Вспомогательные элементы интегральных схем

В конструкциях интегральных схем необходимо предусмотреть наличие следующих вспомогательных элементов:

1) фигура совмещения.

Они необходимы для точного выполнения операции совмещения рисунков фотошаблона при фотолитографии с рисунками ранее совмещенных слоев. Их число на 1 меньше количества операций фотолитографии. Фигура совмещения может иметь форму треугольника, квадрата, креста, круга и так далее.

2) ключ – это какая-либо конструкторская особенность одной контактной площадки или других элементов, расположенных вблизи одной контактной площадки. Это позволяет без труда распознать ее и отличить от других. Это необходимо для правильной ориентации кристалла внутри корпуса. Ключом может служить отличная геометрия контактной площадки, знак на нее или фигура совмещения.

3) тестовые элементы.

В качестве тестовых элементов могут быть резисторы, диоды и транзисторы, которые дополнительно включаются в состав микросхемы для контроля результатов технологической операции по результатам характеристик отдельных слоев транзистора.

Например, в результате операции базовой диффузии можно судить по сопротивлению тестового резистора, а технологического процесса в целом – по параметрам тестового транзистора. Необходимость создания тестовых структур определяется очень малыми размерами активных областей элементов микросхем, параметры которых можно измерить после изготовления всего кристалла. В тестовых структурах размеры отдельных областей, окон и контактных площадок изготовлены увеличенного размера, так, чтобы без труда можно было подключить зонды. Это позволяет с помощью специальной многозондовой головки производить измерения параметров в процессе производства. Тестовые элементы обычно располагаются в центре пластины и еще в четырех точках ближе к периферии. Это позволяет контролировать качество операции на всей площади пластины до ее разрезания на кристаллы.

Тема 3: Проектирование п/п имс на мдп транзисторах. Конструкции мдп -транзисторов.

МДП транзисторы имеют существенное преимущество перед биполярными транзисторами по конструкции (меньше площадь, самоизоляция) и электрофизическим параметрам (низкий уровень шумов, радиационная стойкость, устойчивы к перегрузки потока, высокое входное сопротивление, низкая потребляемая мощность и низкая стоимость).

В тоже время БИС на МДП транзисторах уступают в технологической воспроизводимости и стабильности параметров, а также в быстродействии. По конструктивно – технологическому исполнению МДП транзисторы делят на две группы:

• со встроенным каналом;

• с индуцированным каналом.

Встроенный канал предусмотрен при конструирование и формируется на этапе производства транзистора легированием приповерхностной области между истоком и стоком. Оба типа транзистора бывают n- и p- канальные.

В МДП транзисторе со встроенным каналом проводимость существует даже при нулевом управляющем напряжении. Эти транзисторы работают при различной полярности напряжения на затворе. В МДП транзисторах с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе проводимость отсутствует.

n-Канальные транзисторы имеют быстродействие в (2 – 3)раза больше, чем p- канальные, и совместимы по знаку с биполярными БИС, но n-канальные транзисторы технологически труднее получить, поэтому первые ИС были на p- канальных транзисторах.

Существуют следующие типы МДП транзисторов:

1. МДП транзисторы с алюминиевой металлизацией.

Примером таких транзисторов являются рассмотренные ранее транзисторы. Подзатворный слой окисла делается тонким (0,05 – 0,01)мкм с целью снижения порога срабатывания транзистора. За пределами области каналов стараются сделать более толстый слой окисла (больше 1 мкм) с целью снижения паразитных емкостей сигнальных шин и повышения порогосрабатывания паразитных МДП транзисторов. Паразитные МДП транзисторы возникают в местах прохождения алюминиевых проводников над диффузионными шинами питания:

Т ранзисторы этого типа имеют невысокую крутизну характеристики, поэтому хорошо подходят в качестве нагрузочного транзистора, причем длину канала даже увеличивают.

В том случае, когда для обеспечения высоких значений крутизны отношение (b_k – ширина канала, l_k – длина канала), то с целью экономии площади применяют П- образную форму канала, т.е.:

Д альнейшее снижение порогового напряжения и улучшения характеристик транзистора данной конструкции возможно только за счет применения кремневых подложек с рабочей поверхностью ориентированной по кристаллографичной плоскости.

2. МНОП транзисторы.

Возможности управления пороговым напряжением транзистора расширяются, если использовать многослойный подзатворный диэлектрик. В этом случае появляются дополнительные заряды на границе диэлектрика, объемный встроенный заряд дополнительного диэлектрика и заряд, обусловленный полярностью диэлектрика.

Одним из вариантов такой структуры является структура металл – нитрит кремния – окисел – полупроводник (МНОП). Пленка нитрита обладает более высокой диэлектрической проницаемостью и более высокой пассивирующей способностью. Одно это уже позволяет снизить пороговое напряжение на (1 – 5)В и повысить крутизну. Однако использование только нитрита приводит к появлению зависящего от напряжения на затворе заряда на границе раздела кремний – нитрит. Из- за этого наблюдается непостоянство напряжения и гистерезис.

Использование МНОП-структур позволяет снизить толщину диэлектрика приблизительно в 1,5 раза и уменьшить пороговое напряжения примерно на 1В.

3. МОАП – транзисторы.

Здесь в качестве второго диэлектрика используется , который создает на границе раздела диэлектрически встроенный отрицательный заряд. В n-канальном транзисторе пороговое напряжение меньше или равно 1В.

4. МОП – транзисторы с поликремневым и молибденовым затворами.

В МДП транзисторах с алюминиевым затвором имеется значительное по площади перекрытие затвора с истоком и стоком. Это необходимо для надежности обеспечения формирования канала. Однако это приводит к паразитным емкостям С_зи и С_зс, а это приводит к снижению быстродействия транзистора. Уменьшить перекрытие в конструкциях с алюминиевым затвором технологически невозможно. Эта проблема решается в конструкциях с самосовмещенным затвором относительно внутренних границ истока и стока, в которых затвор изготавливается из легированного поликристалла кремния или молибдена. Молибден и поликристалл кремния – это высокотемпературный материал, способный выполнять роль защитной маски при диффузии. (t_пл>1100^оС).

При производстве сначала наносят затвор, а затем через него производится диффузия. В результате получается перекрытие только за счет боковой диффузии под затвором.

Очень малое проникновение атомов примесей под затвором наблюдается при ионном легирование. Однако такие области имеют высокое объемное сопротивление и высокое сопротивление контакта с металлическими шинами, поэтому используется комбинация иного легирования и n⁺ - диффузии. Такая технология позволяет создавать одновременно на одном кристалле МДП транзисторы с индуцированным и встроенным каналами и биполярные транзисторы.

МДП транзисторы с самосовмещенными поликремневым и молибденовым затворами имеют следующие преимущества:

• высокое быстродействие (задержка на элементах (1 - 4)нс);

• малые размеры (позволяет повысит плотность компоновки и выход годных микросхем);

• низкое пороговое напряжение (до 0,5В), что позволяет снизить напряжение питания и потребляемую мощность;

• хорошая защита канала и подзатворного окисла способствует улучшению повторяемости и стабильности параметров транзистора.

5. D – МОП транзисторы.

Область p- типа и истоковая область n⁺ - типа формируются последовательной диффузией акцепторной и донорной примесей в одно и тоже окно окисной пленки.

Толщина p- области равна толщине база биполярного транзистора. Активная область канала здесь короткая и ограничивает p- областью. Отличительной особенностью конструкции является отсутствие совмещенного затвора со стоком. Эта конструкция имеет малую проходную емкость С_зс и высокое рабочее напряжение стока (300 – 400)В. Короткий канал и малая проходная емкость позволили повысить быстродействие ИС на этих транзисторах более, чем в 5 раз при тех же технологических ограничениях; задержка сигнала меньше 1 нс. Технология позволяет производить на одной кристалле D – МОП транзисторы и биполярные транзисторы (n – p – n).

По причине малой плотности размещения, эти транзисторы не нашли широкого применение в БИС, но благодаря своим уникальным свойствам они применяются в микросхемах быстродействующих переключательных устройств с высоким рабочим напряжение и в устройствах большой мощности.

6. V – МДП транзисторы.

В этих транзисторах затвор формируется в V-образной ямке в полупроводниковой подложки. Ямка вытравливается через все слои кристалла до высоколегированного n⁺ - слоя подложки.

В этих транзисторах длина канала небольшая, на глубину p- слоя. Поэтому транзисторы имеют высокие крутизну и быстродействие, малую площадь, занимаемую на поверхности подложки благодаря вертикальной конструкции. Все полупроводниковые ИС на этих транзисторах имеют общий исток, роль которого выполняет подложка n⁺ - типа. В связи с низким выходом годных элементов и ограниченной логической возможностью V – МДП транзисторы редко применяются в БИС, однако благодаря своим уникальным способностям, управление большими токами с высокой скоростью переключения, нашли применение в ИС звуковых высококачественных усилителей мощности, широкополосных усилителях и источниках вторичного электропитания.

7. МДП транзисторы на диэлектрической подложке.

Изготавливаются в островках эпитаксиально выращенного кремния на сапфировой подложке.

В таких транзисторах отсутствуют паразитные межэлементные связи через подложку, меньше паразитные емкости, отсутствуют паразитные транзисторы. В результате чего МДП – структуры на диэлектрической подложке обладают высоким быстродействием, по сравнению с аналогичной конструкцией на кремне; имеют высокую плотность компоновки благодаря вертикальной конструкции.