ИМС на биполярной транзисторной структуре

Боль­шинство биполярных транзисторов изготовляют по планарной технологии со структурой n-p-n⁺-типа, хотя в некото­рых случаях используют и транзисторы n-p-n-типа. Тран­зисторы n-p-n⁺-типа (коллектор — база — эмиттер) име­ют улучшенные электрические характеристики по срав­нению с транзисторами р-n-р-типа, что обусловлено рядом физических и технологических факторов.

Транзисторы классифицируют по способу изоляции и технологии изготовления (характеру примесного распреде­ления), как это принято в классификации структур полу­проводниковых ИМС. По способу изоляции различают структуры, изолированные р-n-переходом, диэлектрическим слоем и их комбинацией. По технологии изготовления не­зависимо от способа изоляции транзисторы подразделяют­ся на планарно-диффузионные, планарно-эпитаксиальные и изопланарные.

Планарно-эпитаксиальные транзисторы. Наиболее эко­номичной при массовом производстве ИМС является планарно-эпитаксиальная технология с изоляцией элементов р-n-переходом. Поэтому планарно-эпитаксиальные тран­зисторы являются наиболее распространенными для по­строения различных микросхем. Кроме того, транзисторы, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии, обладают улучшенными параметрами и характеристиками по сравнению с планарно-диффузионными. Следует отме­тить, что планарно-эпитаксиальная технология помимо основных видов с изоляцией элементов p-n-переходом и диэлектриком имеет несколько модификаций; среди них наиболее перспективными считаются изопланарный про­цесс и технологический процесс, в котором изоляция эле­ментов осуществляется при диффузии коллектора.

Планарно-диффузионные транзисторы с изоляцией р-n-переходом (рис. 3.7, а) изготовляют путем последователь­ного проведения локальной диффузии легирующих примесей для формирования коллекторной, базовой и эмиттерной областей (тройная диффузия) в пластину р-типа. Изолирующий р-n-переход создается в процессе формирования коллекторной диффузионной области. Особенностью планарно-диффузионных транзисторов является неравно­мерное распределение концентрации примеси в коллектор­ной области (рис. 3.8, а), а следовательно, неравномерное сопротивление тела коллектора, достигающее больших значений. Это проявляется в низком пробивном напряже­нии перехода коллектор — подложка и сильном влиянии подложки на электрические параметры данных транзисто­ров, что ограничивает их применение.

Планарно-эпитаксиальные транзисторы (рис. 3.7, б) изготовляют методом двойной диффузии. При этом базовая и эмиттерная области формируются локальной диффузией примесей в эпитаксиальный n-слой, предварительно выра­щенный на пластине кремния р-типа и являющийся кол­лектором, а изоляция р-n-переходом осуществляется ло­кальной разделительной диффузией на всю глубину эпитаксиального слоя, по всему периметру транзистора перед фор­мированием базовой и эмиттерной областей. Такие транзис­торы имеют равномерное распределение примеси в коллек­торе (рис. 3.8, б).

Для уменьшения сопротивления тела коллектора и степени влияния подложки в планарно-эпитаксиальных транзисторах создают скрытый n+-слой в коллекторе (рис. 3.7, в). Его получают дополнительной локальной диф­фузией донорной примеси, которая предшествует эпитаксиальному наращиванию. Наличие скрытого слоя связа­но с неравномерным распределением примесей в коллекторе (рис. 3.8, в), что приводит к образованию внутреннего ста­тического электрического поля. Это поле тормозит движе­ние неосновных носителей заряда (дырок), инжектирован­ных из базы в коллектор в режиме насыщения. При наличии скрытого слоя избыточные неосновные носители заряда в ре­жиме насыщения накапливаются в относительно высокоомной области коллектора, прилегающего к переходу кол­лектор — база. При этом подложка слабо влияет на распре­деление неосновных носителей в коллекторе, а следователь­но, на параметры транзистора.

Планарно-эпитаксиальные транзисторы с диэлектри­ческой изоляцией (рис. 3.7, г) изготовляют путем локальной диффузии для формирования базовой и эмиттерной областей в специальные «карманы» — локализованные однородно легированные n-области, предварительно изолированные друг от друга и поликристаллической подложки слоем диэ­лектрика, чаще всего — окислом кремния. Распределение примесей в таких транзисторах аналогично распределению у планарно-эпитаксиальных транзисторов с изоляцией р-n-переходом. Однако для данной структуры характерны малые потери в изоляции, минимальные значения удельно­го сопротивления коллекторной области, повышенные час­тотные свойства.

В транзисторах, изготовленных по технологии изоли­рующей диффузии коллектора, изолирующий р-n-переход создается глубокой диффузией примеси n-типа сквозь тон­кий эпитаксиальный р-слой до смыкания со скрытым n⁺-слоем. Образовавшаяся замкнутая n-область является коллектором, а расположенная внутри нее р-область — базой транзистора, эмиттер создается локальной диффузией при­меси n-типа в базовую область (рис. 3.7, д). Особенностью таких транзисторов является низкое удельное сопротивле­ние коллекторной области, повышенный коэффициент уси­ления в инверсном режиме и пониженное напряжение про­боя коллекторного перехода.

В транзисторах, изготовленных по изопланарной тех­нологии, изоляция достигается глубоким окислением эпи­таксиального слоя кремния n-типа до смыкания окисла со скрытым слоем n⁺-типа. Часть эпитаксиального слоя, пред­варительно защищенная нитридом Si₃N₄, не подвергается окислению и служит коллекторной областью, в которой последовательной локальной диффузией формируются р-базовая и эмиттерная n⁺-области (рис. 3.7, е). В резуль­тате создаются планарно-эпитаксиальные транзисторы с комбинированной изоляцией: окислом и р-n-переходом.

Независимо от способа изготовления и изоляции для планарно-эпитаксиальных транзисторов специфичным яв­ляется неравномерное распределение примесей в базовых и эмиттерных областях, характер которого определяет ос­новные параметры и свойства транзисторов. После формиро­вания структуры транзистора распределение диффундирующей примеси в каждой структурной области имеет вид, показанный на рис. 3.8. При этом распределение примеси в базовой области подчиняется функции Гаусса, а в эмиттерной оно близко к функции erfc. Однако на основные па­раметры транзистора определяющее влияние оказывает характер результирующего примесного распределения, оп­ределяемого как

где — концентрация донорной при­меси; — концентрация акцепторной при­меси.

В точках эмиттерного х_э и коллекторного х_к металлур­гических переходов результирующая концентрация приме­сей равна нулю:

Такое неравномерное распределение результирующей примеси приводит к возникновению в транзисторной струк­туре внутренних статических электрических полей, напря­женность которых определяют решением уравнения плот­ности токов для каждой структурной области.

Поиск по сайту: