Технология производства

Разновидности микросхем ЭСЛ

Функциональные возможности микросхем серий ЭСЛ велики. В этих сериях наряду с ЛЭ и D-триггерами имеются дешифраторы, мультиплексоры, ЗУ и узлы арифметических устройств. Это обеспе­чивает их широкое применение в быстродействующих вычислителях.

Микросхемы ЭСЛ-типа изготавливаются, как правило, по планарно-эпитаксиальной технологии с межэлементной изоляцией p-n-переходами.

Сущность этой технологии состоит в том, что транзисторные структуры формируют локальной диффузией в эпитаксиальном слое n – типа, нанесённом на пластину p-типа, а изолирующие области создают путём проведения разделительной диффузии на всю глубину эпитаксиального слоя.

В качестве исходно могут использоваться любые кремниевые пластины. Возьмем наиболее общий случай, когда используются пластины кремния р-типа.

Вначале составляют партию пластин с одинаковыми геометрическими размерами и заданным удельным сопротивлением, обычно состоящую из 10 - 20 шт.

В отечественной промышленности используют пластины кремния диаметром 60 - 102 мм и толщиной 0,2 - 0,4 мм, с удельным сопротивлением 1-10 Ом·см. Пластины подвергают очистке путем химической обработки поверхности (последующим ее травлением и промывкой в деионизованной или дистиллированной воде (этот процесс повторяют перед каждой последующей операцией). Затем осуществляют процесс окисления поверхности пластин (создание маскирующего оксида) в однозонной диффузионной печи в атмосфере сухого или влажного кислорода или паров воды при температуре 1150°С.

1 — подложка р-типа; 2 — оксид кремния; 3 — скрытый слой n+ -типа;

4 — эпитаксиальный слой n-типа (коллекторные области); 5 — базовая область р-типа; 6 — эмиттерная область n+-типа; 7 — металлизация; 8 — конденсатор на основе оксида кремния; 9 — диод (Uкб = 0); 10 — биполярный транзистор;

11 — диффузионный резистор р-типа

Рисунок 2 - Последовательность формирования кристалла полупроводниковой ИМС по планарно-эпитаксиальной технологии

Первую фотолитографию проводят для вскрытия окон в слое маскирующего оксида кремния. Через окна в оксиде в две стадии на глубину 1-2 мкм проводят диффузию сурьмы или мышьяка, в результате формируется хорошо проводящая n-область под коллектором будущего транзистора. После этого удаляют оксид кремния со всей поверхности пластин, очищают пластины и осуществляют эпитаксиальное наращивание слоя кремния n-типа.

Для эпитаксиального наращивания используют, как правило, хлоридный метод в эпитаксиальных вертикальных реакторах при температуре ~ 1200°С.

При этом получают слои кремния толщиной 8-10 мкм, с удельным сопротивлением ОД - 1,0 Ом-см. На поверхности пластины с эпитаксиальным слоем повторным термическим окислением создают слой оксида толщиной 0,5-1 мкм.

С помощью процесса второй фотолитографии с определенных участков поверхности пластины селективно удаляют слой оксида - формируют окна в маскирующем слое под разделительную диффузию. В тех участках, с которых был удален слой оксида, путем разделительной диффузии бора в две стадии формируют изолирующие области р-типа. Первую стадию диффузии проводят при более низкой температуре (примерно 1100°С) в течение незначительного промежутка времени (единицы-десятки минут), вторую - при более высокой температуре (около 1200°С) в атмосфере сухого кислорода в течение времени, необходимого для проникновения бора на всю глубину эпитаксиального слоя. Тем самым создают коллекторные области n-типа, изолированные областями р-типа, причем распределение примесей в изолированных областях n-типа равномерное, а в изолирующих областях р-типа оно подчиняется закону Гаусса.

Для создания базовых областей транзисторов, резисторов и диодов в изолированные области n-типа проводят диффузию акцепторных примесей. Для этого в оксидном слое путем третьей фотолитографии создают окна с размерами, необходимыми для реализации элементов с требуемыми номиналами. Базовую диффузию проводят в две стадии. В качестве примеси используют бор.

Первая стадия (загонка) осуществляется при температуре 900 – 1000 °С (в зависимости от применяемого источника диффузанта) и начинается в среде аргона и кислорода, а заканчивается в инертной среде - подается один аргон без диффузанта Загонку осуществляют также ионным легированием. После этого путем травления в азотной или фтористой кислоте с поверхности пластин удаляют боросиликатаое стекло.

Вторая стадия (разгонка) проводится при более высокой температуре (1150°С) в окислительной среде, в результате чего происходит перераспределение бора на определенную глубину.

При этом создаются базовые области глубиной 2 - 3,5 мкм с удельным поверхностным сопротивлением 150 - 300 Ом/кв, а на поверхности пластин - слой оксида кремния. Затем формируют эмиттерные области n+-типа, которые служат эмиттерами транзисторов, катодами диодов, обкладками конденсаторов омическими контактами к коллекторным областям, а иногда и внутрисхемным соединениями.

Для этого пластины подвергают четвертой фотолитографии, за счет чего получают окна в оксидном слое под эмиттерные и контактные области кремнию n-типа. Формирование эмиттерных областей n+-типа осуществляете диффузией фосфора в одну или две стадии в кислородной среде. Диффузия фосфора проводится на глубину 0,8-2 мкм, при этом создаются высоколегированные области n+-типа, удельное поверхностное сопротивление которых составляет единицы Ом на квадрат. Независимо от стадийности процесс диффузии (одна или две) распределение примеси в этих областях подчиняете функции erfc.

Заканчивается процесс получения полупроводниковых структур ИМ созданием внутрисхемных соединений и формированием защитного покрова; Для этого вначале с поверхности пластины удаляют фосфоросиликатное стекло, затем поверхность пластин окисляют для получения защитного оксида толщине около 1 мкм. Этот слой оксида является также маскирующим при создании омических контактов металл - полупроводник. С этой целью методом пятой фотолитографии вскрывают окна в слое оксида под омические контакты, поверхность пластин тщательно очищают, а затем термическим испарением в вакууме на поверхность пластин наносят слой алюминия толщиной 1-1,5 мкм. Алюминий наносят равномерно на всю поверхность пластины, как на слой оксид; так и на участки, обработанные путем травления при фотолитографии.

Затем поверхность алюминия подвергают фотогравировке с помощью шестой фотолитографии, чтобы получить внутрисхемные соединения необходимой конфигурации и контактные площадки; термообработка пластин дает хорошие контакты. На заключительном этапе наносят защитный слой оксида кремния и фотолитографией в нем вскрывают окна к контактным площадкам. На этом этапе заканчивается процесс формирования кристаллов ИМС.

В производственных условиях после каждого этапа формирования ИМС осуществляют контроль. Так, после фотолитографии очистки, окисления пластины подвергают 100%-ному контролю визуально. Диффузионные области контролируют после фотолитографии путем измерения удельного поверхностного сопротивления или снятия ВАХ на образцах-спутниках либо по тестовым ячейкам. Пластины с готовыми микросхемами контролируют на функционирование с помощью зондовых установок. Забракованные микросхемы метят краской. После такого контроля пластины поступают на разделение на кристаллы, годные из них - на сборку.

Основными недостатками данного типового процесса изготовления ИМС являются случаи перераспределения примесей в ранее сформированных областях при последующих высокотемпературных операциях, что необходимо учитывать при расчетах и проектировании, а также наличие паразитных емкостей и токов утечки изолирующих p-n-переходов, что особенно сказывается в быстродействующих и микромощных цифровых и высокочастотных аналоговых микросхемах.

4. СХЕМОТЕХНИКА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭСЛ

Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) имеют наибольшее быстродействие, достигшее в настоящее время субнаносекундного диапазона. Особенность ЭСЛ в том, что схема логичес­кого элемента строится на основе интегрального дифференциального усилителя (ДУ), транзисторы которого могут переключать ток и при этом никогда не попадают в режим насыщения.

На рис.1, а показана основа логического элемента DD1—переклю­чатель тока I0. Если входным сигналом ∆Uвх открыть транзистор VT1, через него потечет весь ток I0 , вытекающий из общей точки связанных эмиттеров Э. На коллекторе транзистора VT1 окажется напряжение низкого уровня. В этот момент транзистор VT2 тока не имеет, он вы­нужденно находится в состоянии отсечки. На его коллекторе присутству­ет напряжение высокого уровня.

Наличие генератора стабильного тока (ГСТ) принципиально: с его помощью строго фиксируются выходные логические уровни.

В отличие от аналоговых применений дифференциального усилите­ля, когда стремятся использовать разность напряжений Uвых между коллекторами, цифровая микросхема, переключающая ток I0, снабжается двумя инверсными выходами логических уровней Q и Ǭ, где выделяются напряжения высокого UQ и низкого UǬ уровней.

Рисунок.3. Исходные схемы для элемента ЭСЛ: а — дифференциальный каскад — переключатель тока; б —переключатель тока с опорным входом; в — тоже с выходными эмиттерными повторителями; г — двухвходовый элемент.

На рис.3,6 показан простейший одновходовой элемент ЭСЛ. Новым в развитии элемента DD1 (рис.3, а) здесь является источник опорного напряжения Uоп. Это напряжение фиксирует порог срабатывания переключателя тока. Тем самым дифференциальный усилитель превра­щается в логический элемент. У него теперь два состояния выходов, которые переключаются лишь при условиях: Uвх>Uоп или Uвх<Uоп. Однако при проектировании ЭСЛ ставилась задача: получить сверхскорост­ную логику. В схеме (рис. 3,6) этого достичь нельзя, так как выходное сопротивление выходов Q и Ǭ велико, оно приближается к номиналу RK.

Для снижения выходного сопротивления к коллекторным выхо­дам подключаются эмиттерные повторители-транзисторы VT3 и VT4, работающие в линейном режиме (рис.3, в). Теперь выходное сопро­тивление эмиттерного выхода принципиально уменьшается;

(1)

где (В+1)—коэффициент усиления транзистора — эмиттерного повто­рителя по току. Эмиттерные выходы чаще делаются «открытыми», что­бы можно было их соединять в элементы «монтажное ИЛИ». Кроме то­го, внутренние нагрузочные резисторы рассеивают большую мощность, чем сильно ухудшают тепловой баланс корпуса ЭСЛ. Во многих случаях ие обязательно отбирать от повторителей VT3—VT4 максимальный ток. Сопротивление внешнего нагрузочного резистора Rоп можно выбрать самостоятельно в широких пределах, например от 300 Ом до 30 кОм.

На рис.3, г показан следующий шаг развития схемотехники ЭСЛ: для получения нескольких логических входов следует использовать один пороговый транзистор (в схеме он составной: VT3—VT2) и несколько параллельно соединенных входных транзисторов. В данном случае ло­гическую функцию входов А и В реализуют транзисторы VT4 и VT1. В современных ЭСЛ логические входы снабжаются внутренними резис­торами утечки Rвх ≈50 кОм. Такой резистор, во-первых, позволяет ос­тавлять неиспользуемые логические входы свободными, неприсоединенными; во-вторых, эти резисторы служат предыдущим элементам ЭСЛ нагрузками для их выходных эмиттерных повторителей. В правой час­ти схемы (рис. 3, г) показан простейший источник порогового напря­жения Uоп (резисторы Rl, R2 и диоды VD1, VD2), который вырабаты­вает опорное напряжение 4,6 В. Он снабжен эмиттерным повторителем VT3 для увеличения нагрузочной способности.

Отметим дальнейшую принципиальную особенность микросхем ЭСЛ: они питаются отрицательным напряжением — Uи.пэ (т. е. напряжение подается от эмиттеров), причем коллекторные цепи заземляются. Этим способом повышается помехоустойчивость ЭСЛ. Ток потребления 1ПОт вытекает из микросхемы в источник.

На рис. 2, а показана передача сигнала Uс от эмиттерного повто­рителя VT3 из элемента-источника DD1 (ЛЭИ) на базовый вход тран­зистора VT1 в логическом элементе-приемнике DD2 (ЛЭП). Видно, что большой ток потребления Iпот, протекающий по относительно тонкому проводнику коллекторного питания Uи.пK, имеющему определенное по­гонное сопротивление Rп, даст напряжение помехи ∆Uп, которое в сум­ме с сигналом Uс поступит на вход А2 элемента DD2.

Из этого обстоятельства следует два вывода: во-первых, коллекторная шина питания делается большого сечения и заземляется (дается нуль потенциала, см. рис.4,б); во-вторых, разъединяются коллектор­ные цепи переключателя тока и эмиттерных повторителей (рис.4, а). Корпус ЭСЛ имеет, таким образом, два вывода коллекторного питания Uи.пК1 и U и пК2 и один вывод эмиттерного —Uи.пЭ = —5,2 В.

Рисунок 4. Способы подачи питания на ЭСЛ: а — с заземленными эмиттерами;

б — с нулевой коллекторной шиной; е — с раз­дельными коллекторными выводами

К помехам, возникающим в шине эмиттериого питания — Uи.пЭ, переключатель тока — дифференциальный усилитель — менее чувствите­лен, так как в эмиттерной цепи присутствует генератор стабильного то­ка, который фиксирует ток I0, не позволяет ему изменяться, если меня­ется напряжение источника эмиттерного питания — Uи.пЭ (что равно­ценно помехе).

Чем выше качество схемы ГСТ, тем значительнее ДУ ослабляет эмиттерный синфазный сигнал помехи. Желательно, чтобы ток ГСТ не зависел как от пульсаций по шине — UH ng, так и от изменений темпе­ратуры.

Учитывая вышеизложенную последовательность схемотехнического развития, нетрудно проанализировать полную схему элемента ЭСЛ се­рии К500 (рис 5, а). На рис. 5, б показано включение этого элемента, причем внешние резисторы нагрузки RH следует присоединять, если дан­ный элемент работает как оконечный. Таким образом, все логические уровни ЭСЛ имеют место в отрицательной области потенциалов («под землей»). Такие логические уровни непосредственно не совместимы со схемами ТТЛ и КМОП, что считается большим недостатком ЭСЛ. Оба коллекторных вывода Uи.пК1 и Uи.пК2 присоединяются к нулевой шине (или поверхности) печатной платы.

На рис.5, в показана схема, позволяющая снять выходных напряжений UQ и UǬ от изменения входного зависимости напряжения Uвх, которое будем изменять с помощью потенциометра R1. Полученная зависимость представлена на рис.5, г. Видно, что амплитуда выход­ных импульсов

Рисунок 5- Логический элемент ЭСЛ серии К.500: a -принципиальная схема; б — включение; в — схема для снятия переключа­тельных характеристик; г — переключательные характеристики для выходов Q и Q; д — временная диаграмма

микросхем ЭСЛ (см. также осциллограмму, рис.5, д) примерно равна 0,9 В. Выходные импульсы симметричны относительно потенциала —1,2 В. Каждый логический элемент из микросхемы серии К500 потребляет статическую мощность Рпот = 25 мВт, имеет время за­держки распространения tзд.р.ср = 2 нс, что дает в итоге энергию, по­требляемую на переключение Эпот=50 пДж.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



double arrow
Сейчас читают про: