Билет №15 (Ответы на экзамен 2)
Описание файла
Файл "Билет №15" внутри архива находится в папке "otvety_v2". Документ из архива "Ответы на экзамен 2", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "материалы и элементы электронный техники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Билет №15"
Текст из документа "Билет №15"
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 ) _ _ _ _ _ _