半導体集積回路の概要と試作品の特性

(1)

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半導体集積回路の概要と試作品の特性

Outline

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Circuits

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払丘の集積回路の概要と分類について述べ,半導体集も等凹路の韮礎的諸問題を検討し,試作コレクタ分離形デーリソトン回路の概略と特性を述べた｡この回路は直線増幅回路素子として低同姓から高開披まで広く用いらjLている｡終わりに今後の半導体集積回路の新技術とその動向こつきふれた｡.

1.緒

口超小形電子回路技術の進歩につれその様式と分頬がかなりはっきりしてきた(弟1表参照(1))｡このうち集積回路(IntegratedCircuits 以下ICと略す)ほ最も小形化と高信栢の機能を果たすものとみられる｡特古こ半導体集積回路(以下半導体ICと略す)は,Siプレーナ技術の進歩によって急速な発展を遂げ,アメリカでは軍用ばかF)でなく,汎用にも用途が拡大されつつある｡その歩留りも初期の1% 以下から最近では数十%に向上した｡半導体ICでは抵抗,コンデンサ穎を拡散法でつくると,絶対値の精密制御が困難なため薄膜集積回路(以下薄膜ICと略す)に劣るとされている｡しかしながら, EmitterCoupledLogicその他のディジタル回路では回路特性が抵抗値の絶対値よりはむしろその比の値で支配される｡また近い将来,半導体集積回路のSiO2膜上への薄膜受動素子製造技術が確立されれば(いわゆるMonobrid形などともよばれる),名実ともに低価格,高信板,超小形,および回路の高速化なども可能となり,用途も著しく広汎なものとなろう｡これにほ上述の技術と,特殊なアイソレーション技術(絶縁物アイソレーション法,Beam-Lead法その他)が工業化される必要がある｡これに対し薄膜ICでは,現在,薄膜能動素子が実用化されていないので厳密な意味では完成された技術といえないが,これもやがてほ実現されると克ら讃tるので,受動素子の量産技術とともに重要な分野と考えられる｡特に蒸着法,スパッタリング法,サーメット技術などが着々と確立され,いずれも量劇封･こ富みかつ設備投資も半導体ICに比べて少なくてすむ｡特に挟厚の制御やホトレジスト技術や電子線加工技術などによる精密加工法の開発iこつれて回路仕様のきついアナログ用として欠かせぬものとなろう｡以上のほか重要な技術として蒸着法やプリント法で絶縁物基板上 iこまず薄膜受動素子と,蒔険配線を取り付け,これにプレーナ形ダイオードやトランジスタなどの能動素子を取り付けるハイブリッド C方式もIBM社のSLT(SolidLogicTechnology)として工業化され,最近では数社で企業化している重要な技術といえる｡これらの技術のいずれが最も広範囲に使われるかは将来の技術の発展にまっところ大であるが,現在では半導体ICはディジタル用,薄膜と半導体を混合したハイブリッド形はアナログ用に適しているとみられる｡一方,多数キャリヤ素子として最近開発されたMOS形電界効果トランジスタ(MOS形FETと略す)は真空管に匹敵する高入力インピーダンス(109∼1015n)や放射線耐量がトランジスタよりも大きいなどの特長をもち,現在トランジスタ市場で注目を集めている｡このMOS形FETをIC化の立場からみると構造上ドレーン,ソースおよびゲートが基板から分離されているので半導体ICのように * 日立製作所中央研究所理博 ** 日立製作所武蔵工場工博第1麦超小形電子回路の分煩起 _′ト形依 ≦告･′Microstructurel !1亡占密改組立 High Density Assembly二〉蒔暖簾積回路 Thin FilmIC) 混成超′ト形構造 Hybrid Micro Structure) 混成集椚回路･こHybridIC) ＼` 集積匝】路 (こIntegrated Circuit) 半導体集箭回路 (SemiconductorIC)

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∴1よ￣ご･∴t】∴-ンニ第1図半導体Ⅰ,Cの製造工程､＼◆ SiO2 各素子間のアイソレーションをする必要がないという大きな特長をもっている｡本文では半導体IC技術とMOS形ICについて述べる｡

2.半導体集積回路技術の概要

半導体ICでほトランジスタ,ダイオード,抵抗および容量などの回路構成要素全体が一枚のシリコン基板上に形成される｡製造工程の代表例は弟1図に示すとおりである(1)｡この例ではp形シリコン基板を用い,そのトラソジスタのコレクタになる部分にn＋のコレクタ拡散層をつくり,この基板上にn形シリコンをエピタキシャル成長させ,p形の部分拡散によってn形部分を分離してその各部に図

(2)

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.J -㌧__ ノ.卜′ 第2図半導体Ⅰ,Cにおけるダイオードの使い方第2表集積回路用抵抗の特性 Monolitbic(Si) 蒔眼

拡散(p)!拡散(n)岳

層抵抗(ohms/square) 横坑値(obms/mi12) 温度係数(ppm/℃) 電力容丑(mW/皿i12) 最大電圧(Ⅴ) 実用的許容値(%) 分布容品(PF/mi12二) 第3表 100∼300 50∼150 ＋2,800∼ 1,500 3 20 ±20 2･5ほ州36一 40′∼400 20一-200 ±100(±10%以内に調懲可能) 2 ±8 0.2 _10.6 集積回路用コソデソサ特性サーメ _ット 100､1,00() 50､500 -55 ±8 容量最大電圧説失係数温度係数電圧軽 (PF/mi12) (Ⅴ) 1kc/s IMc/s lOMc/s (ppm/℃) 感度性並列容量(℃〕 5Vのリーク屯沌 (A/PF〕単一拡散pn 桜台仇1 _at ＼･rlJi三LS=0 30 1() Low ∼Ⅴ一tさ有 25 10￣【I Si 二重拡散 pn接合 l.O _at Vlノ1｡S=0 6 100

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淵｡机別附のようにトランジスタ,ダイオード,抵抗などを選択拡散法で作る｡抵抗はベース拡散によるp形の層抵抗を用いており,トランジスタはn＋埋込層のため飽和抵抗がェビタキシヤルトランジスタなみに下がっている｡ダイオードにはエミッタとベースコレクタ共通電極間の接合を用いている｡ダイオードとしては弟1図のはか,第2図 (b),(c)に示すようにエミッタ,コレクタ共通電極とベース電極間, およびエミッタ･ベース共通電極とコレクタ電極間の接合を使う方法があり,佐用目的に応じてどれかを用いるが,(a),(b),(c)の順にスイッチング速度が遅くなる(2)｡Auを添加すると2∼3nsのものが得られる｡容量はSiO2層をはさんでエミッタ拡散層と上部Al蒸着膜とで形成している｡このほか接合容量を用いることもある｡半導体IC用抵抗,容量の代表性能は第2,3表に示すとおりである(3)｡緒言で述べたそれぞれの特長が一目してわかる｡すなわち薄膜容量,抵抗でほ製作可能範閃が広く,精度もよく温度係数も小さいので精密化に適し,また並列浮遊容量もほとんどないため高速度化にも適していることがわかる｡npnトランジスタの代表性能を弟4表に示す(a)｡pnpトランジスタも同程度のものが得られているが,ベース内少数キャリヤの易動度が小さいことやn形チャネル生成に伴う表面安定化の問題などがあって電流増幅率の向上とも関係して作りにくい要素が多く,今後の技術開発に待つところが多い｡第4蓑集硝凹綿JljSiトこ) こ∴人一∵ 155∼) ヤ _{純域比机ナJ■亡} =1叶≠〕 0.5￡王cl11 0.111clll ハ ₇ メータ β Vc即 C l′g月0 β _-七且O C71p(正ノミイアス) PF C7Tぞ(1V) PF Cr｡(5V) PF /けg(10mA〕 175C n l一ぐご(Sat)(5mA)Ⅴ †′Jり▼〔10mA)V rrl(二ヽ7.5mA)1ノIc/s 第5蓑 _{7イリレーーシテJン描汁ハ`才子iJ:} (逆バイアス1Vのrlい 25

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二こ面 `重臣10r王cITl) j 面〔八丁o=5×102u) 0.078 0.17 (.¥J=25"〕り.り7とミ 0.い9 】鞘J=貨指介

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第6蓑種々の分離法による′￣′ -一卜L′-'八ビート､比較

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､†イリットリ1S) Ⅰ)elay Propagation time _{しf〟二･} Rise time _･/fJト･ Failti王ne (J∫二, 【′ ､ソ一 ■+J -→ ▼J Fan _{out=1,Fanin=3,Cゴ(testjigl=1:il,F} 第1図に示す拡散接合による分郎臼こく.【射｢多11しばなぉ数帥凱ら､i:, が(ヰ),一般にこの方法でほ弟5表にホすように描介の′糾二舛岸二れじ-, るため(1),回路設計上はこれを加味して制=‖棚削り検討も必安とな･■),高周波増幅高速論理川路などでい=T…数川ミヤ.信一ぢ･仁こ必蛙Jl. 時間などで制約を受ける｡この方法の代わりにSiO2椚な川いム分離法には第3図(a)しい, (b)(6)などの方法があり,葬る表にホすようにノ7ゲート､■柑二りのスイッチング速度が改良される(=り｡ _{一叫超鳥速計印機lリ_l路ほIliM} 式のハイブリッド形が有利とみられたが,この方扶の汁1現により､卜落体ICもこの方而の可能性を±1￣三んだといえる()姑娃では配線で素子をささえてエッチカットして素二JIH了1川たを行なうBea汀卜I-e之1(liリこなども現われ技術の進歩は応接にいとまがないし 3,コレクタ分離形ダーリントン回路半導体ICは大別してディジタル川路とつ,ナロブい仰如こ分れく)が前者についてほ多くの報ヂiがあるので心肝ごほ後一郎)･-1---の巾鮎川珊1与回路の標準化を目的に開発したコレクタ分鮒汐ダーーリントンl‖l粍についての試作と特性について述べる｡音声増幅回路としては従来ダーリントン増幅ガi二〔が川い仁)れていたが,電源電圧利用効率が低いため高い電源電圧を必安とし,人ノJ 抵抗が高くその容量と結合して高周披′屯ノ]利得を軒㌻欠山をもち, かつ初段トランジスタのん0が増幅されるので,こゴLを･著しく小さくせねばならない不利もあった｡これむ改良する[川勺で第4図(a) に示すトランジスタ3個からなるコレクタ分離形ダーリソトン回路を試作した｡同園(b)は個々のトランジスタの性能も検査できるように特別に配線したものである｡製造_1二村は弟1図に示すものとほぼ同様であり,nOnPェピタキシヤノLウェハを用い,コレクタn十拭

(3)

1560 _{‖召和40年9月} _日 _立

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第47巻第9号丁′Lミニ巾ム蒸着配線 .′ハ､

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P(ベーーて) しぃ去叶いけ:† (b) ■■-Jl 第ご1【勾ニュL _{■′り〉鮒形で-りソトン′回路結線囲} 倣を特に手fなわなかった｡P形基板は数エIcm程度,n形エビメキシヤル仙よ1エ1cm紺安,厚さ20/どくらいに成長させる二･酸化膜は i湖温水蒸父小で約0.9一′`くらい械長させエビタキシヤル層中にまずアイソレーシ≡-iソのp形(ボロン)拡散を行なう｡これは20一〃程度のエビタキシヤル朋を苦i■油させるため,高濃度拡散の技術が重要になる｡こうして一川路当たりn形アイランド2佃を作i),一方には入力側トランジスメ2個を,他ソノに出力側トラソジスメ1個を遠択拡散法で形式させた｡ベースはB(ボロソ)のBox拡散法で2.5/J入れ,エミッタ拡散はPOC13による気相拡散法を適mした｡この際コレクタ電極取出し用のn十拡散も7′Jなう｡蒸着配線工軌よまず500℃ に加熱した試料をこ50∼1000A程度のAgを予術蒸着し,つづいて 250℃にてAlを5000Aキー【ミ度蒸着して結晶粒度を細かくし,接着性も良くさせた｡その後,所望の配線パターンをホトレジスト膜で作り,KOH小で電解エッチして露出した部分のAIを除去し,そのあとHNOニirいで超音波洗浄してAgを除去し配線パターンを完成させる｡完成した素子の断面ほ舞5図に示すとおりである｡葬る図 (a),(b)および(c)は素子の基本回路,試験回路および組立状態なホす｡ステムにはTo-5形を用いた｡弟7表ほ試作変形ダーリソトソ素子の主要特性を示したものである｡ n†(エ

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P(ェヒタキ n(コレクタ ∵ルのノ.帥上､､ト=】 11-Lコレクタ去㌫￣J'▲部) ＼ P(拡散アイ､′レ【ション､､第5図 _{コレクタ分離形ゼ'-1jントン回路断面図} (a)完成ペレット (b)各トラソジソタ試験叫能な回路 (c)ステムにマウントした素子第6[当l試作コレクタ分離形デーリソトソ素子

(4)

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_性第7表試作コレクタ分離形ダーリントン亡.′ 【d路の主要特性上.､

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1561 測定王百日測定値 10￣】空て10￣2 ニ′】 10 0.5 J￣ぐgO Vぐ=12V く0.1′(A 3上1〕. ＼'(ニヒ=-61･､' ! ･＼■￣丁′く二⊃ ム▼=5mA l･rr=6V 2.4×103 y月g l 月ill ムー=5mA V〔･=6V 2.10V こ二"〕ん丁二5mA Vc=6V 960krl 1 )r22--H22+山2∼ ＼ナし､トー=6＼' 1と二=1,3,10mユ (R22,し二22ごよIEによ I)あ圭り変化せすJ 50 0.5 5 r(Mr) (り第8[蛋1;的.】,〟22,Cヱ2の開披数,ノ古流依存性この素子ほ前述したように仙て仙音還が若しく′トさいので高J副長特性も良好であり,頼流から数十Mcまでの広い線形増幅Lp】路に適したもので増幅素了･の標j■糾ヒ,増幅段数の減少,回路偶成の簡易化, 小形化,および低価格が期待されるものである｡試作素子の高岡彼等仙1t桐谷を弟7図に示しておく｡この素子の等価回路のy21,R三2およびC2コの問波数ならびに電流イ打仔性は第8図 (a),(b)に示すとおりである｡､策9図ほ455kcのIF増幅川路である｡′iE力利得50dBで小心周波数変動±1kc,ん=10nlAで-20∼50℃の利得変動1dB以￣Fで安定度は良好である｡またリ7クタンストランジスタとして数千倍の舛量増倍ができる.｡なお本河路の応f￣l￣摘iの詳細な解析については別に報告する予定である(2)｡

4.仙OS形集積回路

MOS形ICは半導体ICに含まjt,特異な特長をもっている｡MOS 形FETほ集積回路用の嘉子として最近,非常に期待さjtているのは￣F記の特出を有しているからである｡ (1)MOS形FETほ構造上(第10図),ドレーン,ソースおよびゲートが基盤からアイソレートされているので,半導体 ICのように省議子を分‡離するためのアイソレーション屑を設ける必要がない｡ (2)段間が容易にi自二紙できる｡ (3)MOS形FETだけで主要な論理回路の一類三桁化が可能である.｡第11図ほ集積回路の一例として,4入力論理ゲートおエびR-S フリップフロップ回路を示したものである｡製造工程はドレーン, ソース生成と同時に負荷抵抗を拡散で作っていることを除けば単体と同様で各回路ほ蒸着パタンのみを変える,いわゆるマスタパタソ方式によって作ることができ,きわめて量産的である｡ MOS形FETのスイッチング特性は多数キャリヤ素子の特長として,スイッチング時の電荷薔横効果,電流boggingなどの現象は生じない｡しかしオン鵬抗が数百n∼1knと高いことが欠点である｡すなわち負荷挑抗としては10kJユ以上が要求され,スイッチング時間はこの負荷抵抗と等価ドレーン容量(ドレーン容量＋次段ナード容量)の時定数によって決まるターンオフ時間によって制限される｡弟12図ほノアデート回路のスイッチング特性を示す｡ 50 50 y2 1ミ2 C22 仁一l二4いf･､ C/一二0.05tll-1 第7図 _{コレクタ分離形/デーリント} 素子の等-一別可絡

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第9l駕l･ノ155l{CJM 瞞川捕ス一第10図 MOS形ITET _L7)鵬道川きらに汀志すべきことは10k上二け1_トニl■1)抵jl'亡1妄7拡散で作ると,M()S 形FETよF)も大きくなり,かつ特件の制御がむずかしいことでふる｡これを避けるために第13図にホすエうに,fl荷紙抗の代J)f)にチャンネル幅を1/10∼1/100に緋いぃしたMOS形Fl三Tをダーオード接続にして用いる｡この場介オフ時にtlll-eSllOldう㍍｢l三Vrソ1に榊㌻l-1 するオフセット竜圧がヱトずる火山もこ￠,るが,MOS形FErl'だけで論理回路が偶成でき容易に一多数の系丁せぺレ､ソトに机7人こむことカ､こできるという大きな利点がある｡出近アメリカで100､200桐のM()S升多1Jlミ′1､ィうで′11()5に机ノ人こんだ20∼40ビットシフトレジスタの矧■-￣l】1が雅夫されていくもが,こ+l_トヒこの素子の特長を生かした集積何路といえ∴う.′-さらに注目されているのはNチャネル,Pチャネル1叫l≠む川いた相補形スイッチ回路で,弟14図(a)にホしたのがそJtである｡この回路はVc=0ではP形がオン,N形がオフであり,Ⅴ(J=ⅤではP形がオフ,N形がオンとなり両切りスイッチと二引佃でかつ次段の入ソJ (ゲート)はインピーダンスが高く耐流的には開放とみなせる｡そJL ゆえ,常時はほとんど電力を消糾せず,rH力容量を允,放′i￣琵する際の過渡電力だけしか要しない｡実測例ほ舞15図のようにⅤ=10V, カ=1Mcで翔は約0.4mWである｡このIj￣噸外のスイッチング柑生ほN.Pいずれかのターンオフ時間で状まるので,前f;己した-r】lモードの場合に比べて約1けた改善できる｡第14図(b)はその-･例で2

(5)

1562 _{11/て糾4t)咋9=} ､l､∵⊥ (a)NAND⊥′--トム冊三一口評立

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∬一土⊥DT⊥D二三D十D

しbl州忘l!i】路打妄12卜くINOR ゲート回路段あたりの遅れなノJミしたもぴ_)で,1段あたりの伝三通時間は杓15ns である｡弟l占図は3入￣ノノナンドゲート回路で入力A,B,CがすべてⅤのときのふ汁けJは0で.その他の組み合わせの入力のときはすべて出力ほⅤである､1このl‖順行をf机､た米債回路は本質的に低拝‡費冠力動作であるので.ガラスてスクやホトレジスト工程などの精度が許す範閃で小形,大帝度実装が可能である｡

5.半導体ICの問題点と将来の課題

現在半導体IC開発+二の問題点を大別すると,既存のエビタキシヤルプレーナ技術の改善と,これに代わる新技術の台頭とに分けて考ー1-こ.:

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ID 第47巻第9号

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(c)R-Sフリップフロップ 1'-1'｢: ＼■∴二＼'｢三第13[習負荷抵抗としてMOS形FETを用いる回路 1▼■ ＼｢

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1'し;=0: (a)九10S相補形スイッチおよび等価回路 (b)MOS相橋形スイッチング特性(50/JS/dW,2V/dW) 第14図 MOS相補形スイ _ッチ回路えられる｡ 5.】既存技術の改良現在用いる結晶は弟3図に示すSiO2によるアイソレ _ショソ以外はすべてェピタキシヤル結晶を用いることになる｡このように気

(6)

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∵′二ノ一【一 0.01 い八二 +u P 0.1 1 10 F｡･k 100 1.000 第15図 _{繰り返し周波数(′･､)と消費電力(几)との関係} 相から成長した結晶では従来の融液成長結晶に比べ一般に積層欠陥その他の欠陥が多く不純物拡散(特に拡散の速いAuなど)の再現性に問題があり,また拡散pn接合の耐圧のSharpnessなどにも問題が残っている｡これにほエビタキシヤル技術のいっそうの改良が望まれる｡またホトエッチングの方法に対しても材料の塗布,乾燥時のふん四気,陳じん,脱胞処理,レジスト膜の耐薬品性,基板との接着など化学的取扱面でも改良の必要な面が多い｡また不縄物拡散技術についても,最近気相から行なうB,Pなどの拡散技術の検討と,表面安定化に関係したガラス膜の形成とも関連して大きな問題を残している｡この拡散処理中に容器から混入するアルカリ金属や重金属なども寿命や性能劣化の原因とも考えられている｡MOS形 FET,pnpトランジスタなどを含む半導体ICではこれらが特に問題となろう｡ 5.2 _{新技術開発の動向} アイソレーション技術については前述の第3図に関係した新しい方法の工業化と,Beam-Lead的な方法などがあって多くの読みがなされているが,特にサファイヤ上にSiを成長させて分離する方法が注目されている｡またこれとは逆に金属上(Mo,Wほか)への半導体膜の成長も重要である｡不純物拡散技術にも,ホトレジスト膜の加工を必要としないSiO2膜上からのionimplantation(イオン押込)法による部分拡散技術も開発されつつある｡また将来超小形化超高速化,低価格をねらう場合は光学的分解能を越える微細加工の必要が生ずる｡これにほ電子線によるホトレジスト膜の加工

慣

】 1 + -→￣⊃ 0=A3C 第16図相補形NAND回路も考えられよう｡また本稿でほ述べなかったが素子の配線法についても将来ほBondedWireのないIC素子の組立,実装方式としてIBM

社の開発したSolid Logic _{Technologyを拡張した方法も台}

頭しほじめており(S),この方法が工業化されるとICの方式は monolithic方式,チップ方式,ハイブリッド方式のいずれもが高信栢,低価格化されるであろう｡またICの大きな用途としてディジタ ′ン分野が考えられていたが,アナログ分野にも大きな市場が実現する日も近いのではないかと考えられる｡

る.結

口集積回路の展望と試作品の概萱割こついてのべたが,アメリカでは小形で高信板度の回路素子として,すでに市場の寵児として活躍している0わが国でもディジタル回路の分野やアナログ回路の分野の急激な需要が真近かに迫っているので,多くの技術力を結集して集積回路の製造技術の確立と新技術の開発を促進している｡ (1) り′】 3 4 〓J 6 7 (8) 参莞文献

"MonolithicIntegrated _{CircuitsけⅠ.E.E.Eリ} _Spectrum (1964)June p.83 TrygueAIverdal‥ _{Elec.Design12No.8(1964)Junep.62} IntegratedCircuits:Ⅰ･E･E･E.,Spectrum(1964)Junep.62 近月凱 _{山本:電子科学15(1965)No.5p.50} Elec,Design:12(1964)80 Proc,Ⅰ.E.E.Eリ52(1964)1655 三和,高木,田内:"HitachiReview”投稿中(Vol.15-2 掲載予定)

GeorgeL,Schnalile,AndrewF:MckelveyANewTech-nique for Preparing Oxide-Isolated Silicon Wafers for Microcircuits _Summaryof _a

PaperPreparedforPresen-tationattbe1964ElectronDevice Meeting _October2P,