Коледов Л.А. - Технология ИС (1086443), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Рассмотрим вначале качественно связь электрических параметров МДП-транзисторов и конструктивно-технологических параметров МДП-структур. Прежде всего для снижения порогового напряжения следуе повысить напряженность электрического поля зазора металл — полу- 94 проводник, т. е, в подзатворном диэлектрике. Это можно сделать, , меньшив толщину подзатворного диэлектрика Ью а также подобрав диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью е,.
С этой же ~елью, чтобы облегчить формирование инверсионного проводящего канала при меньших значениях (/о, используют слаболегированную подложку с высокими ра. Существенное влияние на пороговое напряжение оказывает плотность поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик— полупроводник и связанный с ней заряд. Причиной возникновения этого заряда являетсн то особое положение, в котором нахолятся поверхностные атомы любого кристалла. На поверхнсюти происходит обрыв рядов атомов кристаллической решетки, поверхностные атомы имею~ !ни называемые оборванные (ненасыщенные! связи.
Это означает, что на нонной энергенческой диаграмме имеются дискретныс разрешенные уровни, связанные с наличием поверхностных атомов Эти уровни были открыты акад. Иг. Евг. Таммом в !932 ! и носят название уровней Тамма. Плотность этих уровней и определяет плотность поверхностных состояний Электроны могут занимать уровни Тамма, т. е, локализоваться у поверхности, образуя некоторый поверхностный заряд. Естественно, что плотность поверхностных состояний зависит от населенности поверхности полупроволника атомами, т. е. от кристаллографической ориентации поверхности кремния.
В кремнии наиболее плотно заселены плоскости (! ! !). Меньшую заселенность имеют пластины кремния с ориентацией (!00). Вероятность перехода электронов на !ровни Тамма зависит от взаимного расположения в запрещенной зоне полупровод нка уровня Ферми и поверхностных уровней. В зависимости от типа электропроводности области канала заряд, вызванный наличием поверхностных состояний, может либо способствовать (п-канальные транзисторы), либо препятствовать (р-канальные транзисторы) образованию канала.
Сопротивление канала г(„и связанная с ним удельная крутизна выходной характеристики транзистора зависят от подвижности носителей в канале р и, конечно, от его размеров Ь„и („. Но в случае МДП-транзисторов сопротивление канала зависит от величин Ьл и ею которые при заданном напряжении на затворе влияют на концентрацию носителей в канале. Выявим связь параметров (уо, 5, 5о и )хг. с конструктивно-технологическими параметрами, анализируя стоковые и стоко-затворные характеристики МДП-транзистора в схеме включения с общим истоком (рис. 3.6, а), наиболее распространенной в микросхемах, Семейство стоковых характеристик МДП-транзисторов приведено на рис, 3.6, б для и-канальных (первый квадрант рис. 3.6, б) и д-канальных (третий квадрант) транзисторов.
условно каждую стоковую характеристику можно разделить на два участка: крутой и пологий. На пологом участке характеристики ток стока достигает максимального для данного напряжения затвора значения. Причиной такого поведения стоковых характеристик является характер распределения зарядов в областях МДП-транзистора при различных напрякениях затвора и стока относительно истока (рис. 3.7).
Приложение к затвору напряжения (/з)(уа при (/с=О приводит к формированию в подзатворной области полупроводника однородного по тол- 95 ь) ие Ч Ннзараианн«у-.. ) г/5еананнан аь а ковых характеристик (штриховая линия на рис. 3.6, б). Семейство стоко-затворных характеристик дано на рис. 3.6, в. Начало характеристик лежит в точке (/е. При стоковых напряжениях, больших (/с„„, эти характеристики практически сливаются.
Усилительные свойства МДП-транзистора характеризуются крутизной его стоко-затворной характеристики в области насыщения: а/с ! роно Ь„ (3.4) а«ат«т и' . е, о е о о а+ ооео о оооо а оо о ь) г) Рнс. 3.7. Распределение концентраннн нарядов в сбластях а-канального МДП-тран- енстора: «! ие-и =а, е> -ив~и«, и =о: ! -и ~и«, и ~о; «! -ив~и«, ис~ие — и, шине и другим характеристикам ипверсионного слоя. При полож тельном потенциале стока (/с)0 по каналу от стока к истоку теч ток. Канал и объемный заряд в подложке в этом случае имеют пер менное сечение (рис.
3.7, в): у области стока минимальная толшин канала и максимальная толщина слоя объемного заряда. Это обу ловлено изменением разности потенциалов затвор — канал и к нал — подложка по длине канала. Когда разность потенциалов канале вблизи стоковой области будет равной (/з — (/с=(/е, прои ходит перекрытие канала у стока областью объемного заря (рис. 3.7, г) . Накануне перекрытия ((/з — (/с~(/а) ток достигает ма симального уровня (режим насыщения). Границу насыщения на сто ковой характеристике характеризуют напряжением насышения (/с„„=(/з-(/е (р..
3.6, б). Аналитически крутой участок ((/с((/с .=(/з — (/о) стоковой ~ характеристики выражают уравнением /с 2! [2~с(ыз г/с) ~~с! ' рс„ь, (3Д) ' е а пологий участок ((/с)(/се« =(/з — (/о) уравнением рс„ь„ " (!/,— ио)'. (3. е В этих уравнениях через С, о обозначена удельная емкость затв рп относительно канала, определяемая выражением С =еое /Ь (3. остальные величины известны.
По существу уравнение (3.2) представляет собой выражен геометрического места точек, в которых наступает насышение рС«ОЬ е е НЬ ~о где 5о — удельная крутизна. Из выражений (3.4), (3.5) видно, что для увеличения крутизны необходимо уменьшить толшину подзатворного диэлектрика й„увеличить ширину канала Ье и уменьшить его длину („. Для крутого участка стоковой характеристики сопротивление канала /7« можно определить из выражения (3.!) по формуле (3.5) !7„ а~с/нг/с со(г/з //с-7/о) еое рь (!/ !/ !/) . (3.6) При определении сопротивления канала на участке насыщения стоковой характеристики используют эмпирическую формулу: ! и ° г/ « (3.7) о( з е) где Я вЂ” удельная крутизна, определяемая экспериментально, показатель степени п зависит от технологии изготовления МДП-транзисторов, его значения лежат в интервале 1...2.
Пороговое напряжение связано с электрофизическими параметрами МДП-структуры следующими соотношениями: для р-каиального транзистора с). с= — ( !ч !+ — + — +2%~). с,е с.е (3.8а) для п-канального транзистора !7„ г/о= 'рмп + +2таг. о с, с В этих формулах трмп — контактная разность потенциалов металла и полупроводника, определяемая разницей в их работах выхода (значение грмп при использовании алюминиевого затвора можно найти из зависимостей данных на рис.
3.8); Я„=г)А!„.,— плотность заряда поверхностных состояний на границе полупроводник — диэлектрик, где г/ — заряд электрона, А!„„— плотность по4з.ме 97 верхностных состояний; 9„— это плотность объемного пространственного заряда в полупроводнике, определяемая выражением: Яе=-~2еовед(еУсгуф, (3.9) Формулы (3.7) ...(3.9) дают связь величины (то с концентрацией легирующей примеси в подложке й е и грош — потенциалом, зависящим от положения уровня Ферми в полупроводнике относительно середие ны запрещенной зоны, который вычисляется по формуле грач= =г(т)п(!у'„/п,), где ерг — температурный потенциал ( 0,026 В), и, — концентрация собственных носителей в полупроводнике (для Я 2 10'о см з) Из формул (3.8а) и (3.86) видно, что пороговое напряжение п-канального транзистора ниже, так как для него в формуле (3.8б) два последних слагаемых меняют знаки на обратные.
Существенным резервом понижения пороговых напряжений является уменьшение разности потенциалов грмп (подбором материала для затвора и уменьшением плотности поверхностных состояний су„„за счет качества обработки поверхности и выбора ориентации кристаллической решетки материала пластины). Существует большое число факторов, влияющих на быстродействие (скорость переключения) МДП-транзисторов.
Главные из них имеющиеся в транзисторе паразитные емкости и сопротивления (рис. 3.9). Ток 'стока во времени изменяется медленно при мгновенном изменении входного напряжения, так как при изменении входного напряжения на затворе паразитные емкости начинают заряжаться или разряжаться через паразитные сопротивления. Чем больше значения этих паразитных элементов, тем медленнее проходит процесс заее ряда или разряда. Довольно велики емкости между диффузионными областями и затвором Сзс и Сзи и между диффузионными областями и подложкой Спс и Спи. Параметры паразитных элементов уменьшаются с уменьшением размеров транзистора, увеличением точности формирования конфигурации затвора и совмещения его с областями истока и стока, с созданием самосовмещенных областей затвора, стока и истока.
н,си з сеи ьеи сес йре гам грм к ' э 3.4. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗНОВИДНОСТИ )сАДП-ТРАНЗИСТОРОВ Конструкции МДП-транзисторов в микросхемах с алюминиевой металлизацией. Вариант конструкции активного транзистора с прямоугольным каналом и со средним значением крутизны стоко-затворной характеристики представлен на рис. 3.1. Под алюминиевым затвором находится тонкий слой термически выращенного окисла кремния (0,05...0,10 мкм).
За пределами области канала толгдина окисла составляет 1 мкм. Этот сравнительно толстый слой окисла выполняет функции защитного диэлектрика, позволяет существенно снизить значения паразитных емкостей сигнальных шин и повысить пороговое напряжение параэигных МД)т-транзисторов (рис. 3.10) в местах прохождения алюминиевых проводников над диффузионными шинами питания. В нагрузочных транзисторах значение крутизны стоко-затворной характеристики может быть небольшим, и соответственно отношение длины канала к его ширине выбирается таким, чтобы при заданной крутизне нагрузочный транзистор занимал минимальную пло- 3 и) Рис. 3.10. Чертеж топологии (а) н электрическая схема (б) паразитиого р-канального МДП-транзистора: ! — есшнеееееее шина, т — тсестыа сенсея, 3 — ееффтеесеене шееы -йв -бег Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
