10.2: ВИГОТОВЛЕННЯ

Процес, який використовується для виготовлення монолітних інтегральних схем, диктує тип і продуктивність компонентів, які можуть бути реалізовані. Оскільки ймовірності успіху кожного етапу процесу виготовлення множаться, щоб дати ймовірність успішного завершення схеми, виробники, зрозуміло, неохоче вводять додаткові операції, які повинні знизити врожайність і тим самим збільшити вартість кінцевої схеми. Деякі виробники використовують процеси, які більш задіяні, ніж описані тут, і таким чином збільшують різноманітність та якість компонентів, які вони можуть сформувати, але, на жаль, схеми, зроблені цими більш складними процесами, зазвичай можна легко розпізнати за їх більш високими витратами.

Найпоширенішим процесом, що використовується для виготовлення як лінійних, так і цифрових інтегральних схем, є шестимасковий планарно-епітаксіальний процес. Ця технологія розвивалася з тієї, яка використовувалася для виготовлення планарних транзисторів. Кожна операція маскування сама по собі передбачає ряд етапів, більш важливими з яких є наступні. Шар діоксиду кремнію спочатку утворюється шляхом впливу кремнієвого інтегрального контуру матеріалу пари або кисню при підвищених температурах. Цей шар фотосенсибілізований, а області визначаються шляхом фотографічного оголення пластини за допомогою певного малюнка, розробки результуючого зображення та видалення незагартованого світлочутливого матеріалу для оголення оксидного шару. Потім цей шар витравлюється в незахищених регіонах. Таким чином, сам оксидний шар утворює маску, яка дозволяє\(N\) - або\(P\) -типу легуючі речовини дифундувати в кремнієву пластину. Після дифузії оксид реформується і процес маскування повторюється для визначення нових областей.

Хоча описана вище операція здається складною, особливо якщо врахувати, що вона повторюється шість разів, велика кількість повних схем може бути виготовлена одночасно. Схеми можуть бути перевірені індивідуально, тому локалізовані дефекти можуть бути усунені. Чистий результат полягає в тому, що з кожної успішно обробленої кремнієвої пластини виходить велика кількість функціонуючих схем при низькій середній вартості одного контуру.

Транзистори

Процес із шістьма масками призначений для виготовлення транзисторів NPN, і транзистори з характеристиками, подібними до характеристик практично всіх дискретних типів, можуть бути сформовані процесом. Інші компоненти, необхідні для завершення схеми, повинні бути зроблені під час тих же операцій, які утворюють транзистори NPN.

Вид поперечного перерізу NPN-транзистора, зробленого шестимасковим планарно-епітаксіальним процесом, показаний на малюнку 10.1. (Застерігається, що в цій та наступних цифрах відносні розміри були сильно спотворені, щоб представити чітко істотні риси. Зокрема, розширені вертикальні розміри в епітаксіальному шарі щодо інших розмірів. Мінімальний горизонтальний розмір обмежується порядком 0,001 дюйма невизначеністю, пов'язаними з фотографічним визначенням суміжних областей. І навпаки, вертикальні розміри в епітаксіальному шарі визначаються глибиною дифузії і, як правило, в 10-100 разів менші.) Виготовлення починається з\(P\) типу -type

підкладка (відносно значно товщі, ніж показана на малюнку), що забезпечує механічну жорсткість всієї конструкції. Перша операція маскування використовується для визначення сильно\(N\) легованих областей у підкладці.\(N^+\) Причина цих областей підколектора або похованого шару буде описана згодом. Відносно злегка легований\(N\) шар, який буде колектором повного транзистора, потім утворюється поверх підкладки процесом епітаксіального зростання.

Наступна операція маскування, виконана на епітаксіальному шарі, створює сильно\(P\) леговані області типу (або\(P^+\)), які повністю простягаються через епітаксіальний шар до основи. Ці ізолюючі області спільно з підкладкою розділяють епітаксіальний шар на ряд N областей, кожна з яких оточена матеріалом P. Підкладка (і, отже, області ізоляції) буде підключена до самого негативного напруги, що подається на ланцюг. Оскільки\(N\) регіони, прилеглі до ізоляції та підкладки, не можуть бути негативно упередженими щодо цих\(N\) регіонів, різні регіони електрично ізольовані один від одного зворотно-зміщеними\(P-N\) переходами. Наступні кроки в процесі перетворять кожну ізольовану область в окрему складову.

Базова область\(P\) -типу формується під час наступної операції маскування. Транзистор завершується дифузією\(N^+\) емітера в базу. Колекторний контакт, необхідність в якому описана нижче, утворюється в області колектора під час дифузії випромінювача. Оксидний шар відростає в останній раз, і в цей оксид витравлюються вікна, які дозволять контактувати з різними областями. Потім вся пластина піддається впливу випарованого алюмінію, який утворює тонкий алюмінієвий шар над поверхнею. Остаточна операція маскування розділяє цей алюмінієвий шар на малюнок провідника, який з'єднує різні компоненти.

Шість операцій маскування, описаних вище, можна узагальнити наступним чином:

• Підколектор або заглиблений шар
• Ізоляція
• База
• Випромінювач
• Вікно контактів
• Шаблон провідника

Заглиблений шар та сильно леговані області контакту колектора включаються з наступних причин. Нагадаємо, що для зменшення зворотного впорскування з бази транзистора в його емітер, що знижує коефіцієнт посилення струму, необхідно мати відносний рівень легування емітера значно більше, ніж у бази. Також необхідно злегка допінгувати колектор по відношенню до основи, щоб шар колекторного простору заряду простягався домінуюче в область колектора, щоб запобігти низькій напрузі пробою колектора до основи. В результаті цих каскадних нерівностей область колектора досить злегка легована і, таким чином, має високий питомий опір. Якби колектор струму повинен був протікати збоку через цей матеріал з високим опором, транзистор мав би великий резистор послідовно зі своїм колектором. Підколектор низького опору виконує роль замикання планки, яка з'єднує активну область колектора безпосередньо під підставою з контактом колектора. Довжина шляху струму колектора через область високого питомого опору значно скорочується підколектором. (Пам'ятайте, що вертикальні розміри в епітаксіальній області насправді набагато коротші, ніж горизонтальні розміри.)

Сильно легований\(N^+\) колекторний контакт необхідний, щоб запобігти перетворенню матеріалу колектора в тип P алюмінієм, який є\(P\) домінуючою речовиною типу. Цікаво відзначити, що діодний перехід Шотткі, який може утворюватися при нанесенні алюмінію на злегка легований\(N\) матеріал, використовується в якості затискного діода в певних цифрових інтегральних схемах.

Як уже згадувалося раніше, відмінні NPN-транзистори можуть бути виготовлені за допомогою цього процесу, а продуктивність певних конструкцій може бути кращою, ніж у їх дискретно-компонентних аналогів. Наприклад, колектор-базова ємність сучасних високошвидкісних транзисторів може переважати свинцева, а не ємність просторового зарядного шару. Невеликі геометрії, можливі за допомогою інтегральних схем, зменшують ємність взаємозв'язку. Крім того, транзистори NPN надзвичайно економічні для виготовлення цим методом, причому поступове збільшення ціни продажу, пов'язане з додаванням одного транзистора до схеми, становить частку цента.

Так як всі транзистори на конкретній пластині формуються одночасно, всі повинні мати схожі характеристики (щоб в межах рівномірності обробки) на одиниць-площі основі. Ця рівномірність насправді часто використовується для виготовлення узгоджених транзисторів. Ступінь конструктивної свободи зберігається за рахунок регулювання відносних активних ділянок різних транзисторів в ланцюзі, так як струм колектора транзистора при фіксованій напрузі база-емітер пропорційний його площі. Цей зв'язок часто використовується для управління співвідношеннями колектор-струм декількох транзисторів (див. Розділ 10.3). Крім того, область транзистора може бути обрана для оптимізації посилення струму на очікуваному рівні струму спокою. Таким чином, транзистори, що використовуються на вихідному каскаді операційного підсилювача, часто більші, ніж ті, що використовуються на його вхідному каскаді.

Недавнє нововведення (RJ Widlar, «Супер посилення транзисторів для ІС», Національна напівпровідникова корпорація, Технічний папір TP-1 1, березень 1969 р.), що використовується в деяких високопродуктивних конструкціях, включає дві дифузії випромінювачів, щоб значно збільшити коефіцієнт посилення струму певних транзисторів у схемі. Оксидний шар спочатку витравлюється в випромінювачі

область обраних транзисторів, і перша дифузія випромінювача завершена. Потім, без будь-якого відростання оксиду, емітерні області решти транзисторів виставляються і завершується дифузія другого випромінювача. Транзистори, які отримали обидві емітерні дифузії, іноді називають «супер-\(\beta\)» транзисторами, оскільки вузька ширина основи, яка виникає в результаті двох дифузій, може дати приріст струму між\(10^3\) і\(10^4\). Вузька базова область також знижує напругу пробою колектора до основи до декількох вольт, і в ланцюгах, які використовують ці пристрої, повинні бути вжиті запобіжні заходи, щоб гарантувати, що напруга пробою не перевищена. Друга проблема полягає в тому, що надмірно старанний графік дифузії може легко звести ширину основи до нуля, а ціна підсилювачів з використанням супер\(\beta\) транзисторів зазвичай відображає цю можливість.

Транзистори

Шестимасковий епітаксіальний процес, який зазвичай використовується для монолітних інтегральних схем, оптимізований для виготовлення транзисторів NPN, і будь-які інші компоненти схеми порушені тим, що вони повинні бути сумісні з виготовленням NPN. Одне з обмежень процесу полягає в тому, що високоякісні транзистори PNP не можуть бути виготовлені ним. Це обмеження особливо суворе з огляду на топологічні переваги, пов'язані з використанням комплементарних транзисторів. Наприклад, зсув рівня напруги, необхідний для того, щоб діапазони вхідної та вихідної напруги перекривалися в операційному підсилювачі, найлегше досягається за допомогою одного пристрою полярності для вхідного каскаду в поєднанні з додатковим типом на другому етапі. Подібним чином конструкції для вихідних каскадів, які не вимагають високого струму спокою, громіздкі, якщо не використовуються додаткові пристрої.

Малюнок 10.2 Бічний-PNP транзистор.

Один тип PNP транзистора, який може бути виготовлений за допомогою шестимаскового процесу, називається бічним PNP. Цей пристрій виготовлений з використанням дифузії основи NPN як для емітерної, так і для колекторної областей. В якості базової області використовується епітаксіальний шар N-типу. На малюнку 10.2 показаний вид поперечного перерізу однієї можливої геометрії. (Практичні геометрії зазвичай оточують смугу випромінювача з колекторною областю. Це уточнення не змінює основну роботу пристрою.) Струм протікає збоку від випромінювача до колектора в цій структурі, на відміну від вертикального потоку, що призводить до звичайної конструкції.

Існує ряд проблем, пов'язаних з бічним транзистором PNP. Відносні рівні легування його випромінювальної, базової та колекторної областей далекі від оптимальних. Більш важливим, однак, є той факт, що ширина бази для конструкції контролюється операцією маскування, а не глибиною дифузії, і на один-два порядки більше, ніж у звичайного транзистора. Існує також паразитарне посилення струму на підкладці, яка діє як другий колектор для транзистора. Ці ефекти спочатку об'єднані для отримання дуже низького посилення струму, зі значеннями менше одиниці,\(\beta\) загальних у ранніх бічних PNP'S. Зовсім недавно вдосконалення процесу в першу чергу передбачають використання похованого шару для зменшення посилення паразитного струму призвели до поточного приросту понад 100.

Більш фундаментальним обмеженням є те, що надзвичайно широка база призводить до надмірного зберігання заряду в цьому регіоні і, отже, дуже низьким значенням для fT. Фазовий зсув, пов'язаний з цією конфігурацією, зазвичай обмежує від 1 до 2 МГц пропускну здатність із замкнутим контуром операційного підсилювача, який включає бічний PNP на шляху посилення.

Малюнок 10.3 Спліт-колекторний бічний-PNP транзистор.

Одна цікава варіація латерально-PNP транзистора показана на малюнку 10.3. Напруга бази до випромінювача, прикладена до цього пристрою, встановлює щільність струму на одиницю довжини, яка протікає в напрямку, перпендикулярному випромінювачу. Відносні струми, перехоплені двома колекторами, таким чином, рівні відносній довжині колектора. Поняття можна розширити, а в деяких конструкціях використовуються бічні PNP транзистори з трьома і більше колекторами.

Однією з переваг структури Lateral-PNP є те, що напруга пробою «база-емітер» цього пристрою дорівнює напрузі пробою колектор-база транзисторів NPN, які утворюються одним і тим же процесом. Ця функція дозволяє нелінійну роботу з великими різними вхідними напругами для операційних підсилювачів, які включають бічні PNP у своєму вхідному каскаді. (Два приклади наведені в розділі 10.4.)

Малюнок 10.4 Вертикальний або підкладковий PNP транзистор.

Другою можливою структурою PNP є вертикальна або підкладка PNP, проілюстрована на малюнку 10.4. Цей тип транзистора складається з емітера, утвореного дифузією бази NPN та бази колекторного матеріалу NPN, з підкладкою, що утворює колектор\(P\) -типу. Ширина основи - це різниця між глибиною дифузії\(P\) типу -типу та товщиною епітаксіального шару, і її можна контролювати помірно добре. Посилення струму може бути досить високим, а пропускна здатність значно краща, ніж у бічної конструкції. Одним з бажаних наслідків необхідних компромісів є те, що для підтримки посилення на помірних рівнях струму повинні використовуватися транзистори великої площі. Ще одна більш серйозна складність полягає в тому, що колектори всіх підкладок ПНП'С є com mon і підключаються до негативного напруги живлення. Таким чином, підкладку PNP'S можна використовувати лише як послідовники випромінювачів.

Інші компоненти

Основний матеріал\(P\) типу, як правило, використовується для резисторів, і питомий опір цього матеріалу, продиктований рівнем легування базової області, зазвичай становить від 100 до 200 Ом на квадрат. Проблеми, пов'язані з досягненням високих співвідношень довжини до ширини в розумній області та з допустимою розподіленою ємністю, зазвичай обмежують максимальні значення опору близько 10 кілоОм. Аналогічно інші геометричні міркування обмежують нижнє значення резисторів, виготовлених з використанням базової дифузії, до порядку 25 Ом. Резистори вищого значення (приблизно до 100 кілоОм) можуть бути виготовлені з використанням матеріалу колектора більш високого опору, тоді як резистори нижчого значення утворюються з сильно легованого матеріалу випромінювача.

Практичні міркування роблять контроль абсолютних значень опору краще, ніж від 10 до 20% неекономічним, а температурний коефіцієнт всіх резисторів інтегрованих ланцюгів високий за стандартами дискретних компонентів. Як ніколи, можна зіставити два резистори на 5% або краще, а всі резистори, виготовлені з однієї дифузії, мають однакові температурні коефіцієнти.

Малюнок 10.5 Защемлений резистор.

Малюнок 10.6 Затиснутий-резистор вольт-амперна характеристика.

Можна зробити великогабаритні резистори малогеометрії шляхом розсіювання матеріалу випромінювача по резистору базового матеріалу (див. Рис. 10.5). Площа поперечного перерізу шляху струму зменшується цією дифузією, і можливі значення опору порядку на\(10 k\Omega\) квадрат. Отримане пристрій, зване защемленим резистором, має високонелінійні характеристики, проілюстровані на малюнку 10.6. Нижня струмова частина цієї кривої є результатом дії польового транзистора, при цьому резисторний матеріал\(P\) -типу утворює канал, оточений затвором\(N\) типу. Потенціал області затвора підтримується близько до потенціалу найбільш позитивного кінця каналу провідністю через\(P-N\) перехід. Таким чином, якщо позитивно зміщений кінець защемленого резистора вважається джерелом\(P\) -канального транзистора, характеристики резистора - це характеристики стоку транзистора з приблизно нульовою напругою затвор-джерело. Коли напруга, що подається на конструкцію, перевищує зворотну напругу пробою\(N^+\) і\(P\) переходу, сильно легована\(N^+\) область утворює шлях низького опору через резистор. Область високої провідності характеристик є результатом цього ефекту.

На додаток до описаної вище нелінійності, абсолютне значення защемленого резистора значно важче контролювати, ніж стандартний резистор базової області. Незважаючи на ці обмеження, використовуються защемлені резистори.

в інтегральних схемах, часто як шунтуючі шляхи через переходи бази до випромінювача біполярних транзисторів. Абсолютне значення такого шунтуючого шляху відносно неважливо в багатьох конструкціях, а напруга, що подається на резистор, обмежується часткою вольта транзисторним переходом.

Малюнок 10.7 Колектор FET. (\(a\)) Вид поперечного перерізу. (\(b\)) Вид зверху.

Альтернативною структурою високого опору, яка була використана як джерело струму зміщення в деяких конструкціях інтегральних схем, є колектор FET, показаний на малюнку 10.7. Цей пристрій, який діє як\(N\) -канальний транзистор з його затвором, зміщеним на негативну напругу живлення ланцюга, не має проблем з напругою пробою, пов'язаних з защемленим резистором.

Малюнок 10.8 Транзистор, підключений до діода.

Інтегровані діоди легко виготовляються. Колекторно-базовий перехід NPN транзисторів може використовуватися, коли необхідна помірно висока зворотна напруга пробою. Підключений до діода транзистор (рис. 10.8) використовується, коли потрібні характеристики діода, відповідні характеристикам транзистора. Якщо передбачається, що транзисторні клемні відносини

\[I_C = I_S e^{qV_{BE}/kT} \nonumber \]

ми можемо написати для підключеного до діода транзистора

\[I_D = I_B + I_C = \left (1 + \dfrac{1}{\beta} \right ) I_C = \left (1 + \dfrac{1}{\beta} \right ) I_S e^{qV_D /kT} \simeq I_S e^{V_D /kT} \nonumber \]

Перехід від бази до випромінювача використовується як стабілітрон в деяких схемах. Зворотна напруга пробою цього переходу визначається транзисторної обробкою, при типовому значенні шість вольт.

Зворотно-зміщені діодні переходи можуть використовуватися як конденсатори, коли нелінійні характеристики ємності просторово-зарядного шару прийнятні. Альтернативна лінійна структура конденсатора використовує оксид як діелектрик, з алюмінієвим шаром металізації однієї пластини і напівпровідникового матеріалу - другою пластиною. Цей тип метало-оксидно-напівпровідникового конденсатора має подальшу перевагу біполярної роботи в порівнянні з діодом. Ємність на одиницю площі будь-якої з цих структур робить конденсатори більшими, ніж\(100\ pF\) непрактичними.