4. Униполярные мдп-транзисторы

Наряду с биполярными структурами в ИС успешно применяются МДП-структуры, которые по принципу действия относятся к полевым приборам.

Униполярные (полевые) транзисторы нашли широкое применение в радиоаппаратуре, как в качестве законченных конструкций, так и в составе ИС.

Существуют две конструктивные разновидности полевых транзисторов: транзисторы с управляющим p-n переходом, реализуемые как дискретные приборы, и транзисторы с изолированным затвором (со структурой металл-диэлектрик-полупроводник) или МДП-транзисторы, которые изготовляют по планарной технологии, рассмотрение которых приводится ниже.

Их работа основана на модуляции сопротивления (проводимости) слоя полупроводникового материала электрическим полем. В отличие от биполярных транзисторов, полевые не имеют усиления по току. Они являются активными элементами, обеспечивающими усиление мощности и напряжения, их характеристики зависят от напряжения. Механизм их работы основан на перемещении только основных носителей заряда, поэтому их называют униполярными. Эти транзисторы имеют преимущество перед биполярными: малый уровень шумов; большая стойкость к радиационным излучениям; устойчивость от перегрузок по току; высокое входное сопротивление (10¹⁵ Ом); простота МДП-технологии по сравнению с биполярной и обусловленный этим более высокий процент выхода годных и меньшая стоимость; самоизоляция МДП-транзисторов от подложки, облегчающая построение ИС; простота построения логических схем и возможность создания схем, содержащих одни МДП- транзисторы; малые геометрические размеры МДП- транзистора (площадь 0,00063 мм² на подложке) по сравнению с биполярными (площадь 0,01 мм²) и обусловленная этим большая плотность упаковки элементов в ИС; электрическая совместимость МДП-ИС с биполярными схемами различных типов; реализация и развитие новых схемных принципов – динамическое хранение информации, память на МДП- транзисторах с нитридным диэлектриком и т.д.

В выпускаемых МДП-приборах в качестве материала активной подложки, в которой формируется проводящий канал, используется монокристаллический кремний. Попытки использовать другие полупроводниковые материалы успеха не имели из-за проблемы стабильности и воспроизводимости приборов.

В приповерхностном слое полупроводниковой пластины методом локальной диффузии формирует исток (И) и сток (С) МДП-транзистора, изолированные от подложки pn-переходами. Между истоком и стоком технологическим путём или с помощью поперечного электрического поля, сосредоточенного в пространстве между полупроводником и затвором, формируют проводящий канал. Тип носителей в канале (электроны или дырки) соответствует типу проводимости полупроводникового материала истока и стока. В зависимости от типа носителей различают МДП-транзисторы с n-каналом (рис.8, а, в) и p-каналом (рис.8, б, г).

МДП-транзисторы, в которых тонкий n- или p-канал сформирован технологическим путём (ионное легирование) называют транзисторами со встроенным каналом (рис.8, а, в). Система затвор-диэлектрик-полупроводниковый канал подобна конденсатору, в котором поверхностная плотность свободного заряда, определяющего проводимость канала, зависит от величины и направления электрического поля в диэлектрике. В МДП-транзисторах со встроенным каналом под действием управляющего поперечного электрического поля, создаваемого напряжением на затворе, осуществляется модуляция проводимости канала и соответственно управление током, протекающим по каналу между истоком и стоком. Так, если в МДП-транзисторе с n-каналом к затвору относительно канала приложено положительное напряжение, то канал обогащается электронами и увеличивается проводимость канала (режим обогащения). Наоборот, при отрицательном напряжении на затворе в канале у границы раздела Si-SiO₂ наблюдается обеднение электронов и проводимость канала уменьшается (режим обеднения). В МДП-транзисторе с p-каналом (рис.8, б) в зависимости от полярности напряжения на затворе наблюдается обогащение (U_З‹0) или о беднение (U_З›0) канала дырками.

Рис.8. Структура МДП-транзистора с изолированным затвором

МДП-транзисторы, в которых проводящий канал устанавливается под действием поперечного электрического поля между затвором и подложкой, называются транзисторами с индуцированным каналом (рис.8, в, г). Такие транзисторы работают только в режиме обогащения. Для образования индуцированного канала в n-канальном приборе на затвор подаётся положительное напряжение. При вполне определённом напряжении на затворе происходит инверсия проводимости приповерхностного слоя полупроводника p-типа, и между истоком и стоком устанавливается n-канал. Проводимость канала модулируется изменением напряжения на затворе. В МДП-транзисторе с индуцированным p-каналом для образования канала на затвор подаётся вполне определённое отрицательное напряжение. При этом приповерхностная область подложки обедняется электронами и обогащается дырками, то есть образуется инверсный p-слой. В ИС МДП-транзисторы с индуцированными каналами обычно выполняют роль управляющих ключей, а МДП-транзисторы со встроенными каналами – активных нагрузок. В последнее время в ИС широко применяют n-канальные МДП-транзисторы, характеризующиеся повышенным быстродействием за счёт большей подвижности электронов в канале, чем дырок.

При практическом применении МДП-транзисторов наиболее часто используются следующие их основные параметры: пороговое напряжение –минимальное напряжение ан затворе, при котором отпирается канал (U_C=const, U_П=0); удельная крутизна, коэффициент влияния подложки и выходное сопротивление. Электрические параметры и характеристики МДП-транзисторов определяются основными параметрами МДП-структуры, к которым относятся: плотность эффективного поверхностного заряда, концентрация атомов примеси в подложке, подвижность носителей у поверхности полупроводниковой пластины на границе между полупроводником и диэлектриком и геометрические размеры структуры (в основном канале).

Важным преимуществом МДП-транзисторов является возможность их использования не только как активного элемента, но и как пассивного. При соответствующем включении МДП-транзистор можно применить как резистор, что позволяет создать большинство ИС только на базе МДП-структур (ключевые, логические ИС).

ИС, содержащие одновременно p-канальные и n-канальные МДП-транзисторы, называют комплиментарными (сокращённо КМДП-ИС). Они отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием. Эти преимущества, однако, достигаются за счёт более сложной технологии с меньшим выходом годных схем. В КМДП-ИС возможно получение широкого диапазона напряжения питания от 3 до 15 В, что обеспечивает согласование с практически любыми биполярными схемами.

В стационарном состоянии один из транзисторов КМДП-ИС всегда находится в режиме отсечки канала и поэтому закрыт. Величина тока стока открытого транзистора комплиментарной пары определяется токами утечки одного из стоков pn-переходов и составляет при нормальной температуре единицы наноампер, что обеспечивает получение мощности рассеивания в статическом режиме 10^-9 Вт. При этом соотношение геометрических размеров транзисторов и их характеристик крутизны никак не влияют на логические уровни, что позволяет использовать приборы с примерно одинаковыми значениями крутизны и благодаря этому получить высокое быстродействие и симметрию фронтов задержки. Помехоустойчивость комплиментарных схем за счёт высокой крутизны переходной области передаточной характеристики весьма велика и может достигать 40% от напряжения питания.

Технологический процесс изготовления КМДП с окисным диэлектриком показан на рис.9. Процесс начинается с формирования в подложке n-типа диффузионных “карманов” p-типа, служащих в дальнейшем подложкой для транзистора с каналом n-типа (рис.9,а). После этого с помощью диффузии бора в n-подложку формируют стоковую и истоковую области транзистора с каналом p-типа (рис.9,б), а с помощью диффузии фосфора в “карман” p-типа –стоковую и истоковую области транзистора с каналом n-типа (рис.9,в). В обоих приборах вскрывают окна под окисел затвора, который выращивают одновременно в обеих структурах термическим окислением (рис.9,г). Затем вскрывают контактные окна к диффузионным областям и подложкам и формируют соединительную металлизацию (рис.9,д). Описанный метод базируется на стандартной МОП-технологии, однако, он гораздо сложнее и включает три операции диффузии и шесть процессов фотолитографии. Поэтому КМОП-приборы имеют заметно меньший процент выхода годных и более высокую стоимость. В комплиментарных МДП-ИС общая площадь структуры заметно увеличивается вследствие необходимости формирования достаточно глубоких “карманов” p-т ипа.

Рис.9. Технологический процесс изготовления КМДП-транзистора

Рассмотрим ИС на пассивных подложках. Хорошо известно, что собственное предельное быстродействие МДП-транзисторов, определяемое процессом установления тока в канале, очень велико, а снижение быстродействия в реальных структурах объясняется наличием в них значительных паразитных ёмкостей перекрытия, стоковых и истоковых pn-переходов и соединительной металлизации. Недавно разработаны эффективные методы уменьшения паразитных ёмкостей в МДП-ИС за счёт использования изолирующих термостойких монокристаллических подложек из сапфира, среди которых важное место занимают КНС-структуры (кремний на сапфире). На подложке из сапфира выращивается тонкий (1мкм) эпитаксиальный слой монокристаллического кремния, а отдельные МДП-транзисторы формируются в вытравленных в этом слое изолированных друг от друга островках, что позволяет уменьшить паразитные связи между отдельными элементами ИС. С помощью КНС-технологии можно достигнуть очень высокой плотности упаковки элементов схемы. По сравнению со стандартными КНДП-ИС упрощаются фотошаблоны и уменьшается их число. Это обусловлено тем, что на сапфире можно исключить защитные зоны, изолирующие p- и n-области. Применение КНС-структур позволяет увеличить быстродействие ИС средней степени интеграции в 3-5 раз и даже 10 раз, если быстродействие не определяется полностью ёмкостью корпуса и электродов.

Т ехнология изготовления МДП-транзисторов на изолирующих сапфировых подложках показана на рис.10.Процесс начинается с тщательной механической обработки сапфировой подложки с целью предания её поверхности высокой степени плоскостности и гладкости. Затем на подготовленной поверхности

Рис.10. Технологический процесс изготовления МДП-транзисторов на

структурах КНС

выращивают эпитаксиальный слой монокристаллического кремния p-типа толщиной в 1 мкм с высоким удельным сопротивлением, в котором с помощью фотолитографии и селективного травления формируют изолированные островки для отдельных транзисторов (рис.10,а). Над стоковыми и истоковыми областями будущих приборов с каналами p-типа осаждают слой окисла с каналами n-типа –слой окисла, легированного фосфором (рис.10,б). После этого пластина помещается в печь, в которой при температуре 1100 ^оС проводится одновременная диффузия примесей обоих типов на всю глубину кремниевого слоя и выращивание защитного слоя (рис.10,в). Затем осуществляется одновременное вскрытие окон под диэлектриком истоков и стоков в приборах обоих типов, термическое окисление затвора, напыление алюминия и соединительных проводников (рис.10,г).

В структурах на сапфировой подложке удаётся получить значительное уменьшение ёмкости pn-переходов и снизить до нуля паразитные ёмкости проводников. Значительно упрощается сам технологический процесс изготовления КМДП-структур, так как отпадает проблема изоляции разнотипных приборов, а диффузия акцепторной и донорной примесей проводится одновременно. Это делает процесс формирования КНС-структур сравнимым по сложности с точки зрения числа операций фотолитографии и диффузии со стандартным МОП-процессом. Почти в 20 раз уменьшается площадь плёнки кремния на подложке, а вместе с тем число дефектов в окисле и замыканий в соединительных шинах, что способствует повышению процента выхода годных приборов.

Толщина используемых плёнок не превышает 2 мкм, что соизмеримо с глубиной диффузии примесей, применяемой при изготовлении МОП-структур. Легирующие примеси проникают на всю глубину плёнки кремния и плоскость pn-перехода оказывается нормальной к поверхности подложки. Поскольку площадь такого вертикального pn-перехода определяется толщиной эпитаксиального слоя, то ёмкость структур мала. Быстродействие таких МДП-ИС возрастает до 250 МГц, что превышает быстродействие приборов, получаемыми всеми другими технологическими методами.

Технология КНС-ИС имеет ряд недостатков, Различие в кристаллических структурах сапфира и кремния приводит к значительному повышению концентрации структурных дефектов в эпитаксиальной плёнке и вследствие этого к падению подвижности носителей зарядов и увеличению коэффициента диффузии легирующей примеси вблизи границы раздела кремний-сапфир, что вызывает опасность сквозного диффузионного замыкания канала. При высокой температуре происходит автолегирование кремния аммонием и кислородом, входящими в состав сапфира, а диффундирующие примеси отражаются от границы раздела кремний-сапфир. Сапфировые подложки трудно резать на кристаллы. Они не поддаются скрайбированию и их режут полотнами. Сапфировые чипы нельзя монтировать в корпус путём пайки эвтектикой, их приходится приклеивать.

Проблема надёжности металлизации в КНС-ИС решается с помощью увеличения толщины напыляемого алюминия до 1 мкм, что позволяет формировать сплошные соединительные шины на ступеньках, образованных островками кремния.

Вместо сапфировых подложек применяют подложки из кристаллической шпинели, структура которой близка к структуре кремния, а способность к автолегированию на порядок меньше, чем у сапфира.