5. Моп и кмоп транзисторы

В настоящее время технология изготовления МОП и КМОП занимает лидирующее положение.

Сравнительные оценка характеристики параметров биполярных и МДП ИМС:

Таблица 3.

Характеристика и параметр	Биполярные ИМС	МДП ИМС
Площадь занимаемая транзистором на подложке (ср. значение) мкм2	2600-3800	130-200
Площадь занимаемая схемой (ср. значение) мм2	1,25 х 1,23	1,5 х 2,2
Максимальная степень интеграции (число элементов на одном кристалле)	(2-5)*104	(1-5)*105
Быстродействие, МГц	1-50	1-20
Потребляемая мощность, мВт	5-30	5
Задержка распространения, нс	5-20	30
Помехоустойчивость, В	0,08-0,75	1,5-5
Нагрузочная способность	5	50
Технология изготовления
А) количество диффузных процессов	3-4	1-3
Б) количество фотолитографических процессов	6-8	6-10

Комплиментарная пара в логике инвертор

Рис. 19. Комплиментарная пара

С начала 70-х годов развивалась технология РМОП ИС с металлическим затвором, затем они были заменены на РМОП ИС с кремниевыми затворами, а еще позже – на МОП транзисторы с кремниевыми затворами. Применение данных схем приводит к некоторым проблемам:

1. необходимость в ограничении рассеиваемой мощности;

2. необходимость уменьшения рабочих температур БИС, построенных на МОП транзисторах;

3. необходимость уменьшения восприимчивости ИС памяти к случайным сбоям;

4. повышение помехоустойчивости ИС.

Особенности МОП технологии:

В техническом процессе отсутствуют операции по изоляции технических структур. Весь процесс изготовления интегральных схем сводится к формированию МОП транзисторов и создания элементов между ними т. к. на МОП структурах можно реализовать резисторы и конденсаторы. Внутри схемы соединения выполняют с помощью материала затвора тем самым упрощая задачу многослойной разводки.

Размеры МОП транзисторов гораздо меньше биполярных транзисторов, что позволяет создать микросхему с высокой степенью компоновки.

Схема технического процесса изготовления интегральных схем МОП:

1. на n типа подложке осаждается эпитаксиальная пленка p типа толщиной 10мкм;

2. выполняется термическое окисление с образованием пленки SiO₂ толщиной 1 мкм;

3. нанесение фоторезиста и получение определенного рисунка;

4. проведение разделений диффузии при донорной примеси на глубину эпитаксиальной пленки;

5. термическое окисление;

6. изоляция карманов p типа;

7. фотолитографическое получение защитной маски;

8. повторная диффузия донорной примеси для получения сильно легированных областей n типа;

9. окисление пластины и получение подзатворного диэлектрика толщиной 0,1 мкм;

10. фотолитография для получения рисунка окон и подомических контактов и травление;

11. термическое осаждение алюминия для омических контактов и затворов через трафареты;

Проблемы, возникающие при изготовлении МОП ИС:

1. Наличие SiO₂ под затвором положительных и отрицательных зарядов.

2. Образование паразитных МОП транзисторов под металлической разводкой.

3. Возникновение перекрытия затвора с областями стока и истока (перекрытие приводит к увеличению ёмкостей затвор-исток и сток-исток, что ведет к снижению быстродействия).

Способы увеличения быстродействия МОП ИС:

1. Увеличение быстродействия за счет уменьшения ёмкостей перекрытия. Найдено решение – применение технологии самосовмещенных затворов. Идея технологии заключается в том, что слои стока и истока выполняются не до, а после выполнения затвора. При этом затвор используется в качестве маски.

2. Использование в качестве металлического затвора слой поликремния. Такой метод направлен на уменьшение порогового напряжения, для того чтобы уменьшить напряжение питания и рассеиваемую мощность.

Методы для уменьшения порогового напряжения (чем меньше пороговое напряжение, тем ниже напряжение питания схемы и потребляемая ей мощность):

1. Применение МОП транзисторов с кремниевыми затворами. U₀ = 12 В. Материал подложки и затвора одинаковый, следовательно разность потенциалов равна нулю.

2. Использование молибдена в качестве затвора (эффект тот же что и в первом случае)

3. Замена диэлектрика под затвором с SiO₂ на Si₃N_4, у которого диэлектрическая проницаемость в 1,5 раза выше, следовательно уменьшится U₀.

Преимущества КМОП технологии:

1. Логические перепады напряжения равны напряжению питания (требуется меньшее напряжение питания, чтобы перейти из одного состояния в другое).

2. Повышенная помехоустойчивость.

3. Меньшая потребляемая мощность (один транзистор открыт, другой закрыт и ток почти не течет).

4. Увеличился коэффициент усиления.

КМОП структуры изготовляются по планарно-эпитаксиальной технологии. Структуры МОП изготавливаются по самосовмещенной технологии.

15