изменить технологию: проводить более глубокую диффузию для формирования р - слоя и вводить дополнительную операцию диффузии для создания р++ - слоя, причем для получения р++ - слоя требуется акцепторная примесь, у которой предельная растворимость больше, чем у донорной примеси в n+-слое. Фактически перед проведением диффузии акцепторов приходится стравливать наиболее легированную часть n+-слоя, т. е. вводить еще одну дополнительную операцию.

8. Составные транзисторы.

Составные интегральные транзисторы могут быть реализованы на основе двух транзисторов одного или разных типов, расположенных в одной изолированной области. В зависимости от схемы соединений могут быть реализованы составные транзистора, состоящие из двух транзисторов типа п-р-п с общим коллектором или из вертикального транзистора типа п-р-п и горизонтального транзистора типа р-п-р. В принципе возможна реализация составных транзисторов в разных изолированных областях.

Составной транзистор имеет коэффициент усиления, равный произведению коэффициентов усиления составляющих его транзисторов: B = B1B2, однако быстродействие составного транзистора определяется наименее быстродействующим транзистором.

9. Интегральные диоды.

Любой из р-n - переходов планарно-эпитаксиальной структуры может быть использован для формирования диодов, но только переходы база - эмиттер и база - коллектор действительно удобны для схемных применений. Имеется пять возможных вариантов диодного включения интегрального транзистора: а - переход база - эмиттер с коллектором, закороченным на базу; б - переход коллектор - база с эмиттером, закороченным на базу; в - параллельное включение обоих переходов; г - переход база - эмиттер с разомкнутой цепью коллектора; д - переход база - коллектор с разомкнутой цепью эмиттера. Параметры интегральных диодов приведены в табл.3.

Таблица 3

Параметры интегральных диодов

Примечание: для обозначения вариантов диодного включения транзистора приняты следующие сокращения: слева от тире указывают обозначение анода, справа – катода; если две области транзистора соединены, их обозначения пишут слитно.

Из анализа таблицы видно, что варианты включения различаются по электрическим параметрам. Пробивные напряжения Uпр больше для вариантов с коллекторным переходом, обратные токи Iобр - для вариантов только с эмиттерным переходом, имеющим наименьшую площадь. Емкость диода между катодом и анодом Сд для варианта с наибольшей площадью переходов максимальна (Б - ЭК). Паразитная емкость на подложку С0 (считается, что подложка заземлена) минимальна для варианта Б - Э. Время восстановления обратного тока tв, характеризующее время переключения диода из открытого состояния в закрытое, минимально для варианта БК - Э, так как здесь заряд накапливается только в базе.

Оптимальными для ИМС вариантами включения являются БК - Э и Б - Э, причем чаще используется БК - Э. Пробивные напряжения (7 - 8 В) достаточны для использования этих вариантов в низковольтных ИМС.

10. Интегральные резисторы.

Резисторы ИМС формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ионного легирования.

Рассмотрим разновидности интегральных резисторов.

11. Диффузионные резисторы.

Диффузионные резисторы (ДР) изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной областью. Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением ρs. Значение ρs является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). При создании ИМС параметры диффузионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших характеристик транзисторов типа n-p-n, поэтому параметры ДР улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора. Низкоомные (десятки ом) резисторы имеют малое отношение l/b. Форму и размеры контактов к ним выбирают такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением от сотен ом до единиц килоом имеют однополосковую конструкцию. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ширине резистора. Более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму меандра (змейки) или изготовляются в донной части базовой области (пинч-резисторы). Длина однополоскового диффузионного резистора не может превышать размеров активной области кристалла (1 – 0,5 мм), ширина ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2,5 - 3 мкм), и боковой диффузией (уход примеси под окисел равен примерно глубине диффузионного р-n-перехода). Типичные значения сопротивления диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении ρs, лежат в диапазоне 4 ρs < R < 104 ρs. Нижний предел ограничивается сопротивлениями приконтактных областей, верхний – допустимой площадыо, отводимой под резистор.

Максимальное сопротивление ДР на основе базовой области приблизительно равно 60 кОм, если площадь, отведенная под резистор, не очень велика (не более 15% от площади кристалла). Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно составляет 15 - 20% и зависит от ширины резистора (табл. 4).

Таблица 4

Точность изготовления диффузионных резисторов на основе базовой области и отношения их сопротивлений

Отклонения от номиналов сопротивлений резисторов, расположенных на одном кристалле, за счет неточностей технологии имеют один и тот же знак, поэтому отношение сопротивлений сохраняется с высокой точностью (табл. 4). Аналогично, температурный коэффициент отношения сопротивлений мал по сравнению с ТКR для отдельного резистора [(1,5—3)·10-4 1/°С]. Эту особенность диффузионных резисторов учитывают при разработке полупроводниковых ИМС.

На основе эмиттерной области формируются резисторы небольших номиналов [3—100 Ом с TKR = (1 - 2)·10-4 1/°С], поскольку значение ρs эмиттерного слоя невелико (см. табл. 1).

12. Пинч-резисторы.

При необходимости создания в ИМС резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-резисторы (синонимы: канальные, сжатые, закрытые резисторы). Их формируют на основе донной, слаболегированной базовой области, имеющей большее сопротивление и меньшую площадь сечения. Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200 - 300 кОм при простейшей полосковой конфигурации, ρs =2 - 5 кОм/ڤ. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части р - слоя, большого ТКR = (3 - 5) · 10-3 1/°С вследствие меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора п+- и р - слои закорочены металлизацией и соединены с выводом резистора, 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 равно 5 - 7 В (эмиттерный пepеход, см. табл. 2). 

13. Эпитаксиальные резисторы.

Из трех областей транзистора коллекторная область имеет наименьшую концентрацию легирующей примеси и максимальное значение ρs (500 -5000 Ом/ڤ). Поскольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора (ЭР) постоянна по всему его сечению в отличие от ДР. У ЭР поперечное сечение по форме существенно отличается от сечений ДР, ибо эпитаксиальный резистор формируется разделительной диффузией. Так как эта диффузия самая продолжительная и точная регулировка размеров диффузионных областей, особенно величины боковой диффузии, затруднена, разброс номиналов сопротивления ЭР значителен. Казалось бы, что большие значения ρs позволяют экономить площадь кристалла при формировании ЭР больших номиналов, однако значительная площадь области разделительной диффузии сводит на нет это преимущество. Эпитаксиальные резисторы имеют высокое напряжение пробоя (> 100 В) и большой TKR, поскольку коллекторная область легирована слабо.

14. Эпитаксиальные пинч-резисторы.

Конструкции этих резисторов отличаются от обычного ЭР тем, что их поперечное сечение уменьшено сверху на глубину базового слоя, что и предопределяет большие, чем у ЭР, значения ρs (ρs = 4 - 8 кОм/ڤ) и номиналы сопротивления при одной и той же площади. Пробивное напряжение этих резисторов определяется пробивным напряжением Uкб (см. табл. 2), TKR = 4·10-3 1/°C.

15. Ионно-легированные резисторы.

Структура этих резисторов такая же, как и у ДР, но глубина ионно-легированных слоев, в которых сформировано тело резистора, составляет лишь 0,1 - 0,3 мкм. Ионная имплантация может обеспечить малую концентрацию легирующей примеси в слое. При соответствующем выборе дозы легирования и параметров отжига (10 – 20 мин при 500 - 600°С) можно получить ρs = 0,5 - 20 кОм/ڤ. Могут быть достигнуты номиналы сопротивлений в сотни килоом со сравнительно низким ТКR и допуском ±10%. Ширина и толщина ионно-легированных резисторов с большими номиналами сопротивлений очень малы, что усложняет получение качественного омического контакта. Для формирования надежных контактов используют диффузионные р - или n - облаети, которые создают на стадии базовой или эмиттерной диффузии.

16. Характеристики интегральных резисторов.

Типичные характеристики интегральных резисторов приведены в табл. 5.

Таблица 5

Характеристики интегральных резисторов

17. Тонкопленочные резисторы.

В совмещенных ИМС (в одной конструкции совмещены элементы, изготовляемые по полупроводниковой и пленочной технологии) поверх слоя защитного диэлектрика могут быть сформированы тонкопленочные резисторы. По сравнению с полупроводниковыми резисторами они обладают следующими преимуществами: имеют более высокие значения ρs, меньшие значения паразитных параметров, более высокую точность изготовления, низкий ТКR. Основной их недостаток - необходимость введения дополнительных операций в технологический маршрут изготовления ИМС и дополнительных мер защиты от внешних воздействий. Наиболее часто используемые материалы для тонкопленочных резисторов - нихром и тантал (табл. 6), наиболее распространенная форма - полосковая. Тонкопленочные резисторы располагают на гладкой поверхности защитного диэлектрика (обычно стекло или SiO2), не содержащей ступенек.

Таблица 6

Характеристнки тонкопленочных резисторов совмещенных ИМС

18. Интегральные конденсаторы.

В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлектрика могут выполнять обедненные слои обратно смещенных р-n-переходов или пленка окисла кремния, роль обкладок - легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки. Характеристики конденсаторов полупроводниковых ИМС невысоки. Кроме того, для получения сравнительно больших емкостей необходима значительная площадь схемы. Поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой ИМС стремятся избегать применения конденсаторов.

19. Диффузионные конденсаторы.

В ИМС для формирования диффузионных конденсаторов (ДК) может быть использован любой из р-n-переходов: коллектор - подложка (C1), база - коллектор (С2), эмиттер - база (С3), переход р - области изолирующей диффузии и скрытого n+-слоя (С4). Варианты C1 и С4 не могут быть реализованы в ИМС с диэлектрической изоляцией.