Коледов Л.А. - Технология ИС (1086443), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Рис, 2.57. Тестовые структуры; а — топаласнп тестапоб струи урн, б — рпспололенне нп полупраполнп«оеар плпстнне 87 Необходимость создания специальных тестовых структур опреде ляется очень малыми размерами активных областей элемента микросхемы, параметры которых можно контролировать только посл изготовления контактов и контактных площадок. В тестовых струк турах размеры отдельных областей элементов микросхемы, окон окисле, контактных площадок выбираются такими, чтобы без труд, можно было провести измерения с помощью системы зондов.
Г л а в а 3. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ НА МДП-ТРАНЗИСТОРАХ Интегральные микросхемы на транзисторах со структурой металл— диэлектрик — полупроводник получили широкое распространение, и их производство составляет значительную долю продукции электронной промышленности. Они занимают доминирующее положение при выпуске таких изделий микроэлектроники, как полупроводниковые оперативные и постоянные запоминающие устройства, БИС электронных микрокалькуляторов, БИС микропроцессорных наборов.
3.1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ Транзисторы со структурой МДП представляют собой одну из разновидностей полевых транзисторов — активных полупроводниковых приборов, в которых используются эффекты дрейфа основных носителей под действием продольного электрического поля и модуляции дрейфового тока поперечным электрическим полем. Действие полевых транзисторов основано на перемещении только основных носителей заряда в полупроводниковом материале, в связи с чем эти транзисторы называют униполярными в отличие от биполярных, использующих оба типа носителей. МДП-транзисторы имеют существенные преимушества перед биполярными по конструкции (размеры и занимаемая ими площадь относительно невелики, в принципе, отсутствует необходимость их изоляции) и электрофизическим параметрам (низкий уровень шумов, устойчивость к перегрузкам по току, высокие входное сопротивление и помехоустойчивость, малая мощность рассеивания, низкая стоимость) .
В то же время БИС на МДП-транзисторах уступают БИС на биполярных транзисторах в технологической воспроизводимости, стабильности параметров и быстродействии. МДП-транзистор имеет четыре электрода: исток, сток, затвор и подложку (см, рис. !.!4). Полупроводниковая область, от которой начинается дрейф основных носителей, называется истоком, область, в которой осуществляется дрейф основных носителей и амплитудная модуляция дрейфового тока,— каналом, область, к которой под действием поля движутся (дрейфуют) основные носители,— стокам, металлическая или полупроводниковая область, используемая для создания модуляции дрейфового тока,— затвором. Подложка является конструктивной основой МдП-транзистора. л н з е- Области истока и стока одного типа электропроводности формируют на некотором расстоянии 1„друг от друга лоь' кальной диффузией или ионным летне У рованием (рис.
3.1). Они самоизолиро- ваны друг от друга р-л переходами. 3 Между ними поверх слоя диэлекти рика расположен затвор, выполненный нз проводящего материала. ...::.Й н:, ':::: у) . Принцип действия МДП-транзистоссз '-" .'"..:т( ра основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного и ~, с слоя полупроводникового материала, ~з расположенного между истоком и стоком. Этот эффект вызывают наложе- попе ечного электрического поля в транзистора пространстве между проводящим затвором и полупроводниковым материалом (подложкой) за счет напряжения, подаваемого на затвор Тип электропроводности канала обязательно совпадает с типом электропроводности областей истока и стока. Так как тип электропроводности истока, стока и канала противоположен типу электропроводност подложки, то сток, исток и канал образуют с подложкой р-л переход.
В з висимости от типа основных носителей тока в канале раз а личают л-канальные и р-канальные МДП-транзисторы. По конс- труктивно-технологическому исполнению МДП-транзисторы подраз деля т ют на две разновидности: со встроенным и с индуцироеанн ктивн каналами (рис. 3.2). Встроенный канал предусмотрен констру и создается на этапе производства транзистора легированием при поверхностной области между истоком и стоком. Создавая электрическое поле в структуре металл — диэлектрик— полупроводник, можно управлять электропроводностью канала соответственно током, протекающим между истоком и ст м.
при отрицательном относительно л-канала напряжении на затвор в канале у границы полупроводника с диэлектриком концентраци электронов сниждется и проводимость канала уменьшается (режи обеднения) (рис. 3.2, а). В р-канальном МДП-транзисторе в завис мости от величины и полярности напряжения на затворе наблюда ся обеднение (и,>0) или обогащение (из<0) канала дырка (рис. 3.2, б). В МДП-транзисторе с индуцированным каналом (рис. 3.2, при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует, Рассмотрим качественно принцип действия транзистора с индуц рованным каналом л-типа (рис. 3.2, в). Пусть транзистор включ так, что на подложку подается самый отрицательный потенциал, а затвор О. В результате р-л переходы исток — подложка и сток подложка будут смещены в обратном направлении. Ток через абра 88 и с + 81 г) рис. Заь структуры н условные обозначения сз(дп-транзисторов: л.(а) н р-каннлои (б), с инлунированиыми н-(и) и р.каналом (л); И вЂ” стон; 3 — оо вор.
à — сток. П вЂ” сосонко со встроеннымн но-смещенный р-л переход мал, что соответствует высокому сопротивлению между областями исток — сток. И если к областям исток— сток подключить питание, ток носителей от истока к стоку будет ничтожно мал, т. е, транзистор будет закрыт. Обратим внимание на то, что структура затвор — диэлектрик -- полупроводник подобна конденсаторной структуре, и приложим к затвору лоложигельный потенциал. Под его действием в окисле и тонком приповерхностном слое проводника будет создано электрическое поле с напряженностью, пропорциональной напряжению на затворе и обратно пропорциональной толщине диэлектрика.
Под действием этого поля электроны, имеющиеся в подложке, будут притягиваться к поверхности полупроводника, а дырки отталкиваться. Тем самым будет изменяться концентрация носителей в тонком при поверхностном слое (4...5 нм) полупроводника между областями исток — сток. Вначале образуется слой, обедненный акцепторами, а затем, по мере роста положительного смещения на затворе, инверсионный слой электронов.
При некотором напряжении на затворе, именуемом пороговым ((l,), между истоком и стоком образуется проводягцая область — канал — с очень низким сопротивлением. Транзистор будет открыт. После этого ток стока принимает определенное значение при определенном напряжении на затворе. Поскольку входной управляющий ток (в цепи затвора) ничтожно мал по сравнению с управляемым (в цепи исток— сток), получается значительное усиление лзощноети, гораздо большее, чем у биполярных транзисторов.
МДП-транзистор является эффективным усилительным прибором. Электрическое сопротивление канала зависит от его длины 1„ н ширины б„оно модулируется напряжением на затворе и, н зави- 89 сит от напряженности наведенного поля в полупроводнике, обратно пропорционально толщине диэлектрика Йх и прямо пропорционально диэлектрической проницаемости диэлектрика е,. Таким образом, для формирования индуцированного канала в и-канальном транзисторе на затвор необходимо подать положитель- ное напряжение определенной величины, а в р-канальном — отрица- тельное. Транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения.
Исток и сток в принципе обратимы, и их можно менять местами при включении транзистора в схему. В этом случае при симметричной структуре транзистора (сток и исток могут различаться формой, размерами, площадью) его параметры сохраняются. Здесь целесообразно остановиться на нежсяательном явлении возникновения индуяированных каналов в полупроводниковых структурах лод действием положи- тельного эяектри <еского заряда в окисле. Этот заряд возникает при формировании окисла на поверхности полупроводникового материала любого типа проводимости н обусловлен внедрением в него из окружающей атмосферы, материалов техно- логической оснастки и оборудовании положительных ионов щелочных и шелочно- земельных металлов. Он получня название встрогчнь<й заряд. Расположение тако~о заряда иал пояупроводником р.гнпп электропроводности приводит к увеличению в его приповерхностном слое числа электронов и уменьшению концентрации дырок.
При значительной величине встроенного заряда и малой концентрации акцепторной примеси в полупроводнике это приводит к самопроизвольному образованию вблизи границы окисел — полупроводник индуцированного канала. Именно это явление долгое время препятствовало созданию эффективной технологии производства микросхем на л-канальных МДП-транзисторах. Получалось, чта некоторые (нли даже все) транзисторы оказывались во включенном состоянии в отсутствие потен- циала на затворе.
Прн производстве микросхем на р-канаяьных транзисторах встроен- ный заряд в окисле вь<зывает некоторое обогащение поверхности полупроводника . электра<вин н несколько повышает отрицательное напряжение на затворе, необ- ходимое для формирования канала р-тнпа электропроволностн. Именно благодаря этому первые МДП-микросхемы были созданы на р-канальных транзисторах, хотя заранее было известно об их сравнительно небольшом быстролействнн, так как дырки в кремнии менее подвижны, чем эяектроны, Образование нндуцированных каналов в областях р-типа электропроводности часто препятствует формированию работоспособных структур и в техначогии изго- товления микросхем на бипачярнь<х транзисторах (см. гл, 7]. Для борьбы со встроенным зарядом с целью снижения концентрации в окисле' положительных ионов принимаются различные конструктивные и техноясгические' меры: покрытие окисла тонким сяаем гетерируюшего ионы щелочных и шелочнозе- мельных металлов фосфоросиликатного стекла ().
4% РгО<), проведение процес- са формирования окисла в хлорсодержащей среде и др. Очень важны с точки зрения производства структур, исключающих самопроизвольное формирование индуциро- ванных канаяов, ссблюление требований гигиены производственных помещений, технологического оборудования н обслуживающего персонала. Помимо деления МДП-транзисторов по основному признаку— способу формирования и типу электропроводности проводящего ка- нала — существует и более детальная классификация, учитывающая конструктивно-технологическое исполнение МДП- транзисторов, например по материалу затвора (с алюминиевыми, молибденовыми, поликремниевыми затворами); сочетанию с другими элементами в' микросхеме, например комплементарные МДП-транзистор (КМДП-транзисторы), т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
