Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

262 Гл. 4. Полевые транзисторы

расстояние, мкм

Рис. 4.14. Зависимость скорости электронов от расстояния в канале полевых транзисторов, изготовленных из различных полупроводников (эффект «всплеска скорости»). Для сравнения в таблице справа указаны максимальные скорости насыщения, полученные в структурах с длинным каналом [87]

Эффект «всплеска скорости» был обнаружен при моделировании динамики движения электронов в канале полевого транзистора методом Монте-Карло [182]. Оказалось, что когда электроны попадают в сильное электрическое поле, скорость их

Причиной такого поведения является существование в полупроводнике двух различных характерных времен: времени релакса-

поле за время порядка Тк устанавливается их квазистационарное распределение по импульсам, и все носители начинают двигаться «синхронно» вдоль направления электрического поля. Однако через характерное время те неупругие процессы рассеяния «расстраивают» это движение и средняя скорость дрейфа уменьшается. Если носитель будет успевать пролететь через канал за время, меньшее те, то его средняя скорость движения будет превосходить скорость насыщения и, в соответствии с формулой (4.23), частота отсечки может быть сделана выше. В транзисторах на основе GaAs эффект «всплеска скорости» проявляется в приборах с длиной канала менее 0,5 мкм, а в транзисторах на основе кремния — при длине канала менее 0,1 мкм [182].

носа, может возникать в структурах со сверхкоротким (< 500 А) каналом, когда носитель, движущийся в сильном электрическом поле, пролетает канал за время, меньшее т ь то есть с большой вероятностью вообще не испытав ни одного акта рассеяния,

Большой интерес к этому режиму связан с тем, что поскольку носитель движется максимально быстро (его скорость в любой точке канала определяется только значением электростатического потенциала в этой точке), этот режим позволяет реализовать минимально возможное для данной геометрии прибора время пролета и максимальную крутизну вольт-амперной характеристики.

стором, была создана в Bell Laboratories в 1999 году. Длина канала в этой структуре составляла всего 250 А. Оказалось, что для реализации баллистического режима переноса необходима чрезвычайно гладкая граница Si—S1O2, и поэтому в этом транзисторе использовалсд сверхтонкий слой окисла. В структуре с толщиной окисла 16 А при комнатной температуре был получен ток стока, составляющий 85% от максимально возможного значения, отвечающего чисто баллистическому режиму.

Исследования показали, что реализовать преимущества, связанные с эффектом «всплеска скорости» и баллистическим переносом, непросто. При уменьшении длины канала сильно возрастает рассеяние носителей на заряженных примесях, которые располагаются в сильно легированном затворе из поликристаллического кремния, в области ореола и в сильно легированных областях истока и стока. Кроме того, из-за увеличения напряженности поперечного электрического поля под затвором сильно возрастает рассеяние носителей на фононах и шероховатостях поверхности, а распределение потенциала в канале короткого МОП-транзистора таково, что при этом трудно обеспечить высокую напряженность электрического поля вблизи истока. Поэтому необходимо было пробовать другие подходы.

метное увеличение подвижности электронов в слоях Si(100). Своим происхождением этот эффект обязан тому, что в результате растяжения кремния в плоскости слоя шестикратное вырождение его зоны проводимости снимается и наинизшими по энергии оказываются минимумы, эллипсоиды эффективной массы которых вытянуты в направлении, перпендикулярном

264 Гл. 4. Полевые транзисторы

слою. Поскольку энергия этих минимумов оказывается заметно

с объемным материалом (184). Хотя скорость насыщения при этом практически не изменяется, увеличение подвижности позволяет повысить крутизну вольт-амперной характеристики транзисторов на 60% [185] с соответствующим выигрышем в быстродействии. Полевые транзисторы из напряженного кремния можно получить наращиванием на подложку из Si варизонного слоя твердого раствора Sii-jGex толщиной ~1,5 мкм, заканчивающегося слоем постоянного состава ( я ~ 0 , 2 ) толщиной ~0,6 мкм; на поверхности этого «релаксированного» (ненапряженного) слоя затем создают тонкий (~100 А) слой Si, который и будет служить каналом МОП-транзистора. Механические напряжения в структуре можно создать и другими способами. Так, в современных процессорах фирмы Intel напряжения в области канала n-МОП-транзисторов создают осаждением вокруг затвора слоев S13N4 (см. рис. 4.12), а в транзисторах с каналом р-типа для создания напряжений используются области истока и стока, изготовленные из твердого раствора Sii_x Gex с помощью селективной эпитаксии. Напряженный кремний вот уже несколько лет используется фирмами IBM, Intel и AMD при производстве процессоров.

Наконец, очень перспективный путь повышения быстродействия — уменьшение напряженности поперечного электрического поля в канале. Наиболее эффективно это можно осуществить,

4.1.7. Мощные и высоковольтные МОП-транзисторы.

Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором находят применение в качестве усилителей мощности и ключевых элементов. Отсутствие явления накопления неосновных

по сравнению с биполярными приборами. В настоящее время разработан целый ряд конструкций мощных МОП-транзисторов,

среди которых наибольшее значение имеют структуры с вертикальным направлением протекания тока [11, 163].

Рис. 4.15. Три конструкции мощных МОП-транзисторов с вертикальной структурой [163]

На рис. 4.15а показана конструкция мощного МОПтранзистора, созданного методом двойной диффузии (DMOS). Эти транзисторы получаются диффузией акцепторной и донорной

так, чтобы область пространственного заряда стока могла распространяться на всю толщину слоя и электроны, попадающие в ^-область из горизонтально расположенного канала, могли быстро дрейфовать в направлении к стоку. Большая протяженность области пространственного заряда позволяет заметно повысить напряжение пробоя структуры. Параллельное соединение большого числа таких транзисторов в одном приборе позволяет создать мощный полевой транзистор. Приборы такой конструкции характеризуются напряжением пробоя до 800 В, но при этом имеют сравнительно высокое (порядка нескольких Ом) сопротивление в открытом состоянии.

На рис. 4.156 показана конструкция мощного МОПтранзистора с V-образной канавкой (VMOS). На сильно

266 Гл. 4. Полевые транзисторы

контакта к истоку соединяются между собой. При подаче на затвор положительного смещения на границе окисла и р-слоя индуцируются проводящие каналы и ток в структуре течет почти вертикально, проходя часть пути в эпитаксиальном г/-слое. Концентрация примеси в этом слое намеренно выбирается невысокой ( 1 0 й - 1015 см - 3 ), чтобы обеспечить высокое напряжение пробоя. При напряжении пробоя 30 В такой транзистор может обеспечить очень низкое сопротивление в открытом состоянии — до 0,05 Ом. Транзисторы с подобной структурой и длиной канала

(см. рис.4.15в) на поверхности кремния методом анизотропного плазменного травления создаются глубокие канавки (trench), в которых формируются изолированные слоем окисла поликремниевые затворы. Практически вертикальные стенки канавок позволяют значительно повысить плотность упаковки и уменьшить сопротивление транзистора в открытом состоянии по сравнению с VMOS-структурами. Так, транзистор фирмы Infineon площадью 30 мм2 с напряжением пробоя 50 В, состоящий более чем из 300 тысяч параллельно соединенных ячеек, имеет сопротивление открытого канала 3- Ю - 3 Ом [163].

Особенностью МОП-транзисторов по сравнению с биполяр-

температуры. Это способствует получению более однородного распределения плотности тока по площади структуры. Поэтому мощные МОП-транзисторы лучше переносят перегрузки по току и менее подвержены явлению вторичного пробоя.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

(IGBT). Необходимость в поиске новых конструкций мощных полупроводниковых приборов вызвана рядом недостатков, присущих чисто полевым и чисто биполярным транзисторам. Так, полевые транзисторы при одинаковом с биполярными транзисторами максимальном токе должны иметь в несколько раз большую площадь, в результате чего их стоимость оказывается

в2 - 3 раза выше. Недостатком мощных биполярных транзисторов является их невысокое быстродействие, связанное с накоплением

вбазе инжектированных носителей, что приводит к большим коммутационным потерям при их работе на переменном токе. Поэтому разработка гибридных структур, позволяющих объединить

всебе достоинства каждого из указанных типов транзисторов, является весьма актуальной. В настоящее время разработаны

и выпускаются в промышленных масштабах несколько типов таких биполярно-полевых гибридных структур.

Первые монолитные биполярно-полевые структуры были изготовлены в конце 70-х годов и существенно усовершенствованы в 80-х годах [163]. Наибольшее распространение среди них нашли структуры, получившие название биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT — insulated gate bipolar transistor), в которых объединены лучшие свойства полевых (быстродействие, малый ток управления) и биполярных (низкое напряжение насыщения) приборов. В настоящее время эти приборы занимают около 5% рынка выпускаемых мощных полупроводниковых приборов и используются в качестве мощных управляемых ключей, несколько потеснив тиристоры с занимаемых ими позиций.

Важным достоинством IGBT является их полная управляемость со стороны затвора и способность сравнительно быстро включаться и выключаться. По сравнению с запираемыми тиристорами (см. с. 224), эти приборы могут работать на более высоких частотах (до 50-100 кГц), однако для них характерно более высокое падение напряжения в открытом состоянии (1,5-3 В). Поэтому IGBT наиболее эффективно использовать в высоковольтной электронике. В настоящее время рабочее напряжение этих приборов достигает 6,5 кВ (изделие CM600HG-130H фирмы Powerex), а ток — 2400 А (изделие СМ2400НС-34Н той же фирмы). Еще одним важным достоинством 1GBT является простота схем управления, сильно отличающая их от запираемых тиристоров.

затвор

катод катод

(эмиттер)

Рис. 4.16. Условное обозначение (а), поперечное сечение одной ячейки (б) и эквивалентная схема (в) биполярного транзистора с изолированным затвором

(IGBT)

состоящую из низковольтного полевого транзистора, истоком которого является п+ -область катода структуры, а стоком — высокоомный эпитаксиальный слой n-типа, и мощного р - п - р - транзистора, образованного р+-подложкой (анодом структуры), эпитаксиальным слоем и р-областью катода структуры.

(подобно закороченному катоду тиристора, см. п. 3.1.1). Толщина эпитаксиального слоя составляет ~200 мкм, а выводы затвора и эмиттера располагаются на поверхности прибора в виде регулярной структуры с характерным расстоянием между ячейками, равным несколько мкм в современных приборах. Иногда в структуру между р+ -подложкой и эпитаксиальным слоем добавляют буферный п+ -слой, который позволяет уменьшить

ют положительное смещение, которое индуцирует проводящий канал между п+ -областью эмиттера и эпитаксиальным слоем (см. рис, 4.16). Протекающий по каналу ток электронов открывает р-п-р-транзистор и дырки начинают инжектироваться из р+ -области в эпитаксиальный слой. Эти дырки и электроны, подходящие из катода для обеспечения электронейтральности, сильно уменьшают сопротивление эпитаксиального слоя и тем самым обеспечивают низкое падение напряжения на приборе в открытом состоянии. Поскольку паразитный п-р-п-транзистор всегда закрыт, то, в отличие от тиристора, прибор остается управляемым и его можно легко перевести в закрытое состояние уменьшением напряжения на затворе. Время выключения IGBT определяется временем рассасывания инжектированных в базу

') В зарубежной литературе структуры с таким слоем называют punch through (РТ) IGBT.

р-п-р-транзистора дырок и может быть снижено до нескольких сотен наносекунд за счет создания радиационных дефектов при облучении прибора протонами.

4.2. Элементы интегральных схем на МОП -транзисторах

Путь к интегральной схеме на полевых транзисторах был нелегок. Несмотря на то, что первый МОП-транзистор был создан в I960 г., использованию этих транзисторов в реальных приборах препятствовали высокая плотность поверхностных состояний на границе Si-Si02 и нестабильность характеристик. Балк, работавший в фирме IBM, в 1965 г. первым нашел способ уменьшения плотности поверхностных состояний путем термообработки окисла в атмосфере водорода, при которой происходит пассивация водородом ненасыщенных связей атомов Si и О (см. с. 247). Примерно в то же время сотрудники фирмы Fairchild Semiconductors установили, что нестабильность характеристик МОП-транзисторов связана с неконтролируемо присутствующими в окисле ионами натрия, и нашли способ связывания этих атомов. Только объединение этих двух идей позволило в 1965 г. выпустить первые интегральные схемы на МОП-транзисторах со стабильными характеристиками.

Первые интегральные схемы (ИС) на полевых транзисторах были построены на основе МОП-транзисторов с каналом р-типа. Технология получения этих транзисторов была очень проста и поэтому для создаваемых на их основе ИС был характерен намного более высокий выход годных по сравнению с ИС на биполярных транзисторах. Это предопределяло низкую стоимость МОП ИС и их быстрое развитие. Однако из-за большого встроенного положительного заряда в слое окисла (типичное пороговое напряжение р-МОП-транзистора равно 6 В) ИС на р-канальных транзисторах требовали высокого напряжения питания {Еп = 27 В) и характеризовались высокой потребляемой мощностью. При этом наряду с высокой статической рассеиваемой мощностью (связанной с протеканием постоянного тока

донорных примесей, можно направленно менять пороговое напряжение, при этом практически не изменяя емкость обедненного слоя. Имплантация доноров повышает пороговое напряжение в р-канальных МОП-транзисторах и понижает его в п-каналь- ных приборах; имплантация акцепторов производит противоположное действие (см. рис. 4.17). Решение проблемы коррекции УПор позволило создать ИС на МОП-транзисторах с каналом n-типа, которые работали при напряжении Еп = 5 В и имели более высокое быстродействие.

4.2.1. Интегральные схемы на n-МОП-транзисторах. На

рис. 4.18 показано устройство логического элемента «2И-НЕ», построенного на п-МОП-транзисторах. Элемент образован двумя последовательно включенными нормально закрытыми (работающими в режиме обогащения) транзисторами Т1 и Т2 и одним нормально открытым (работающим в режиме обеднения) транзистором ТЗ, который служит активной нагрузкой (см. рис. 4.18а)1 ). Низкое выходное напряжение на выходе схемы (логический 0) устанавливается только тогда, когда оба транзистора Т1 и Т2 открыты, то есть на их входы подан высокий потенциал, отвечающий уровню логической 1.

Интегральные схемы на МОП-транзисторах создаются с помощью планарной технологии (см. п. 2.8,1), Основными этапами изготовления таких ИС являются [58]: создание в необходимых местах окисной изоляции; выращивание тонкого слоя подзатворного окисла; осаждение слоя поликремния, из которого затем с помощью фотолитографии изготавливаются затворы и нижний уровень контактных соединений; создание сильно легированных областей истока и стока с помощью ионной имплантации. После изготовления транзисторов поверхность структуры закрывается слоем фосфорно-силикатного стекла, которое является геттером подвижных ионов натрия и защищает прибор от их вредного воздействия. В этом стекле с помощью литографии вскрываются окна и с помощью верхнего слоя металлизации создаются необходимые соединения между элементами, а затем вся структура защищается слоем плазмохимически осажденного нитрида кремния (SiNj), который герметизирует прибор и предохраняет его от загрязнения и механических повреждений.

') Термины «нормально открытый» и «нормально закрытый» обозначают состояние транзистора при К,и = 0, которое определяется знаком порогового напряжения V„op. На электрических схемах каналы таких транзисторов изображаются, соответственно, сплошной и прерывистой линиями (см. рис. 4.18).