Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19890329Elc037.shtml

Новая технология линейных ИС компании TI — основа для производства семейства высококачественных операционных усилителей

УДК 621.3.049.77.037.33

Самьюел Уэбер (Samuel Weber)
Редакция Electronics

Samuel Weber. TI's new linear process powers an advanced family of op amps, No.17, pp.125—128.

Новая высокоразвитая технология линейных ИС компании Texas Instruments Inc. впервые позволяет объединить в составе одного кристалла высококачественные интегральные элементы различных видов.

Компания Texas Instruments Inc. (Даллас) разработала новую технологию линейных ИС, которая впервые позволяет выполнить в составе одного схемного кристалла целый ряд разнотипных высококачественных интегральных элементов. Эта технология служит основой для производства нового семейства операционных усилителей компании, которые полностью совместимы по разводке выводов корпусов со стандартными операционными усилителями, однако значительно превосходят их по большинству показателей. Специалисты компании TI сообщают, что новая технология позволяет разработчикам схем получать высококачественные схемы управления, которые в пять раз превосходят все до сих пор существующие ИС по полосе частот и скорости нарастания, имеют времена установления всего 200 нс и стабильность входного напряжения смещения лучше 100 мкВ1{В оригинале, видимо, опечатка.— Прим. перев.}.

Разработанная технология позволяет совместно изготавливать на одном кристалле высокочастотные изолированные вертикальные биполярные pnp-транзисторы с рабочими частотами до 150 МГц и p-канальные полевые транзисторы с управляющим pn-переходом на рабочие напряжения до 45 В, а при некоторых изменениях базового процесса npn-транзисторы со сверхвысоким усилением, которые по коэффициенту усиления в 10 раз превосходят обычные npn-транзисторы. В технологии предусмотрено также изготовление конденсаторов со структурой металл-нитрид-поликремний, способных работать при пробивных напряжениях до 100 В и имеющих вдвое большую удельную емкость (на единицу площади) по сравнению с обычными МОП-конденсаторами. По отдельности те или иные элементы реализованы и другими изготовителями линейных ИС, однако компания TI первой сумела объединить все упомянутые высококачественные интегральные элементы в рамках единого технологического процесса.

Пятикратное повышение полосы частот в операционном усилителе компании TI.
Рис.1. Пятикратное повышение полосы частот в операционном усилителе компании TI.

Интенсивная программа разработки нового технологического процесса, развернутая компанией TI, могла показаться ненужной тратой сил и средств тем людям, которые считали, что к настоящему времени операционные усилители должны стать дешевыми компонентами массового производства или просто быть поглощенными в результате их интеграции в состав СБИС. Однако, как говорит Рик Дейвис, управляющий отделом стандартных линейных ИС в компании TI, не случилось ни того ни другого.

Предельные возможности. «Анализ непрерывного роста уровня интеграции аналоговых и смешанных аналого-цифровых ИС может привести к заключению, что операционные усилители должны быть в числе первых функциональных блоков, которые войдут в состав более крупных кристаллов,— говорит он.— Но на практике по мере практического воплощения этой идеи развитие производства и сбыт стандартных операционных усилителей тем не менее продолжались вполне приличными темпами. Разрешающая способность, точность и быстродействие систем непрерывно растут, так что по мере увеличения числа операционных усилителей, интегрируемых в составе более крупных ИС, одновременно увеличивается и потребность в более быстродействующих и прецизионных операционных усилителях, которые вследствие повышенных технических требований не поддаются интеграции в составе более крупных кристаллов. По своим возможностям они близки к тем предельным параметрам, которые можно реализовать в однокристальном варианте усилителя, пользуясь всеми доступными свойствами симметрии и согласования элементов, которые для более крупных кристаллов отсутствуют».

В представлении Дейвиса данная проблема очень похожа на проблему рынка линейных ИС в целом. "В настоящее время все больше и больше функций реализуется в цифровом режиме,— подчеркивает он.— Означает ли это, что линейные ИС уступают свои позиции? Как ни парадоксально, но реальность состоит в том, что по мере все более широкого внедрения цифровых функций в аппаратуру линейные ИС укрепляют свои позиции и темпы роста их выпуска увеличиваются. Дело в том, что в конце концов большинство систем обязательно сопрягается с реальными физическими величинами и здесь нужны соответствующие интерфейсы. Поэтому для сегодняшней ситуации характерен симбиоз".

Первое изделие, изготавливаемое по новой технологии,— это микромощный операционный усилитель TLE2021 с одним источником питания. Представители компании TI говорят, что усилитель 2021 появится на рынке в I квартале 1989г. Планируется вскоре вслед за этой моделью выпустить спаренный и счетверенный вариант прибора в одном корпусе. В приборе 2021 будут сочетаться лучшие показатели и свойства операционных усилителей OP21 компании Precision Monolithic и LT1013 компании Linear Technology, однако он будет превосходить оба прибора по полосе частот и скорости нарастания в 5 раз. Об этом сообщил Брэд Уитни, управляющий разработками, производством и сбытом нового усилителя в полупроводниковом объединении компании TI.

Для изготовления усилителя 2021 технологам компании TI пришлось разработать изолированные вертикальные pnp-транзисторы, которые бы сочетали высокую полосу частот с допустимыми рабочими напряжениями до 45 В. Кроме того, технология изготовления этих транзисторов должна быть совместима либо с технологией p-канальных ПТУП, либо с технологией транзисторов со сверхвысокими коэффициентами усиления, изготавливаемыми на том же кристалле. Изолированный вертикальный pnp-транзистор по существу представляет собой двухдиффузионную структуру с изолированным коллектором, причем изоляция формируется путем встречной диффузии из подложки и другой обычной диффузии в подложку, которая окончательно изолирует коллектор от подложки.

Способ формирования изоляции переходами такого вертикального pnp-транзистора, реализованный в данной технологии, позволяет уменьшить промежутки между отдельными приборами на 25% по сравнению с традиционными методами изоляции, что повышает плотность упаковки ИС. В прежних типовых биполярных приборах изоляция создавалась с помощью диффузии примеси p-типа с верхней стороны пластины, что означало необходимость формирования диффузионной области на всю глубину диффузионного эпитаксиального слоя вплоть до подложки.

Первая операция в новой технологии — ионное легирование примесью p-типа с ее последующей диффузией в подложку. Эта диффузионная область также распространяется вверх, образуя скрытый коллектор и часть изолирующей области. Затем выращивается эпитаксиальный слой «тела» транзистора. После этого выполняется диффузия примеси р-типа с верхней стороны слоя, которая при движении вниз встречается с «поднявшейся» диффузионной р-областью, образуя изоляцию переходом. Поскольку данные диффузионные области должны распространяться по вертикали только на половину расстояния, требуемого при обычном методе изоляции, резко уменьшается и промежуток между отдельными приборами, обусловленный боковой диффузией. Специалисты компании TI утверждают, что в результате заметно повышается плотность упаковки ИС.

«Такие высокочастотные изолированные вертикальные pnp-транзисторы превосходят обычные горизонтальные, pnp-вертикальные и pnp-транзисторы с коллектором в подложке по целому ряду показателей,— говорит Майкл Сикрист, один из разработчиков новой технологии.— Деятельность разработчиков операционных усилителей всегда была ограничена возможностями используемых обычно горизонтальных pnp-транзисторов, которые могут работать в диапазоне частот до 3—5 МГц. Это не позволяло вводить pnp-транзисторы в высокочастотные сигнальные цепи и тракты. Применение обычного pnp-транзистора сильно ограничено минимальной шириной базы — для работы при напряжениях 45 В эта ширина составляет около 15 мкм, что связано с применяемой в приборе эпитаксиальной базой n-типа. В нашей вертикальной структуре pnp-транзистора ширина базы намного меньше — всего 2 мкм, что позволяет увеличить максимальную рабочую частоту прибора до 150 МГц».

Кроме того, как подчеркивает Джо Троголо, управляющий разработкой процессов обработки пластин с линейными ИС, с горизонтальным pnp-транзистором связан вертикальный паразитный транзистор, который вносит такой же отрицательный вклад в снижение его полосы частот, что и невозможность уменьшения ширины базы. «Используя чисто вертикальную транзисторную структуру, можно избавиться от обоих негативных факторов»,— говорит он.

Вертикальные npn-транзисторы со сверхвысоким усилением позволяют получать коэффициенты усиления по току, в 10 раз превышающие коэффициенты усиления обычных npn-транзисторов, составляющие около 200. Кроме того, как сообщают специалисты компании TI, такие транзисторы позволяют усиливать значительно меньшие уровни входных сигналов. Эмиттер npn транзистора со сверхвысоким усилением идентичен эмиттеру обычного npn-транзистора с двойной диффузией, также изготавливаемого по данной технологии, поэтому для формирования базы транзистора со сверхвысоким усилением требуется всего один дополнительный фотошаблон. Однако отличие упомянутого транзистора от обычного состоит в том, что в нем используется ионно-легированная базовая область с малой примесной концентрацией; стадия эмиттерной диффузии одинакова для обоих типов транзисторов, однако для приборов со сверхвысоким усилением диффузионный профиль подобран так, чтобы получить более высокий по сравнению с обычной ситуацией коэффициент усиления по току.

Высоковольтные приборы. Независимо от этого специалисты компании TI разработали 50-В полевой транзистор с управляющим переходом, в котором пробивное напряжение затвор-сток превышает 45 В. ПТУП такого типа обычно используются во входных каскадах операционных усилителей. Подобные приборы изготавливаются путем осаждения толстого окисного слоя поверх выращенного затворного окисла, что снижает концентрацию линий электрического поля у верхнего обратносмещенного pn-перехода затвор-сток. Такое техническое решение увеличивает пробивное напряжение затвор-сток с 30 В, свойственных прежним ПТУП, примерно до 50 В. Осажденные слои окисла одновременно уменьшают емкости перекрытия затвор-сток и затвор-исток, тем самым внося свой вклад в повышение полосы частот и скорости нарастания усилителей.



Рис.2. Многообразие интегральных элементов, реализуемых на одном кристалле. Новая технология линейных ИС компании TI обеспечивает совместное изготовление вертикальных биполярных pnp-транзисторов с рабочими частотами до 150 МГц и p-канальных ПТУП с рабочими напряжениями 45 В или npn-транзисторов с сверхвысоким усилением, которые в 10 раз превосходят по коэффициенту усиления по току обычные npn-транзисторы.

Способность транзисторов работать при напряжениях до 45 В играет важную роль в устройствах промышленной электроники. Повышенное напряжение позволяет увеличивать длину линий, соединяющих удаленные датчики и центральный компьютер. «Кроме того, в настоящее время создается все больше систем с высокой разрешающей способностью — от 14 до 16 бит,— говорит Уитни.— При изготовлении такой системы с 5-В питанием помехи по питанию могут просто подавлять отдельные биты. При повышении напряжения питания (в данном случае до 45 В) отношение сигнал/шум можно сделать значительно больше. Разработчики систем могут использовать источники питания напряжением ±22 В и получать полный динамический диапазон с максимальным соотношением сигнал/шум».

Другое положительное свойство новой технологии — это возможность создавать в процессе изготовления ИС конденсаторы со структурой металл-нитрид-поликремний. Такие конденсаторы делаются на поверхности защитного окисла с целью уменьшить паразитные емкости переходов и токи утечки диффузионных областей, свойственные стандартным МОП-конденсаторам. Кроме того, замена окисла нитридом позволяет удвоить удельную емкость таких конденсаторов. А для нитрида в качестве конденсаторного диэлектрика напряжение пробоя может значительно превышать 45 В — максимальное рабочее напряжение остальных элементов ИС.

«Внешний» конденсатор. «Наша идея состояла в том, чтобы вынести конденсаторную структуру за пределы кремния,— говорит Сикритс.— При изготовлении конденсатора в кремнии нижняя его обкладка делается в эпитаксиальной области и с ней связана значительная паразитная емкость. Эта проблема решается, когда в качестве нижней обкладки фигурирует поликремний. Применение нитрида связано не только с повышенной удельной емкостью, но и с трудностью изготовления надежных конденсаторов со структурой металл-окисел-поликремний. Такой конденсатор обеспечивает дополнительное повышение плотности упаковки ИС, поскольку в его структуре используется поликремний, который одновременно выполняет функции полевых электродов, туннельных соединений, пересечений проводников, в совокупности повышающих плотность прокладки межсоединений на кристалле».

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 61, No.23 (802), 1988г - пер. с англ. М.: Мир, 1988, стр.75

Electronics Vol.61 No.17 November, 1988 VNU Business Publication Inc.

Samuel Weber. TI's new linear process powers an advanced family of op amps, No.17, pp.125—128.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Аналоговые ИС





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19890329Elc037.shtml