Диоды Шоттки

Применение диодов с пн-переходами быстродейственно. БИС является не эффективным из-за большого времени переключения и большой занимаемой площадью. Это практически транзистор. По этой причине в быстрых БИС нашли широкое применение диода с барьером Шоттки. Эффект Шоттки вызывает в месте контакта Ме – с п/п – ам при определенных условиях. Диоды с барьером Шоттки получают нанося металл непосредственно на кремний легированный донорной примесью. Степень легирования кремния должна быть достаточно низкой, чтобы барьер не окислился прониц-ым для туннелированных элементов. На практике концентрация легированной примеси должна быть меньше 10в 17 см в -3. Высоту барьера можно изменять применяя различные металлы и проводя под диодом мелкую н+имплантацию, которая понижает высоту барьера. В качестве металла часто применяется алюминий, который используется для разводки и позволяет получить высоту барьера 0,7 эВ,но производительность параметров такого диода низкая. Лучшие результаты дает применение сплава платина+никель, образующий силицивный слой при взаимодействии с СИ. меняя соотношение металлов можно получить высоты от 0,64 эВ до 0,84 эВ. Диоды с гораздо меньшими высотами можно получить при использовании титана и вольфрама. Еще одной проблемой,возникающей при формировании диода шоттки является возможность возникновения элементов их полей на краях контакта металл- п/п, что приводит к пробою диода. Для предотвращения пробоя применяют след. Конструкцию диодов Шоттки(рис.)

В конструкции а)по периметру контакта формируется охранное кольцо б)применяется директрическая прокладка по контуру контакта, в виде тонкого слоя СИО2 в) используется н+ионная имплантация

Технологически трудной при формировании качественного диодного контакта является необходимость воспроизводимого и контролируемого состояния физических свойств поверхности п/п на границе раздела. Для этого перед напылением металлической пленки в условиях вакуума производится ионно- плазменная очистка поверхности кремния.

Разм-ми резестивными областями и характиристиками распределения примесей по глубине диффузионного слоя . На Рисунке.

а)резистор на основе базового слоя

б)резистор на основе эмиттерного слоя

Удельное сопротивление проводящего слоя менять в диффузионном резисторе не представляя возможным ,т.к. это слои транзистора и они оптимизированы под него. Поэтому параметры диффузионного резистора меняются не за счет ТП-ов , а выбором конфигурации и геометрических размеров резисторов . На рисунке показаны типовые конфигурации.

Низкоомные резисторы (1 и 10-ки Ом) имеют форму а), где Кф=l/b<1 , Кф-коэфициент формы. Форма и размеры в конт-ых произ-ок выбираются так,чтобы сопротивление приконтактной области было значительно меньше сопротивления основной области.

Высокоомные резисторы имеют конфм-ю б)-е). В этих конф-ях Кф>1.

Контактные области имеют размеры определенные возможностями техники по созданию надежных контактов Ме с п/п-ом. Длина 1 однополоскового диффузионного резистора ограниченными размерами кристалла, а ширина в ограничениях минимальной шириной окна под диффуз. и боковой диффузией.

Разброс сопротивления диффузионного резистора 15-20% и сильно зависит от ширины резистора. Отклонения от номиналов у резисторов, распределенных на одном кристалле

за счет неточных технологий имеет один знак, поэтому соотношения сопротивлений сохраняются с высокой точностью. Аналогично ТКR (температурный коэффициент сопротивления) для отношения сопротивлений незначителен по сравнению с ТКR отдельных резисторов. Эту особенность диффузионных резисторов учитывают при разработке п/п-х МС.

Низкоомные резисторы (2-100 Ом) выполняют на основе эмиттерной области (сильнолегированнога и удельного сопротивление небольшое). На основе базовой области изготавливают резисторы с сопротивлением 0,1-20 кОм.

2)Пинч-резисторы.

При необходимости создания в ИС резисторов с большим сопротивлением используют пинч-резисторы (канальные,сжатые,закрытые). Они формируются на основе данной,слаболегированной области базового или коллекторного слоя с большим сопротивлением и малой площадью сечения(см. Рис.).

Максимальное сопротивление таких резисторов: 200-300 кОм при простейшей полосковой конфигурации.

Пинч -резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины данной части , а так же ТКR (большой) из-за меньшей степени легирования данной части.

У пинч-резисторов n и p слой обычно закорочены металлизацией и соединены с выводом, нахоодятся под большим положительным потенциалом.

Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах резистора.

Если закоротка отсутствует, то подачей на перекрывший слой обратного по отношению к резистивному слою смещения можно регулировать сопротивление за счет полевого эффекта. Однако эти резисторы имеют линейный участок ВАХ только до напряжения 1,5 В.

Пинч-резисторы на основе базовой области имеют пробивное напряжение 5-7 Вольт — пробивается эмиттерный переход. На основе коллекторного перехода 40-50 В (проби. Б-К).

3) Эпитаксиальные резисторы

Из трех областей транзистора коллекторная область имеет наибольшее удельное сопротивление,т.к. слаболегирована кроме этого эпитаксиальный слой легирован однородно, поэтому проводимость по всему сечению одинаковая в отличии от диффузионного резистора.

Эпитаксиальный резистор формируется разделительной диффузией и поэтому имеет характерное сечение (см. рисунок 1):

т. к. это диффузия самая продолжительная и точная регулировка её размеров затруднена, то разброс номиналов сопротивления эпитаксиального резистора очень большой. Кроме этого такие резисторы занимают очень большую площадь несмотря на высокое удельное сопротивление, т. к. велика площадь разделительной диффузии. Эти резисторы имеют высокое напряжение пробоя : больше 100 Вольт и большое ТКR из-за слабой легированости коллектора.

4) Ионно-легированные резисторы

Структура этих резисторов такая же как и у диффузионных резисторов, но глубина залегания ионно-легированных слоев всего 0,1-0,3 мкм.

Ионная имплантация обеспечивает малую концентрацию легированых примесей в слое. При соответствующем выборе дозы легирования и параметров параметров отжига номиналы сопротивлений могут быть в несколько сотен кОм при относительно малом ТКR и разбросе сопротивления +-10%/

См. рис 2:

ширина и толщина ионно-легированых резисторов больших номиналов может быть очень малой, что усложняет получение качественного омического контакта. Поэтому на краях резистора формируется диффузионные области p и n+ типа.

Сводная таблица различных типов резисторов(см. Рисунок 3):

Полупроводниковые конденсаторы.

Характеристики конденсаторов п/п типа невысокие. Эти конденсаторы имеют небольшую емкость ( Сmax<= 5000 pF) и низкую добротность (Q<10). Поэтому при проектировании электроных схем п/п-х ИМС конденсаторы стараются исключать. В ИС применяются следующие конструкции конденсаторов:

1) диффузионные конденсаторы на основе p-n переходов. Для их формирования

подходит любой из p-n переходов микросхемы. Возможны 4 варианта таких конденсаторов:

с1 – коллектор – подложка

с2 – база – коллектор

с3 – эмиттер- база

с4 – переход p-области изолирующей диффузии и области скрытого слоя

с1 ис4 не могут быть реализованы в МС с диэлектрической изоляцией. Кроме того, все эти конденсаторы оказываются замкнутыми по нижнему выводу на подложку, что сильно ограничивает сферу применения таких конденсаторов. Использование конкретного перехода определяется необходимыми значениями ёмкости, допустимой разницей потенциалов на переходе, полярностью потенциалов, между которыми включается конденсатор. Переход всегда должен находиться в запертом состоянии. Поэтому при гармонических воздействиях амплитуда переменного сигнала должна быть значительно меньше напряжения смещения перехода. При импульсном воздействии амплитуда импульса также не должна превышать напряжения смещения. В противном случае будет наблюдаться модуляция емкости конденсатора.

Сдиф

Uобр

Коллекторный переход используется наиболее часто для формирования диффузионного конденсатора(с2). Этот конденсатор имеет удельную емкость примерно 300 ПкФ/мм2 при рабочем напряжении 20 – 30 В.

Конденсаторы на основе эмиттерного перехода характеризуются максимальной удельной емкостью примерно 1000 – 1500 ПкФ/мм2. Однако такие конденсаторы небольшое пробивное напряжение 7-8 В. При низких рабочих напряжениях <= 5 В. Может применяться параллельное соединение конденсаторов, сформированных на основе эмиттерного и коллекторного переходов (см рис).

Конденсатор на основе перехода коллектор – подложка применяется только в том случае, когда по условиям работы нижняя обкладка, роль которой выполняет p – подложка, должна быть замкнута на землю по переменному току. Такой конденсатор характеризуется минимальной удельной емкостью, примерно равной 200 ПкФ/мм2, но максимально возможным пробивным напряжением > 100 В.

Температурная нестабильность емкости конденсаторов на основе p-n перехода в основном определяется нестабильностью диэлектрической проницаемости полупроводника и контактной разностью потенциалов .

2) МДП – структуры.

Эти конденсаторы особенно широко применяются в полупроводниковых МС. Они неполярные, имеют достаточно высокое напряжение пробоя и технологию изготовления, совмещенную с технологией изготовления остальных элементов ИМС (см рис.) Нижней обкладкой такого конденсатора служит эмиттерный слой, а верхней – металлическая пленка разводки.

Диэлектриком служат тонкие слои SiO2 или Si3N4. Нитри кремния даёт большую удельную емкость, но SiO2 более доступен и не требует дополнительных технологических операций. Толщина диэлектрика – 0,05 – 0,12 мкм. Тонкие пленки имеют повышенную дефектность, что снижает выход годных конденсаторов. Сильно легированный эмиттерный слой обеспечивает невысокие сопротивления потерь (3 – 5 Ом) и независимость емкости конденсатора от напряжения на обкладках. Разбро емкостей МДП конденсаторов в процессе производства определяется в основном точностю формирования толщины окисной пленки. Температурная нестабильность емкости определяется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости пленки и почти не зависит от линейного расширения.

Таблица видов конденсаторов…………..

Функционально – интегрированные элементы.

При классической компановке элементов в ИМС повышению степени интеграции и увеличению быстродействия препятствует большое число изолированных друг от друга активных и пассивных элемнтов, к каждому из которых должно быть сформировано контактное окно и проводящее соединение.

Одним из путей повышения быстродействия и степени интеграции является применение ФИЭ. ФИЭ упрощают конструкцию, сокращают длину соединенных проводников и число контактных окон. В ФИЭ одна и та же область полупроводниковой структуры выполняют несколько функций. Например, область базы или коллектора транзистора может одновременно использоваться и в качестве резисторов.

Классическим примером ФИЭ является ячейка Л( интегрально – инжекционная логика) (см.рис.). Здесь база многоколлекторного n – p – n транзистора является одновременно коллектором горизонтального p – n – p транзистора, а эмиттер n – p – n транзистора служит базой p – n – p транзистора.

С помощью ФИЭ в СБИС организуются цепи электропитания, в которых традиционные резисторы заменяются либо на диоды, либо на транзисторы, либо на инжекционные цепи (см.рис.).

В этой котструкции гр-ф VT3 рпр типо используется для питания VT1 и VT2. На поверх. соединениях имеются только функциональные мехэлем-е соединения. Шины электронит-я образ-ы подложно й и эпитаксиальн. слоем.

Пример 2: см. рисунок

Здесь сформулирован ПИН4- резистор прямо в коллекторной обл-и многоэллиторного кон-тр-а. Для этого одновременно с формированием диф-я примеси р-типо в коллект-ю обл-ть VT1. За счет этого уменьшилось поперечное сечение коллект-ой обл-и на пути к коллект-у выводу и образ-ся ПИН4- резистор.

Конструктивно-технологические выр-ы изоляции эл-ов MC-м друг от друга.

При отсутствии изоляции эл-и биполяры MC-м все окаж-ся электрическими связами между собой через подложку. Для изоляции исп-ся след-ия вар-ы:

1) Изоляция обратносмещ-м рп-перех-ом

Этот способ был исторически первым и по настоящее время самый распростарненный. Это объясняется по высокотехнологичностно. Операция создания разделительной диффузии органически вписыв-ся в ТП, не требует дополнительного оборудования и новых материалов.

См. рисунок

Недостатком данной конструкции является большая площадь изолир-ой области, которая сравнима по площади с самим тр-ом.

Частично этот недостаток устранен с помощью коллекторной разд-диффуз.

См. рисунок

Здесь изолированная область сформирована диффузией примеси n-типа на всю глубину эпитак. слоя до соприкосновения со скрытым n+ слоем и исп-ся в кач. коллект. области тр-ра. Изоляция эл-ов n/n –ых микросхем с помощью обратносмещ. рn- перех-ф имеет следующие недостатки:

*большая паразитн. ёмкость изомер-х рn-перех-ов

*появление дополнительных паразитн. эл-ов

*необходимость подачи на изолир-ий рn-перех спред. по величине и знаку напр смещ-я.

*наличие 4-ёхслойных стр-ур n-p-n-p и p-n-p-n (тиристорн. структуры), котор. обл. ПОС по понизир-го излучения будет происходить знач-е тр-ов из строя.

Эти недостатки не позволяют добиться существенных успехов в росте быстрод-я радиац-ой стойкости и стабильн. в широком интерв. темпер-р.

2) Изоляция диэл-ом

см. рисунок

а) б)

Пленка окиси кремния и непровод-ая подл-ка корд-ым образом устраняют недостатки, присущие изоляции рn- перех-ом. Однако для осущ. этого способа необходим довольно сложный ТП. Кроме этого труден подбор матер-ов для диэл-ой подложки, т.к коэффициент термич. расширения подложки и многокрист-го кремния должны совпадать, иначе будут невозможны опер-ии, связанные с нагревом.

Таким образом основные недостатки этого метода:

*сложн. ТП

*малый выход годных МС

*плохой отвод тепла от эл-ов в подложку, т.к темп-е сопр-е диэл-ка много больше теплового сопр-я кремния

*низкая водопроизв. парам-ов эл-ов

*высокая плотность дефектов в изомерных островках кремния

*трудность разводки в констр-ии кремний на диэс-ке из-за перепада высот рельефа

3) Комбинированная изоляция

Сочетает в себе технологичн. изоляции pn-перех-ом и высок. кач-во диэлектр. изоляции. В такой констр-ии эл-ы изолир-ы обратносмещ. pn-перех-ом со стороны подложим., а с боков- диэлетр-ом. Тиким образом изоляц. pn-перех-ом устран-ся в наиб-ее уязвимых местах –поверхносн. слое и с боков. Наиболее Растпространенные варианты:

см. рисунок:

а-локальное окисление по изопланарной технологии.

б-вертик-е анизотропные травл-е с последним заполнен. канавок. поликрист. кремнием (полипланарная технология)

Комбинир. изол-я нозв-я сущ-о уменьш. паразит. ёмк-и изолир. обл-ей на подложку за счет устранения боковых наиболее легир-ых участков pn-перех-ов , а так же устраняет токи утечки в обл-и вых-а pn-перех-а на поверхн.-П. В то же время при методе комб. сезол-ии удается обеспеч. хорош теплоотв-д и увелич. степень интеграции эл-ов за счет сокр-я площади под изол-ю.

Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 484; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!