3.1.5 Конструкции мдп-транзисторов

Распространенной является конструкция МДП-транзистора с алюминиевой металлизацией, изображенная на рисунке 3.5. Под алюминиевым затвором расположен термически выращенный слой окисла кремния толщиной hд (0,05–0,1) мкм. За пределами области канала толщина окисла (hтд) исполняется около 1 мкм с тем, чтобы исключить влияние паразитных каналов под проводниками разводки соединений повышением пороговых напряжений их образования. Для повышения крутизны характеристик транзистора отношение ширины канала (bк) к длине канала (lк) необходимо увеличивать. Вариант исполнения транзистора с расширенным каналом П-образной формы изображен на рисунке 3.6. Символами П, И, З, С соответственно обозначены электроды «подложки», «истока», «затвора», «стока».

Типовые параметры конструкций р-канальных МДП-транзисторов с индуцированным каналом и алюминиевым затвором:

• минимальная длина канала (10...12) мкм;

• глубина залегания р-n-пе-реходов стока — истока 2,5 мкм;

• боковая диффузия под окисел до 2 мкм;

• толщина подзатворного диэлектрика (0,08...0,1) мкм;

• пороговое напряжение (–4+0,5) В;

• удельное поверхностное сопротивление диффузионных областей истока и стока и диффузионных шин (50... 100) Ом/□;

• пробивное напряжение р-n-переходов областей не менее 30 В;

• пороговое напряжение паразитных транзисторов свыше 40 В;

• подвижноcть дырок в канале около 200 см²/:(В×сек);

• плотность поверхностныхсостояний 10¹¹–10¹²см^–2.

На таких структурах было создано первое поколение логических интегральных МДП-микросхем с минимальным временем задержки на вентиль (80...100) нС и произведением мощности вентиля на задержку (60...80) пДж. Отработанная технология производства при относительно невысоких затратах способствует продолжению выпуска микросхем на р-канальных транзисторах.

Совершенствование технологии, в первую очередь в части снижения встроенного в окисле заряда и плотности поверхностных состояний, позволило перейти к производству n-канальных МДП-транзисторов и микросхем с их применением. Преимуществами n-канальных транзисторов являются:

• повышенное в (2...3) раза быстродействие;

• совместимость по знаку и уровню питающего напряжения с биполярными транзисторами n-p-n-типа.

Кремниевые подложки с рабочей поверхностью, ориентированной по кристаллографической плоскости (100), имеют плотности поверхностных состояний около 10¹¹ см^–2, что способствует снижению порогового напряжения.

Возможности управления пороговым напряжением расширяются, если использовать многослойный подзатворный диэлектрик. В этом случае образуются дополнительный заряд на границе диэлектриков, объемный встроенный заряд дополнительного диэлектрика, заряд, обусловленный поляризацией диэлектриков, что обуславливает специфические изменения формы вольтамперных характеристик транзисторов.

Представителем МДП-транзистора с многослойным диэлектриком является структура «металл — нитрид кремния — окисел кремния — полупроводник» (сокращенно — МНОП). Пленка нитрида кремния, обладая высокой пассивирующей способностью (поскольку скорость дрейфа положительных ионов в нитриде на несколько порядков меньше, чем в окисле) и более высокой диэлектрической проницаемостью, позволяет снизить пороговое напряжение на (1...1,5) В и повысить удельную крутизну. Использовать один нитрид кремния в качестве подзатворного диэлектрика оказалось невозможно из-за образования на границе раздела «кремний — нитрид кремния» заряда, зависящего от напряжения на затворе, что приводит к гистерезисной зависимости порогового напряжения приборов от напряжения на затворе.

ВМНОП-транзисторе диэлектрик имеет структуру «сэндвича», состоящего из слоев нитрида и окисла кремния (см. рис. 3.7, а). Слой окисла получается путем термического окисления и имеет толщину (2–5) нм, а слой нитрида — путем реактивного напыления и имеет толщину (0,06–0,1) мкм, достаточную для того, чтобы пробивное напряжение превышало (50–70) В.

Особенность МНОП-транзистора состоит в том, что его пороговое напряжение можно менять, подавая на затвор короткие (100 мкс) импульсы напряжения разной полярности, с большой амплитудой (30–50) В. При подаче импульса +30 В устанавливается пороговое напряжение Uо = –4В (см. рис. 3.7, б). Это значение сохраняется при дальнейшем использовании транзистора в режиме малых сигналов (Uз ≤│±10 │В). В таком режиме МНОП-транзистор ведет себя как обычный МДП-транзистор с индуцированным р-каналом. Если подать импульс –30 В, то пороговое напряжение установится равным Uo = –20 В и сигналы Uз≤│±10│В не смогут вывести транзистор из закрытого состояния.

Благодаря гистерезисной зависимости Uo(Uз) МНОП-тран-зистор можно с помощью больших управляющих импульсов переводить из рабочего в запертое состояние и обратно. Эта возможность используется в электрически перепрограммируемых интегральных постоянных запоминающих (ЭППЗУ).

В основе гистерезисной формы вольт-амперной характеристики МНОП-транзистора лежит накопление заряда на границе нитридного и оксидного слоев. Это накопление есть результат различия токов проводимости в диэлектрических слоях. Процесс накопления заряда на границе диэлектриков представляется выражением

dQ/dt =I_SiO2 – I_Si3N4,

где оба тока зависят от напряжения на затворе и меняются в процессе накопления заряда. При повышенном программирующем отрицательном напряжении Uз на границе накапливается положительный заряд. Это равносильно введению доноров в диэлектрик и сопровождается увеличением отрицательного порогового напряжения. При повышенном программирующем положительном напряжении Uз на границе накапливается отрицательный заряд. Это приводит к уменьшению отрицательного порогового напряжения.

При малых напряжениях Uз токи в диэлектрических слоях уменьшаются на (10–15) порядков, так что накопленный заряд сохраняется в течение тысяч часов, а вместе с ним сохраняется и пороговое напряжение.

Применение окисла Аl₂О₃ в качестве второго подзатворного диэлектрика определило конструктивное исполнение транзисторов со структурой «металл — окисид алюминия — оксид кремния — полупроводник» (МОАП). Оксид алюминия создает на границе с окислом кремния встроенный отрицательный заряд. Это свойство позволяет изготавливать n-канальные транзисторы с индуцированным каналом обогащенного типа при пороговом напряжении порядка +1 В.

Применение поликремния и молибдена в качестве материала затвора соответствует конструкциям с поликремниевым или молибденовым затвором и позволяет уменьшить толщину слоев стока и истока (и, соответственно, снижая глубину боковой диффузии, снизить перекрытие затвором участков на стоке и истоке). Специфической чертой конструкции с названными материалами затвора является применение ионной имплантации после нанесения тонкого подзатворного диэлектрика и затворного материала.

Уменьшение в (5–10) раз емкостей перекрытия затвором областей стока и истока и повышение быстродействия достигаются при использовании технологии самосовмещенных затворов.

Существо технологии самосовмещенных затворов иллюстрируется рисунком 3.8 и состоит в том, что слои истока и стока формируются в два этапа. На первом этапе проводится диффузия примесей в области стока и истока с расстоянием между ними более длины канала. После удаления защитной маски выполняется тонкое окисление на участке между легированными областями и частично над ними. На тонком окисле формируется алюминиевый электрод затвора с шириной, меньшей расстояния между легированными областями. Ионным легированием через тонкий слой окисла по маске, образуемой алюминиевым затвором и толстым защитным окислом маски предшествующей диффузии, вторым этапом формируется продолжение легированных областей стока и истока до края алюминиевого затвора. Имплантированные слои (с глубиной внедрения 0,1–0,2 мкм) совместно с ранее сформированными диффузионными слоями образуют области стока и истока, граничащие с областью затвора без перекрытия. В качестве материала контактов к стоку, истоку, затвору и соединений применяется алюминий.

По технологии самосовмещенных затворов реализуются структуры с применением термостойких материалов в качестве затвора. В качестве таких материалов применяются поликремний и молибден. Совместимость этих материалов по температурным параметрам с технологией термического выращивания подзатворного и пиролитически осаждаемого (10) защитного слоя окисла кремния (см. рис. 3.9, а) позволяет сблизить области стока и истока до (4–5) мкм и уменьшить толщину подзатворного диэлектрика до (0,06–0,08) мкм. На рисунке 3.9 изображена структура транзистора с поликремниевым затвором. В процессе формирования поликремниевого затвора могут формироваться поликремниевые соединения (6,8) («скрытые» соединения первого уровня).

Совмещенная технология диффузионного и ионного легирования для приборов с поликремниевыми затворами позволяет формировать на кристалле транзисторы с индуцированным и встроенным каналами одного типа проводимости. Пример структуры такого сочетания МДП-транзисторов изображен на рисунке 3.9, б.

Поликремниевые структуры позволяют реализовать вентили с энергией переключения до (1–4) пДж.

Структурам с поликремниевым и молибденовым затворами соответствует снижение разности работ выхода материалов затвора и подложки, уменьшение толщины подзатворного диэлектрика и повышение удельной емкости затвора, что способствует снижению порогового напряжения, снижению напряжения питания электронных элементов и энергопотребления.

Уменьшение длины канала МДП-структур до субмикронных размеров технологически реализуется в n-канальной D-МДП-структуре, изображенной на рисунке 3.10. В изображенной структуре канал длиной Lк формируется между хорошо управляемыми и контролируемыми в процессе формирования границами двух диффузионных областей (D-МДП — диффузионная МДП-структура) у нижней поверхности подзатворного диэлектрика. В этой структуре диффузия р- и n⁺-областей проводится последовательно через одно литографическое окно. Не требуется точно совмещать затвор стока и истока, а длина канала может достигать (0,4–1) мкм даже при разрешающей способности литогафии до 0,5 мкм. Технология D-МДП-структур на эпитаксиальных слоях позволяет формировать на общей пластине биполярные n-p-n транзисторы и изолированные от них D-МДП-транзисторы, расширяя возможности функциональной интеграции активных приборов.

Значительные размеры области пространственного заряда (ОПЗ) у стока D-МДП-структуры позволяют повысить рабочее напряжение стока до сотен вольт и снизить значение емкости затвора на сток. Пробивное напряжение D-МДП-транзисторов составляет 300...400 В.

Вследствие повышенных размеров, D-МДП-транзисторы применяются как отдельные приборы в быстродействующих переключающих устройствах с высоким рабочим напряжением и в устройствах большой мощности. Применение их в мало- и микромощных микросхемах, несмотря на высокое быстродействие (время переключения около 1нС), нецелесообразно.

Своеобразным развитием конструкции D-МДП является конструкция МДП с V-структурой (вертикальной структурой), изображенная на рисунке 3.11.

В конструкциях V-МДП-транзисторов используются V-ка-налы (или V-образные лунки) в полупроводниковой пластине, в результате анизотропного травления при ориентации в плоскости (100). Длина канала Lк (поз. 1) определяется толщиной эпитакcиальной пленки р-типа и углом клина травления. Ширина канала V-МДП-транзистора определяется периметром V-образного углубления и определяет максимальный ток транзистора, его усиление. Конструкции V-МДП-транзисторов предпочтительны для применения при повышенных токах канала.

Слой подзатворного диэлектрика формируется на поверхности V-образного углубления (см. рис. 3.11). В качестве материала затвора применяется алюминий либо поликремний. Область ОПЗ в V-МДП-транзисторе формируется подобно ОПЗ в D-МДП-транзисторе, но ориентирована в вертикальном направлении. Ее расширение увеличивает пробивное напряжение транзистора и понижает значения паразитной емкости «затвор — сток» Сзс.

Трехмерность V-МДП-транзисторной структуры является фактором существенного повышения плотности упаковки ИМС, однако в связи с низким выходом годных изделий перспективы создания V-МДП-миктосхем неопределенны. Обладая уникальными свойствами управления значительными токами с высокой скоростью их переключения, V-МДП-структуры и конструкции применяются в усилителях мощности, в широкополосных усилителях и источниках вторичного электропитания.

В конструкциях МДП-транзисторов на диэлектрической подложке применяются структуры с эпитаксиальным слоем монокристаллического кремния толщиной 0,7...2,0 мкм, выращенным на диэлектрической подложке (сап-фире или шпинели). Структура МДП-транзистора на диэлектрической основе изображена на рисунке 3.12.

Применение диэлектрической основы (1) позволяет существенно снизить паразитные емкости транзистора и коммутационных проводников, избавиться от паразитных транзисторных структур, упростить технологию изготовления МДП-приборов. Транзисторы формируются в изолированных друг от друга островках. Диффузия для формирования истока 2 и стока 4 (рис. 3.12) проводится на всю глубину эпитаксиального слоя 3, что позволяет получать вертикальныер-n-переходы малой площади с малыми емкостями. В качестве подзатворного диэлектрика 6 применяется оксид кремния. Материалами контактов 5, 7, 8 и соединений могут быть алюминий, поликремний.

В транзисторах на диэлектрических основаниях полупроводниковый эпитаксиальный слой уступает монокристаллическому, что обуславливает снижение крутизны, уменьшение рабочих напряжений и токов. Для микромощных микросхем названные недостатки компенсируются существенным повышением быстродействия, ослаблением паразитных связей и экономией площади МДП-микросхем.