Выбор физической структуры разрабатываемой ИМС

Выбор физической структуры разрабатываемой ИМС. Основной структурой, определяющей электрические параметры и характеристики микросхемы, является транзистор. Поэтому, исходя из требований, предъявляемых к транзистору, производят выбор физической структуры различных областей 1, т.е. задаются определенными электрофизическими параметрами, к числу которых относятся концентрация легирующих примесей, подвижность носителей заряда, время жизни и скорость поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда, удельное сопротивление материала, диэлектрическая проницаемость материала.

Для расчета остальных элементов используется выбранная физическая структура основного транзистора.

В настоящее время существуют два основных вида физической структуры ИМС микросхемы на основе биполярных транзисторов и микросхемы на основе МОП - структуры. Наибольшее количество слоев имеют микросхемы на основе биполярных транзисторов рис. 1.1. Это скрытый n-слой, эпитаксиальный, p - разделительный, базовый, эмиттерный, специальный резистивный, и т.д Для изготовления микросхем на основе МОП транзисторов необходим лишь один диффузионный слой. Рисунок 1.1 - Физическая структура биполярного n-p-n транзистора со скрытым n-слоем Удельное сопротивление подложки выбирается исходя из требований к рабочему напряжению коллекторного перехода транзистора.

При этом напряжение пробоя перехода коллектор-подложка должно быть больше, чем пробивное напряжение перехода коллектор-база. Удельное сопротивление подложки должно быть как можно большим. Это обеспечивает одновременно малую паразитную емкость перехода коллектор-подложка, но и надо иметь в виду, что одновременно будет увеличиваться сопротивление тела подложки, а это есть паразитный параметр, который сказывается на частотных свойствах.

Удельное сопротивление подложки с - должно выбираться компромиссным путем из диапазона 1 10 Омсм. Толщина подложки должна обеспечивать механическую прочность микросхемы и она выбирается из диапазона hр 250 500 мкм. Уровень легирования Эпитаксиального слоя выбирается исходя из нескольких противоречивых требований -для высокого пробивного напряжения изолирующего перехода и для малой удельной емкости переходов необходимо, чтобы уровень легирования эпитаксиального слоя был как можно меньше но чуть больше уровня легирования подложки -для уменьшения последовательного сопротивления тела коллектора, которое влияет на частотные свойства, уровень легирования должен быть как можно выше. Эти противоречивые требования приводят к следующему компромиссу сопротивление эпитаксиальной пленки выбирается таким, чтобы оно обеспечивало заданное высоковольтное напряжение самого высоковольтного транзистора с учетом способа его изготовления.

Это приводит к выбору значения удельного сопротивления из диапазона ск 0,155 Омсм. Но при всех реальных параметрах транзисторов такие значения удельного сопротивления приводят к завышенному значению сопротивления тела коллектора.

Во избежании этого вводят высоколегированный n-слой. Толщина эпитаксиальной пленки должна по возможности быть как можно меньше, но существует следующее ограничение , 1.1 где hэп - глубина залегания коллекторного перехода - глубина проникновения n-области в эпитаксиальный слой при всех температурных режимах формирования структуры - ширина области пространственного заряда перехода коллектор-база при рабочем напряжении - все технологические погрешности.

Скрытый n-слой изготавливается для того, чтобы обеспечить минимальное сопротивление тела коллектора. Исходя из этой задачи скрытый слой должен быть максимально легирован, но должна быть обеспечена невозможность смыкания этого слоя с базой при подаче на этот переход коллектор-база рабочего напряжения.

При этом расползание слоя при дальнейших технологических операциях должно быть строго контролировано. Поверхностное сопротивление скрытого слоя обычно составляет RSСС 6 8 Омквадрат, толщина hсс 3 8 мкм, поверхностная концентрация легирующих примесей часто это сурьма из-за невысокого коэффициента диффузии при высоких температурах RSСС 10181019 см-3. Базовая область изготавливается методом диффузии, поэтому является неоднородно легированной.

Степень легирования выбирается из следующих требований -для увеличения напряжения пробоя перехода эмиттер-база и эффективности эмиттера следует легировать базу как можно меньше -снижение уровня легирования увеличивает паразитное сопротивление базы и ухудшает частотные характеристики транзистора -если базу слабо легировать, так что поверхностная концентрация будет составлять NSб 51016 см-3, то это может привести к инверсии проводимости поверхностного слоя базы и выходу транзистора из строя.

Поверхностная концентрация примесей составляют примерно NSб 10161019 см-3. Толщина металлургической базы щ0 0,51,0 мкм, среднее удельное сопротивление базовой области сб 0,11,0 Омсм, поверхностное сопротивление пассивной базы RSбП 100200 Омквадрат, поверхностное сопротивление активной базы RSба 520 кОмквадрат. Уровень легирования эмиттерной области должен быть как можно выше. Но если уровень легирования достигает NSЭ 1021 см -3, тогда уменьшается время жизни носителей заряда, что приводит к уменьшению эффективности эмиттера.

Поэтому уровень легирования выбирается из диапазона NSЭ 101951020 см-3, поверхностное сопротивление составляет RSэ 57 Омквадрат. Глубина залегания перехода эмиттер-база определяется, как , 1.2 Глубина разделительной диффузии должна быть чуть больше толщины эпитаксиальной пленки, так чтобы обеспечивалось слитие этой области с подложкой. Уровень легирования этой области должен быть достаточно высок для эффективной изоляции p-n перехода на кристалле повышенной площади.

В полупроводниковых микросхемах в качестве межэлементных соединений применяются проводники из пленки алюминия. Для исключения пересечений проводников используется 3 основных метода многослойная металлизация, прокладка шин металлизации над каналами резисторов, защищенными слоем SiO2 и проводящие диффузионные перемычки под слоем двуокиси кремния. Минимальная ширина металлизированной дорожки при заданной ее толщине определяется допустимой плотностью тока. Толщина слоя Al шин металлизации составляет порядка 1,5 мкм и шина имеет удельное сопротивление слоя RS 0,05 Омквадрат Значение RS для пленки приблизительно в 2,53 раза превышает значение, получаемое из удельного сопротивления алюминия.

Это связано с миграцией Al от коллекторных контактов выходных транзисторов, что повышает сопротивление тела коллектора, рост нитей Al, приводит к закорачиванию эмиттерных p-n переходов и другое. Геометрические размеры контактных площадок определяются базовой технологией изготовления микросхем и составляют часто 100 Ч 100 мкм. Площадь контактных площадок должна обеспечивать хорошее соединение.

Их целесообразно размещать под отдельными изолированными областями для уменьшения результирующей паразитной емкости и исключение опасности коротких замыканий при дефекте в окисле. 1.2