В арсенид-галлиевой технологии применяется именно такой тип транзистора. Проводимость сток-исток в нем управляется областью пространственного заряда контакта Шотки (металл-полупроводник).

Рис.8.8. Определение физических параметров n-МОП

синдуцированным каналом

8.2.Определение физических параметров

Рассмотрим физические параметры транзистора на примере n-МОП с индуцированным каналом (рис.8.8): w - ширина транзистора (затвора или канала); l - длина затвора (канала); hОК - толщина подзатворного окисла; xj - глубина диффузионных областей

стока, истока; ОПЗ область пространственного заряда.

Между полупроводниковыми областями n-типа и p-типа возникают обедненные ОПЗ.

Между слоем металла и диффузионной областью n+-типа создается омический контакт.

Пороговое напряжение - это физический параметр, который характеризует напряжение на затворе относительно истока:

где ϕМП - разность работ выхода электронов из материала затвора и

148

полупроводника подложки; jВ - потенциал инверсии, jВ = 2jF ; jF - уровень Ферми,

где NП - концентрация подложки; ni - собственная концентрация

полупроводника; qПС - фиксированный заряд на границе полупроводник (Si) - окисел (SiO2), определяемый зарядом поверхностных состояний,

θ ПС = q × N ПС ,

NПС - плотность поверхностных состояний на границе

полупроводник (Si) - окисел (SiO2); qВ - потенциал в подложке, наведенный потенциалом на затворе,

qВ = 2 × q × eSi × e0 2 × jT × NП ;

СОК - удельная емкость подзатворного окисла,

СОК = e0h× eОК . ОК

Пороговое напряжение зависит от напряжения подложка-исток:

UПОР =UПОР0 - h ×UПИ ;

η - коэффициент влияния подложки.

Однако коэффициент влияния подложки зависит от напряжения подложки - исток:

h = f (UПИ );

Для упрощения расчетов считают, что коэффициент влияния

149

подложки - величина постоянная, независимая от рабочего напряжения подложка-исток UПИР

UПОР0

UПИ

(рис.8.9). UПИР

Рис.8.9. Зависимость порогового напряжения от напряжения подложка-исток

8.3. Эквивалентная модель полевого транзистора

На рис.8.10 приведена эквивалентная схема

Рис.8.10. Эквивалентная схема полевого транзистора

полевого транзистора: RG - объемное сопротивление затвора;

RD - объемное сопротивление стока; RS - объемное сопротивление

150

истока; RB - объемное сопротивление подложки; RDS – сопротивление утечки сток-исток; CBD - емкость донной части перехода сток-подложка при нулевом смещении; CBS - емкость донной части перехода исток-подложка при нулевом смещении; CGS - емкость перекрытия затвор-исток; CGD - емкость перекрытия затвор-сток; CGB - емкость перекрытия затворподложка.

8.4. Режимы работы и уравнения ВАХ полевого транзистора

Рис.8.11 иллюстрирует выходную ВАХ полевого транзистора, на которой указаны три режима работы.

UЗИ

I UСИ

Рис.8.11. Режимы работы полевого транзистора на выходной ВАХ

При расчетах используют следующие уравнения для аппроксимации трех режимов работы ВАХ полевого транзистора:

I - область отсечки:

UЗИ < UПОР; UСИ = ;

IC = 0 .

II - крутая область:

151

IC = k2 × (UСИ )2 ×1+ h .

8.5.Технологический маршрут изготовления

КМОП пары

Рассмотрим кратко основные технологические операции формирования комплементарной пары полевых транзисторов.

Исходным материалом является подложка p-типа (рис.8.12).

152

p

Рис.8.12. Исходная подложка для формирования структур. 1. Формирование кармана для создания p-МОП (рис.8.13): а) маскирующее окисление под карман dОК = 0,35 мкм SiO2;

б) 1 фл - фотолитография области кармана р-МОП- транзистора;

в) травление маскирующего окисла SiO2; г) снятие фоторезиста;

д) ионное легирование фосфором (Р) Е = 40 кэВ; D = 0,9 мкКл/см2; разгонка примеси при температуре Т = 1150 °С в течение t = 2 ч (О2) + 14 ч (N2); в результате получается область глубиной xj = 5,5 - 6,0 мкм, с поверхностным сопротивлением ρs = 1,3 - 1,4 кОм/□, толщина поверхностного окисла dОК = 0,22 - 0,25 нм.

2. Формирование слоев, защищающих активные области транзисторов (рис.8.14):

а) стравливание SiO2, окисление перед нанесением нитрида кремния в HCl (dОК = 42,5 нм);

б) 2 фл - фотолитография слоя нитрида кремния для защиты активных областей;

153

в) дубление фоторезиста; г) плазмохимическое травление (ПХТ) нитрида кремния

(Si3N4);

3. Формирование охранных областей n-МОП (рис.8.15): а) 3 фл - фотолитография "охраны n-транзисторов";

б) ионное легирование бором (В) Е = 100 кэВ; D = 5,9 мкКл/см2;

в) снятие фоторезиста.

4. Формирование охранных областей p-МОП (рис.8.16): а) 4 фл - фотолитография "охраны р-транзисторов";

б) ионное легирование фосфором (Р) Е = 40 кэВ; D = 2,5 мкКл/см2;

в) снятие фоторезиста.

154

5. Подгонка порогового напряжения (рис.8.17):

а) выращивание фонового окисла SiO2 толщиной dОК = 0,85 мкм, стравливание защитной маски Si3N4, освежение окисла

SiO2;

б) предварительное окисление при температуре Т = 900 °С в течение t = 5'–10'–5'; dОК = 70 нм; стравливание SiO2;

n

p

Рис.8.17. Ионное легирование бора для подгонки порогового напряжения

155

6.Формирование подзатворного окисла SiO2 толщиной dОК

=42,5 нм (рис.8.18).

7. Формирование поликремниевого затвора (рис.8.19):

а) выращивание поликремния Si* толщиной dОК = 0,4 мкм; б) легирование Si* с помощью диффузии фосфора (Р), снятие

фосфорно-силикатного стекла (ФСС);

в) 5 фл - фотолитография поликремниевого затвора Si* (рис.8.19);

г) ПХТ Si*.

8. Формирование областей стока-истока n-МОП (рис.8.20): а) 6 фл - фотолитография областей стока-истока n+-типа ;

б) ионное легирование мышьяком (As) E = 60 кэВ; D = 1000 мкКл/см2.

156

9. Формирование областей стока-истока p-МОП (рис.8.21): а) окисление при температуре Т = 950 °С в течение t = 30 мин

в сухом кислороде (О2); б) 7 фл - фотолитография областей стока-истока р+-типа

(рис.8.21);

в) ионное легирование (BF2) E = 80 кэВ; D = 700 мкКл/см2.

BF2

10. Формирование контактных окон:

а) окисление при температуре Т = 950 °С в течение t = 30 мин в сухом кислороде (О2);

б) 8 фл - вскрытие контактных окон к областям n+ и Si* (рис.8.22);

157

в) ПХТ SiO2;

г) снятие фоторезиста; д) ионное подлегирование фосфором (Р) контактов Е = 40

кэВ, D = 1400 мкКл/см2;

е) оплавление ФСС + разгонка Р в контактах при температу-

ре Т = 1000 °С;

158

11. Формирование слоя металлизации (рис.8.24):

а) химическая обработка поверхности пластины, освежение (буферный травитель);

б) нанесение слоя металлизации Al и кремния Si толщиной d = 0,8 мкм;

в) запыление Si (dx = 20 нм).

г) 10 фл - фотолитография для слоя металлизации; д) ПХТ Al;

е) нанесение защиты.

159