4. Библиотеки топологических элементов. Моп-транзисторы

Полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник (полевой МОП-транзистор или просто МОП-транзистор для краткости) является основой современных цифровых микросхем. Его главным достоянием с точки зрения цифровой обработки является прекрасная работа в качестве ключа, а также малое количество паразитных эффектов. Другие его важные преимущества состоят в том, что достигаемая на его основе высокая плотность интеграции совместно с относительно "простым" процессом изготовления делают возможным экономически оправданное производство больших и сложных схем.

Краткое описание принципов работы прибора

Полевой МОП-транзистор — это прибор с четырьмя выводами. Напряжение, подаваемое на вывод затвора, определяет наличие и величину тока, протекающего между портами истока и стока. Подложка представляет собой четвертый вывод транзистора. Его функция вторична, поскольку он служит только для модулирования характеристик и параметров прибора.

На самом простом уровне транзистор можно считать ключом. Если прикладываемое к затвору напряжение выше некоторого заданного (так называемого порогового напряжения V_t), то между стоком и истоком образуется проводящий канал. При наличии разности потенциалов между стоком и истоком между ними начинает течь ток. Проводимость канала модулируется напряжением затвора: чем больше разность потенциалов между истоком и затвором, тем меньше сопротивление и тем больше ток. Если напряжение на затворе меньше порогового, то канал отсутствует и ключ считается разомкнутым.

Различают два типа полевых МОП-транзисторов. n-МОП-тразистор содержит n⁺-области истока и стока, погруженные в подложку р-типа (см. рис.4.1).

Ток переносится электронами, двигающимися по каналу n-типа между истоком и стоком. Это отличается от диода на pn-переходе, в котором ток переносится как электронами, так и дырками. МОП-приборы могут также изготавливаться с использованием подложки n-типа и р⁺-областей истока и стока. В таком транзисторе ток переносится дырками, двигающимися в канале р-типа. Подобный прибор называется МОП-транзистором с р-каналом или р-МОП-транзистором. В технологии комплементарных МОП-транзисторов (КМОП) присутствуют приборы обоих типов. Вид поперечного сечения структуры и топологии, формируемой в результате современного КМОП-процесса, представлен на рис. 4.2.

Рис. 4.1. МОП-транзистор n-типа с обедненной областью и индуцированным каналом при положительном напряжении V_GS

Рис. 4.2. Поперечное сечение структуры, формируемой

в КМОП-процессе

На рис. 4.2 введены условные обозначения слоев: POLY1 – слой поликремния; N+ и Р+ - области N и P диффузии соответственно; PSUB – подложка р-типа.

Условные обозначения различных МОП-транзисторов показаны на рис. 4.3.

Как уже упоминалось ранее, транзистор является четырехпортовым прибором с выводами затвора, истока, стока и подложки (см. рис. 4.3, а и в). Поскольку подложка в общем случае подключается к источнику напряже­ния постоянного типа, одному для всех приборов одинакового типа (к земле (GND) у n-МОП-транзисторов, к напряжению V_dd у р-МОП-транзистора)., то чаще всего она на принципиальной схеме не показывается (см. рисунок 4.3, б, г). Если четвертый вывод не показан, то предполагается, что подложка подключается к соответствующему выводу источника питания.

Рис. 4.3. Условные обозначения МОП-транзисторов

Топологии МОП-транзисторов. Наряду с простейшими топологиями транзисторов (рис. 4.4) широко используются и более сложные.

Многозавторные МОП-транзисторы имеют несколько соединенных затворов, что позволяет оптимально реализовать приборы с широкими каналами (W/L велико). Разновидностями многозатворных МОП- транзисторов являются свернутый и гребенчатый МОП-транзисторы (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Топология многозатворных МОП-транзисторов:

а – свернутого, б – гребенчатого

Свернутый МОП-транзистор (рис. 4.4,а) содержит два затвора, поэтому позволяет при заданной ширине канала вдвое уменьшить ширину активной области. Это существенно уменьшает площадь истока/стока S/D (а значит и паразитные емкости, обусловленные площадью) и площадь всего прибора, а также снижает сопротивление затвора. Однако сток-истоковая емкость, обусловленная периметром, возрастает.

Гребенчатый МОП-транзистор (рис. 4.4,б) используют при очень широких каналах. Они имеют не только лучшие емкостные и резистивные характеристики, но и более подходящую форму, чем однозатворные МОП-транзисторы.

МОП-транзисторы в аналоговых схемах. В аналоговых схемах к МОП-транзисторам предъявляются гораздо более строгие требования, чем в цифровых схемах. Это обусловлено и характером сигналов, принимающих непрерывный ряд значений, и необходимостью достижения высоких коэффициентов усиления. Первое условие накладывает ограничения на разброс характеристик транзисторов, а второе – на величину выходного сопротивления. Для удовлетворения таких требований в аналоговых ИС, приходится использовать транзисторы с длиной канала, 1,5 – 2, а в критических случаях в 4 раза превышающей минимальный топологический размер. Это неизбежно увеличивает размеры схем, ухудшает быстродействие и повышает потребляемую мощность. Более того, с переходом к «глубокому субмикрону» из-за снижения напряжения питания резко уменьшается динамический диапазон, и необходимо существенно изменять сами схемы.

Емкости МОП-структуры. Затвор МОП-транзистора изолирован от проводящего канала подзатворным окислом, который обладает емкостью на единицу площади. Общая величина этой емкости называется емкостью затвора С_g и может быть разбита на две составляющие, каждая из которых ведет себя по-разному. Очевидно, что одна часть вносит свой вклад в заряд канала. Вторая часть зависит исключительно от топологической структуры транзистора.

Рассмотрим транзисторную структуру, изображенную на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Ёмкости перекрытия МОП-транзистора

В идеале диффузионные области истока и стока должны заканчиваться непосредственно под границей окисла затвора. В реальности же как исток, так и сток обычно заходят под окисел на расстояние x_d, называемое боковой диффузией. Поэтому эффективная длина канала транзистора L становится меньшей, чем длина по чертежу L_d (или исходно запроектированной длины транзистора), на величину ∆L = 2х_d. Это также приводит к увеличению паразитной емкости между затвором и истоком (стоком), которая носит название емкости перекрытия.

Поскольку величина x_d определяется технологией, то принято объединять ее с емкостью окисла в параметр, называемый емкостью перекрытия на единицу длины транзистора С₀.

Наиболее значимый паразитный элемент МОП-структуры — емкость затвор-канал С_GC — изменяется как по величине, так в плане перераспределения между тремя ее составляющими: емкости затвор-исток, затвор-сток и затвор-подложка в зависимости от рабочей области и напряжений на выводах транзистора. Изменение перераспределения поясняется на простых схемах, изображенных на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Емкость затвор канал и влияние режима работы

на ее перераспределение относительно трех других выводов прибора

Когда транзистор находится в области отсечки (см. рис.4.6, а), канал отсутствует, и общая емкость определяется емкостью между затвором и подложкой. С переходом в резистивную область (см. рис.4.6, б) формируется инверсный слой, который играет роль проводника между истоком и стоком. Как следствие, емкость затвор-подложка равна нулю, поскольку электрод подложки экранируется от затвора каналом. В режиме насыщения (см. рис.4.6, в) канал смыкается вся емкость сосредотачивается между затвором и истоком.

В емкостную компоненту дают вклад обратносмещенные pn-переходы исток-подложка и сток-подложка. Емкость обедненной области нелинейная и уменьшается с ростом обратного смещения.

Сопротивление истока/стока

Влияние на быстродействие схемы могут оказывать другие паразитные элементы, в частности последовательные сопротивления областей стока и истока. Их влияние усиливается с масштабированием транзисторов в сторону уменьшения размеров, так как это приводит к уменьшению глубины залегания переходов и размеров контактных окон.

Последовательное сопротивление вызывает ухудшение быстродействия прибора, поскольку уменьшает ток стока при заданном управляющем напряжении. Таким образом, поддержание его значения на возможно низшем уровне является важной целью при проектировании как для разработчика приборов, так и для разработчика микросхем. Одним из возможных решений, которое стало популярным во многих современных технологических процессах, является покрытие областей стока и истока материалом с низким удельным сопротивлением, например титаном или вольфрамом. Этот процесс называется силицидацией и позволяет эффективно снизить величину поверхностного сопротивления. Другой возможностью является изготовление транзистора с большей чем нужно шириной. Если в технологическом процессе предусмотрено использование силицидации, то при достаточном внимании к топологии паразитное сопротивление теряет свою важность. Но следует помнить, что несерьезное отношение к топологии может привести к величинам сопротивлений, существенно ухудшающим быстродействие прибора.