Конструктивно-технологических факторов на электрические параметры ИМС

Важнейшими характеристиками качества ИМС являются: ин­формационная плотность; быстродействие или максимальная так­товая частота; плотность упаковки, оцениваемая числом элементов на 1 см²; рассеиваемая мощность; энергия переключения; надеж­ность, определяемая числом отказов в единицу времени; выход годных изделий.

Имеется множество разновидностей биполярных ИМС: ДТЛ— диодно-транзисторная логика; ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика; ЭСЛ —эмиттерно-связанная логика; ТТЛШ— транзистор­но-транзисторная логика с диодами Шотки; И²Л — интегральная инжекционная логика и др. Среди этих ИМС каждый тип занимает вполне определенное место, обусловленное его характеристиками. Трудно назвать какой-либо один из них, который бы превосходил другие по всем параметрам. Однако можно проанализировать об­щее влияние различных конструктивно-технологических факторов на основные параметры элементов биполярных ИМС и таким обра­зом связать физико-технологические факторы производства ИМС с электрофизическими характеристиками элементов структуры ИМС.

Наиболее высокое быстродействие ИМС достигается за счет предельно возможного уменьшения значений следующих физиче­ских параметров структуры: времени переноса носителей заряда через транзисторные области (эмиттер, базу, коллектор); времени перезарядки барьерных емкостей р —n-переходов; времени задерж­ки передачи сигнала по соединительным шинам. Последний фактор практически не зависит от типа транзисторов, используемых в ИМС.

Оценка минимальных значений времени переноса носителей за­ряда через область объемного заряда коллектора при ее ширине порядка 0,03 мкм дает значение 3• 10^-13 с. Время пролета области базы шириной 0,1 мкм также равно 3• 10^-13 с. Скорость носителей заряда в р — n-переходе эмиттер — база шириной 0,02 мкм со­ставляет около 0,5• 10⁷ см/с. Соответствующее время их пролета ^τпр_ЭБ =4• 10^-13 с. Следовательно, полное время пролета составит 10^-12 с.

Постоянную времени перезарядки τ_л барьерных емкостей мож­но оценить по формулам для расчета RС-цепей. Принимая для транзистора с минимальными размерами сопротивление базы R_Б =10³ Ом, а усредненную емкость коллектора Ск=10^-15 Ф при емкости коллекторно-базового р — n-перехода С_КБ=Ю^-16 Ф, по­лучим τ_п≈ 2,3RC= 2,3 • 10^-12 с.

Время задержки распространения сигнала по соединительным шинам определяется скоростью сигнала, ограниченной фазовой скоростью электромагнитных волн.

С учетом значений ε для диэлектриков и полупроводников мож­но принять, что скорость электромагнитных волн v на порядок меньше скорости света, т. е. v ≈3 • 10⁹ см/с. Поскольку время за­держки распространения сигнала по шинам не должно превышать минимального времени задержки переключения транзистора (око­ло 10^-12 с), можно оценить максимальную длину межсоединений в кристалле: L_mах= v т_пр=3 • 10⁹ • 10^-12=3 • 10^-3 см=30 мкм.

На предельное значение минимальных размеров транзисторных структур в ИМС серьезное влияние оказывают не только разре­шающая способность ТП литографии, легирования и других, но и статистическая флуктуация концентраций легирующих примесей, сечения межсоединений, которые должны иметь плотность тока не выше 10⁵ А/см², что тесно связано с допустимой рассеиваемой мощ­ностью.

Для получения структур высокого качества необходимо ру­ководствоваться следующими соображениями.

1. Для того чтобы увеличить коэффициент усиления транзис­торной структуры по постоянному току в схемах с общим эмитте­ром, следует превысить уровень легирования эмиттера над уров­нем легирования базы. Однако это превышение не должно быть большим во избежание сужения запрещенной зоны, приводящего к снижению эффективности эмиттера.

2. Глубина эмиттерного перехода должна быть как можно меньше (0,1... 0,2 мкм), однако ограничение ее минимума связано с необходимостью создания омического (невыпрямляющего) кон­такта к области эмиттера. Для мелких р — n-переходов кремние­вых ИМС материалами контактов служат металлы (А1) или спла­вы (Al — Si), образующие минимальный барьер с кремнием. Часто в качестве подслоев под алюминий применяются титан и ванадий.

3. Уменьшение емкости эмиттерного перехода достигается уменьшением его площади, ограничиваемой допустимой плотностью тока, которая для кремния не должна превышать 10³ A/см².

Поэтому получение резких (крутых) р — n-переходов заметно снижает емкость эмиттера.

4. Сопротивление базы, включающее активную и пассивную со­ставляющие, а также сопротивление контакта, следует уменьшать.

5. Для предельно возможного уменьшения ширины базы необ­ходимо использовать жестко управляемые диффузию или ионное легирование. Совершенствование диффузионной технологии позво­ляет получать ширину базы 0,1 мкм, а применение ионной имплан­тации уменьшает это значение до 0,05 мкм.

6. Емкость коллекторного перехода уменьшается снижением площади коллектора, насколько это возможно с точки зрения тре­бований к значению рабочего напряжения и уровню легирования коллектора.

7. Уменьшить сопротивление коллектора можно, используя тон­кие эпитаксиальные слои.