Интегральные микросхемы на основе полевых транзисторных структур

Микросхемы на МДП-транзисторах имеют относительно простую структуру. В этих ИМС наиболее широко применяют МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа, которые обеспечивают более высокое быстродействие логического элемента. Транзисторы с каналами р-типа и со встроенными каналами используются реже, в основном как пассивные элементы. МДП-транзисторы имеют меньшие по сравнению с биполярными транзисторами размеры, что позволяет значительно повысить степень интеграции.

Виды интегральных полевых транзисторов

МДП-транзисторы с поликремниевым затвором

В современных полупроводниковых ИМС помимо транзисторов с алюминиевым затвором все более широкое применение находят МДП-транзисторы с поликремниевым затвором. Использование поликремния в качестве материала затвора дало ряд существенных конструктивно-технологических преимуществ и значительно улучшило электрические параметры МДП-транзисторов. Во-первых, это уменьшение порогового напряжения, что позволило снизить напряжение питания до 5В. Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика позволило резко повысить крутизну транзистора. Совместимость материала затвора с материалом защитного слоя позволила значительно сблизить контакты истока и стока и уменьшить размеры этих областей и всей структуры в целом. Применение поликремния позволило уменьшить перекрытие кремниевого затвора с областями истока и стока, что существенно уменьшило паразитные емкости. В транзисторах с поликремниевым затвором уменьшена глубина залегания областей истока и стока. Структура МДП-транзистора показана на рис. 6.29. Транзисторы формируют на кремниевой подложке р-типа с удельным сопротивлением 1-10 Ом·см и ориентацией [100]. Соседние транзисторы разделяются слоем толстого углубленного оксида, под которым расположены сильнолегированные противоканальные слои р⁺-типа. Такие слои необходимы для исключения возможности появления паразитных п-каналов, соединяющих п-области соседних транзисторных структур. Чем толще слой диэлектрика и чем выше концентрация примесей в р⁺-области, тем труднее индуцировать инверсный канал. Выводы от истока и стока осуществляются обычным способом через окна в пленке SiO₂. Вывод от поликристаллического кремния делается за пределами МДП-структуры.

В МДП-структурах с короткими каналами для повышения напряжения пробоя у границ истока и стока формируют области с невысокой концентрацией доноров (10¹⁷ см^-3). Они имеют толщину 0,2 мкм и длину 0,1-0,3 мкм.

Комплементарные МДП-структуры

К омплементарные структуры представляют собой сочетание транзисторов с каналами п- и р-типа, соединенных последовательно. На рис. 3 представлена схема и устройство такой структуры с алюминиевыми затворами. В этой структуре транзистор с п-каналом формируется непосредственно на кремниевой подложке р-типа, а транзистор с р-каналом — в специальном кармане n-типа толщиной 3-4мкм. Площадь, приходящаяся на один транзистор, в комлементарной структуре больше, чем в структуре на однотипных транзисторах, что обусловлено необходимостью увеличивать расстояние между р-п-переходом карман-подложка и р-п-переходом ближайшего п-канального транзистора; оно должно быть больше суммы значений толщины обедненных слоев этих переходов, чтобы не было замыкания п⁺-областей с п-карманами. При концентрации примесей в р-подложке 10¹⁵ см^-3 и напряжении на переходах около 5В толщина обедненной области составляет примерно 3 мкм.

Структуры «кремний на диэлектрике»

С труктуры «кремний на диэлектрике» (КНД) создаются в тонком эпитаксиальном слое монокристаллического кремния толщиной около 1 мкм, выращенном на диэлектрической подложке (сапфир или шпинель), имеющей кристаллическую решетку, близкую к кремнию. Локальным окислением в этом слое формируются островки кремния, изолированные друг от друга боковыми слоями SiO₂. В каждом из островков формируются МДП-структуры. На рис. 4 представлена структура КНД, в которой имеется транзистор с каналом п-типа и каналом р-типа. В такой структуре паразитные емкости вертикальных р-п-переходов очень малы, что существенно повышает быстродействие микросхем. Достоинством таких структур является также то, что отдельные транзисторы располагаются на минимальном расстоянии друг от друга, так как в них отсутствуют карманы и выводы от подложки, что повышает степень интеграции.

Вертикальные структуры

В рассмотренных МДП-структурах каналы проходят параллельно поверхности кристалла. Размеры этих структур практически достигли предельных значений, ограничиваемых технологическими возможностями.

Дальнейшего повышения степени интеграции можно достичь, переходя к более компактным вертикальным структурам, в которых области истока и стока расположены друг над другом. Одной из разновидностей таких структур является V-МДП-транзистор (рис. 5). Структура создается на кремниевой подложке р^--тила, на поверхности которой имеются четыре тонких чередующихся слоя: п⁺-типа, р-типа, п-типа, п⁺-типа.

Методом анизотропного травления вытравливается конусообразная ямка, достигающая своей вершиной нижнего п⁺-слоя. Затем стенки V-образной ямки окисляются, и на них наносится металлическая или поликремниевая пленка (затвор). Канал индуцируется вдоль боковых стенок V-образной ямки в тонком р-слое. Нижний п⁺-слой является общим для всех транзисторных структур, формируемых на подложке, он выполняет функции истока. Верхний п⁺-слой выполняет функции стока, Промежуточный п^--слой предназначен для увеличения пробивного напряжения.

Многослойные структуры

П овышение степени интеграции может.быть достигнуто путем расположения транзисторных структур в несколько «этажей». Технологически это очень сложная задача. В настоящее время разработаны опытные образцы двухслойных КМДП-структур (рис. 6). В такой структуре на подложке р-типа формируют транзистор с п-каналом и поликремниевым затвором. На поверхности пленки SiO₂ создают п-слой отожженного поликремния, обладающего свойствами монокристалла. В этом слое формируется транзистор с р-каналом. Оба транзистора имеют общий поликремниевый затвор. Такая структура позволяет в 3-4 раза повысить степень интеграции по сравнению с однослойной КМДП-структурой.

Виды интегральных микросхем на полевых транзисторах

Логические элементы на МДП-транзисторах строятся на основе ключей с динамической нагрузкой и состоят либо из однотипных, либо из комплементарных МДП-транзисторов. В качестве электронных ключей используются обычно МДП-транзисторы с индуцированным каналом, в которых при U_ЗИ = 0 ключ разомкнут, а при подаче на затвор напряжения U_ЗИ > U_{ЗИ ПОР} ключ замкнут.

Ключ с резистивной нагрузкой

Время включения ключа определяется разрядом паразитной емкости С₀ через открытый канал транзистора R_ОТКР, а время выключения определяется зарядом этой емкости через нагрузочный резистор R_С. Быстродействие ключа зависит в основном от времени выключения, т.к. R_ОТКР < R_С.

Ключ с динамической нагрузкой

В таких ключах вместо резистора в цепь стока включают нагрузочный транзистор, что можно сделать тремя вариантами:

а – в качестве нагрузочного применен МДП-транзистор с индуцированным каналом при соединении затвора с истоком (при этом U_ЗИ2 = U_СИ2);

б - в качестве нагрузочного применен МДП-транзистор со встроенным каналом при соединении затвора со стоком (при этом U_ЗИ2 = 0);

в - в качестве нагрузочного применен МДП-транзистор с индуцированным каналом, тип электропроводности которого противоположен типу проводимости активного транзистора. Такая пара полевых транзисторов называется комплементарной. Достоинством схемы является высокое быстродействие, т.к. заряд и разряд паразитной емкости протекают в одинаковых условиях, и t_вкл ≈ t_выкл.