Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 46

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 46)

Глава т. Элемеаты ллтегральлых схем 250 Паразитные емкости МДП-транзистора были показаны на рис. 4.10. Барьерные емкости переходов истока и стока (С,„и С„) рассчитываются по формуле (3.25); при размерах и"-слоев 20х40 мкм эти емкости лежат в пределах 0,04 — 0,10 пФ. Удельная емкость металлизацин определяется элементарной формулой Сем = зозд( (7.4) где о — толщина защитного окисла, з — его диэлектрическая проницаемость.

Подставляя з = 4,5 и д = 0,7 мкм, получаем типичное значение Сел м 60 пФ/ммз. При ширине полоски металлизации 15 мкм погонная емкость составит 0,9 пФ/мм. Как видим, полоски длиною всего 50-100 мкм могут иметь емкость 0,05 — 0,09 пФ, сравнимую с емкостями переходов С„„и С„,. Еще больший вклад вносят контактные площадки: при площади 100х100 мкм их емкость составляет около 0,6 пФ. Емкости перекрытия С,„и С„(см. рис. 4.11) не поддаются сколько-нибудь точному расчету, так как площадь перекрытия характерна большим разбросом из-за неровности краев металлизации затвора и границ диффузионных слоев (рис.

7.27). Порядок величин можно оценить, полагая толщину тонкого окисла г( = 0,12 мкм. Тогда из (7.4) получаем удельную емкость тонкого окисла Сэ - -350 пФ/ммз. При ширине истока и стока 40 мкм и перекрытии 2 мкм получим средние значения С,„= С = 0,03 пФ. Эти значения меньше, чем значения других емкостей. Поэтому, в частности, емкостью С,„часто пренебрегают.

Однако емкость Сме представляющая собой емкослаь обратной связи между выходом транзистора (стоком) и входом (затвором), проявляется во многих схемах не как таковая, а в виде гораздо большей эквивалентной емкости КС (благодаря так называемому эффекту Миллера, см.

равд. 9.5). Множитель К есть коэффициент усиления схемы: он может составлять от нескольких единиц до нескольких десятков и более. Поэтому эквивалентная емкость обратной связи КСаа может достигать значений 0,1 — 0,5 пФ, т.е. превышать все остальные емкости. В комплементарных МОП-транзисторных ИС (КМОП) (см. с.

101) на одном и том же кристалле необходимо изготовлять транзисторы обоих типов: си-и с р-каналом. При этом один нз типов транзисторов нужно размещать в специальном кармане. Например, если в качестве подложки используется р-кремний, 7.8. МДП-транвисторы 251 то и-канальный транзистор можно осуществить непосредственно в подложке, а для р-канального транзистора потребуется карман с электронной проводимостью (рис. 7.28, а). Получение такого кармана в принципе несложно, но связано с дополнительными технологическими операциями (фотолитография, диффузия доноров и др.).

Кроме того, затрудняется получение низкоомных р+-слоев в верхней (сильно легированной) части п-кармана. Другим способом изготовления КМОП-транзисторов на одной подложке является КНС технология (см. равд. 7.2). В этом случае на сапфировой подложке создаются »островки» кремния с собственной проводимостью, после чего в одних «островках» проводится диффузия донорной примеси и получаются п-канальные транзисторы, а в других — диффузия акцеиторной примеси и получаются р-канальные транзисторы (рис. 7.28, б). Хотя количество технологических операций и в этом случае больше, чем при изготовлении транзисторов одного типа, зато отпадают трудности, связанные с получением низкоомных слоев истока и стока (см. выше). И 3 С и з с а) И 3 С И 3 С Рнс.

7.26. Комплементарные МОП-транзисторы: а — использование изолирующего л-кармана; с — исполъзование воздушной изоляции (технология КИС) Что касается сочетания МОП-транзисторов с биполярными, то в принципе оно осуществляется просто (рис. 7.29): д-канальные транзисторы изготавливаются непосредственно в р-подложке на этапе змиттерной диффузии, а р-канальные — в изолирующих карманах на этапе базовой диффузии.

Глава 7. Элементы интегральных слем л-канал И 3 С и-р-л Э Б р канал И 3 С Рис. 7.29. Сочетание биполлрныл и МОП транзисторов на одном кристалле В процессе развития микроэлектроники усовершенствование МОП-транзисторов происходило по двум главным направлениям: повышение быстродействия и снижение порогового напряжения. В основе последней тенденции лежало стремление снизить рабочие напряжения МОП-транзисторов и рассеиваемую ими мощность. Поскольку полная мощность кристалла ограничена, уменьшение мощности, рассеиваемой в одном транзисторе, способствует повышению степени интеграции, а уменьшение напряжений питания облегчает совместную работу МОП-транзисторных и низковольтных биполярных ИС без специальных согласующих элементов.

Способы повышения быстродействия. Повышение быстродействия МОП-транзисторов связано прежде всего с уменьшением емкостей перекрытия. Существенное (примерно на порядок) уменьшение емкостей перекрытия достигается при использовании технологии еалгоеовлзеогенных затворов. Общая идея такой технологии состоит в том, что слои истока и стока осуществляются не до, а после осуществления затвора. При этом затвор используется в качестве маски при получении слоев истока и стока, а значит, края затвора и этих слоев будут совпадать и перекрытие будет отсутствовать.

Один из вариантов МОП-транзистора с самосовмещенным затвором показан на рис. 7.30. Последовательность технологических операций при этом следующая. Сначала проводится диффузия л+-слоев, причем расстояние между ними делается заведомо больше желательной длины канала. Затем осуществляется тонкое окисление на участке между и+-слоями и частично над ними. Далее на тонкий окисел напыляется алюминиевый электрод затвора, причем его ширина меньше расстояния между и+-слоями. Наконец, проводится ионное легирование (имплантация атомов фосфора) через маску, образуемую алю- 7.8. МДП-трап«и«торы миниевым затвором и толстым защитным окислом.

Атомы фосфора проникают в кремний через тонкий окисел и «продлевают» и+-слои до края алюминиевой полоски так, что края затвора практически совпадают с краями истока и стока. Имплантнрованные слои легироваиы несколько слабее, чем диффузионные; поэтому для них использовано обозначение п вместо и+.

Глубина имплантации также несколько меньше, чем глубина диффузии, и составляет 0,1 — 0,2 мкм. Ионы фосфора Щ~Ш~~И Рис. 7.30. МОП-транаистор с самосовмещенным аатвором, полученный методом ионной имплантации Другой вариант МОП-транзистора с самосовмещенным затвором показан на рис. 7.31. В этом варианте сначала вытравливают окно в окисле с размерами, соответствующими всей структуре транзистора. Затем в средней части окна проводят тонкое окисление кремния в виде полоски, ширина которой равна длине будущего канала Ь. Далее на эту полоску напыляют поликристаллический слой кремния той же ширины, но более длинный, выходящий за границы исходного окна в окисле (рис.

7.31, а). Удельное сопротивление напыляемого кремния делается достаточно малым, так что слой поликристалличееко го кремния еылолняет роль металлического затвора в обычных МОП-транзисторах. На следующем этапе проводят мелкую диффузию донорной примеси через маску, образуемую полоской поликристаллического кремниевого затвора и защитным окислом, окружающим окно; в результате получаются л+-слои истока и стока, края которых почти совпадают с краями кремниевого затвора. Далее всю поверхность кристалла окисляют и в этом окисле, как обычно, делают окна для омических контактов, в том числе для контакта с кремниевым затвором.

В заключение осуществляют металлическую разводку. Из рис. 7.31, б видно, что поликристаллический кр мниевый затвор оказывается «погруженным» в слой защитного окисла; Глава 7. Элементы иитегралзиыл схем омический контакт к нему располагается за пределами рабочей области транзистора. Диффузия фосфора '"Ш1Р"!ШИТ' б) а) Рис. 7.31. МОП-транзистор с самосозмещенным лоликремниезым затвором: с — этап диффузии доноров через маску, включающую слой поликристаллического кремния; б — готовая структура (после нанесения защитного окисла и металлизации) Уменьшение паразитных емкостей МОП-транзисторов и прежде всего емкости перекрытия С„выдвигает на первый план задачу уменьшения постоянной времени крутизны тз.

При малых емкостях она становится главным фактором, ограничивающим быстродействие. Переход от транзисторов с р-каналом к транзисторам с и-каналом позволил уменьшить значение тз примерно в 3 раза благодаря увеличению подвижности носителей. Дальнейшее уменьшение величины тз требует уменьшения длины канала Ь. Этот путь наиболее радикально реализуется методом двойной диффузии. Структура МОП-транзистора, полученная этим методом, показана на рис. 7.32. Эта структура аналогична структуре классического л-р-и-транзистора (рис. 7.14, а) с той, однако, существенной разницей, что змиттерный п~-слой (в данном случае зто слой истока) имеет почти такую же площадь, что и базовый р-слой 7.8.

МДП-трап»и«торы 288 (в данном случае это слой канала). Для того, чтобы обеспечить точное «вписывание» л'-слоя в р-слой, диффузию доноров для и+-слоя осуществляют через то же самое окно в окисле, через которое до этого осуществляли диффузию акцепторов для р-слоя. Тем самым устраняется необходимость в совмещении фотошаблонов для двух последовательных фотолитогра- 3 и 3 фий, а значит, и ошибка совмещения, которая могла бы привести к сдвигу и»-слоя относительно и-слоя.

В результате расстояние р р.з« между и»- и л-слоями, т.е. толщиНа Р-СЛОЯ, МОжЕт ИМЕТЬ ПРИМЕРНО Рпс. 7.32. МОП-»Р«п«п«тор, те же значения, что и ширина полученный методом двойной базы и у и — р — и-транзистора (см. рис. 7.14, а): до 1 мкм и менее. Вблизи поверхности расстояние между и'- и и-слоями играет роль длины канала Ь (рис. 7.32). При значениях Ь ~ 1 мкм (вместо 4-5 мкм у наиболее совершенных МОП-транзисторов, полученных по обычной технологии) постоянная времени тз согласно (4.27) может быть менее 0,005 нс, а граничная частота 78 более 30 ГГц.

Способы уменьшения порогового напряжения. Транзисторы со структурой, показанной на рис. 7.31, обычно называют МОП-транзисторами с кремниевым затвором. Такие транзисторы характерны не только малой емкостью перекрытия, но и малым пороговым напряжением: 1 — 2 В вместо обычных 2,5 — 3,5 В. Это объясняется тем, что материал затвора и подложки — один и тот же — кремний.

Следовательно, контактная разность потенциалов между ними (рмз) равна нулю, что и приводит к уменьшению порогового напряжения [см. (4.3а)1. Примерно такой же результат дает использование молибденового затвора. Помимо контактной разности потенциалов, для уменьшения порогового напряжения можно варьировать и другими параметрами, входящими в выражения (4.3). Например, можно за- Главе 7. Элемевтм ввтегрельвыл ллем менить тонкий окисел Я10х тонким напыленным слоем ингрида кремния ВхзМе, у которого диэлектрическая проницаемость (а = 7) примерно в полтора раза больше, чем у двуокиси кремния (з = 4,5).

Это приводит к увеличению удельной емкости Сэ, а значит к уменьшению соответствующих слагаемых порогового напряжения. Нитрид кремния в качестве подзатворного диэлектрика обеспечивает также дополнительные преимущества: меньшие шумы, ббльшую временную стабильность ВАХ и повышенную радиационную стойкость МДП-транзистора. Можно вместо пластин кремния с традиционной кристаллографической ориентацией (111) использовать пластины с ориентацией (100). При этом увеличивается плотность поверхностных состояний (рис.

2.5), а вместе с нею и заряд захватываемых ими электронов. Соответственно возрастает отрицательное слагаемое Яез/Со в формуле (4.3а), а алгебраическая сумма обоих слагаемых, т.е. напряжение Уег, уменьшается. Обратное влияние оказывает введение в тонкий окисел акцепторных атомов: они захватывают из приповерхностного слоя кремния часть электронов, порожденных донорными примесями, которые всегда присутствуют в окисле (см. с. 95-96).

Характеристики

Список файлов книги