Проектирование интегрального параметрического стабилизатора напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Микроэлектроника»

Тема: Проектирование интегрального параметрического стабилизатора напряжения



Параметры элементов:

U_ст = 9В, I_ст = 50 мА, К_ст = 300

R₁ = 1±0.1 кОм,

VT:; U_КБ ? 20 В.



Содержание

Введение

1. Стабилизаторы напряжения в интегральных схемах

1.1 Характеристики стабилизаторов

1.2 Интегральные схемы в устройствах стабилизации

1.3 напряжения питания

1.4 Особенности интегральных стабилизаторов

1.5 Кремниевый стабилитрон

1.6 Простейший параметрический стабилизатор напряжения

1.7 Транзисторные стабилизаторы напряжения

2. Методы изоляции и технологии изготовления интегральных схем

2.1 Изоляция p-n переходом

2.1.1 Стандартная технология

2.1.2 КИД-технология

2.1.3 БИД-технология

2.1.4 Технология на основе двойной диффузии

2.1.5 Технология на основе трех фотошаблонов

2.2 Диэлектрическая изоляция

2.2.1 ЭПИК-технология

2.2.2 Декаль-технология

2.2.3 КНС-технология

2.3 Комбинированная изоляция

2.3.1 Изопланарная технология

2.3.2 Эпипланарная технология

2.3.3 Полипланарная технология

3. Электрическая схема разрабатываемого элемента

4. Расчет составных элементов

5. Топология разрабатываемой ИМС

6. Разработка профильной схемы технологического маршрута ИМС

7. Комплект фотошаблонов к топологии

Заключение

Список литературы

Введение

Общеизвестно, что к преждевременному выводу из строя электрооборудования часто приводят периодические скачки напряжения, происходящие по различным причинам, например, в связи с авариями на подстанциях и линиях электропередач, использованием устаревших трансформаторов и проводов. Современная бытовая электроника допускает отклонения параметров электропитания не более чем на 10% от номинала, но даже в крупных городах электросети не всегда гарантируют выполнение этих требований. Из-за этого бытовые электроприборы начинают работать нестабильно, ухудшаются их потребительские характеристики, возможны даже серьезные поломки

Требования к допустимой нестабильности напряжений определяются типом аппаратуры и ее назначением. Для питания задающего генератора передатчика или какого-либо прецизионного прибора допустимая нестабильность намного меньше, чем для обычного усилителя. Для обеспечения заданной стабильности напряжения необходим стабилизатор -- устройство, поддерживающее на своем выходе заданные значения напряжений с заданными допустимыми колебаниями при изменениях входного напряжения и сопротивления нагрузки,

В отдельных случаях кроме постоянства питающего напряжения требуется и постоянство тока. Для поддержания постоянства тока служат стабилизаторы тока. Стабилизаторы напряжения и тока часто называют автоматическими регуляторами напряжения и тока.

Задачей данного курсового проекта является разработка топологии ИМС параметрического стабилизатора напряжения и технологического маршрута производства в соответствии с данным техническим заданием.

1. Стабилизаторы напряжения в интегральных схемах

1.1 Характеристики стабилизаторов

Стабильность выходного напряжения зависит от изменений входного напряжения, частоты, температуры окружающей среды, нестабильности элементов самого стабилизатора, сопротивления нагрузки. Для оценки качества работы стабилизаторов вводятся понятия коэффициентов стабилизации по напряжению и току:

; (1)

где --коэффициент стабилизации по напряжению; -- коэффициент стабилизации по току;

;

;

.

, , -- соответственно входное и выходное номинальные напряжения и номинальный выходной ток стабилизатора (ток нагрузки).

Коэффициенты стабилизации показывают, во сколько раз относительное изменение выходного напряжения (тока) меньше относительного изменения входного напряжения (тока). Величина коэффициента стабилизации для различных типов стабилизаторов колеблется от нескольких единиц до нескольких тысяч. Коэффициент стабилизации может быть приведен для медленного (плавного) изменения напряжения сети (статическая нестабильность) и для скачкообразного изменения (динамическая нестабильность). Также может быть указан уход (временной дрейф) выходного напряжения за определенное время, например за 8 ч работы (обычно это относится к источнику питания в целом).

Важным параметром работы стабилизатора является его температурный коэффициент по напряжению (ТКН или ), характеризующий изменение выходного напряжения или тока нагрузки:

, при (2)

Стабилизатор характеризуется также коэффициентом сглаживания пульсаций

, (3)

где , -- соответственно амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения на входе и выходе стабилизатора; , -- постоянные составляющие напряжения на входе и выходе стабилизатора. Коэффициент сглаживания характеризует способность стабилизатора снижать пульсации выпрямленного напряжения.

Еще одной характеристикой является выходное сопротивление, общее выражение для которого имеет вид:

, (4)

где -- выходное напряжение холостого хода, т.е. без нагрузки; -- ток в выходной цепи при коротком замыкании.

Для стабилизаторов переменного тока, в которых важна неискаженная форма выходного напряжения, вводится понятие коэффициента нелинейных искажений.

Для полной характеристики стабилизаторов необходимо знать КПД, т. е. отношение выходной мощности ко входной. КПД в зависимости от принципа построения, схемного решения, высокой мощности может быть от нескольких процентов до 90%.

Стабилизаторы можно классифицировать по мощности, принципу действия, точности поддержания выходного напряжения, назначению и области применения. Стабилизаторы бывают общего назначения и специальные. К первым можно отнести стабилизаторы, например, для питания телевизоров, а ко вторым стабилизаторы в источнике питания задающего генератора передатчика или для прецизионной контрольно-измерительной аппаратуры.

По мощности стабилизаторы подразделяются на маломощные (до 50 Вт), средней (до 2 кВт) и большой мощности (свыше 2 кВт).

По принципу действия стабилизаторы подразделяются на параметрические, компенсационные и импульсные.

1.2 Интегральные схемы в устройствах стабилизации напряжения питания

Повышенная точность работы электронной системы может быть достигнута лишь в том случае, если все устройства, входящие в нее, будут иметь стабильные передаточные функции. Все усилительные параметры и уровни ошибок интегральных схем в определенной мере зависят от питающих напряжении. Как показывает опыт, для аппаратуры, построенной на большом количестве ИС, при изменениях питающих напряжений могут возникать значительные ошибки. Чем сложнее электронная схема, тем сильнее ее параметры зависят от питающих напряжений.

Аналогичная ситуация имеет место и для устройств, выполненных на цифровых интегральных схемах, несмотря на стандартность их логической функции. В цифровых устройствах при значительных колебаниях питающих напряжений может снижаться помехоустойчивость. Этот эффект определяется нестабильностью линейного режима, в котором находится ключевая схема в момент смены состояний.

Большая потребность в стабилизаторах питания для обслуживания аппаратуры, выполненной на интегральных схемах, привела к тому, что были разработаны и внедрены специальные ИС -- стабилизаторы напряжения. Заметим, что схемы повышенной сложности (компараторов, радиочастотных линеек) снабжают собственными внутренними стабилизаторами питающих напряжений или токов.

1.3 Особенности интегральных стабилизаторов

Интегральные схемы, работающие в режиме стабилизации питающих напряжений, имеют следующие особенности. В интегральном исполнении преобладают так называемые последовательные стабилизаторы напряжения. Они могут иметь непрерывный или импульсный режимы управления. Схемы с импульсным управлением по-другому называются ключевыми стабилизаторами напряжения. Стабилизаторы могут строиться для положительных или отрицательных напряжений питания. Если разнополярные стабилизаторы обслуживают устройство, выполненное на интегральных ОУ, то они размещаются непосредственно на этой монтажной плате. Выходное напряжение интегрального стабилизатора может быть меньше или больше, чем напряжение, выделяющееся на интегральном стабилитроне или на схеме, синтезирующей опорное напряжение. Для обслуживания блоков, собранных на цифровых ИС, конструируются специальные стабилизаторы, рассчитанные на напряжение 5 В, но генерирующие значительные токи (сотни миллиампер).

Интегральные стабилизаторы появились относительно поздно отчасти потому, что их очень трудно спроектировать многофункциональными, чтобы удовлетворить разнообразные требования потребителей. От различных систем питания требуются разные напряжения, токи и коэффициенты стабилизации, в то же время уровни токов, генерируемых монолитными ИС, ограничены, так как для мощных структур необходимы кристаллы увеличенных размеров (соответственно необходимы сложные многовыводные корпуса с увеличенной мощностью рассеяния).

Интегральные стабилизаторы постоянно совершенствуются. Схемотехника такой ИС по сложности соответствует ОУ, причем внутри кристалла стабилизатора существует сильная тепловая обратная связь. К интегральному стабилизатору желательно подключать наименьшее количество обслуживающих элементов. С этой точки зрения наиболее перспективны стабилизаторы, имеющие всего три вывода: вход, выход и общий полюс. Трехвыводные стабилизаторы имеют меньшую универсальность применения, но рассчитаны на повышенную мощность, для них не требуются дополнительные проходные транзисторы. Эти стабилизаторы смонтированы в корпусах мощных транзисторов, имеющих два или три изолированных вывода. Однако появлению этих ИС предшествовало широкое распространение относительно маломощных универсальных ИС.

1.4 Кремниевый стабилитрон. Простейший параметрический стабилизатор напряжения

Структура принципиальной схемы стабилизатора во многом определяется типом опорного элемента -- стабилитрона. В настоящее время для интегральных стабилизаторов используются три типа опорных элементов: пробивной стабилитрон с напряжением примерно 6,3 В, низковольтный термокомпенсированный источник с напряжением 1,8 В, также основанный на пробивном стабилитроне, и опорный элемент без пробивного диода, основанный на генераторах стабильных токов.

Наиболее просто в качестве стабилитрона использовать переход база--эмиттер стандартного интегрального транзистора [2]. При обратном смещении этот переход пробивается при напряжении ~5-6 при лавинном механизме и при напряжении ~2-5 В при туннельном механизме пробоя, причем температурный коэффициент опорного напряжения .

На рис. 1.1. (а) показана схема включения стабилитрона, а на рис. 1.1. (б) -- его эквивалентная схема, из которой видно, что опорное напряжение U_oп выделяющееся на стабилитроне, суммируется из ЭДС Е_оп и падения напряжения от тока I_ст, протекающего через стабилитрон. Оно выделяется на внутреннем сопротивлении диода R_D. По данному эквиваленту можно сделать два важных для проектирования схем стабилизаторов вывода: ток стабилитрона I_ст следует устанавливать минимальным и обязательно фиксировать.

Рис. 1.1. Включение планарного интегрального транзистора в режиме стабилитрона (а) и его эквивалентная схема (б)

На рис. 1.2. (а) представлена вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона, на рис. 1.2, (б) -- ее наиболее распространенное начертание (сплошная линия отражает нормальную температуру t₁, штриховая -- повышенную температуру t₂). При подведении к полупроводниковому стабилитрону прямого напряжения он ведет себя как обычный полупроводниковый диод (рис. 1.2, б). Обратная ветвь вольт-амперной характеристики совпадает с аналогичной характеристикой обычного диода, пока приложенное обратное напряжение меньше напряжения пробоя.

Рис. 1.2. Вольт-амперные характеристики полупроводникового стабилитрона

Когда напряжение становится равным напряжению электрического пробоя (точка 1), стабилитрон открывается и проходящий через него ток (ток стабилизации) будет определяться сопротивлением нагрузки. В этом состоянии кремниевый стабилитрон может находиться продолжительное время, если мощность рассеивания на нем не превышает допустимой. При превышении максимально допустимого тока стабилизации наступает необратимый тепловой пробой, стабилитрон теряет свои стабилизирующие свойства и выходит из строя. Таким образом, при применении кремниевых стабилитронов используется участок обратной ветви вольт-амперной характеристики (участок между точками 1 и 2). Стабилитроны включаются в электрическую схему полярностью, противоположной полярности обычных выпрямительных диодов.

На рис. 1.3. приведена схема включения полупроводникового стабилитрона (простейший вариант стабилизатора напряжения). При изменении входного напряжения изменяется ток в стабилитроне. Если входное напряжение U_вх увеличилось, то ток I_ст через стабилитрон увеличивается, при этом увеличивается падение напряжения на балластном или гасящем резисторе R_Г а напряжение U_вых на стабилитроне и, следовательно, на нагрузке R_н остается постоянным. Сопротивление R_Г берется таким, чтобы падение напряжения на нем составляло (0,5 ч 3,0) U_вых. В таком стабилизаторе КПД составляет 20--30%, коэффициент стабилизации -- 20--50.

Далее следует заметить, что поскольку общий ток практически неизменен, увеличение выходного тока сопровождается уменьшением тока стабилитрона. При коротком замыкании выходных зажимов (R_н = 0) получаем I_ст = 0, т.е. диодный стабилизатор «не боится» коротких замыканий на выходе. Эта особенность свойственна всем стабилизаторам параллельного типа, у которых регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

Рис. 1.3. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения на опорном диоде (стабилитроне)



Для увеличения коэффициента стабилизации применяют каскадное включение стабилитронов. Для этого на выходе приведенной схемы включаются еще один балластный резистор и стабилитрон с более низким напряжением стабилизации. Общий коэффициент стабилизации будет равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных стабилизаторов. При этом резко уменьшается КПД. Например, при двухкаскадном включении стабилизаторов с КПД, равным 25%, общий КПД равен нескольким процентам.

Рис. 1.4. Схемы параметрических стабилизаторов напряжения с термокомпенсацией

Параметры кремниевых стабилитронов сильно зависят от температуры окружающей среды, что вызывает необходимость специальной термокомпенсации. У кремниевых стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации увеличивается, т. е. они имеют положительный температурный коэффициент по напряжению (ТКН). Включение в стабилизатор элементов R_t° с отрицательным ТКН позволяет уменьшить влияние температуры (рис. 1.4. а). В качестве термокомпенсирующего элемента используются обычные полупроводниковые диоды либо кремниевые стабилитроны, включенные в прямом направлении (рис. 1.4, б). В отличие от стабилитрона, включенного в обратном направлении, кремниевый стабилитрон, включенный в прямом направлении, имеет отрицательный ТКН. Так как изменение напряжения стабилизации с ростом температуры превышает изменение прямого падения напряжения на одном стабилитроне, для полной компенсации используются несколько стабилитронов. Термокомпенсирующими элементами часто служат полупроводниковые термосопротивления с отрицательным ТКН (термисторы). Для увеличения выходного напряжения стабилитроны включаются последовательно. Из-за разброса напряжения стабилизации параллельное включение кремниевых стабилитронов недопустимо. В этом случае стабилитрон с более низким напряжением стабилизации оказывается перегруженным по току.

1.5 Транзисторные стабилизаторы напряжения. Компенсационные стабилизаторы

Стабилизатор имеет структуру эмиттерного повторителя: нагрузка включена в цепь эмиттера, а на базу вместо переменного сигнала подано постоянное опорное напряжение U_оп. Источником опорного напряжения обычно служит диодный стабилизатор.

, (5)

т.е. выходное наряжение определяется значением опорного напряжения.

Если пренебречь базовым током, то входной и выходной токи практически одинаковы: . Следовательно, увеличение тока нагрузки влечет за собой такое же увеличение коллекторного тока и тем самым - мощности, рассеиваемой в транзисторе. Очевидно, что короткое замыкание на выходе недопустимо, т.к. приводит к перегрузке транзистора. Этот вывод относится ко всем стабилизаторам последовательного типа, у которых регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. Во избежание перегрузки мощные стабилизаторы последовательного типа снабжают специальной системой защиты.

Выходное сопротивление данного стабилизатора такое же, как у эмиттерного повторителя.

Из того, что сопротивление опорного элемента мало, и выходное сопротивление растет с уменьшением тока и по мере приближения к режиму холостого хода может достигать неприемлемых значений. Чтобы сгладить зависимость выходного сопротивления от тока нагрузки, можно включить параллельно нагрузке (до выходных зажимов) постоянный шунт. Этот шунт обеспечит некоторый остаточный эмиттерный ток даже при холостом ходе.

Если пренебречь сопротивлением коллекторного перехода, т.е. положить , то приращение не будет проникать в базовую и эмиттерную цепи транзистора, поскольку в коллекторной цепи находится идеальный источник тока (рис. 1.5 б). В этом случае .

С учетом сопротивления приращение выходного напряжения в зависимости от можно записать в виде следующих соотношений:

,

,

где в правых частях стоят коэффициенты передачи соответствующих резистивных делителей напряжения.

Подставляя соотношение в (1), получаем коэффициент стабилизации:

. (6)

Рассмотрим теперь более сложную схему. На рис. 1.6. приведена схема транзисторного стабилизатора с последовательным включением регулирующего элемента в виде транзистора Т₁. Напряжение между базой и эмиттером усилительного транзистора Т₂.определяется разностью между напряжением опорного диода Д₁ и напряжением, снимаемым с делителя R₄, R₅ . Опорное напряжение кремниевого стабилитрона выше напряжения делителя, благодаря чему транзистор Т₂ открыт. При неизменном входном напряжении коллекторный ток через транзистор Т₂ будет постоянным и напряжение, поступающее с коллекторной нагрузки R₁ на базу регулирующего транзистора Т₁ также будет постоянным.

Рис. 1.6. Схема транзисторного стабилизатора компенсационного типа

Изменение входного напряжения приводит к изменению напряжения на коллекторной нагрузке транзистора Т₂, что в свою очередь приводит к изменению внутреннего сопротивления транзистора Т₁, и падению напряжения на нем. Для нормальной работы стабилизатора режим работы транзисторов необходимо выбрать так, чтобы при номинальных входном напряжении и токе нагрузки их рабочие токи соответствовали середине линейных участков вольт-амперных характеристик. Применение составных транзисторов в качестве регулирующего элемента приводит к увеличению коэффициента стабилизации. В этом случае возрастает общий коэффициент усиления по току, равный произведению коэффициентов усиления составляющих транзисторов, и уменьшается выходное сопротивление стабилизатора. Увеличением числа составных транзисторов практически нельзя получить сколь угодно большой коэффициент стабилизации, так как его величина сильно зависит от температуры окружающей среды. При изменении температуры на 1°С коэффициент стабилизации меняется примерно на 0,05--0,08%. Для уменьшения воздействия температуры используют термо-компенсирующие элементы, например кремниевые стабилитроны, которые включают в прямом направлении в плечо делителя R₄, R_3.

Низкий КПД является основным недостатком компенсационных стабилизаторов. Чем глубже регулирование выходного напряжения, тем ниже КПД.

Интегральные стабилизаторы напряжения представляют собой сложные стабилизаторы компенсационного типа, выполненные в виде микросхем. Они дают возможность по-новому подходить к вопросам электропитания крупных радиосистем, так как позволяют индивидуальную установку стабилизаторов на каждой съемной плате, а где не требуется стабильность напряжений, применять нестабилизированные источники.

В настоящее время промышленностью выпускаются стабилизаторы в интегральном исполнении на ток до 3 А с напряжением от 1,2 до 30 В. При большей величине тока к стабилизатору подключается дополнительно один или более транзисторов. Дополнительный более мощный транзистор включается таким образом, что образует составной транзистор с основными регулирующими транзисторами стабилизатора.

2. Методы изоляции и технологии изготовления интегральных схем

Для нормальной работы ИМС необходимо, чтобы элементы или группы элементов были размещены в электрически изолированных друг от друга областях. Эти области должны иметь следующие электрические и физические свойства: напряжение пробоя изоляции более высокое, чем напряжение питания ИМС; малую паразитную емкость, небольшие токи утечки, высокую теплопроводность, близость коэффициента термического расширения (КТР) изолирующей области к КТР кремния, большую радиационную стойкость, малую площадь, отводимую под изоляцию. Технологию изготовления ИС различают по принципу создания изоляции.

2.1 Изоляция p-n переходом

2.1.1 Стандартная технология

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

Последовательность формирования кристалла полупроводниковой ИМС, содержащей транзистор, диод, резистор, конденсатор и внутрисхемные соединения, по стандартной планарно-эпитаксиальной технологии приведена на рис. 2.1. (на рис. 2.1. показана часть пластины, в пределах которой формируется только одна схема).



Рис. 2.1. Последовательность формирования кристалла полупроводниковой ИМС по планарно-эпитаксиальнои технологии:

1- подложка р-типа; 2- оксид кремния; 3- скрытый слой n⁺ -типа; 4- эпитаксиальный слой n-типа (коллекторные области); 5- базовая область р-тнпа; 6- эмиттерная область n⁺ -типа; 7- металлизация; 8- конденсатор на основе оксида кремния; 9- диод (U_кб= 0); 10- биполярный транзистор; 11-диффузионный резистор 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 с 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.

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 (рис. 2.1. а).

После этого удаляют оксид кремния со всей поверхности пластин, очищают пластины и осуществляют эпитаксиальное наращивание слоя кремния n-типа (рис. 2.1. б). 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 0,1 - 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 (рис. 2.1, в). 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 (рис. 2.1, г), 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 боросиликатное 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 2,5-3,5 мкм с удельным поверхностным сопротивлением 150-300 Ом/?, а на поверхности пластин - слой оксида кремния (рис. 2.1, д).

Затем формируют эмиттерные области n⁺ -типа, которые служат эмиттерами транзисторов, катодами диодов, обкладками конденсаторов, омическими контактами к коллекторным областям, а иногда и внутрисхемными соединениями. Для этого пластины подвергают четвертой фотолитографии, за счет чего получают окна в оксидном слое под эмиттерные и контактные области к кремнию n-типа. Формирование эмиттерных областей n⁺ -типа осуществляется 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 (рис. 3.1, е). Независимо от стадийности процесса диффузии (одна или две) распределение примеси в этих областях подчиняется функции erfc.

Заканчивается процесс получения полупроводниковых структур ИМС созданием внутрисхемных соединений и формированием защитного покрытия. Для этого вначале с поверхности пластины удаляют фосфоросиликатное стекло, а затем поверхность пластин окисляют для получения защитного оксида толщиной 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 (рис. 2.1. ж), 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 оксида, 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. Структура готового кристалла ИМС показана на рис. 2.1. з (защитный слой не показан).

В производственных условиях после каждого этапа формирования ИМС осуществляют контроль. Так, после фотолитографии, чистки, 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 р-n-переходов, что особенно сказывается в быстродействующих и микромощных цифровых и высокочастотных аналоговых микросхемах.

По стандартной планарно-эпитаксиальной технологии с разделительной диффузией изготовляют различные типы биполярных ИМС. Технология сравнительно проста, хорошо освоена в промышленных условиях и поэтому используется в наибольшем числе разработок и массового выпуска ИМС

2.1.2 КИД-технология

Данная технология основана на использовании тонких эпитаксиальных слоев и коллекторной изолирующей диффузии (вместо разделительной в стандартном процессе).

Рис. 2.2. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС по КИД-технологии

Сущность технологии изготовления полупроводниковых ИМС с использованием изолирующей коллекторной диффузии заключается в том, что коллекторные контактные области n⁺-типа формируют на всю глубину эпитаксиального слоя. Процесс осуществляется в такой последовательности. Сначала в высокоомную пластину р-типа проводят локальную диффузию для формирования скрытых слоев n⁺-типа, после чего выращивают тонкий (1-2 мкм) эпитаксиальный слой р-типа (рис. 2.2, а). Затем проводят локальную диффузию примеси n⁺-типа (коллекторных контактных областей) сквозь эпитаксиальный слой р-типа до смыкания со скрытым слоем. При этом образуются локальные эпитаксиальные слои р-типа, изолированные от подложки коллекторным слоем n⁺ -типа (рис. 2.2,б). Базовые области р-типа формируют диффузией без применения фотошаблонов, что улучшает качество транзисторов. В дальнейшем формируют эмиттерные области, металлизированные соединения и защитный слой. В итоге получают транзисторные структуры (рис. 2.3, в), изоляция которых осуществляется с помощью обратносмещенных р-n-переходов, хотя фактической изолирующей диффузии не проводится.

По сравнению со стандартной технологией КИД-технология проще. Технологический цикл изготовления кристаллов сокращается на 1-2 фотолитографические операции, что повышает процент выхода годных ИМС и снижает их стоимость. КИД-технология благодаря простоте изготовления ИМС, большей в 1,5-2 раза плотности размещения элементов по сравнению со стандартным процессом, схемной универсальности и высокому быстродействию изготовляемых ИМС получила самое широкое распространение. С ее помощью осуществляют производство большинства типов ИМС.

2.1.3 БИД-технология

В данной технологии формирование изолирующих и базовых областей транзисторов совмещено во времени и осуществляется одновременно. Технологически этот процесс проще КИД-технологии, так как для него требуется только четыре операции фотолитографии.

При изготовлении ИМС по БИД-технологии также используют пластину р-типа, на которой выращивают тонкий эпитаксиальный слой n-типа (рис. 2.3, а). В отличие от структур с коллекторной изолирующей диффузией скрытый слой n⁺-типа не обязателен.



Рис. 2.3. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС по БИД-технологии

Затем в эпитаксиальный слой проводят локальную диффузию акцепторной примеси, в результате чего формируют базовые области р-типа и изолирующие области p-типа, окружающие базовые области (рис, 3.3,б). Диффузионные процессы создания эмиттеров и коллекторных контактных областей осуществляют обычным путем. При этом изолирующие области р-типа, сформированные одновременно с базовыми, проникают не на всю глубину эпитаксиального слоя. Изоляция достигается за счет приложения к изолирующим областям отрицательного напряжения так, что область объемного заряда изолирующего р-n-перехода расширяется до смыкания с подложкой р-типа (рис. 2.3, в).

Несмотря на то что БИД-технология проще КИД-технологии, она имеет ограниченное применение, поскольку для функционирования изготовленной по данной технологии ИМС требуется дополнительный источник питания (для обратного смещения изолирующих областей).

2.1.4 Технология на основе двойной диффузии

При использовании данной технологии (метода самоизоляции n-областью) формирование элементов в кристалле достигается путем проведения одновременной диффузии фосфора и мышьяка в едином технологическом цикле. Вначале в исходной пластине кремния р-типа создают локальную область n⁺-типа одновременной диффузией фосфора и мышьяка (рис. 2.5, а). Затем выращивают тонкий эпитаксиальный слой р-типа; при этом в результате обратной диффузии фосфора в эпитаксиальный слой образуется область n-типа (рис. 2.5, б). В таких областях формируют биполярные транзисторы и другие элементы (рис. 2.5, в). Такая технология позволяет уменьшить размеры элементов и повысить в два раза плотность их размещения по сравнению с изоляцией за счет сквозной диффузии.

Рис. 2.5. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС по технологии на основе двойной диффузии

Дальнейшее совершенствование типовых процессов изготовления биполярных ИМС с изоляцией р-n-переходами направлено на уменьшение площади элементов и изолирующих областей, что достигается заменой процессов диффузии ионным легированием, применением тонких эпитаксиальных слоев, маскирующих слоев из нитрида кремния вместо оксида и т. д. Простота и широкая освоенность этих процессов позволили не только наладить массовый выпуск ИМС, но и отработать новые схемотехнические решения - создание ИМС на основе интегральной инжекционной логики И²Л.

2.1.5 Технология на основе трех фотошаблонов

Особенностью этой технологии является использование только трех фотошаблонов для формирования биполярной транзисторной структуры в пластине кремния без эпитаксиального слоя. При этом процессы фотолитографии по оксиду кремния проводят перед диффузией базы, совместной диффузией коллектора и эмиттера и при металлизации.



Рис. 2.4. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС с использованием трех фотошаблонов

Технологический процесс на основе трех фотошаблонов применяют для изготовления полупроводниковых ИМС на транзисторах с вертикальными р- n-переходами. При этом в пластину из слаболегированного кремния р-типа (с удельным сопротивлением 1000 Ом*см) проводят неглубокую диффузию акцепторной примеси для получения базовых областей р-типа (рис. 2.4, а). Эмиттерные и коллекторные области имеют электропроводность n⁺-типа и создаются путем локальной диффузии в базовую область. Эмиттерная область формируется путем диффузии одновременно с коллекторной, но располагается внутри коллекторного кольца (рис. 2.4, б). Изоляция обеспечивается благодаря большой области объемного заряда, сосредоточенной в высокоомной подложке, при обратном смещении перехода коллектор - подложка (рис. 2.4, в).

Применение данной технологии ограничено специфическими свойствами транзисторов с вертикальными р-n-переходами.

2.2 Диэлектрическая изоляция

2.2.1 ЭПИК-технология

Данная технология основана на получении изолирующих областей из слоев оксида (нитрида) кремния и поликристаллического кремния. В зависимости от последовательности их формирования ЭПИК-технология имеет несколько модификаций. Последовательность формирования простой ИМС на биполярных транзисторах с диэлектрической изоляцией элементов слоем оксида кремния представлена на рис. 2.6. Вначале составляют партию кремниевых пластин n-типа с удельным сопротивлением 0,2- 10 Ом*см, которые подвергают очистке.

Затем в исходных пластинах n-типа диффузией сурьмы или мышьяка на глубину 1-2 мкм формируется скрытый n⁺-слой по всей площади пластины. Путем термического окисления пластин со стороны n⁺-слоя на поверхности пластины получают маскирующий слой оксида. Методом первой фотолитографии в этом слое создают окна под изоляционные области (рис. 2.6, а), а за счет травления кремния в не защищенных оксидом участках -канавки глубиной 8-15 мкм (рис. 2.6,б).

Рис. 2.6. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС, изготовляемой по ЭПИК -технологии:

1-исходная пластина кремния n-типа; 2-диффузионный скрытый слой n⁺-типа;3-оксид кремния; 4-поликристаллическийкремний (подложка)

Для получения на рельефной поверхности пластины слоя оксида толщиной около 1 мкм используют пиролиз силана или термическое окисление (рис. 2.6, в). На поверхности пластин со стороны окисленных канавок наращивается поликристаллический кремний толщиной ~200 мкм (рис. 2.6, г), который является основанием (подложкой) будущей ИМС. После этого с противоположной поверхности пластины (со стороны кремния n-типа) сошлифовывают или стравливают слой монокристаллического кремния n-типа до оксидного слоя (рис. 2.6, д). Таким образом, получают области кремния n-типа со скрытыми n⁺-слоями, изолированные друг от друга слоем SiO₂. В этих областях методами окисления, фотолитографии и диффузии формируют элементы микросхемы. Дальнейший процесс изготовления начиная с формирования базовых областей проводят аналогично планарно-эпитаксиальному.

Данный технологический процесс позволяет получить хорошую изоляцию между элементами как по постоянному, так и по переменному току, поскольку емкость, образованная слоем оксида, может быть очень малой (30 пФ/мм² при слое оксида кремния толщиной 1 мкм). Измеренное сопротивление изоляции превышает 10¹² Ом при напряжении 100 В, а пробивное напряжение выше 800 В для слоя толщиной 1 мкм. Кроме того, ЭПИК-технология дает возможность изготовлять на одном кристалле высокочастотные и низкочастотные диоды, используя селективную диффузию золота, а также облегчает получение на одном кристалле транзисторов типов n-p-n и p-n-p. По такой технологии целесообразно изготовлять микромощные и быстродействующие цифровые и высокочастотные аналоговые ИМС. Но стоимость технологического процесса при этом высока по сравнению с процессами изоляции р-n переходами.

2.2.2 Декаль-технология

Эта технология основана на создании изоляции воздушными зазорами, с помощью которых элементы ИМС отделены друг от друга с боковых сторон. При этом элементы ИМС удерживаются на едином конструктивном основании. По декаль-технологии изготовляют ИМС с балочными выводами, которые выполняют роль электрических соединений и механической опоры кристалла.

Рис. 2.7. Изготовление биполярных ИМС с изоляцией воздушными зазорами и балочными выводами:

а - формирование элементов; б- изготовление балочных выводов; в-локальное травление

По такой технологии (рис. 2.7.) сначала формируют элементы ИМС (рис. 2.7, а), затем создают систему соединений, используя слои титана, платины и золота (рис. 2.7,6), после чего с обратной стороны пластины локальным травлением удаляют лишние участки между элементами (рис. 2.7, в). Достоинством технологии является отсутствие механической обработки и высокотемпературных процессов на этапе формирования изолирующих областей.

2.2.3 КНС-технология

Весьма перспективная технология кремния на сапфире (КНС) является разновидностью технологии с воздушной изоляцией. Она предусматривает создание изолированных островков кремния с помощью избирательного травления эпитаксиального слоя монокристаллического кремния, выращенного на поверхности сапфировой подложки (используется структура типа КНД-кремний на диэлектрике), и последующее формирование в этих островках элементов ИМС по обычной планарной технологии. КНС-технология применима для изготовления как биполярных, так и МДП-ИМС, где она наиболее целесообразна.

Дальнейшее развитие процессов полной диэлектрической изоляции направлено на увеличение диаметра исходных пластин (с 60 до 100 мм), использование ионного легирования для внедрения ионов азота в кремниевую пластину с целью создания изолирующих областей из нитрида кремния, формирование биполярных транзисторов с эмиттером из поликристаллического кремния. Процессы полной диэлектрической изоляции применяют в основном для изготовления ИМС первой и второй степеней интеграции (исключение составляет КНС-технология), к которым предъявляются особые требования по радиационной стойкости и электрической изоляции на частотах до нескольких гигагерц. По этим процессам изготовляют как цифровые, так и аналоговые ИМС, в том числе постоянные запоминающие устройства [3].

2.3 Комбинированная изоляция

2.3.1 Изопланарная технология

Процессы изопланарной технологии основаны на использовании кремниевых пластин с тонким (2 - 3 мкм) эпитаксиальным слоем, селективного термического окисления кремния на всю глубину эпитаксиального слоя вместо разделительной диффузии, проводимой в обычном планарно-эпитаксиальном процессе. Реализация такого процесса достигается использованием при маскировании на первых стадиях формирования структуры ИМС специфических свойств нитрида кремния Si₃N₄. Нитрид кремния препятствует превращению кремния в SiО₂ в местах, где Si₃N₂ служит в качестве защитного слоя. Кроме того, нитрид кремния легко удаляется травителем на основе фосфорной кислоты, который не воздействует на оксид. Изопланарная технология позволяет создавать тонкие базовые области и небольшие коллекторные области с оксидными боковыми стенками и тем самым обеспечивает получение транзисторных структур малых размеров и высокого быстродействия.

Имеются две разновидности изопланарной технологии: «Изопланар-I» и «Изопланар-II». При изготовлении ИМС по процессу «Изопланар-I» в качестве исходной используют кремниевую пластину р-типа с эпитаксиальным n-слоем и скрытым n⁺-слоем. Начинают процесс с наращивания на поверхности пластины слоя нитрида кремния (рис. 2.8, а), в котором с помощью фотолитографии формируют окна под изолирующие области. Затем производят травление кремния на глубину, большую половины толщины эпитаксиального слоя (рис. 2.8, б), после чего окислением вытравленные канавки заполняют оксидом кремния (рис. 2.8, в). После удаления слоя нитрида при маскировании оксидом кремния в локализованных островках кремния («карманах») формируют транзисторные структуры и осуществляют металлизацию (рис. 2.8, г).

Процесс «Изопланар-II» отличается тем, что в формируемой транзисторной структуре эмиттерные области боковой стороной выходят на изолирующий слой, а приконтактные области коллекторов формируются в самостоятельных «карманах» и соединяются с базово-эмиттерными областями скрытыми n⁺-слоями. При этом упрощаются процессы совмещения и конфигурации фотошаблонов и улучшаются параметры транзисторов. Процесс имеет ряд разновидностей. Рассмотрим его более подробно. В качестве исходных используют двухслойные пластины кремния р-типа с эпитаксиальным и скрытым слоями (рис. 2.9, а). При этом в зависимости от структуры формируемых транзисторов эпитаксиальный слой может быть разной электропроводности: при изготовлении транзисторных структур с эпитаксиальной базой р-типа, а транзисторных структур с диффузионной базой n-типа.

После этого на поверхности создают слой нитрида кремния, из которого формируется защитная маска для создания транзисторов и резисторов. Не защищенные нитридом области кремния подвергают травлению на относительно большую глубину, что позволяет уменьшить высоту ступенек толстого изолирующего оксида на поверхности пластины (рис. 2.9,б). В результате длительного низкотемпературного окисления области глубокого травления кремния заполняются изолирующим оксидом, а участки, покрытые нитридом кремния, остаются неокисленными (рис. 2.9, в). При этом формируются изолированные оксидом области кремния, в которых далее создают транзисторы, диоды и резисторы.

Последовательность следующих операций зависит от типа электропроводности выращенного эпитаксиального слоя. Для структур с эпитаксиальной базой, т. е. в случае выращенного эпитаксиального слоя р-типа, следующей операцией является глубокая диффузия примесей n-типа к коллекторным областям транзистора. Для ее проведения осуществляют селективное травление нитрида кремния с соответствующих участков пластины, практически не затрагивающее изолирующий оксид. При этом для облегчения совмещения используют фотошаблоны с перекрытием областей изолирующего оксида. В результате проведения глубокой диффузии создаются участки электропроводности n⁺-типа, которые отделены от базовых областей изолирующим оксидом.

Далее при необходимости проводят фотолитографию в нитриде кремния, защищающем базовые области, для вскрытия окон под диффузию примесей р-типа. Такую диффузию проводят для получения резисторов с различным сопротивлением. При осуществлении данного процесса могут быть получены резисторы на различных слоях: базовом р-типа, эпитаксиальпом n-типа, скрытом и глубоком диффузионном n⁺ -типа. Глубокий диффузионный слой и скрытый слой можно использовать также для внутрисхемных соединений.

В случае изготовления структур с диффузионной базой, когда предварительно был выращен эпитаксиальный n-слой, после создания изолирующего оксида формируют базовые области р-типа. Для этого путем фотолитографии в нитриде вскрывают окна под базовые области и проводят диффузию примеси р-типа. При этом могут формироваться и диффузионные резисторы.



стабилизатор напряжение кремниевый стабилитрон

Затем независимо от типа изготовляемых структур создают эмиттерные области. С поверхности пластины удаляют нитрид, пластину подвергают термическому окислению. В слое оксида путем фотолитографии формируют окна под эмиттерные области и проводят диффузию примеси n⁺ -типа. В структурах с диффузионной базой одновременно с получением эмиттерных областей создают высоколегированные области n⁺ -типа к коллектору.

Завершается изопланарный технологический процесс изготовления кристаллов ИМС металлизацией - созданием контактов к структурным элементам и внутрисхемных соединений между ними (рис. 2.9, г) и нанесением защитного слоя. Осуществляют это с помощью обычных процессов фотолитографии в слое SiO₂, вакуумного напыления алюминия, фотогравировки по алюминию, вжигания алюминия и пассивации.

2.3.2 Эпипланарная технология

Данная технология является разновидностью изопланарного процесса, в котором изменена последовательность формирования структур, а окончательная конструкция кристалла остается прежней.

Процесс (рис. 2.10.) основан на локальном селективном эпитаксиальном наращивании кремния в окнах толстого оксида кремния. Для этого на поверхности пластины кремния р-типа с эпитаксиальным n-слоем пиролитически осаждают слой оксида кремния толщиной 2,0-2,5 мкм, в котором вскрывают окна (рис. 2.10, а). Затем проводят локальное эпитаксиальное наращивание кремния n-типа (рис. 2.10,б) и в полученных таким образом «карманах» n-n⁺-типа формируют транзисторы и другие элементы (рис. 2.10, в). Эпипланарная технология позволяет реализовать в локальных эпитаксиальных слоях толщиной 2 мкм транзисторы с малыми паразитными связями. Она перспективна для ВЧ-микроэлектроники. Основной недостаток этой технологии - трудность воспроизведения процессов локальной эпитаксии, что сдерживает ее широкое применение.

Рис. 2.10. Последовательность формирования полупроводниковой ИМС по эпипланарной технологии

2.3.3 Полипланарная технология

В основу полипланарной технологии положено вертикальное анизотропное травление кремния с ориентацией (110), что позволяет формировать в эпитаксиальном слое V-образные разделительные области для межэлементной изоляции. Различают две разновидности этой технологии: V-ATE-процесс и VIP-процесс.

Для формирования кристалла ИМС по V-ATE-процессу используют двухслойные кремниевые пластины р-типа с эпитаксиальным n-слоем и скрытыми n⁺ -слоями, в которых локальной диффузией акцепторной примеси создают базовые области (рис. 2.11, а). Затем в условиях маскирования оксидом кремния производят травление V-образных канавок на всю глубину эпитаксиального слоя (рис. 2.11, б), после чего поверхность V-образных канавок покрывают тройным диэлектрическим слоем SiO₂ - Si₃N₄ - SiO₂ (рис. 2.11, в). После этого формируют локальные высоколегированные эмиттерные и приконтактные коллекторные области n⁺ -типа. Завершают процесс металлизацией, для чего используют Аl или трехслойную систему Ti - Pt - Аu. При этом металлизированная разводка расположена на рельефной поверхности (рис. 2.11, г).

Отличительной особенностью VIP-процесса является формирование кристаллов ИМС с гладкой поверхностью, что повышает качество и надежность внутрисхемных соединений. Для этого полученную после травления рельефную поверхность (рис. 2.12, а) защищают двойным слоем SiO₂ - Si₃N₄ (рис. 2.12, б), поверх него выращивают поликристаллический кремний, лишнюю часть которого удаляют полированием до слоя Si₃N₄ (рис. 2.12, в). Завершают формирование элементов и внутрисхемных соединений металлизацией, как по обычной технологии (рис. 2.12, г) [3].