6.1.4. Производство планарного полевого транзистора
При создании микросхем на МОП-транзисторах широко используется так называемая комплементарная МОП-пара (рис. 6.4) два МОП-транзистора (ПТИЗ) с индуцированными каналами разного типа проводимости, которые как бы дополняют (комплементарны) друг друга. Подобные транзисторы называют КМОП-транзисторы.
Последовательность отдельных операций при изготовлении КМОП-структуры на поверхности кремниевой подложки показана на рис. 6.4, а, б, в. Первоначально путем ионной имплантации на подложке n-типа создают VT1 транзистор p-МОП, а рядом с ним – VT2-транзистор n-МОП. При этом обеспечивается изоляция истока n+-типа и стока n+ от кремниевой подложки.
Для примера, на рис. 6.4, г изображена распространенная схема на базе КМОП-структуры прибора – инвертора, изменяющего полярность входного сигнала (сдвиг фаз между входным и выходным сигналами составляет 180о).
Транзисторы подобной пары на КМОП-транзисторах соединены последовательно по цепям "сток – исток" и подключены к источнику питания (рис. 6.4, г). Входом схемы инвертора являются соединенные затворы полевых транзисторов. В таком инверторе в статическом режиме один из транзисторов закрыт, поэтому ток потребления пренебрежительно мал, и им можно пренебречь. Следовательно, подобный инвертор обладает высокой энергоэффективностью.
6.1.5. Структура транзисторов статических микросхем памяти
Применение МОП-структур позволяет получить микросхемы для постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), оперативных запоминающих устройств (ОЗУ).
Перепрограммируемые (репрограммируемые) постоянные запоминающие устройства ПЗУ (РПЗУ), сохраняют записанную в них информацию в течение длительного времени даже при отключении источника питания. В то же время они допускают стирание записанной информации и запись новой информации.
РПЗУ обычно выполняют на основе МОП-транзисторов с так называемым плавающим затвором. К подобным транзисторам относятся структуры, изготовленные по ЛИЗМОП-технологии (рис. 6.5), название которых расшифровывается как МОП-транзисторы с лавинно-инжекционным затвором. Подробные ПТИЗ-транзисторы с индуцированными каналами p- или n-типа используются для записи цифровой информации.
ЛИЗМОП-транзисторы имеют "плавающие" затворы, которые, в общем случае, могут как накапливать заряд (заряжаться), так и разряжаться в процессе записи, перезаписи или стирания информации.
На рис. 6.5, а, б, показаны элементы памяти типа ЛИЗМОП с электрической записью (стиранием) информации и стиранием ультрафиолетовым излучением (УФ).
Внутри относительно толстой пленки окисла SiO2 или нитрида кремния имеется, например, изолированный от канала (плавающий) поликристаллический (проводящий) слой кремния, способный захватывать электроны (имеются плавающие затворы, захватывающие дырки из подложки). Заметим, что в структуре, приведенной на рис. 6.5, а, затвор З отсутствует.
Особенность транзисторов, структура которых показана на рис. 6.5, а, б, состоит в том, что они являются МОП-транзисторами с индуцированным каналом р-типа с типичной стокозатворной характеристикой, представленной на рис. 6.5, в.
а) б) в) г)
Рис. 6.5. Элементы памяти РПЗУ-УФ (а), РПЗУ-ЭС (б), стоко-затворная характеристика (в) элементов типа ЛИЗПОП и элемент структуры накопителя (г)
В исходном состоянии у данных транзисторов p-канал отсутствует (рис. 6.5, в). Известно, что для создания р-канала в подобном ПТИЗ-транзисторе необходимо подать на контакт затвора З значительное отрицательное (по отношению к истоку) пороговое напряжение Uзи пор0, так что исходному состоянию транзистора условно приписывается лог. 0.
Если к стоковому p-n-переходу (между стоком и подложкой) приложить напряжение примерно U = 30 В (+ на p-стоке), то начнется обратимый лавинный пробой p-n-перехода сток-подложка. Аналогично, пробой можно вызвать, приложив 50-100 В длительностью 100-200 мкс между стоком и истоком.
Образуемые в процессе лавинного пробоя электроны туннелируют через пленку SiO2 в толстый слой нитрида кремния SiN4, внутри которого локализован проводящий плавающий затвор (рис. 6.5, а, б), созданный на основе проводящего кристаллического кремния.
Отрицательный заряд электронов, накопленных и зафиксированных в плавающем затворе внутри пленки нитрида, притягивает к поверхности (под слой окисла) дырки из подложки. При большом заряде электронов формируется проводящий p-канал между истоком и стоком. При этом уменьшается (до нуля) величина порогового напряжения Uзипор, необходимого для создания канала (рис. 6.5, г). Подобному состоянию транзистора (с зарядом в плавающем затворе) приписывается состояние лог. 1. Теперь достаточно приложить между стоком и истоком напряжение Uси ( на стоке), и транзистор окажется в открытом (проводящем) состоянии, способном проводить ток.
Таким образом, программирование (занесение лог. 1 в элемент памяти) производится путем импульсной подачи достаточно большого напряжения к p–n-переходу стока и инжекции электронов в структуру плавающего″ затвора.
После этого процесса программирования заряд, попавший в изоляционную пленку нитрида кремния, может удерживаться на плавающем затворе длительное время (годами); стеканию заряда обратно в подложку мешает высокое сопротивление пленки диэлектрика.
Заметим, что в МНОП-транзисторе с nканалом внедрение заряда в пленку окисла характеризует лог. 0, записанный в ячейку памяти.
Стирание информации в одних микросхемах памяти производится путем подачи соответствующих напряжений на затвор. В других (РПЗУ-УФ; ультрафиолетовое стирание; рис. 6.5, а) – стирание реализуется путем облучения ультрафиолетовым излучением через прозрачную кварцевую крышку в корпусе микросхемы.
Информация в элементах памяти типа EPROM стирается с помощью облучения кристалла ультрафиолетовыми лучами, что отражается в отечественном термине для этой памяти РПЗУ-УФ (репрограммируемые запоминающие устройства с ультрафиолетовым стиранием).
Таким образом, под действием электрического напряжения либо облучения УФ-излучением (примерно 20-30 минут) снимается заряд с плавающих затворов транзисторов, и все транзисторы накопителя оказываются установленными в состояние лог. 0.
Накопитель со стертой конфигурацией информации можно запрограммировать вновь. Число циклов репрограммирования ограничено величинами порядка десятков-сотен раз, т. к. ультрафиолетовое облучение постепенно изменяет (ухудшает) свойства полупроводникового кристалла.
Микросхемы с возможностями многократного программирования со электрическим стиранием и записью конфигурации в специальных режимах также используют программируемые элементы в виде ЛИЗМОП-транзисторов. От описанного выше варианта эти микросхемы отличаются наличием средств электрического стирания записанной в память информации.