книги / Методы повышения параметров БИС

ВП.ДЕРКАЧ Г Ф. КИЯШКО

М.С.КУХАРЧУК

МЕТОДЫ

ПОВЫШЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ

Киев Головное издательство

издательского объединении „Внща школа” 1986

ВВЕДЕНИЕ

На апрельском (1985 г.) Пленуме ЦК КПСС отмечалось, что в нашей стране первостепенное внимание должно быть уделено ускорению развития вычислительной техники, приборострое­ ния, электротехники и электроники как катализаторов научнотехнического прогресса.

Важнейшим разделом электроники является микроэлектро­ ника. Применение методов микроэлектроники при создании раз­ нообразной аппаратуры, прежде всего устройств вычислительной техники и автоматики, коренным образом изменяет технологичёские процессы, повышая их точность и степень автоматизации. ( В настоящее время разрабатываются программы освоения больших и сверхбольших интегральных микросхем (БИС и

•СБИС соответственно) и на их основе создаются совершенные сверхвысокопроизводительные вычислительные машины, обла-

'дающие элементами искусственного интеллекта, системы пере­ работки информации, которые открывают качественно новые перспективы научно-технического прогресса.

Современные микросхемы характеризуются высокими зна­ чениями рабочих частот, большой степенью интеграции, малы­ ми энергиями переключения элементов, повышенной надеж­ ностью и способны реализовать самые разнообразные схемные функции. Однако характеристики типовых интегральных мик­ росхем еще не достигли предельно возможных значений, необ­ ходимых для развития вычислительной техники, радиотехники, автоматики й других научно-технических направлений.

Повышение уровня параметров БИС связано с увеличением степени их микроминиатюризации. За последние десятилетия развития микроэлектроники минимальный размер элементов

уменьшился приблизительно в сто раз. В настоящее время осу­ ществляется промышленное освоение одно-двумикрошюго ди­ апазонов, намечается переход к субмикроиному диапазону.

Развитие технологии производства БИС в направлении неп­ рерывного уменьшения размеров элементов, очевидно, со вре­ менем позволит подойти к пределам, определяемым физикой происходящих в элементах процессов и схемотехническими возможностями.

4

Тенденция к миниатюризации интегральных микросхем в области особо малых геометрических размеров сталкивает­ ся с рядом физических ограничений и технологических проб­ лем. К ним, в первую очередь, относятся тепловые факторы, ко­ нечное время пролета электронов через прибор, ограничивающее рабочую частоту логических элементов, время заряда емкости, снижающее надежность БИС, явление электромиграции, квантовомехэнические и другие эффекты. Существенной пробле­ мой является реализация внутренних межсоединений. С умень­ шением размеров проводников возрастает их электрическое сопротивление, что приводит к увеличению количества выделя­ емой в них теплоты при протекании тока и повышению падения омического напряжения по сравнению с напряжениями в схеме. Особенно остро проблема межсоединений проявляется в логиче­ ских интегральных микросхемах, у которых по мере увеличения степени интеграции темпы роста площади, занимаемой соединяю­ щими элементами, превышают темпы увеличения пшщади, зани­ маемой другими элементами микросхемы (в некоторых мик­ росхемах межсоединениям отводится примерно половина пло­ щади кристалла).

Освоение субмикронного диапазона размеров элементов микросхем требует дальнейшего совершенствования техноло­ гии получения и обработки уже используемых полупроводни­ ковых и других материалов, а также поиска новых, способных обеспечить более высокий уровень рабочих характеристик СБИС. При этом наблюдается тенденция к увеличению размеров крис­ талла, что вызывает необходимость освоения сверхчистых по­ лупроводниковых материалов, значительного повышения одно­ родности их параметров по всей пластине, улучшения механиче­ ских, электрофизических и других свойств.

В обозримом будущем основным полупроводниковым ма­ териалом для интегральных микросхем, вероятнее всего, будет оставаться кремний. Однако применение арсенида гал­ лия, обладающего по сравнению с кремнием большей шириной запрещенной зоны и большей подвижностью носителей заря­ дов, целесообразно для создания сверхбыстродействующих БИС. На его основе можно реализовать микроэлектронные и оптоэлектрониые .микросхемы на одном и том же кристалле. Проводятся также исследования в области создания компонен­ тов на основе фосфидов индия и галлия, органических полу­ проводников и других материалов.

Развитие микроэлектроники поставило проблему автомати­ зации проектирования, без решения которой производство микросхем с высокой и тем более со сверхвысокой степенью

5

Глава 1. КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ БИС

1.1. БИПОЛЯРНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Основным элементом биполярных ИС является биполярный транзистор, обычно л-р-и-типа, состоящий из двух встречно включенных р-п переходов (эмиттерного и коллекторного) различной площади. Взаимодействие этих переходов обеспечи­ вается малой шириной Wб расположенной между ними базы (И'в “<1-6 * где L B — диффузионная длина неосновных носи­ телей заряда в области базы).

Для улучшения характеристик в коллекторной области тран­ зистора создается сильно легированный г? -спой. Кроме основ­ ного п+-р-п транзистора в биполярных ИС применяются также многоэмиттерные п* -р-п транзисторы, продольные транзисто­ ры, транзисторы Шоттки и другие.

Структурные слои п*-р-п транзистора служат основой и для создания других компонентов ИС [57, 60,69—124]. Например, на основе эмитгерных и базовых областей выполняются резис­ торы, на основе обратно смещенных р-п переходов эмиттер — база, коллектор —подложка —конденсаторы. Такие конденса­ торы характеризуются небольшими значениями емкости, ма­ лой добротностью, зависимостью емкости от внешнего смеще­ ния. Поэтому в биполярных ИС часто используются МОП-кон­ денсаторы, в которых диэлектриком служит окисел изоляции. При их изготовлении в эпитаксиальную коллекторную область осуществляется эмиттерная диффузия, в результате чего фор­ мируется область «+-типа с очень низким удельным сопротив­ лением, которая образует одну из обкладок конденсатора.

В качестве диодов используется основная транзисторная структура в диодном включении, обеспечиваемом с помощью металлизации.

На рис. 1 показана структура биполярного транзистора, фор­ мируемого в тонком (порядка 1 мкм) эпитаксиальном слое. Методами ионной имплантации и диффузии в ней созданы об­ ласти базы и эмиттера глубиной порядка 0,3 и 0,15 мкм соот­ ветственно.

Принципы, теоретические модели работы и технология изго­ товления биполярных транзисторов подробно описаны в литера­ туре по полупроводниковой электронике (например, в [8, 24, 26,29, 84,93, 123,1501).Отметнм лишь те положения, на нриме-

7

мере зависят от характера проте­ кания тока между эмиттерным и коллекторным переходами, обусловленного движением неосновных носителей через область базы. В зависимости от того, какой является база —однородной или неоднородной (неравномерно легированной с убыванием концентрации примесей от эмиттера к коллектору), меха]шзмамн переноса неосновных носителей могут быть соответствен­ но диффузия (бездрейфовыи транзистор) или диффузия и дрейф (дрейфовый транзистор). Дрейф носителей происходит под действием электрического поля в базе, создаваемого гра­ диентом концентрации примеси.

Анализ уравнений диффузионного и дрейфового движения носителей приводит к выводу, что одним из основных конструк­ тивных параметров, влияющих на важнейшие характеристики биполярного транзистора, является ширина WБ базы. Так, в слу­ чае нормально включенного дрейфового транзистора коэффи­

диффузионная длина носителей (для п-р-п транзисторадырок),

сей в областях базы и эмиттера соответственно.

8

Значения коэффициентов а и В при инверсном включении транзистора меньшие, чем при нормальном, и в значительной мере зависят от структуры транзистора.

Из выражений для а и 6 следует, что уменьшение ширины ба­ зы, а также сильное легирование области эмиттера приводят к повышению коэффициента усиления биполярного транзистора. Отметим, что, уменьшая ширину базы, необходимо учитывать возможность сужения базы из-за эффекта Эрли (расширения коллекторного перехода с увеличением коллекторного напряже­ ния) и связанного с этим возникновения пробоя, происходяще­ го в транзисторе с очень тонкой базой при смыкании эмиттера с коллектором [93, 150].

Известно уравнение, связывающее стационарный ток коллек­ тора с шириной базы и площадью £э эмиттера:

'к= /„(< = ,£,Бэ/<*Г ) - 1),

Быстродействие биполярного транзистора зависит от времени пролета ТПр носителей через область базы и постоянных времени перезарядки барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. При диффузии и дрейфе носителей время гпр, напри­ мер для транзистора, включенного по схеме с общей базой, опре­ деляется так [149,150]:

'пр = И 4 /(2 (Ч + 1 )а д .

Такие важнейпше параметры биполярного транзистора, ха­ рактеризующие его частотные свойства, как предельная частота

коллекторного переходов. Например, в дрейфовых транзисто­ рах / т ~ 1}Wa, где Wa —толщина активной базы; в беэдрейфо- в ы х £ ~ 1/И^.

Анализ перечисленных характеристик показывает, что улуч­ шение частотных свойств биполярных интегральных схем может быть достигнуто снижением барьерных емкостей, сопротивления базы и времени пролета гпр путем уменьшения геометрических размеров транзистора в плоскости кристалла [5]. Примеры срав­ нения критических размеров и ряда параметров биполярного транзистора при минимальном горизонтальном размере Ьыш =

9

Таблица 1. Размеры активной области кремниевого биполярного тран­

Таблица 2. Параметры кремниевого биполярного транзистора (к табл. 1)

= 1 мкм (ширине линии, обеспечиваемой литографией) и при близком к предельно возможному приведены в табл, t » 2. Видно, что пропорциональная миниатюризация прибора приво­ дит к линейному уменьшению емкостей.

Однако умёныпение.размеров биполярных транзисторов огра­ ничивается действием большого количества паразитных элемен­ тов. Так, согласно табл. 2, при уменьшении размеров эффектив­ ное время пролета’ (?Пр)эф на большом сигнале с учетом пара­ зитных элементов возрастает. Для некоторой компенсации влия­ ния последних применяются специальные конструктивно-техно­ логические меры.

Изучение пределов уменьшения размеров биполярных тран­ зисторов показьюает большую роль предельной плотности тока, повышенного уровня легирования и уменьшенной ширины базы [26,149].

Получено, что уменьшение горизонтальных размеров в к раз приводит к следующим изменениям параметров биполярного транзистора:

10