Билет №15 (Ответы на экзамен 2)

5

Билет №15

4.2. МДП-транзисторы

Реальная структура МДП-транзистора с n-каналом, выпол­ненного на основе полупроводника, показана на рис. 4.2. Ме­таллический электрод, создающий эффект поля, называют за­твором (3). Два других электрода называют истоком (И) и стоком (С). Эти электроды в принципе обратимы. Стоком явля­ется тот из них, на который ( при соответствующей полярности напряжения) поступают рабочие носители канала. Если канал n-типа, то рабочие носители — электроны и полярность стока положительная. Исток обычно соединяют с основной пласти­ной полупроводника, которую называют подложкой (П).

Диэлектрик

Рис. 4.2. Структура МДП-транзистора с индуцированньш „.каналом

Глава 4. Униполярные транзисторы

Подложку МДП-транзисторов стараются делать из материа­ла с высоким удельным сопротивлением, с тем чтобы облегчить образование канала и увеличить пробивное напряжение пере­ходов истока и стока.

Подложки тонкопленочных ГИС должны прежде всего обла­дать хорошими изолирующими свойствами. Кроме того, жела­тельны малая диэлектрическая проницаемость, высокая тепло­проводность, достаточная механическая прочность. Темпера­турный коэффициент расширения должен быть близким к температурным коэффициентам расширения используемых пленок.

Типичные параметры подложек следующие: р = 10¹⁴Ом•см; ε = 5-15; tgδ = (2-20) •10^-4; TKL = (5-7)•10^-6.

В настоящее время наибольшее распространение в качестве подложек имеют ситалл и керамика.

Ситалл представляет со­бой кристаллическую разновидность стекла (обычное стекло аморфно), а

керамика — смесь окислов в стекловидной и крис­таллической фазах (главные составляющие А1₂О₃ и Si₂O).

Толщина подложек составляет 0,5-1 мм в зависимости от площади. Площадь подложек у ГИС иногда больше площади кристаллов у полупроводниковых ИС. Стандартные размеры подложек лежат в пределах от 12x10 до 96x120 мм. Требования к гладкости поверхности примерно такие же, как и в случае кремния: допустимая шероховатость не превышает 25x50 нм (класс шероховатости 12-14).

Обычно ГИС, как и полупроводниковые ИС, изготавлива­ются групповым методом на ситалловых или иных пластинах большой площади. По завершении основных технологических операций, связанных с получением пленочных пассивных эле­ментов и металлической разводки, проводится выходной тесто­вый контроль и, если необходимо, подгонка параметров

7.2. Изоляция элементов

Элементы биполярных полупроводниковых ИС нужно изолировать друг от друга с тем, чтобы необходимые соединения осуществлялись только путем металличе­ской разводки.

В случае изготовления на одной подложке МДП-транзисторов истоки и стоки смежных элементов оказываются разделенными встречно-включенными p-n-переходами и такая связь не столь губительна, как в биполярных элементах. Одна­ко с ростом степени интеграции и «сближением» элементов, об­ратные токи разделительных p-n-переходов растут и принуж­дают разработчиков ИС искать способы изоляции не только би­полярных, но и МДП элементов.Сравнительная оценка способов изоляции. Все известные способы изоляции можно разделить на два главных типа:

изо­ляцию обратносмещенным р-п-переходом и

изоляцию диэлект­риком.

Обедненный слой p-n-перехода, особенно при большом обратном смещении, имеет очень высокое удельное сопротивление, близкое к удельному сопротивлению диэлектриков. Поэтому указанные два типа изоляции различаются не столько удельным сопротивлением изолиру­ющего слоя, сколько его структурой. Изоляцию p-n-переходом отно­сят к однофазным способам, имея в виду, что материал по обе стороны и в пределах изолирующего слоя один и тот же — кремний. Изоляцию диэлектриком относят к двухфазным способам, имея в виду, что мате­риал (фаза) изолирующего слоя отличается от материала подложки — кремния. Учитывая, что при разработке ИС происходит постоянное снижение рабочих напряжений, изоляция р-я-переходом применяет­ся все реже и реже.

Изоляция р-n-переходом сводится к осуществлению двух встречно-включенных диодов между изо­лируемыми элементами — так же, как в МДП-транзисторных ИС . Для того, чтобы оба изолирующих диода находи­лись под обратным смещением (независимо от потенциалов коллекторов), на подложку задают максимальный отрицатель­ный потенциал от источника питания ИС1.

Изоляция p-n-переходом хорошо вписывается в общий тех­нологический цикл биполярных ИС, однако ее недостатки — наличие обратных токов в p-n-переходах и наличие барьерных емкостей.

Изоляция диэлектриком более совершенная и «радикаль­ная». При комнатной температуре токи утечки в диэлектрике на 3-5 порядков меньше, чем обратные токи р-n-перехода. Что касается паразитной емкости, то, разумеет­ся, она имеет место и при диэлектрической изоляции. Однако ее легко сделать меньше барьерной, выбирая материал с малой диэлектрической проницаемостью и увеличивая толщину диэ­лектрика.

Так же поступают в МДП-транзисторных ИС.

Большое распространение полу­чила так называемая технология
кремний на сапфире (КНС, англ. S0S— Silicon On Sapphire).

Сапфир имеет такую же структуру кристал­
лической решетки, как и кремний. Поэтому на сапфировой пластине
(подложке) можно нарастить эпитаксиальный слой кремния ,
а затем протравить этот слой на­сквозь до сапфира, так чтобы образо­
вались кремниевые «островки — карманы» для будущих элементов ИС

Эти карманы с нижней стороны изолированы друг oт сапфиром — диэлектриком, а с боковых сторон -воздухом. Поэтому технологию КНС часто относят к классу воздушной изоляции.

Недостатком этого метода является рельефность поверхности, которая затрудняет осуществление металличе­ской разводки.

а) б)

Рис. 7.9. Технология «кремний на сапфире» (КНС): а — исходная структура; б — рельефные карманы

Двуокись кремния используется в качестве подзатворного диэлектрика в про­мышленном производстве ИС в течение более 30 лет. В соответствии с прин­ципами масштабирования МОПТ толщина подзатворного окисла непрерыв­но уменьшается, причем технически возможно формирование в промышленных условиях на пластинах диаметром 200 мм слоев окисла толщиной 1,5 нм и менее. Однако практически допустимая минимальная толщина термического окисла составляет - 3,5 нм, при этом плотность дефектов окисла (определяемая ус­ловием пробоя при Е = 7,5 МВ/см и площади электрода 0,1 см ) достигает уров­ня 0,5 см . Пределом, ограничивающим снижение толщины слоя SiO₂, являет­ся ток прямого туннелирования (при Тох ~ 2,3 нм). Эта минимально допустимая толщина окисла определяется условием равенства туннельного тока затвора и подпорогового тока в цепи исток-сток. Обычно значение этого тока принимают равным ~1 нА/мкм. Исследования показали, что предельное значение Тох равно 1,6 нм. С учетом кванто-механического эффекта распределения носителей в ка­нале и эффекта обеднения носителями поликремниевого затвора минимально допустимое значение Tox,eff составит 2,3 нм. Дальнейшее уменьшение Tox,eff при­водит к экспоненциальному росту туннельного тока. Для приборов с площадью затвора 0,05 мкм и с толщиной окисла 2 нм, 1,5 нм и 1 нм плотность туннельно­го тока составляет 0,6 мкА/см , 0,2 мА/см и 10 А/см , соответственно, что дает следующие вличины токов утечки в цепи затвора: 3 нА, 1 нА и 50 мкА. Первое значение тока утечки характеризует высококачественные приборы, второе пред­ставляет максимально допустимое значение тока транзистора в выключенном состоянии, третье — недопустимо ни при каких условиях. Значение Tox,eff~ 2,3 нм, исходя из соотношений масштабирования МОПТ, соответствует Физической длине затвора 0,1 мкм (Ley = 0,06 мкм), т.е. проектным нормам 0,13 мкм. Дальнейшее развитие КМОП- технологии связано с применением аль­тернативных подзатворных диэлектриков с более высоким, чем у SiO2, значеним Диэлектрической проницаемости. Увеличение физической толщины альтеративного подзатворного диэлектрика приводит к уменьшению туннельного тока-утечки затвора и к снижению плотности дефектов Do.

Указанные проблемы стимулировали развитие мето­дов термического нитрирования подзатворного окисла; одновременно это спо­собствовало повышению его стойкости к воздействию электрических стрессов. Однако при термическом нитрировании максимум концентрации азота распо­лагается вблизи границы Si—SiO₂, что ограничивает проникновение бора в об­ласть канала, но не предотвращает накопление бора в объеме окисла, приводя к снижению его надежности. Решение этих проблем достигается при использова­нии низкотемпературного плазмостимулированного процесса нитрирования подзатворного окисла, в котором максимум концентрации азота располагается на внешней поверхности окисла. Дополнительным существенным достоинст­вом этого метода является сохранение величины подвижности носителей, свой­ственной МОПТ с чистым подзатворным окислом.

Использование слоев нитрида кремния в качестве подзатворного диэлект­рика позволяет (благодаря вдвое большей диэлектрической проницаемости, чем у двуокиси кремния) увеличить емкость затвора МОПТ ( уменьшить толщину эквивалентного слоя окисла). Многочисленные попытки использования слоев нитрида кремния, в качестве подзатворного диэле­ктрика были неудачными из-за неудовлетворительных свойств границы раздела нитрид—кремний, а также из-за высокой концентрации ловушек в объеме. Зна­чительное улучшение качества подзатворного диэлектрика было получено при использовании низкотемпературного метода струйного осаждения (JVD=Jet Vapor Deposition) нитрида кремния. Было установлено, что электрофизические характеристики слоев Si3N4, формируемых методом струйного осаждения, по целому ряду ключевых параметров вполне приближаются к аналогичным пока­зателям, характерным для слоев SiO₂. Было показано, что МДПТ с 2-слойным Диэлектриком SiO₂ — Si₃N₄ толщиной 2—4 нм, осажденного JVD-методом, имеет значительные преимущества перед МОПТ с подзатворным окислом по вели­чине инжектированного заряда до пробоя, току утечки затвора, крутизне и току стока транзистора.

Использование нитрида кремния в качестве подзатворного диэлектрика эф­фективно лишь до тех пор, пока его толщина не достигнет туннельной прозрачности. В связи с этим предпринимаются усилия по разработке технологии фор-ирования альтернативных диэлектриков с более высокой диэлектрической проницаемостью у чем SiO₂ .

Структура переходного слоя границы раздела Si—SiO₂ играет определяющую роль в реализации многих из вышеперечисленных требований к подзатворному окислу.

Si₃N₄ (ε = 7, 8), таких как

Та₂О₅ (ε = 26), TiO₂ (ε ~ 30),

HfO₂ и ZrO₃ .

До настоящего времени ни один из этих диэлектриков не был успешно осажден непосредственно на кремний без использования промежуточного слоя SiO₂.

Между тем, наличие этого слоя в сильной степени снижает эффективную емкость двухслойного диэлектрика Сэф = Сох + Сад . Так как емкость окисла Сох много меньше емкости альтернативного диэлектрика, то она и определяет зна­чение Сэф а его эквивалентная толщина не может быть меньше, чем толщина нижнего слоя окисла. Это делает понятной необходимость разработки техноло­гии осаждения альтернативных диэлектриков непосредственно на кремний без промежуточного слоя SiO₂ .

3.11. Альтернативные подзатворные диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью.

Подзатворный диэлектрик на основе двуокиси кремния в течение более 30 лет являлся единственным материалом, удовлетворяющим требования к МОП-приборам. При переходе к глубокосубмикронным проектным нормам, когда тол­щина окисла приближается к порогу туннельной прозрачности (Tox,порог = 2,3 нм), Двуокись кремния необходимо заменить диэлектриком с высокой диэлектриче­ской проницаемостью, что позволяет увеличить его физическую толщину при неизменной эквивалентной (по отношению к SiO₂) толщине. Помимо уменьше­ния компоненты тока прямого туннелирования увеличение физической толщи­ны диэлектрика позволяет снизить его дефектность в сравнении с ультратонки­ми слоями SiO₂. Однако увеличение толщины подзатворного диэлектрика с вы­сокой проницаемостью имеет ограничение, связанное с двумерным характером распределения напряженности электрического поля. При увеличении отноше­ния толщины диэлектрика к длине затвора растет доля краевого электрического поля, что приводит к ослаблению управляющей способности затвора контроли­ровать плотность заряда в канале МДПТ и, соответственно, к усилению короткоканального эффекта.

Подзатворный диэлектрик на основе Ta₂O₅. Пятиокись тантала (ε = 25) явля­ется перспективным диэлектриком для замены SiO₂ в качестве подзатворного диэлектрика МДПТ благодаря совместимости процессов его формирования с кремниевой технологией.

_~

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

_ _ _ _ CАПФИР ( Al₂O₃ ) _ _ _ _ _ _