Глава 20. Униполярные структуры в микроэлектронике

20.1. МДП–транзисторы ИМС средней степени интеграции

МДП–транзисторы имеют существенные преимущества перед биполярными по конструкции (размеры и занимаемая ими площадь относительно невелики, отсутствует необходимость их изоляции) и электрофизическим параметрам (низкий уровень шумов, устойчивость к перегрузкам по току, высокое входное сопротивление и помехоустойчивость, малая мощность рассеивания, низкая стоимость).

МДП–транзистор может быть основным и единственным элементом МДП–микросхем. Он может выполнять функции активных приборов (ключевой транзистор в инверторах, усилительный транзистор), так и пассивных элементов (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в элементе памяти). Поэтому при проектировании МДП–микросхем можно обходиться только одним элементом – МДП–транзистором, конструктивные

размеры которого и схема включения будут завесить от выполняемой функции. Это обстоятельство дает существенный выигрыш в степени интеграции.

20.1.1. МДП–транзистор с алюминиевым затвором

Кконструкция МДП-транзистора с прямоугольным каналом и со средним значением крутизны сток–затворной характеристики представлена на рис. 20.1а.

Рис. 20.1. Профиль структуры (а) и вид сверху (б) интегрального МДП-

транзистора с алюминиевым затвором

Под затвором находится тонкий слой термически выращенного окисла кремния (0,05 – 0,10 мкм). За пределом области канала толщина окисла составляет 1 мкм. Так как тип электропроводности истока, стока и канала противоположен типу электропроводности подложки, то сток, исток и канал

393

самоизолируются от подложки p–n переходом и дополнительные изолирующие области не требуются. Тем не менее, для увеличения

плотности упаковки элементов соседние транзисторы на кристалле могут быть разделены углубленным слоем окисла, расположенным по всему периметру транзистора. Оксидные слои также ограничивают ширину канала

и позволяют существенно сократить расстояние между соседними транзисторами.

Еще более существенно сократить площадь, занимаемую отдельным транзистором, и улучшить его электрические параметры позволяет

использование в качестве материала затвора легированного поликристаллического кремния.

20.1.2.МДП–транзистор с поликремниевым затвором

ВМДП–транзисторах с алюминиевым затвором имеются значительные по площади области перекрытия затвора с областями истока и стока. Это

приводит к наличию паразитных емкостей CЗИ CЗС. Уменьшение размеров

областей перекрытия затруднено ошибками совмещения фотошаблонов металлизации с областями стока и истока. Использование

поликристаллического кремния в качестве материала затвора позволяет формировать области стока и истока после создания затвора. Это позволяет уменьшить глубину залегания p–n переходов истока и стока и их боковую диффузию, а вместе с тем значительно уменьшить перекрытие между затвором и областями стока и истока. Транзисторы, изготовленные по данной технологии получили название транзисторов с «самосовмещенным» затвором. Для увеличения проводимости слоя поликристаллического кремния используют комбинацию диффузионного и ионного легирования.

Рис. 20.2. Структура МДП-транзистора с поликремниевым затвором: 1 – алюминиевые выводы истока, стока и затвора, 2 – поликремниевый затвор; 3 – SiО2, 4 – боросиликатное стекло, 5 – подложка; 6, 7 – диффузионные п+–области истока и стока; 8 – шина из поликремния

Использование технологии изготовления МДП БИС с поликремневыми затворами транзисторов, сочетающей диффузионное и ионное легирование, позволяет одновременно с МДП–транзисторами с индуцированным каналом

394

создавать МДП–транзисторы со встроенным каналом, работающие в режиме обеднения (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Структура МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами:

1 – алюминиевые выводы истока, стока и затвора, 2 – поликремниевый затвор; 3 – SiО2, 4 – боросиликатное стекло, 5 – подложка; 6 – диффузионная п+–область; 7 – ионно-легированная п+–область; 8 – ионно- легированный канал.

Нагрузочные МДП–транзисторы со встроенным каналом n–типа обладают более высоким быстродействием, лучшей помехоустойчивостью и занимают вдвое меньшую площадь, чем нагрузочные транзисторы, работающие в режиме обогащения при той же потребляемой мощности.

20.1.3. Конструкция Д–МДП–транзисторов

Конструкция диффузионных Д–МДП–транзисторов (рис. 20.4) была

разработана специально для обеспечения высокого быстродействия за счет уменьшения длины канала до субмикронных размеров.

Рис. 20.4. Структура эпитаксиально-планарного Д-МДП-транзистора: 1, 7 – диффузионные области истока и стока; 2, 5 – шины алюминиевой металлизации; 3 – затвор; 4 – подзатворный тонкий оксид, 6 – изолирующая область: 8 – эпитаксиальиый слой, 9 – подложка; 10 – область р–типа,

получаемая методом двойной диффузии для формирования канала

Короткий канал получают по принципу формирования тонкой базы в биполярном транзисторе за счет медленного, хорошо контролируемого и управляемого процесса диффузии (поэтому Д–МДП, т.е. диффузионный МДП–транзистор). В этом транзисторе области канала р–типа истока n+–

395

типа формируются в процессе двух диффузий в одно и то же окно в оксидной маске. Конструкция Д–МДП–транзистора не требует высокой точности совмещения затвора с областями истока и стока, как в обычном МДП– транзисторе. В связи с этим оказалось возможной реализация МДП–структур с длиной канала 0,4...1 мкм даже при ограниченных возможностях фотолиграфического процесса по разрешающей способности. Короткий канал формируется в приповехностной области кремния р–типа электропроводности в промежутке между двумя р–n переходами. В обедненной n–области между каналом и стоком в режиме насыщения электроны, прошедшие канал, инжектируются в область объемного пространственного заряда, прилегающую к n+–области стока, и дрейфуют к стоку в сильном электрическом поле. Такая же область дрейфа существует и

в обычных МДП–транзисторах при Uc>Uc нас.

Таким образом, несмотря на различия в конструкциях, в принципе работы Д–МДП–транзисторов использованы достижения как биполярной технологии (малое расстояние между двумя p–n переходами), так и технологии изготовления МДП–структур (формирование тонкого подзатворного диэлектрика с малой толщиной, низкой дефектностью и плотностью поверхностных состояний).

Создание Д–МДП–транзисторов с использованием эпитаксиальных структур позволяет формировать на одной и той же подложке биполярные n– p–n–транзисторы и изолированные от них Д–МДП–транзисторы, что имеет исключительное значение для производства как аналоговых (например, операционных усилителей), так и логических микросхем.

Недостатком данной структуры является малая плотностью размещения элементов в кристалле, но благодаря своим уникальным свойствам

транзисторы данного типа могут быть использованы в быстродействующих переключающих устройствах с высоким рабочим напряжением и в устройствах большой мощности.

20.1.4. Комплементарные микроэлектронные структуры

Комплементарная структура (КМДП или КМДП) представляет собой пару последовательно включенных МДП-транзисторов с индуцированными каналами разного типа проводимости. Из всех возможных схем инверторов

схема на транзисторах с разными типами проводимости обладает рядом достоинств. Главным преимуществом таких микросхем является минимальное энергопотребление, поскольку в статическом режиме ток через КМДП структуру не протекает. Еще одно преимущество КМОМ–микросхем

– широкий диапазон напряжений питания (от 3 до 15 В), что означает

принципиально более высокую независимость от флуктуаций напряжения источника питания, шумов, колебаний температуры.

Пример структуры КМДП инвертора представлен на рис. 20.5. Охранные кольца, служат для предотвращения образования паразитных n и р-канальных транзисторов.

396

кристаллической решетки кремниевого слоя. Меньшей степенью дефектности обладают структуры, сформированные на слое оксида кремния (рис. 20.6, б), нанесенного на поверхность кремниевой подложки. При этом после нанесения слоя кремния (он будет поликристаллическим) проводится его рекристаллизация с помощью лазерного луча. В результате рекристаллизации нанесенный слой станет монокристаллическим, а концентрация дефектов в слое будет значительно меньше, чем в технологии кремний на сапфире.

Разработка новых микросхем по этой технологии позволяет создать на поверхности подложки несколько слоев полупроводниковых элементов, а значит, эта технология может стать основой для появления микросхем нового поколения – трехмерных интегральных микросхем.

а) б)

Рис. 20.6. Структура МДП-транзистора на диэлектрической подложке из сапфира (а) и диоксида кремния (б): 1 – сапфировая подложка, 2, 4 – диффузионные области стока и истока, 3 – эпитаксиальный слой, 5, 8 – металлизация стока и истока, 6 – SiО2, 7 – металлизация затвора, 9 –

полупроводниковая подложка из кремния

МПД–структуры на диэлектрической подложке обладают существенно

более высоким быстродействием по сравнению с аналогичными структурами на кремниевой подложке и позволяют, кроме того, несколько сэкономить площадь при создании МДП БИС.

20.2.Параметры и характеристики МДП-транзисторов

скоротким каналом

Необходимость уменьшения линейных размеров элементов полупроводниковых ИМС приводит к появлению новых эффектов, влияющих на характеристики МДП-транзисторов ИМС.

Рассмотренные в главе 13 соотношения и характеристики присущи транзисторам с длинным каналом, для которых выполняется условие:

где dИ и dС – толщины обедненных слоев п-p переходов исток – подложка и сток–подложка у поверхности, l – длина канала (рис. 20.7).

398