ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

200

их характеристик. Технологические способы изготовления МДПтранзисторов оцениваются, прежде всего, с точки зрения улучшения именно этих параметров.

Быстродействие МДП-транзистора определяется временем пролета носителей заряда в канале Тпк, временем заряда/разряда паразитных емкостей транзистора. Влияние нагрузки на транзисторный вентиль учитывается с учетом схемных включений транзистора. Время пролета Tпк оценивается по выражению [1, 7]

Тпк = L2к/(μ Uси),

где Uси — напряжение между стоком и истоком для режима оценки Tпк.

Влияние паразитных емкостей и сопротивлений транзистора и нагрузки на время переключения транзистора наиболее полно может быть учтено в экспериментальных измерениях и расчетных программах пакетов автоматизации схемотехнического проектирования. Для расчетов необходимыми являются значения и функциональные зависимости от напряжений элементов схемы замещения, изображенной на рисунке 3.4. На рисунке изображена пассивная часть схемы замещения МДП-тран- зистора. Для представления в схеме

замещения усилительных свойств прибора следует включить между стоком и истоком генератор тока S (Uзи–Uо), направленный от стока к истоку. Приближенные оценки времени переключения выполняются с учетом постоянной времени Тк заряда емкости «затвор — канал» (Сзк) через сопротивление (Rк) канала на крутом участке ВАХ. Постоянная времени Тк определяется по выражению

Тк = Rк Сзк = L2к/[μ (Uзи–Uo)].

Сопоставляя выражения для времени пролета и постоянной времени заряда затворной емкости, следует отметить их различие сомножителем, определяемым напряжениями. Несмотря на бли-

201

зость значений Тпк и Тк, их влияние на переходный процесс различны. Время пролета определяет фиксированную задержку тока стока относительно напряжения на затворе, тогда как влияние постоянной времени Тк зависит от схемы включения транзистора:

–снижается в схеме включения транзистора с общим затвором;

–существенно увеличивается в схеме включения с общим истоком.

Расчетные оценки элементов схемы замещения, изображенной на рисунке 3.4, выполняются по формулам, примененным к расчетам элементов структур и топологий БПТ, диодов и полупроводниковых резисторов.

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 тол-

щиной 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».

202

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

–минимальная длина ка-

нала (10...12) мкм;

–глубина залегания р-n-пе- реходовстока—истока2,5мкм;

–боковая диффузия под окисел до 2 мкм;

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

–пороговое напряжение

(–4+0,5) В;

–удельное поверхностное

фузионных 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 поверхностных состояний 1011–1012 см–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

сбиполярными транзисторами n-p-n-типа.

203

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 ди-

электриком является структура «металл — нитрид кремния — окисел кремния — полупроводник» (сокращенно — МНОП). Плен-

ка 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.

В МНОП-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.

Рисунок 3.7

204

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 МНОПтранзистор 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 =ISiO2 – ISi3N4,

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 транзисто-

ров со структурой «металл — окисид алюминия — оксид крем-

206

рым 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

имолибден. 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

иистока 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).

Рисунок 3.9

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.

207

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 пла-

стине 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 со-

ставляет 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.

208

Своеобразным развитием конструкции D-МДП является конструкция МДП с V-структурой

(вертикальной структурой), изо-

браженная 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).

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 вертикальные р-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.

3.1.6Алгоритмы проектирования МДП-транзисторов ИМС

Следует выделить две области применения МДП на кристаллах ИМС:

–в качестве микромощных приборов, предназначенных исключительно для фиксации логических состояний во внутренних функциональных устройствах кристаллов;

–в качестве согласующих приборов так называемого обрамления функциональных устройств.

В первом случае номинальные значения рабочих токов и напряжений МДП-транзисторов не являются определяющими конст-