2. Описание мдп – транзистора на схемотехническом уровне.

МДП (металл – диэлектрик – полупроводник) – транзистор имеет четыре вывода (затвор, сток, исток, подложка) и состоит из полупроводниковой подложки, в которой сформированы две высоколегированные области – сток и исток. Управляющий электрод (первоначально - металлический, в настоящее время создается из поликристаллического кремния) называется затвором и отделен от подложки тонким слоем диэлектрика, преимущественно окиси кремния. Изменяя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью поверхностного слоя той части подложки, которая расположена под затвором. При этом можно открывать или закрывать канал протекания тока между стоком и истоком. Управляющие напряжения в МДП – транзисторе отсчитываются обычно от потенциала истока и обозначаются:

U_ЗИ = U_З - U_И - напряжение затвор - исток

U_СИ = U_С - U_И - напряжение сток - исток

U_ПИ = U_П - U_И - напряжение подложка - исток

В зависимости от типа носителей, создающих ток в канале, различают n- и p- канальные МДП – транзисторы. В n-канальных МДП - транзисторах ток канала переносится электронами, а области стока/истока n⁺-типа, в p-канальных носители – дырки, а сток/исток p⁺-типа. Сечение n-канального МДП – транзистора показано на рис.1.

Рис.1 Сечение n-канального МДП – транзистора

В зависимости от материала затвора и распределения примеси в подложке при нулевом напряжении на затворе канал может быть открыт (встроенный канал) или закрыт. Во втором случае канал называется индуцированным и создается приложением к затвору отпирающего напряжения - положительного для n-канального транзистора и отрицательного для p-канального. Условные обозначения МДП – транзисторов на электрических схемах приведены на рис.2.

а) б) в) г)

Рис.2 Условные обозначения различных типов транзисторов: а) n – канальный транзистор с индуцированным каналом; б) p – канальный транзистор с индуцированным каналом; в) n – канальный транзистор с встроенным каналом; г) зpp – канальный транзистор с встроенным каналом.

Напряжение, при котором происходит отпирание канала, называется пороговым напряжением U_ПОР для транзисторов с индуцированным каналом и напряжением отсечки U_ОТС для транзисторов со встроенным каналом. Пороговое напряжение (или напряжение отсечки) является одним из основных параметров, характеризующих МДП – транзисторы с точки зрения их схемотехнического описания. Вторым таким параметром для схемотехников является ток насыщения I_НАС , определяемый при условии:

U_ЗИ = U_СИ = U_ИП.

Наиболее полные схемотехнические модели МДП – транзисторов включают несколько десятков параметров. В программе MICROWIND моделирование на схемотехническом уровне ведется с использованием двух достаточно простых моделей, соответствующих моделям программы SPICE level=1 и level=3. Для оценочных расчетов будем использовать простейшую аналитическую модель, представленную в таблице 1, в которой пренебрегаем токами затвора и подложки, а также не учитываем смещение подложки относительно истока:

I_З = I_П = 0, U_ПИ = 0.

Все формулы в Табл.1 приведены для n-канального МДП – транзистора с индуцированным каналом, но могут быть использованы для всех других типов МДП – транзисторов (см. примечания к Табл.1)

Таблица 1. Простейшая модель МДП – транзистора.

Область работы транзистора	Напряжения, определяющие область работы	Ток транзистора
Область отсечки	UЗИ < UПОР	IC = 0
Крутая область	UЗИ ≥ UПОР UCИ < UЗИ - UПОР	IC = K0 * W / L * { ( UЗИ - UПОР)* UCИ - UCИ 2/2}, K0 = m * CОК W – ширина канала, L- длина канала, m – подвижность носителей, CОК – удельная емкость подзатворного окисла
Пологая область	UЗИ ≥ UПОР UCИ ≥ UЗИ - UПОР	IC = K0 * W / L * ( UЗИ - UПОР)2/2,

Примечания к Табл.1.

1. Для транзисторов со встроенным каналом U_ПОР заменяем на U_ОТС.

2. Для p-канальных МДП – транзисторов все знаки неравенств меняем на противоположные (рабочие напряжения отрицательные).

Из модели видно, что интересующий нас ток насыщения нужно рассчитывать как ток транзистора в пологой области. Повлиять на его величину на этапе проектирования схемы можно только выбором топологических размеров (длины и ширины канала), т. к. остальные параметры (пороговое напряжение, подвижность носителей, удельная емкость диэлектрика) зависят от технологических факторов и определяются на этапе проектирования технологического маршрута.

3. Описание МДП – транзистора на топологическом уровне.

Чтобы правильно спроектировать топологию МДП – транзистора с заданными параметрами, нужно знать ответы на два вопроса:

1. По какой технологии будет изготавливаться схема и каковы для этой технологии правила проектирования (design rule)? Правила проектирования задают перечень используемых фотошаблонов и все допуски и ограничения на размеры геометрических элементов на этих шаблонах.

2. Какие существуют зависимости между параметрами транзистора, значения которых установлены в техническом задании, и его топологическими размерами? Знание этих зависимостей помогает решить обратную задачу, т.е. по заданным электрическим характеристикам выбрать топологические размеры, обеспечивающие при изготовлении требуемые значения параметров схемы.

Используемая версия программы MICROWIND поддерживает возможность проектирования топологии для шести стандартных технологических процессов (foundry). Все они являются разновидностями типового процесса изготовления комплиментарных МДП - схем (КМДП) с N – карманом и отличаются количеством слоев металлизации (разводки) и минимальным топологическим размером.

В результате такого типового процесса создаются n- и p- канальные МДП – транзисторы с самосовмещенным поликремниевым затвором. При этом n- канальный МДП – транзистор формируется непосредственно в p-подложке, а для p-канального предварительно cоздается область N – кармана. Каналы МДП – транзисторов формируются в тех местах, где фигуры (обычно прямоугольники), расположенные в слое поликремния, пересекаются с фигурами, расположенными в слое диффузионных областей истока/стока N⁺ или P⁺ -типа. Пример фрагмента топологии n- МДП – транзистора приведен на рис.3. Сечение такого топологического чертежа по линии А – А дает структуру, показанную на рис.1.

Рис. 3. Фрагмент топологии n- МДП – транзистора.

hp

Физически структура транзистора при этом образуется в результате следующей последовательности основных операций:

1. в слое пассивирующего окисла, покрывающего подложку, вскрывается окно, заданное на топологическом чертеже в слое N⁺-диффузии;

2. проводится операция термического окисления, т.е. внутри окна на подложке выращивается тонкий подзатворный диэлектрик;

3. на всю поверхность подложки осаждается слой поликристаллического кремния;

4. с помощью фотолитографии поликремниевые области оставляются только там, где есть соответствующая фигура в топологическом слое; остальной поликремний вытравливается;

5. проводится операция ионной имплантации донорной примеси (As или P) в p - подложку, при этом поликремний служит маской, препятствующей прохождению ионов; реально примесь попадает в подложку только через ту часть окна, покрытого тонким окислом, которая не закрыта затвором;

6. проводится высокотемпературный отжиг для активации имплантированной примеси, при этом в результате диффузии области истока/стока частично заходят под поликремний в области канала;

7. формируются контактные окна к выводам транзистора;

8. наносится слой металла и после фотолитографии создается разводка в первом слое металлизации.

Здесь перечислены только самые основные операции формирования n – МДП – транзистора. Процессы, служащие для создания изоляции, слаболегированных областей истока/стока и ряд других не рассматривались. Топология n - МДП – транзистора с учетом контактных окон и металлизации показана на рис. 4. Последовательность операций для формирования p – МДП – транзистора аналогична приведенной, но начинается с ионной имплантации и разгонки области N – кармана.

Рис. 4. Пример топологии n- МДП – транзистора.

hp

При проектировании топологии необходимо учитывать ограничения на топологические размеры.

Основное ограничение на размеры накладывается снизу. Это минимально допустимый размер для данной технологии L_МИН. Обычно он явно указывается в названии технологического базиса, например, для ES0.7mkm – 2Metal минимально допустимый размер L_МИН = 0.7 мкм.

Следующий фактор, который нужно учесть, - это значение т. наз. параметра λ (лямбда). Согласно правилам λ – проектирования этот параметр определяет величину максимально допустимого случайного смещения элементов топологии для заданного технологического базиса. Тогда L_МИН = 2 λ. Зная L_МИН, находим значение λ для данной технологии. Например, для ES0.7mkm – 2Metal λ = 0.35мкм.

При выборе размеров следует учитывать, что по правилам λ – проектирования все геометрические размеры элементов должны быть кратны λ.

Кроме того, все основные допуски, необходимые для топологического проектирования, указываются также в единицах λ. Часть из используемых в программе MICROWIND допусков приведена в таблице 2.

Таблица 2. Основные проектные нормы.

Топологический размер	Минимальное значение, λ
Ширина поликремниевой области	2
Перекрытие поликремнием диффузионной области	2
Ширина диффузионной области	4
Выход диффузионной области за поликремниевый затвор	4
Ширина контактного окна	2
Перекрытие контактного окна поликремнием	2
Перекрытие контактного окна диффузионной областью	2
Перекрытие контактного окна металлом	2
Ширина металлической шины	3
Ширина области кармана	12