книги / Применение аналоговых микросхем
..pdf100 мкм и обеспечивается возможность получения полевых тран зисторов с изолированным затвором и каналами р- и п-типа. Рабочий диапазон частот АИС, изготовленных по этой техноло гии, достигает 500 МГц. При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором и каналом п-типа используются два диэлектрических слоя между металлическим затвором и полу проводником: слой двуокиси кремния толщиной приблизительно 50 мкм и слой нитрида кремния толщиной 10...20 мкм. Эти структуры по сравнению с основными имеют более низкое поро говое напряжение транзистора.
Структуры, изготовленные по КМОП-технологии на полевых транзисторах с каналами п- и p-типа, дают возможность полу чать сравнительно быстродействующие ИС с малой потребляе мой мощностью.
1.2.2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБРИДНЫХ МИКРОСХЕМ
Описанные выше технологические процессы получения толс тых и тонких пленок дают возможность реализовать только пас сивные элементы ИС и межсоединения. Когда же на изолирую щей подложке дополнительно размещаются активные элементы либо полупроводниковые ИС, то получаются гибридные ИС, раз новидности технологии производства которых описаны ниже.
Технологию производства тонкопленочных гибридных ИС можно разделить на два основных этапа. На первом этапе изго тавливают пассивные элементы и их соединения, а на втором производят подсоединение активных элементов и ИС к общей схеме. Соответствующие схемы соединений или пассивные эле менты (например, резисторы) образуются применением процес сов фотолитографии. Процесс лроизводства пассивных элементов начинается с нанесения резистивного слоя, затем проводящего слоя и, наконец, фоторезиста. Далее с помощью маски и после дующего экспонирования на фоторезисте образуется схема меж соединений, включая площадки для последующего соединения транзисторов (рис. 1.6,а). Свободные от фоторезиста области алюминия удаляются в процессе последующего травления, обра зуется нужная фигура соединений, после чего удаляется фоторе зист. Таким образом созданы контактные площадки для пока еще не изготовленного резистора (рис. 1.6,6). Далее снова наносится фоторезист и с помощью второго шаблона на нем образуется фи гура поверхности резистора (рис. 1.6,в). После этого протравли ванием образуется поверхность слоя резистора (рис. 1.6,г) и за тем удаляется фоторезист. При этом необходимо обеспечить, чтобы травящее вещество, действующее на слой межсоединений, не влияло на резистивный слой и наоборот. Для создания резисторов используют хром, нихром, тантал и др. Эти материалы
3 1 1 3
Z)
*)
Рис. 1.6. Последовательность изготовления тонкопленочного резистора:
/ — резистивный слой; 2 — проводящий слой; 5 — слой фоторезиста
дают возможность получить удельные сопротивления резисторов от 20 Ом до 20 кОм. Аналогичным образом можно создавать мно гослойные структуры, необходимые для образования конденсато ров. Однако чаще в гибридных ИС используются специальные дискретные конденсаторы.
В качестве материалов для тонкопленочных межсоединений применяют медь и золото толщиной 0,5 ... 1 мкм. Размеры кон тактных площадок обычно 200... 250 мкм. Подложки для гиб ридной ИС изготавливают из кристаллических материалов и окси дированных металлов. Их толщина достигает нескольких милли метров. Гибридные ИС небольших размеров изготавливают партиями на подложке большого размера. После изготовления пассивных элементов и межсоединений подложку разрезают и получают отдельные ИС, на которые затем устанавливают ак тивные элементы. Монтаж активного элемента заключается в закреплении на подложке и последующем соединении его выво дов с контактными площадками. В большинстве случаев соеди нения осуществляют с помощью золотой проволоки, пайку кото рой производят термокомпрессией, контактной или ультразвуко вой сваркой. При использовании кристаллов с шариковыми вы-
12
водами реализуется метод так называемого обратного монтажа. Компоненты с жесткими выводами прикрепляют к пластине, припаивая либо приваривая выводы к контактным площадкам. При упругих выводах прикрепляют элементы с помощью эпок сидных клеев или эвтектических сплавов.
Взаключение отметим, что тонкопленочные гибридные ИС применяют обычно в сложных аналоговых системах, где требует ся особенно высокая точность резисторов и конденсаторов и боль шая плотность упаковки элементов, чем позволяют достичь толстоплеиочные гибридные ИС.
Втолстоплеиочных гибридных ИС пассивные элементы и их межсоединения реализуются методом шелкографии, т. е. нанесе нием разных паст через сетку. Технология их производства имеет следующие этапы: нанесение пасты через сетку; отжиг пасты сначала при температуре 300... 400°С с последующим ее увели чением до 500... 700 °С.
Применяемые пасты на основе стекла и керамики для прово дящих соединений содержат примеси серебра или золота, для резисторов смесь содержит серебро и палладий, а для диэлект
риков— титанат бора с высокой диэлектрической постоянной. Изменяя процентное соотношение этих материалов в пасте, мож но достичь изменение электрических характеристик пленок в ши роком диапазоне.
Подложки толстоплеиочных ИС должны быть особенно стой кими к изменениям температуры, так как эти ИС часто применя ют для изделий с высокой рассеиваемой мощностью. Предпочте ние обычно отдается керамике на основе бериллия, обладающей хорошей теплопроводностью. Толстопленочные ИС имеют по срав нению с тонкопленочными следующие преимущества: дешевизна при мелкосерийном производстве, большая механическая проч ность, температурная стойкость, устойчивость к коррозии. Однако они не дают возможность реализовать схемы с точными парамет рами элементов, так как этой технологии свойственны разбросы значений параметров 20 ... 30%.
1.3. АКТИВНЫЕ И ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ
В понятие элементов полупроводниковых АИС включают отдельные функциональные ячейки кристалла. В отли чие от дискретных элементов полупроводниковой АИС элементы взаимосвязаны и неразрывно связаны с подложкой, вследствие чего их нельзя рассматривать отдельно друг от друга. При про изводстве отдельные элементы полупроводниковой ИС изготав ливают в едином технологическом цикле. Поэтому диапазон их
13
параметров по сравнению с дискретными элементами более узок. Например, резисторы изготавливают одновременно с областями базы транзисторов, с которыми они тождественны с точки зрения электрических параметров и отличаются только шириной и дли ной области.
В процессе совершенствования полупроводниковых ИС впер вые были созданы многоэмиттерные и многоколлекторные тран зисторы, которые не имеют аналогов в классической электронике, однако в таких микросхемах нельзя реализовать катушки индук тивности и трансформаторы. Основным элементом биполярных ИС является п-р-п транзистор. Потому в рамках его технологи ческого цикла изготовления создаются другие -элементы — диоды, резисторы и р-я-р транзисторы — с целью минимизации коли чества технологических операций. В рамках этого же технологи ческого цикла создаются полевые транзисторы с каналом я-типа.
1.3.1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Топология симметричного и несимметричного я-р-я транзисто ров показана на рис. 1.7. В несимметричной топологии ток кол лектора поступает к эмиттеру в одном направлении, а у симмет ричного в трех направлениях. Поэтому у транзистора этого типа сопротивление коллекторного слоя гк в 3 раза меньше, чем у несимметричного (табл. 1.1).
На рис. 1.8,а показана упрощенная структура я-р-я транзис тора, где кроме эмиттерного и коллекторного переходов образу ется паразитный переход между коллектором (слой я) и подлож кой с проводимостью p-типа. Подложка соединяется с самым низким потенциалом схемы. Поэтому действие паразитного обратносмещенного перехода в принципиальной схеме можно пред ставить емкостью перехода Скп, которая вместе с сопротивлением коллекторного слоя гк образует гкСКп-цепь, действующую в цепи коллектора (рис. 1.8,6). Эта цепь подключена к коллектору и определяет передаточную характеристику транзистора в области высоких частот. Специальным типом я-р-я транзистора является
транзистор с большим |
коэффициентом |
усиления |
по току й21э = |
Т а б л и ц а 1.1. |
Типовые параметры п-р-п транзисторов |
||
Параметр |
Значение |
Разброс. % |
|
Коэффициент усиления по току Л21Э |
100.,,.200 |
± 30 |
|
Граничная частота fTt |
МГц |
200.,,.500 |
+20 |
Емкость коллектора Ск, пФ |
0 ,3 ....0,5 |
± 10 |
|
Напряжение пробоя £/КБ, В |
40. ..50 |
± 30 |
|
Напряжение пробоя £/ЭБ, В |
7.,..8 |
± 5 |
|
Рис. 1.8. Структура п-р-п транзистора:
а — разрез слоев с паразитными элементами; б — упрощенная эквивалентная схема
= 3000... 5000. Такое усиление достигается при сверхмалой ши рине базы (в пределах 0,2... 0,3 мкм) с помощью применения специальной технологии.
Биполярные р-п-р транзисторы обладают по сравнению с п-р-п транзисторами худшими характеристиками на высоких час тотах (граничная частота /т в 2 раза ниже) из-за вдвое меньшей подвижности дырок по сравнению с электроном.
В настоящее время наибольшее распространение получил го ризонтальный р-п-р транзистор (рис. 1.9), изготавливаемый в едином технологическом цикле с р-р-п транзистором. Ширина базы достигает 3...4 мкм, граничная частота обычно не превы шает 10 МГц, а коэффициент усиления по току А21э^50. Тран зистор симметричен по топологии областей эмиттера и коллекто ра, так же как п-р-п транзистор, позволяет строить многоколлек-
К Э К Б
Рис. 1.9. Топология и структура гори зонтального р-п-р транзистора
Рис. 1.10. Структура вертикального р-п-р транзистора
торные и многоэмиттерные струк туры. Основные недостатки этого типа (р-п-р) транзистора обус ловлены большой шириной базы, вследствие чего ограничены его возможности в области высоких частот. Этот недостаток частич но устранен в вертикальном р-п-р транзисторе, структура ко торого показана на рис. 1.10. Технология его производства сложнее из-за внедрения допол нительных операций. На рис. 1.10 показаны две такие операции: глубинная диффузия для созда ния p-слоя и финишная диффу зия р++-слоя, которая особенно трудна в техническом отношении.
Рис. 1.11. Структура р-п-р и п-р-п транзисторов, реализованных на под ложке из сапфира
Большие возможности для получения более качественных р-п-р транзисторов предоставляет технология с использованием кремния на сапфире (рис. 1.11). В этом случае р-п-р транзистор изготавливают отдельно от п-р-п транзистора, начиная с этапа эпитаксии р-слоя (эпитаксия как п-, так и p-слоя осуществляется локально через разные маски). Благодаря этому можно оптими зировать ширину базы и степень легирования эмиттерного слоя с целью достижения более совершенной передаточной характери стики в области высоких частот.
1.3.2. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы в отличие от биполярных управляются напряжением, а не током. Полевыми их называют потому, что изменение тока в них происходит под воздействием электромаг нитного поля, обусловленного напряжением, прикладываемым к
Рис. 1.12. |
Топология и структура полевого транзистора: |
а — с каналом |
проводимости я-типа; б — с каналом проводимости р-типа |
затвору. В зависимости от конструкции их разделяют на полевые транзисторы с управляющим р-п переходом и полевые транзисто ры с изолированным затвором. В зависимости от проводимости канала различают полевые транзисторы с каналами п- и р-типа.
Полевой транзистор с управляющим р-п переходом легко из готовить на одном кристалле вместе с биполярными транзистора ми. На рис. 1.12,а показана структура полевых транзисторов с каналом я-типа. Слой р затвора образуется на этапе базовой диффузии и /г+-слой обеспечивает омический контакт к областям стока и истока, между которыми протекает ток через канал. Скрытый р+-слой уменьшает ширину канала. Его создание тре
бует |
дополнительных технологических операций. К |
подложке, |
так |
же как на р+^-слой, подается отрицательное |
напряжение, |
вследствие чего этот слой и подложка влияют на сопротивление канала. Структура на рис. 1.12,6 полевого транзистора с каналом p-типа похожа на структуру п-р-п транзистора. Функцию канала выполняет область p-типа между л+- и /г-слоями.
С целью уменьшения ширины канала до 1 ... 2 мкм использу ется особая диффузия p-типа. В результате достигается малый разброс параметров транзисторов и высокое значение пробивного напряжения. В реальной структуре вводятся я+-области в эпитак-
Рис. 1.13. Структура полевого тран зистора с изолированным затвором и индуцированным каналом п-типа
И З О |
и з о |
а)
Рис. 1.14. Структуры комплементарных полевых транзисторов с изолированным затвором:
а — с изолирующим слоем л-типа; б — с воздушной изоляцией
скальный слой л-типа, в зоны верхнего и нижнего затворов (на рисунке соединены штриховой линией), что обеспечивает связь между истоком и стоком только через канал.
На рис. 1.13 показана структура полевого транзистора с изо лированным затвором и индуцированным каналом л-типа. Такая структура полевого транзистора обеспечивает лучшее использо вание поверхности кристалла и, следовательно, повышение сте пени интеграции. На работу такого транзистора в области высо ких частот отрицательно влияют паразитные емкости перекры тия затвора со стоком Сзс и истоком Сзи и емкости выводов. Обычно благодаря меньшей емкости выводов полевой транзистор с изолированным затвором имеет в несколько раз большую гра ничную частоту по сравнению с предыдущей структурой. В АИС часто используют комплементарные полевые транзисторы с изо лированным затвором, которые представляют собой пару транзи сторов с каналами р- и л-типа. Структура такой пары показана на рис. 1.14,а. Транзистор с каналом p-типа расположен в л-слое, что требует введения дополнительных технологических операций.
18
Рис. 1.15. Структура биполярного и полевого транзисторов на одном кристалле
Комплементарная пара, изготовленная по технологии кремний на сапфире, показана на рис. 1.14,6. Сначала образуются острова кремния соответствующей проводимости. После этого путем диф фузии донорных примесей получают транзисторы с каналом п-ти па, а в случае акцепторных примесей транзисторы с каналом p-типа. Хотя число операций в этом случае больше, устраняются затруднения при реализации низкоомных слоев истока у транзис тора с каналом p-типа, свойственные структуре на рис. 1.14,а. Базовая технология позволяет изготовить на одном кристалле одновременно биполярные и полевые транзисторы с изолирован ным затвором (рис. 1.15).
1:3.3. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДИОДЫ И СТАБИЛИТРОНЫ
В качестве диода в микросхеме используют либо один из пе реходов биполярного транзистора, либо их комбинации. Имеется пять вариантов построения диода на базе транзистора, которые показаны на рис. 1.16. На рисунке изображены также соответст вующие паразитные емкости: емкость диода Сд и емкость Со к подложке, которую считаем заземленной. В табл. 1.2 приведены основные параметры диодов отдельных вариантов, соответствую щих схемам рис. 1.16.
Пробивное напряжение Unр зависит от использованного пере хода и будет больше у тех схем, в которых не используется эмиттерный переход. Емкость диода Сд больше в схемах, которые
|
|
Т а б л и ц а |
1.2. |
Типовые параметры диодов |
||
Параметр |
|
|
Комбинация переходов |
|
||
БК—Э |
Б -Э |
БЭ—К |
Б -К |
|||
|
|
|||||
и, в |
7 ...8 |
7 ...8 |
. 40...50 |
40...50 |
||
1, |
мА |
0 , 5 . .Л |
0 , 5 . . Л |
15...30 |
15...30 |
|
Сд, пФ |
0,5 |
0,5 |
0,7 |
0,7 |
||
С0, |
пФ |
3 |
1,2 |
3 |
3 |
|
Гд. |
нс |
10 |
50 |
50 |
75 |
|
Б-ЭК
7... 8
о |
|
щ |
см |
1,2 |
|
|
|
3
100
Рис. 1.16. Диодные включения транзистора
имеют большую поверхность переходов. Паразитная емкость со единяет анод или катод диода с землей. Постоянная времени Тд, определяемая интервалом времени перехода диода от непроводя
щего в проводящее состояние, минимальна при |
использовании |
|
комбинации перехода база — коллектор — эмиттер |
(БК — Э), |
при |
которой заряд сосредоточивается лишь в области |
базы, так |
как |
коллекторный переход коротко замкнут. Если в целом оценить преимущества отдельных комбинаций переходов, то оптимальны ми являются комбинации БК — Э и Б — Э, основной недостаток
которых — низкое |
пробивное |
напряжение, |
для |
низковольтных |
схем несуществен. |
построенные на диодах, |
используют эффект |
||
Стабилитроны, |
||||
лавинного пробоя. Если необходим стабилитрон |
на напряжение |
|||
от 5 до 10 В, то его можно |
реализовать на |
обратносмещениом |
||
эмиттерно-базовом переходе. Температурный коэффициент напря жения у такого стабилитрона лежит в диапазоне 2 ... 5 мВ/°С. Стабилитрон на напряжение 3 ...5 В можно построить на обратносмещенном переходе БЭ — К или как показано на рис. 1.17. Слой л+-типа образуется в процессе эмиттерой диффузии (рис. 1.17,а). Так как часть разделительного слоя р+-типа сильно ле гирована, переход имеет структуру р+-л+ и обладает свойствами, характерными для низковольтного туннельного пробоя. Темпера турный коэффициент напряжения такого стабилитрона находится в пределах 2 ... 3 мВ/°С.
Если необходим стабилитрон на напряжение, равное или крат ное 0,7 В, можно воспользоваться одним или несколькими по-
Рис. 1.17. Интегральные стабилитроны:
а — на основе разделительного слоя; б — на основе слоя базы с температурной компенсацией
20