10.3. Приклад розрахунків кмдн – інвертора

Необхідно розрахувати КМДН – інвертор. Використана технологія локального оксидування 1,25 мкм. Довжина каналу транзисторів один мікрометр.

10.3.1. Вибір базового структурно-топологічного варіанта

Базовий структурно-топологічний варіант інвертора, виконаний за комплементарною технологією 1,25 мкм, зображений на рис. 10.3 і 10.4. Таку топологію і структуру можна одержати частково виходячи з топологічних і структурних обмежень технології і допусків на суміщення для вибраного методу формоутворення.

На рис. 10.3 показані мінімальні топологічні розміри (по шаблону) для р - і n - канальних транзисторів, а на рис. 10.4 - поперечний переріз МДН – транзистора після виготовлення. Імплантований шар під захисним оксидом контактує до активних областей транзистора (рис. 10.4). Це, зокрема, необхідно в області між витоком і стоком для запобігання крайовим струмам перемикання між сусідніми транзисторами. Як для р -, так і для n - канального транзистора розміри заслону і дифузійних областей витоку - стоку підбирають так, щоб ефективна довжина каналу L_e складала 1 мкм.

Прийнявши даний базовий структурно-топологічний варіант, виконаємо докладний розрахунок і аналіз параметрів, починаючи з вибору концентрації домішки в основі (кристалі) в активній області каналу.

Спочатку необхідно визначити різні критичні технологічні параметри з урахуванням особливостей короткого каналу, що безпосередньо впливають як на статичні, так і на динамічні характеристики інверторів. Перший і найважливіший етап - вибір рівня легування основи (кристала) N. Значення N варто взяти такою, щоб одержати необхідну напругу пробою U_D.BR, забезпечити мінімальне зниження потенційного бар'єра під дією стоку, що впливає на порогову напругу U_GST, і ін.

10.3.2. Визначення концентрації домішки в основі і напруги живлення

Визначимо спочатку середнє значення домішки в основі , хоча, звичайно, концентрація в основі непостійна, а потім уточнити її відповідно до одержуваного на практиці концентраційного профілю домішки.

Як було показано раніше (10.10), вибирати концентрацію домішки в основі належить таким чином, щоб розміри областей об'ємних зарядів витокового і стокового p – n – переходів обмежити, приблизно, значенням L_e /2 при напрузі стік – витік U_DS = U_DD. Розміри цих областей W_D і W_S (рис. 10.5) в одиницях СІ розраховують за виразами:

		(10.49)
		(10.50)
де	В.	(10.51)

Приймемо, що витік n – канального транзистора з’єднано з основою U_S = 0, а U₀ ≈ 0,9 В. Підставимо ці значення у вирази (10.49) і (10.50), виконаємо необхідні перетворення і одержимо формулу для розрахунку середньої концентрації домішки в основі:

	(10.52)
	(10.53)

Щоб визначити значення , необхідно вибрати робочу напругу U_DD. При цьому враховують три наступних фактори:

1. максимальне електричне поле в підзаслінному діелектрику

(10.54)

2) напругу лавинного пробою витокових - стокових p – n - переходів U_D.BR;

3) інжекцію гарячих електронів із працюючих у лавинному режимі витокових - стокових p – n - переходів.

Розглянемо кожний з цих факторів окремо.

1. У загальному випадку для довгострокової стабільності двооксиду силіцію з урахуванням автоелектронної емісії і впливу випадкових дефектів максимальне поле в оксиді ξ_ox не повинне перевищувати значення 2.10⁸ В/м.

Для виконання цієї умови при d_ox =250 Å необхідно, щоб виконувалася умова U_DD < 5 В. При U_DD = 3,3 В максимальна напруженість електричного поля в діелектрику буде:

В / м,

(10.55)

що менше прийнятої межі.

2. Напругу лавинного пробою ступінчатого p – n – переходу областей витоку і стоку визначають за графіками, наведеними на рис. 10.6. На напругу пробою впливає радіус кривизни переходу .

Наприклад, якщо концентрація домішки в основі = 1.10²³ м^-3 при x_j = 0,2·10^-6 м, пробивна напруга приблизно буде U_D.BR  8,6 В.

3. Інжекція гарячих електронів у підзаслінний діелектрик може відбуватися при тривалій роботі, коли електричне поле в переході перевищує половину максимально допустимої напруженості . Зазвичай такі електричні поля виникають при U_DD = 2...4 B. Тому або напруга U_DD повинна бути менше 5 В, або необхідно зменшувати концентрацію домішки в основі . Однак при зменшенні підсилюється ефект поділу зарядів, і стає відчутною модуляція порогової напруги U_GST.

З урахуванням трьох проаналізованих факторів розглянемо вибір величини при L_e = 1 мкм і двох значеннях U_DD.

1. Для напруги живлення U_DD = 5 В. З рівняння (10.53) визначаємо = 6·10²² м^-3;

1.1. ξ_ox = U_DD /d_ox = 2.10⁸ В/м;

1.2. U_D.BR  11,0 B;

1.3. при ξ_pn = 0,5 ξ_М ; = 2,9 В. Де - напруга U_DD, при якій вже виявляються ефекти інжекції гарячих електронів в умовах тривалої експлуатації.

2. Для напруги живлення U_DD = 3,3 В. З рівняння (10.53) визначаємо = 4,8·10²² м^-3.

2.1. ξ_ox = U_DD /d_ox = 1,32·10⁸ В/м;

2.2. U_D.BR  11,5 B;

2.3. при ξ_p-n = 0,5 ξ_М ; = 3,24 В.

Таким чином, порівняння двох варіантів розрахунків напруги живлення показує, що для l,25 мкм технології вибір в інтервалі від 4·10²² до 5·10²² м^-3 при U_DD = 3,3 В забезпечує "безпечні" умови роботи, що обумовлені наступними обмеженнями: ξ_ox.макс < 2·10⁸ В/м ; U_D.BR > U_DD;  U_DD..

Для зменшення ефектів гарячих електронів існують і інші способи. Перший - збільшення радіуса кривизни переходів (збільшення глибини переходів). Другий передбачає розширення областей об'ємного заряду витоку і стоку, для чого формуються слаболеговані "продовження" витокових - стокових областей. Обидва методи вимагають додаткових технологічних операцій. При першому методі збільшується ємність Міллера і ємності самих переходів, а при другому - зростають паразитні опори витоку і стоку.