Транзисторы с барьером Шоттки

Важным параметром переключающих транзисторов, работающих в цифровых и ключевых схемах, является время рассасывания t_р, ко­торое характеризует длительность фронта выключения импульса коллекторного тока при переходе транзистора из режима насыщения в режим отсечки. Когда планарно-эпитаксиальный транзистор находится в режиме насыщения, в базовой и высокоомной коллекторной областях накапли­вается заряд неосновных носителей. При подаче запираю­щего импульса базового тока неосновные носители рассасы­ваются в течение некоторого времени за счет вытекания в базовый и коллекторный контакты и рекомбинации. Это время, необходимое для рассасывания неосновных носите­лей заряда, составляет 10—100 нc и является серьезным ограничением при разработке быстродействующих ИМС.

Наиболее перспективным методом снижения t_p является использование диодов с барье­ром Шоттки, шунтирующих коллекторный переход. Диод Шоттки в интегральном ис­полнении представляет собой контакт металла с высокоомным полупроводником n-типа, в качестве которого ис­пользуется коллекторная область транзистора. При соот­ветствующей очистке поверхности полупроводника на гра­нице полупроводник — металл возникает обедненный слой и образуется барьер Шоттки. Такой контакт обладает вы­прямляющими свойствами и работает как диод. По срав­нению с диодом на р-n-переходе диод Шоттки характеризует­ся низкими значениями падения напряжения в открытом состоянии (около 0,35—0,45 В) и временем выключения, которое обычно не превышает 0,1 нc.

При включении диода Шоттки параллельно коллектор­ному переходу транзистора ограничивается степень насыще­ния транзистора. При интегральном исполнении транзистор и диод составляют единую структуру, которую называют транзистором с барьером Шоттки.

На рис. 3.9 показаны структура (а) и схема (б) транзи­стора с барьером Шоттки, изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии с изоляцией р-n-переходом. Структура представляет собой обычный планарно-эпитаксиальный транзистор n-p-n⁺-типа, в котором металлический контакт базы расширен в коллекторную область. Диод Шоттки образуется в месте контакта металла с высокоомным полупроводником коллекторной n-области. Таким образом, технологически изготовление транзистора с барьером Шот­тки не требует дополнительных операций. Площадь, зани­маемая этим транзистором, практически незначительно превышает площадь обычного транзистора. Аналогично можно создавать транзисторы с барьером Шоттки для раз­личных типов ИМС, используя технологию с изоляцией слоем окисла или изопланарную технологию.

По принципу действия транзистор с барьером Шоттки отличается от обычного планарно-эпитаксиального тран­зистора тем, что при переходе к режиму насыщения в нем отсутствует инжекция неосновных носителей из коллектора в базу, а также нет накопления заряда в области кол­лектора.

Транзисторы с барьером Шоттки характеризуются боль­шим коэффициентом усиления, малым инверсным коэффициентом усиления и высоким быстродействием (t_p ≈ 0). Однако для них хара­ктерны повышенное падение напряжения в режиме насыще­ния (U_кнш ≤ 0,4В) и увеличенная емкость коллекторного перехода (С_кш = С_к + С_дш). Это несколько ухудшает параметры ИМС, однако выигрыш по быстродействию при ис­пользовании транзисторов с барьером Шоттки является оп­ределяющим. Следует отметить, что основным требованием, предъявляемым к транзисторам с барьером Шоттки, являет­ся получение контакта металл — полупроводник, обладаю­щего большим током через контакт при прямом смещении, чем ток через коллекторный переход. Кроме того, характе­ристики барьера Шоттки Аl — Si — n очень чувствитель­ны к технологическому процессу металлизации алюминием и на практике имеют определенный разброс по I_дш и, сле­довательно, по t_p. Поэтому для получения высококачест­венного барьера Шоттки в технологический планарно-эпитаксиальный процесс вводят дополнительные операции: специальную очистку поверхности кремния после вскрытия окон в окисле, напыление и вплавление платины или молибдена под контакт металл — полупроводник. Такое усложнение технологии позволяет получать быстродействующие транзисторы с барьером Шоттки с воспроизводимы­ми параметрами, которые успешно применяются в быстро­действующих цифровых ИМС.

25. Сравните разновидности транзисторных структур, используемых для построения полупроводниковых ИМС и приведите распределение примеси в структурных областях

Кратко: для ответа необходимо зарисовать рисунки. Но этого недостаточно.

В конструктивном отношении полупроводниковая ИМС пред­ставляет собой полупроводниковый кристалл прямоугольной или квадратной формы, в объеме и на поверхности которого сосредоточе­ны изолированные друг от друга элементы, соединенные согласно электрической схеме.

Основу конструкции полупроводниковых ИМС состав­ляет транзисторная структура, которая является базовой для реализации всех входящих в схему активных и пас­сивных элементов.

В качестве базового элемента в полупроводниковых ИМС используют биполярные транзисторы, преимущественно с n-p-n⁺-типом электропроводности, изготовляемые по планарно-диффузионной или планарно-эпитаксиальной технологии, и униполярные транзисторы с МДП-структурой одного или двух типов электропроводности канала, изготов­ляемые по планарной технологии.

Особенностью структуры полупроводниковых ИМС яв­ляется то, что все элементы изготовляются в едином тех­нологическом процессе. Так, например, для создания резисторов используют обычно те слои, которые образуют эмиттер или базу биполярного транзистора, а для создания диодов и конденсаторов — те же переходы, что и в струк­туре транзистора. Поскольку транзисторная структура яв­ляется наиболее сложной и определяющей в конструкции микросхемы, все предназначенные для реализации других элементов слои и переходы называются в соответствии с областями транзистора, независимо от того, в каком эле­менте они используются.

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.