Физическая микроэлектроника (стр. 6 )

а

б

Рис. 8.1. Зонная энергетическая структура полупроводников

n-типа и p-типа без контакта (а), и в условиях равновесного

контакта (б), а также распределение концентрации основных

и неосновных носителей зарядов

8.1.1. p–n-переход под внешним потенциалом;

интегральные диоды

Приложенное к p–n-переходу внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и соотношения между диффузионным и дрейфовым токами (рис. 8.2).

При прямом смещении, когда вектор напряженности внешнего поля противоположен направлению внутреннего, потенциальный

Рис. 8.2. Зонная энергетическая структура p–n-перехода под внешним потенциалом

барьер понижается и диффузионный ток через p–n-переход становится больше дрейфового. Через p–n-переход будут проходить в основном диффузионные токи, обусловленные движением электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область. Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей заряда; p–n-переход считается открытым.

При обратном смещении, когда к n области подключается положительный потенциал, а к p-области отрицательный, потенциальный барьер повышается, дрейфовые токи неосновных носителей увеличиваются, и ток через p–n-переход будет обусловлен переносом неосновных носителей зарядов: электронов из p-области и дырок из n-области. Этот процесс называется экстракцией неосновных носителей зарядов. Изложенное иллюстрируется рис. 8.2.

8.1.2. Интегральные диоды

На основе изолированных p–n-переходов изготавливают дискретные полупроводниковые диоды. Что касается интегральных диодов, то их базисом служат биполярные транзисторы, изготовленные по планарной технологии путем короткого замыкания любых двух электродов: эмиттера, базы или коллектора соответственно. На рис. 8.3 представлены различные варианты интегральных диодов.

Рис. 8.3. Условные обозначения интегральных диодов

Приведенные схемы интегральных диодов свидетельствуют о том, что интегральная микроэлектроника располагает гораздо большими возможностями по сравнению с дискретной. Каждая из приведенных схем интегральных диодов обладает индивидуальными параметрами барьерных емкостей, вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик.

Структурная схема интегрального диода типа БК-Э представлена на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Поперечное сечение планарной структуры

интегрального диода на базе биполярного транзистора

8.2. Физический принцип функционирования биполярного транзистора в интегральном исполнении; контакт типа n–p–n

Биполярный транзистор является базовым элементом современных ИС. На его основе изготавливают интегральные диоды и другие элементы. Биполярные транзисторы бывают двух типов: n–p–n и p–n–p. Лучшими параметрами обладают структуры n–p–n, так как подвижность электронов выше, чем дырок, а эффективная масса меньше. Условные обозначения интегральных биполярных транзисторов представлены на рис. 8.5.

p–n–p n–p–n

Рис. 8.5. Условные обозначения интегральных

биполярных транзисторов

Поперечное сечение интегрального биполярного транзистора n–p–n типа, изготовленного по планарной технологии, а также прототип дискретного сплавного транзистора представлены на рис. 8.6.

Принцип работы биполярного транзистора как планарного, так и дискретного сплавного, основан на изменении сопротивления обратно смещенного p–n-перехода путем инжекции неосновных носителей в базу. Для этого переход эмиттер-база включается в прямом направлении, а база-коллектор в обратном.

а б

Рис. 8.6. Поперечное сечение биполярного транзистора планарного типа (а) и дискретного сплавного (б)

Сопротивление обратно смещенного p–n-перехода очень велико и составляет мегомы, но только для основных носителей заряда, тогда как неосновные носители «скатываются» с потенциального барьера, практически не встречая сопротивления. Поэтому при помощи инжекции носителей заряда можно увеличить ток в обратно смещенном p–n-переходе и тем самым снизить его сопротивление. Источником инжекции могут быть: p–n-переход, включенный в прямом направлении, инверсный слой и другие источники, выполняющие роль эмиттера. Перенос зарядов может осуществляться путем диффузии, дрейфа, туннелирования и др.

Инжектированные в нашем случае эмиттером электроны практически без потерь проходят через тонкий слой базы, т. к. ее толщина сравнима с диффузионной длиной электрона, и попадают в коллекторную область, где ускоряются электрическим полем, создаваемым потенциалом коллектора.

Идея модуляции тока в обратно смещенном p–n-переходе с помощью изменения напряжения в прямо смещенном эмиттерном переходе является физической основой работы биполярного транзистора. Это одна из самых важных идей во всей истории развития полупроводниковых приборов. Ее авторы Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн за это открытие удостоены Нобелевской премии по физике.

На рис. 8.7 приведены зонные энергетические структуры биполярного транзистора n–p–n-типа как в равновесном, так и под внешним электрическим полем.

Рис. 8.7. Энергетическая зонная структура

биполярного транзистора n–p–n-типа

Структуру биполярного транзистора можно рассматривать в виде совмещенных двух p–n-переходов, один из которых ЭБ включен в прямом, а второй БК в обратном направлении. Подробный анализ работы биполярного транзистора можно найти в литературе.

8.3. Физический принцип функционирования полевого транзистора планарного типа

Название полевого транзистора позаимствовано из английского FET (Field Effected Transistors). В русском варианте МДП (металл–диэлектрик–полупроводник) или МОП (металл–окисел–полупроводник).

Физический принцип работы полевого транзистора основан на дрейфовом движении основных носителей зарядов вдоль канала под действием приложенного электрического поля: электронов в приборах с каналом n-типа и дырок в приборах с каналом p-типа. В отличие от биполярных транзисторов, где в переносе зарядов одновременно участвуют как электроны, так и дырки, полевые транзисторы являются монополярными. Вторым важным отличием полевого транзистора является то, что он управляется электрическим полем. Приложенное к структуре напряжение не вызывает в ней сквозного тока, чему препятствует диэлектрик, а лишь приводит к появлению электрического поля и поверхностного заряда на границе между диэлектриком и полупроводником, что создает своеобразный «эффект поля», под действием которого в приповерхностной области полупроводника под затвором между истоком и стоком инверсный канал. Этим обусловлено название полевого транзистора.

На базе полевых транзисторов создан целый класс различных интегральных схем, в частности, запоминающие устройства, работающие на основе накопления зарядов малыми внутренними емкостями, а также интегральные конденсаторы большой емкости и др. Интегральные схемы на базе полевых транзисторов более экономичны, так как технология их изготовления требует меньшего числа технологических операций по сравнению с биполярными ИС, входное сопротивление их очень велико.

Существуют три группы полевых транзисторов n-типа и p-типа соответственно: МОП с индуцированным и со встроенным каналом и с управляющим p–n-переходом. Их структура в интегральном исполнении и условные обозначения представлены на рис. 8.8.

Рассмотрим принцип работы наиболее распространенного интегрального полевого транзистора с индуцированным каналом на базе структуры МОП (алюминий–диоксид кремния–полупроводник p-типа), структура и энергетическая зонная модель которого приведены на рис 8.9.

В его структуре использована подложка из монокристаллического кремния p-типа, легированного бором с концентрацией 1015 см–3. На поверхности подложки методом высокотемпературного оксидирования создан диэлектрический слой SiO2, толщиной 40 – 100 нм. Поверхность оксида покрыта слоем алюминия толщиной 1 мкм, играющего роль затвора. По обе стороны затвора созданы омические контакты истока и стока с полупроводником.

1

2

3

4

5

6

Рис. 8.8. Структура и обозначения интегральных полевых транзисторов:

1, 2 – с индуцированным каналом; 3, 4 – со встроенным каналом;

5, 6 – с управляющим p–n-переходом n-типа и p-типа соответственно

Рис. 8.9. Структура и энергетическая зонная модель интегрального полевого транзистора

Напряжение, приложенное между затвором и подложкой, на принципе «эффекта поля» в зависимости от полярности и величины может создавать в приповерхностном слое режим обогащения при V < O, обеднения при V > O и инверсии при V >> O. В последнем случае между истоком и стоком формируется сплошной токопроводящий n-канал. Эти режимы, включая равновесное состояние, иллюстрируются на рис. 8.9.

Приведенные зонные диаграммы полевого транзистора составлены в предположении, что диэлектрик не содержит зарядов, а алюминий и кремний имеют одинаковую работу выхода, поэтому их уровни Ферми совпадают. Причины искривления энергетических зон в приповерхностном слое полупроводника обусловлены эффектом поля. Отметим, что инверсный токопроводящий канал образуется при условии, когда к затвору прикладывается знак потенциала идентичный типу проводимости подложки, а его величина должна быть выше пороговой и обеспечивать режим инверсии.

Принцип работы полевого транзистора со встроенным каналом и изолированным затвором базируется на явлении обеднения концентрации носителей заряда в токопроводящем канале под действием потенциала затвора.

Работа полевого транзистора с управляющим p–n-переходом базируется на управлении дрейфовым движением электронов или дырок в канале обратно смещенного p–n-перехода.

В общем случае параметры интегрального полевого транзистора определяются подвижностью носителей зарядов в канале, его длиной и другими характеристиками.

8.4. Пассивные элементы микроэлектроники

В микроэлектронике, как и в дискретной электронике, значительное место занимают пассивные элементы: интегральные резисторы и интегральные конденсаторы. Что касается индуктивности, то, учитывая специфику планарной технологии и микронные размеры элементов, эти элементы используются только в гибридных интегральных схемах. Несмотря на функциональную схожесть дискретных и интегральных пассивных элементов, технология их производства существенно различна.

8.4.1. Интегральные полупроводниковые резисторы

В современной микроэлектронике наибольшее распространение получили так называемые диффузионные полупроводниковые резисторы, изготовляемые методом диффузионной технологии одновременно с формированием базовой области биполярных транзисторов. Сопротивление диффузионного резистора равно:

R = rvl / Ldd, (8.2)

где rv – удельное сопротивление диффузионного слоя, Ld– глубина диффузии, l – длина диффузионного слоя, d – ширина диффузионного слоя.

Если ввести понятие удельного сопротивления слоя («сопротивление на квадрат»), то

R = rsl / d. (8.3)

Структура интегрального полупроводникового резистора представлена на рис. 8.10.

Рис. 8.10. Структура интегрального полупроводникового резистора

Диффузионные резисторы могут быть изготовлены на основе любой из структурных элементов биполярного транзистора, МОП структур, а также путем локального легирования области полупроводника.

В гибридных интегральных схемах резисторы изготовляются, как правило, в процессе металлизации.

8.4.2. Интегральные полупроводниковые конденсаторы

В микросхемах формируются, в основном, два типа конденсаторов: на основе p–n-переходов (диффузионные) и окисные со структурой МДП. Диффузионные конденсаторы основаны на использовании барьерной емкости обратно смещенного p–n-перехода. В качестве диэлектрика выступает область объемного заряда p–n-перехода толщиной dn, которая зависит от концентрации носителей заряда, высоты потенциального барьера и приложенного напряжения:

dn – [ 2eeо(Епо + eV / noe)]1 / 2, (8.4)

где dn имеет смысл глубины проникновения контактного поля в полупроводнике.

Поскольку интегральная емкость через dn зависит от приложенного внешнего потенциала V, то она приобретает смысл варикапа. При планарной технологии интегральные емкости изготавливаются одновременно с другими компонентами и не требуют дополнительных операций. Структура интегрального конденсатора на базе МОП структуры представлена на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Структура интегрального конденсатора

Обкладками конденсатора являются затворная часть металлизации и n-канал, а диэлектриком служит диоксид кремния.

Таблица 8.1

Параметры диффузионных и МОП конденсаторов

8.4.3. Паразитные элементы в микроэлектронных структурах

Свойственная современной микроэлектронике тенденция миниатюризации, то есть уменьшение линейных размеров элементов интегральных схем и увеличение плотности упаковки, привели к появлению негативных явлений в виде «паразитных» активных и пассивных элементов. Так, в биполярном транзисторе планарного типа появляется дополнительный транзистор противоположной полярности (изображен пунктиром на рис. 8.12). Обычно его коэффициент усиления небольшой, тем не менее его присутствие не может не сказаться на работе интегральной схемы.

Рис. 8.12. Основной (n+–p–n+) и паразитный (p–n–p) транзисторы

в интегральной структуре биполярного транзистора

Аналогичные явления можно усмотреть и в схеме планарного МОП транзистора, где исток и сток шунтируются паразитным транзистором, а к затвору присоединена большая паразитная емкость, изображенная на рис. 8.11. Даже простой полупроводниковый резистор, изготовленный на базовой области биполярного транзистора, обрастает незапланированными элементами (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Полупроводниковый резистор с паразитными резистивными

и емкостными элементами

Число паразитных элементов можно уменьшить путем частичного их использования в комбинированных схемах, например, полупроводникового резистора, интегрального диода и барьерной емкости на базе биполярного транзистора, как это показано на рис. 8.14.

Рис. 8.14. Полупроводниковый интегральный резистор, интегральный диод и барьерная емкость на базе биполярного транзистора n–p–n-типа,

а также сопутствующие паразитные элементы

Такого рода решение проблемы паразитных элементов является несомненно весьма сложной схемотехнической задачей, требующей не только сложных схемных решений, но и высокоточного технологического обеспечения, позволяющего с высокой степенью воспроизводить параметры всех элементов интегральных микросхем.

9. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

9.1. Классификация технологических процессов

Современная микроэлектроника базируется на интеграции схемотехнических, конструкторских и технологических решений при создании основных изделий микроэлектроники – интегральных микросхем. При этом следует отметить, что качество этих изделий в основном определяется уровнем технологических процессов.

В основу технологии микроэлектроники положен интегрально-групповой принцип, предусматривающий одновременное формирование большого числа элементов в неразделенном состоянии на общей подложке, где каждый элемент создается как интегральный результат обработки участков исходного материала и придания ему свойств в соответствии с функциональным назначением интегральной схемы.

Таким образом, отличительной особенностью современной технологии микроэлектроники является:

· планарное размещение элементов при одноуровневой или многоуровневой интеграции (отсюда название «планарная технология»);

· групповой метод изготовления однотипных элементов и интегральных схем;

· схемотехническая интеграция, т. е. одновременное изготовление активных и пассивных элементов и соединений между ними.

Достоинством такой технологии является высокая степень интеграции (плотности элементов), одинаковость параметров однотипных элементов, быстродействие, обусловленное субмикронными размерами элементов, надежность функционирования и, наконец, относительно низкая стоимость изделий в целом.

Весь технологический цикл изготовления интегральных схем среднего уровня интеграции содержит более сотни отдельных процессов, включающих механическую, физическую и химическую обработку полупроводниковых и других материалов, проводимых в жидких и газообразных средах при различных внешних условиях. Поэтому классификация этих процессов весьма затруднительна.

Наиболее простым способом представляется подробный перечень отдельных операций в их логической последовательности, именуемый на производстве технологическим маршрутом.

Если ограничиться технологией полупроводниковой микроэлектроники, то весь технологический цикл включает четыре последовательных этапа:

· проектирование, т. е. создание принципиальной и технологической схем; этот этап обычно выполняется конструкторским бюро с использованием типовых компьютерных программ отдельных операций;

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12