Структура высоковольтных транзисторов достаточно простая, рис 13.2. Изоляция p—n переходом. Высокие рабочие напряжения достигаются выбором размеров и концентраций примеси в элементах структуры БТ. Рассмотрим подробнее элементы структуры высоковольтного БТ.
1. Скрытый n+ слой формируется диффузией сурьмы. Глубина скрытого слоя 4¸6мкм.
2. Эпитаксиальный слой n типа легирован фосфором с концентрацией примеси не более 1015см-3. Толщина скрытого слоя 15¸20 мкм.
3. Изоляция достигается встречной диффузией бора из скрытого p+ слоя и верхнего p – слоя разделения.
4. Глубокий коллекторный контакт получен диффузией фосфора.
5. Пассивная база легирована бором до высокой концентрации (больше 1019) и глубже активной базы на 1¸1,5 мкм. Вокруг базовой области расположено изолированное кольцо в слое пассивной базы.
6. Активная база и эмиттер сформированы в эпитаксиальном слое. Поликремниевые контакты не используются. Глубина эмиттера 1,5¸2,0 мкм, базы – 2,5¸3,0 мкм.
7. Контакты к полупроводниковым областям и металлизация первого уровня выполнены из алюминия, легированного кремнием.
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер ограничено двумя эффектами:
· «проколом» базы, то есть смыканием областей пространственного заряда коллекторного и эмиттерного переходов;
· ударной ионизацией в ОПЗ коллекторного перехода.
Для предотвращения «прокола» базы ширина активной базы и эмиттера ограничена 5¸6 мкм. ОПЗ пассивной базы смыкаются под эмиттером при высоких напряжениях и уменьшают обеднение активной базы.
Наибольшая напряженность электрического поля в коллекторном переходе наблюдается на границе с изолирующим диэлектриком и в углах базовой области. Для снижения напряженности поля форма базовой области модифицируется так, чтобы исключить прямые углы. Простейшее решение – это восьмиугольник с углами 135°. Охранное кольцо вокруг базы гальванически изолировано при низких напряжениях на коллекторе. При высоких напряжениях ОПЗ коллекторного перехода и охранного кольца смыкаются, и часть напряжения передается в охранное кольцо. Дальнейшее повышение напряжения приведет к расширению ОПЗ охранного кольца. Напряжение в промежутке между базой и охранным кольцом почти не изменится. Горизонтальные промежутки от охранного кольца до областей изоляции и коллекторного контакта выбираются почти равными вертикальному расстоянию от пассивной базы до n+ скрытого слоя. При высоких напряжениях ОПЗ коллекторного перехода полностью обедняет эпитаксиальный слой. В этом случае напряженность поля определяется только расстояниями между областями с высоким уровнем легирования. Равенство вертикальных и горизонтальных размеров ОПЗ обеспечивает максимальное пробивное напряжение транзистора.
Если высоковольтный транзистор работает в ключевом режиме, то его быстродействие ограничивается временем рассасывания неосновных носителей в коллекторной области. Для снижения этого времени в структуре создают высокую, но контролируемую концентрацию дефектов. Время жизни неосновных носителей снижается до уровня меньше времени диффузионного рассасывания. Контролируемые дефекты вносят одним из двух методов:
· Диффузионное легирование золотом с обратной стороны пластины. Коэффициент диффузии золота в кремнии столь велик, что примесь легирует весь объем пластины почти равномерно с концентрацией, близкой к пределу растворимости.
· Облучение уже обработанных пластин электронами высоких энергий (больше 1МэВ). После облучения требуется термостабилизация параметров структуры (400°С 30 мин), так как часть структурных дефектов рекомбинирует. Достоинство метода – хорошая управляемость и возможность повторения процесса.
Высоковольтные интегральные схемы работают при напряжениях до нескольких сотен вольт. Для напряжений выше 400В обычно используются устройства на основе дискретных полупроводниковых приборов, изготовленных с применением не планарных, а объемных физических структур.
13.4. p—n—p транзисторы для усилителей низкочастотных сигналов
Обработка сигналов разнообразных датчиков и усиление сигналов звуковых частот не требуют высокого быстродействия БТ. Лучшие схемотехнические решения получаются при использовании двух типов БТ – n—p—n и p—n—p. В усилителях низкочастотных сигналов обычно требуется достаточно большой динамический диапазон. Поэтому используются достаточно высокие напряжения питания от 10 до 40В. При таких рабочих напряжениях оптимальная структура n—p—n транзисторов приближена к структуре высоковольтных БТ. Отличия касаются только толщины и уровня легирования эпитаксиального слоя. Также отсутствует охранное кольцо вокруг базы.
Транзисторы c горизонтальным направлением тока p—n—p типа (латеральные транзисторы) формируются на основе элементов структуры n—p—n транзистора и не требуют дополнительных технологических операций, рис. 13.3. Эмиттер и коллектор реализованы в слое пассивной базы. Кольцевой коллектор окружает область эмиттера. Перенос носителей происходит в эпитаксиальном слое базы. Скрытый слой создает встроенное поле, которое препятствует диффузии дырок в подложку. Глубокий контакт к скрытому слою служит контактом к базе p—n—p БТ. Реально достижимые коэффициенты усиления тока в таком транзисторе от 10 до 40. Граничная частота усиления тока – несколько мегагерц. Напряжение Эрли менее 100В. Омическое сопротивление коллектора и эмиттера очень низкое – несколько Ом, поэтому очень мало остаточное напряжение насыщенного транзистора – менее 100мВ. Сопротивление – очень важный параметр для статических источников тока и напряжения.
В тех случаях, когда требуется высокое быстродействие p—n—p БТ, структуру микросхемы приходится усложнять и вводить в нее дополнительные элементы. Для того чтобы изолировать p—n—p БТ с вертикальным протеканием тока, требуется слаболегированный «карман» n –типа в подложке p-типа проводимости, рис. 13.4. Такой карман создается длительной высокотемпературной диффузией фосфора в подложку. Глубина кармана 8¸10 мкм. Далее маршрут изготовления микросхем идет по пути создания высоковольтных транзисторов. Коллекторная область p—n—p БТ соответствует области разделения, а эмиттер – пассивной базе n—p—n БТ. Для базовой области требуется дополнительная операция легирования фосфором. Глубина эмиттера 2,5¸3 мкм, базы 3,5¸4 мкм. Контакты к базе и коллектору дополнительно легируются вместе эмиттером и базой n—p—n БТ. Пробивное напряжение коллектор-эмиттер p—n—p транзистора меньше, а быстродействие примерно в три раза ниже, чем у расположенного рядом в том же кристалле n—p—n БТ. Тем не менее, получены удовлетворительные характеристики: пробивное напряжение коллектор-эмиттер более 20В, коэффициент усиления тока более 50, граничная частота усиления тока несколько сотен мегагерц.
13.5. Биполярные транзисторы в КМОП микросхемах
Современные тенденции развития технологии диктуют необходимость объединения биполярных и КМОП транзисторов в одной структуре. Такое объединение позволяет эффективно интегрировать аналоговые и радиотехнические блоки совместно со сложными цифровыми в составе одного кристалла. БиКМОП структура проектируется на основе типового маршрута биполярных или КМОП микросхем. Выбор типового маршрута определяется требованиями к аналоговым блокам. Для высоковольтных аналоговых блоков лучше подходит типовой маршрут биполярных микросхем. Для радиотехнических устройств удобнее типовой КМОП маршрут. Рассмотрим подробнее именно этот вариант.
Структура КМОП микросхемы на рис.12.1. содержит элементы, на основе которых должен быть построен высокочастотный n—p—n транзистор. NМОП транзистор с контактами к изолированному «карману» p-типа и области изоляции n-типа уже включает паразитный n—p—n транзистор. Измерения параметров такой биполярной структуры показывают низкий коэффициент усиления тока (1¸2) и недостаточный коэффициент инжекции эмиттера. Модификация КМОП структуры для получения биполярного n—p—n транзистора требует введения только одного дополнительного элемента – области эмиттерного легирования. Остальные элементы (скрытый слой, p — «карман») оптимизируются совместно для КМОП и биполярных транзисторов. На рис. 13.5. показано сечение биполярного транзистора рядом с NМОПТ.
Эмиттер БТ легирован дважды: фосфором (нижний слой) и мышьяком (контактный слой). Контакты к эмиттеру, базе и коллектору созданы одновременно с контактами к истокам и стокам КМОП транзисторов. Ширина эмиттера 1,2¸1,5 мкм, глубина металлургической границы эмиттерного перехода 0,45¸0,5 мкм. Глубина металлургической границы коллекторного перехода 0,65¸0,7 мкм. Ширина области электронейтральной базы около 0,1 мкм.
Загрузка...
