Конструкции активных элементов полупроводниковых микросхем на основе полевых 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 транзистор основано на перемещении только основных носителей заряда в полупроводниковом материале, в связи с чем эти транзисторы называются униполярными в отличии от биполярных, в которых используются оба типа носителей.

МДП–транзисторы имеют существенные преимущества перед биполярными по конструкции (размеры и занимаемая ими площадь относительно не велики, отсутствует необходимость их изоляции) и электрофизическим параметрам (низкий уровень шумов, устойчивость к перегрузкам по току, высокое входное сопротивление и помехоустойчивость, малая мощность рассеивания, низкая стоимость).

В тоже время БИС на МДП–транзисторах уступают БИС на биполярных транзисторах в технологической воспроизводимости и стабильности параметров.

На рис.12 представлена конструкция МДП–транзистора. Области стока и истока одного типа проводимости и самоизолированы друг от друга p–n переходом. Принцип действия МДП–транзистора основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного слоя полупроводникового материала, расположенного между стоком и истоком. Тип электропроводности канала обязательно совпадает с типом электропроводности областей стока и истока. Так как тип электропроводности истока, стока и канала противоположен типу электропроводности подложки, то сток, исток и канал изолируется от подложки p–n переходом.

В зависимости от типа основных носителей тока в канале различают n– канальные и p– канальные МДП–транзисторы. По конструктивно–технологическому исполнению МДП–транзисторы подразделяют на две разновидности: со встроенным и с индуцированным каналами (рис. 12). Электрическое сопротивление канала зависит от длины l _к и его ширины b _к, оно модулируется напряжением на затворе u _з и зависит от напряжения наведенного поля в полупроводнике, обратно пропорционально толщине диэлектрика h _д и прямо пропорционально проницаемости диэлектрика e _д.

Помимо деления МДП–транзисторов по основному признаку –способу формирования и типу электропроводности проводящего канала – существует более детальная классификация, учитывающая конструктивно–технологическое исполнение МДП– транзисторов, например по материалу затвора (с алюминиевыми, молибденовыми, поликремневыми затворами); сочетанию с другими элементами в микросхеме, например комплементарные МДП–транзисторы (КМДП); по функциям, выполняемым в схеме, например активные и нагрузочные транзисторы.

Каждый из четырех типов МДП–транзисторов может быть использован в качестве нагрузки, а его подложка присоединена к источнику питания или нулевой шине. Затвор может иметь пять вариантов подключения: к выходу схемы, шине питания, нулевой шине, автономному источнику питания положительной или отрицательной полярности, ко входу микросхемы. Иными словами существует 48 вариантов использования МДП–транзистора в качестве нагрузки.

Базовой схемой многих МДП–микросхем является инвектор – ключевая схема, содержащая активный транзистор и нагрузку, включенные между шиной питания и землей. С учетом 48 вариантов использования МДП–транзисторов в качестве нагрузки и четырех вариантов схемного включения активного транзистора существует 192 варианта построения инверторов на основе двух МДП–транзисторах. В настоящее время используют только схему с линейной, нелинейной, квазилинейной, токостабилизирующей нагрузками и вариант инвертора на КМДП–транзисторах.

МДП–транзисторы могут служить в схеме и в качестве конденсаторов, для чего можно использовать емкость структур затвор – подложка или емкость обратносмещенных p–n переходов сток(исток) – подложка.

Таким образом, МДП–транзистор может быть основным и единственным элементом МДП–микросхем. Он может выполнять функции активных приборов (ключевой транзистор в инверторах, усилительный транзистор), так и пассивных элементов (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в элементе памяти). При проектировании МДП–микросхем можно обходится только одним элементом – МДП–транзистором, конструктивные размеры которого и схема включения будут завесить от выполняемой функции. Это обстоятельство дает существенный выигрыш в степени интеграции.

 

Конструкция МДП–транзисторов в микросхемах с
алюминиевой металлизацией.

Вариант конструкции активного транзистора с прямоугольным каналом и со средним значением крутизны сток–затворной характеристики представлен на рис. 13. Под алюминиевым затвором находится тонкий слой термически выращенного окисла кремния (0,05 – 0.10 мкм). За приделом области канала толщина окисла составляет 1 мкм. Это сравнительно толстый слой окисла выполняет функцию защитного диэлектрика, позволяет существенно снизить значение паразитных емкостей сигнальных шин и повысить пороговое напряжение паразитных МДП–транзисторов (рис. 14) в местах прохождения алюминиевых проводников над диффузионными шинами питания.

В нагрузочных транзисторах значение крутизны сток–затворной характеристики может быть небольшим, и соответственно отношение длины канала к его ширине выбирается таким, чтобы при заданной крутизне нагрузочный транзистор занимал минимальную площадь (рис. 15). В том случае, когда для обеспечения высоких значений крутизны характеристик активного транзистора отношении b_k/l_k должно быть больше или равно 20, с целью экономии площади транзистора рекомендуется П–образная форма канала (рис. 16).

Для повышения степени интеграции в микросхемах, требующих последовательного и параллельного соединения транзисторов, области истоков или стоков МДП–транзисторов могут быть объединены (рис. 17).

В настоящее время p– канальные МДП–транзисторы с индуцированным каналом и алюминиевым затвором имеет следующие характеристики: минимальная длина канала 5 – 10 мкм, глубина залегания p–n переходов 1,5 – 2 мкм, толщина подзатворного диэлектрика 0,1 – 0,15 мкм, напряжение питания 5–12 В, пороговое напряжение – 4 В, удельное поверхностное сопротивление диффузионных областей истока и стока и диффузионных шин 50 … 100 Ом/, пробивное напряжение p–n переходов областей истока и стока выше 15 В, пороговое напряжение паразитных транзисторов выше 40 В, подвижность дырок в канале около 200 см²/(В×с), плотность поверхностных состояний 10¹¹…10¹² см^–2. На таких структурах созданы первые логические интегральные МДП–транзисторы. Хорошо отработанная технология и низкая стоимость производства способствует использования этих микросхем до настоящего времени, несмотря на худшие характеристики. Усовершенствование технологических операций направленное на снижение встроенного окисле заряда и плотности поверхностных состояний, привело к созданию интегральных n– канальных МДП– транзисторов. Преимуществом микросхем на таких транзисторах является повышенное (2…3 раза) быстродействие, совместимость по знаку и уровню питающего напряжения с ТТЛ–микросхемами.

Применение кремневых подложек с рабочей поверхностью с рабочей поверхностью, ориентированной по кристаллографической плоскости (100), приводит к уменьшению плотности поверхностных состояний до 10¹¹ см^–2 и к еще большему снижению пороговых напряжений.

Возможность управления пороговым напряжением расширяется, если использовать многослойный подзатворный диэлектрик. В этом случае появляются дополнительные заряды на границе диэлектриков, объемный встроенный заряд дополнительного диэлектрика и заряд, обусловленный поляризацией диэлектриков.

МНОП–транзисторы.

Одним из вариантов МДП–транзистора с многослойным диэлектриком является структура метал–нитрид кремния–окисел кремния–полупроводник (МНОП). Пленка нитрида кремния обладает высокой пассивирующей способностью и обладает высокой диэлектрической проницаемостью. Это позволило снизить пороговое напряжение до 1 … 1,5 В и повысить удельную крутизну.

Однако использование только одного нитрида кремния в качестве подзатворного диэлектрика невозможно, так–как появляется заряд на границе раздела кремний–нитрид кремния, зависящий от напряжения на затворе. Это приводит к непостоянству порогового напряжения и его гистерезису.

Использование МНОП–структуры позволило получить приборы, в которых эквивалентная толщина диэлектрика меньше примерно в полтора раза, а пороговое напряжение меньше в среднем на 1 В. Эту структуру при толщине пленки SiO₂ 0,005 мкм можно использовать в качестве элемента памяти в ППЗУ с электрическим стиранием и записью информации.

МОАП–транзисторы

Использование Al₂O₃ в качестве второго подзатворного диэлектрика связано с его способностью, создавать на границе с SiO₂ встроенный отрицательный заряд. Это позволяет создавать n –канальные приборы с индуцированным каналом, работающие в режиме обогащения при пороговом напряжении, примерно равном +1 В.

Конструкции МДП–транзисторов с
поликремневыми затворами.

В МДП–транзисторах с алюминиевым затвором имеется значительные по площади области перекрытия затвора с областями истока и стока (рис. 13). Это приводит к наличию паразитных емкостей C _ЗИ C _ÇÑ, а как следствие снижение производительности МДП–микросхем. Уменьшение размеров областей перекрытия затруднено ошибками совмещения фотошаблонов металлизации с областями стока и истока. Разрешающая способность фотолитографии по алюминию составляет примерно ± 1 мкм.

Использование полкремния в качестве материала затвора (рис. 18) позволило упростить технологию и повысить параметры МДП–транзисторов.

Использование полкремния в качестве материала затвора позволяет уменьшить глубину залегания p–n переходов истока и стока (до 2…1,5 мкм) и боковую диффузию (до 0,6… 1,2 мкм), а вместе с тем значительно уменьшить перекрытие между затвором и областями стока и истока, и соответственно снижены значения соответствующих паразитных емкостей. Наименьшие величины перекрытия получены при использовании ионного легирования при формировании областей стока и истока, однако сопротивление поликремневыевых шин остается высоким. Для увеличения проводимости шин используют комбинацию диффузионного и ионного легирования.

Уменьшение канала до 4…6 мкм за счет более точного формирования конфигурации истока, стока и затвора и меньшего перекрытия этих областей. Снижение толщины подзатворного диэлектрика до 0,07…0,1 мкм позволило резко увеличить крутизну характеристика транзисторов и повысить быстродействие микросхем.

Использование технологии изготовления МДП БИС с поликремневыми затворами транзисторов, сочетающей диффузионное и ионное легирование, позволило создать МДП–транзисторы со встроенным каналом, работающее в режиме обеднения (рис. 19). Нагрузочные транзисторы n– МДП–типа со встроенным каналом обладают более высоким быстродействием, лучшей помехоустойчивостью и занимают в двое меньшую площадь, чем нагрузочные транзисторы, работающие в режиме обогащения при той же потребляемой мощности.