Глава 7 элементная база микроэлектроники

Микроэлектроника — раздел электроники, в котором на основе физических принципов твердотельной электроники и новых про­цессах групповой технологии разрабатываются микроэлектронные приборы, интегральные схемы и системы на кристалле.

Интегральная схема (Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, ^J

silicon chip) представляет собой микроэлектронное устройство, из- ¹

готовленное на полупроводниковом кристалле и помещенное в не­разборный герметичный корпус. }

Основной тенденцией в развитии микроэлектроники является J

рост степени интеграции приборов на одном кристалле интегральной схемы и расширение их функциональных возможностей (рис. 7.1). э

Один из основателей фирмы «Intel» Гордон Мур высказал предпо- ₃

ложение о том, что число транзисторов на кристалле будет удваи- ₃

ваться каждые два года. Это эмпирическое предположение вскоре _э

получило название закон Мура и стало на десятилетия ориентиром для инженеров и исследователей. Если в 1980 г. стояла задача дос­тижения технологической нормы производства микропроцессоров в 1 мкм, то в 1990 гг. встала задача внедрить технологическую нор- му в 0,1 мкм. В первой декаде XXI в. ищут пути преодоления барь- ера в 0,01 мкм. Полагают, что закон Мура будет действовать еще не одно десятилетие.

Интегральные схемы в основном производят по планарной тех- нологии, в соответствии с которой формирование их структур про­изводится с одной стороны полупроводниковой подложки. С ЭТОЙ ^

целью в прецизионных технологических процессах в приповерхно- ^

стном эпитаксиальном слое монокристаллической пластины созда- ^

ют локальные области с заданным типом проводимости. Эта техно- Тц

Рис. 7.1. Годовой рост числа транзисторов в микропроцессорах фирмы «.Intel»

логия получила название эпитаксиально-планарной и является ос­новой производства интегральных схем.

По физическому принципу работы интегральные транзисторы условно можно разделить на три основных класса: униполярные (по­левые); биполярные; квазипланарные транзисторные структуры.

В униполярных транзисторах физические процессы протекания электрического тока в полупроводнике обусловлены носителями заряда одного знака — электронами или дырками. Основным фи­зическим процессом перемещения носителей является дрейф в электрическом поле.

В биполярных транзисторах физические процессы обусловлены переносом носителей заряда обоих знаков. В основе работы лежат процессы инжекции неосновных носителей, диффузии и дрейфа основных и неосновных носителей тока. В настоящее время из­вестно большое число различных типов транзисторов. На основе интегральных транзисторов формируют различные пассивные и ак- вные элементы: емкости, резисторы, диоды, транзисторы.

К квазипланарным транзисторным структурам отнесем транзи- рные структуры, которые могут иметь объемную структуру вне Дложки, использующие различные физические явления в полу- оводниках. К таким структурам отнесем, например: транзисторы па Terahertz; транзисторы с проницаемой базой; баллистические

транзисторы; МОП-транзисторы с управляемой проводимостью канала; МОП-транзисторы с двойным затвором.

В рамках данного курса микроэлектроники будут рассматри­ваться интегральные транзисторные структуры, применяемые в ин­тегральных схемах различных типов.

7.1. Интегральные униполярные транзисторы

Транзисторы с изолированным затвором — это полевые, или уни­полярные, планарные транзисторы, в которых управление происхо­дит под действием электрического поля, перпендикулярного току.

На рис. 7.2 приведена конструкция полевого транзистора с изо­лированным затвором. Проводящий слой, по которому протекает ток, называют каналом.

Различают р- и «-канальные транзисторы. Каналы могут быть приповерхностными и объемными, горизонтальными и вертикальными.

Транзисторы с приповерхностным каналом имеют структуру металл — диэлектрик — полупроводник (МДП). Такие транзисто­ры принято называть МДП-транзисторами. Если диэлектриком яв­ляется диоксид кремния 8102, то это МОП-транзисторы. В свою очередь, приповерхностные каналы делятся на обогащенные или обедненные носителями заряда либо инверсионные слои. Их фор­мирует внешнее электрическое поле. Обедненные каналы — участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обед­ненным слоем. МДП-транзистор с индуцированным каналом име­ет три электрода: исток, сток и затвор (см. рис. 7.2). Исток и сток формируют методом диффузии или методом ионной имплантации.

авляюшим электродом является затвор — металлический элек- од перекрывающий канал между истоком и стоком. Иногда ис- |ок напрямую замыкают на электрод подложки.

Если на электроды подан нулевой потенциал, то вблизи /^-об­ластей истока и стока имеются области объемного заряда, возни­кающие за счет разности работ выхода электронов из полупровод­ника с различными типами электропроводности. Между истоком и стоком при 11т ~ 0 существует большое сопротивление, эквива­лентное сопротивлению двух встречно включенных диодов при ну­левом смещении, поэтому при подаче напряжения Ьси ток во внешней цепи будет мал. Если на затвор подать отрицательное на­пряжение, то приповерхностный слой обогатится дырками, но это не изменит ток во внешней цепи.

Если на затвор подать положительное напряжение и_ш >0, то под действием электрического поля основные носители (дырки) «отожмутся» полем в глубь полупроводника (эффект поля). В полу­проводниках эффектом поля называют изменение концентрации свободных носителей заряда в приповерхностном слое под дейст­вием внешнего электрического поля, перпендикулярного каналу. Сначала образуется обедненный слой (объемный заряд акцепто­ров), куда устремляются неосновные носители — электроны. У са­мой поверхности границы раздела полупроводник — диэлектрик, электроны образуют инверсионный слой — проводящий канал. Это произойдет тогда, когда концентрация неосновных носителей (электронов) превысит концентрацию основных. В зависимости от приложенного к затвору потенциала меняется толщина инверсион­ного слоя. Такой тип канала называют индуцированным. Ток стока резко возрастает и в дальнейшем зависит от напряжения Цсц.

Толщина индуцированного канала зависит от технологии про­изводства транзисторов и обычно лежит в пределах долей наномет­ра. Напряжение на затворе, при котором образуется канал и тран­зистор начинает работать, называют пороговым Щ. На рис. 7.3 при­ведено семейство стоко-затворных вольт-амперных характеристик МДП-транзисторов. Пороговое напряжение ¿7₀ определяется удель­ной емкостью затвор — канал, зонной диаграммой металл — ди­электрик — полупроводник. Практические значения полного поро­гового напряжения лежат в пределах 0,5...1,5 В. Стоково-затворные характеристики транзистора зависят от режима его работы. При напряжении V,си > 0 ток протекает по каналу, создавая распределе­ние потенциала по длине канала от истока к стоку. Разность потен­циалов между затвором и поверхностью в направлении стока

10* 147

уменьшается, одновременно уменьшается напряженность поля в диэлектрике и удельный заряд электронов в канале.

В МДП-транзисторе технологическим путем можно создать ка­нал, соединяющий исток со стоком. Такой транзистор получил на­звание — транзистор со встроенным каналом. На стоково-затвор­ной характеристике (см. рис. 7.3) видно, что при нулевом напряже­нии на затворе по его каналу течет ток и транзистор способен уси­ливать сигнал. При подаче на затвор отрицательного напряжения ток в канале уменьшается вследствие действия отрицательного поля затвора и при некотором напряжении и_0Тс. Это объясняется тем, что при отрицательном напряжении на затворе канал обедня­ется носителями и, следовательно, ток стока уменьшается. При увеличении напряжения канал обогащается неосновными носите­лями и ток увеличивается. Выходная характеристика МДП-транзи­стора имеет участок насыщения. На рис. 7.4 приведено семейство выходных характеристик транзистора со встроенным каналом. Примерно такие же формы характеристики у транзистора с инду­цированным каналом. На рис. 7.5 приведены условные обозначе­ния транзисторных структур. Тип проводимости канала противопо­ложен типу проводимости подложки. Проводимость подложки обозначается стрелкой: для /ьподложки стрелка направлена к кана­лу, для «-подложки — от канала.

Комплементарная структура (КМОП) — это сочетание транзи­сторных структур с каналами п- и /?-типов (рис. 7.6). Отличитель­ной особенностью комплементарных структур является противопо­ложная полярность питающих и управляющих напряжений каждо­го транзистора. Такая комбинация транзисторов позволяет соче­тать высокое быстродействие и предельно малое потребление энер­гии от источника питания. В зависимости от типа подложки один из транзисторов делают в изолирующем кармане. Создаются также

охранные области, позволяющие устранить утечки тока и паразитные связи между МДП-транзисторами. По надежности пред­почтение отдается КМОП-транзисторам, которые реализованы на диэлектрической подложке, например на сапфире.

Это позволяет получать транзисторы без токов утечки, с отсутствием паразитных ем­костных связей между областями транзисто­ра и подложки. Такая технология позволяет повысить быстродействие транзисторов, создать на их основе радиационно стойкие интегральные схемы так называемые КНС-структуры (кремний на сапфире).

ПТШ-транзистор — это полевой транзистор с управляющим ^-«-переходом с затвором в виде барьера Шоттки (ПТШ) сущест­венно отличается от транзистора с изолированным затвором и со­ставляет отдельный тип транзисторных структур. Такие структуры реализованы на арсениде галлия, имеют высокие значения подвиж­ности электронов в слабых электрических полях и скорости насы­щения в сильных полях, а также большую ширину запрещенной зоны. Это приводит к высокому удельному сопротивлению нелеги­рованного арсенида галлия, который имеет проводимость р-типа. На основе нелегированного арсенида галлия создают полуизоли- рующие подложки микросхем.

 

Рис. 7.6. Комплементарные п⁺-р-п⁺- и /?⁺-л-/?⁺-транзисторные структуры

На основе арсенида галлия изготавляют полевой транзистор с за­твором в виде барьера Шоттки (ПТШ) или, как его еще называют, с управляющим переходом металл — полупроводник, МЕП-транзи- стор. Методом ионного легирования кремнием, серой или селеном формируют сильнолегированные области истока и стока я⁺-типа, а затем напыляют сплав Т\ — W. Остальная поверхность покрывается диэлектриком, например 5Ю₂ (рис. 7.7, а). Металлический элек­трод затвора образует с каналом барьер Шоттки, типичная равно­весная высота которого равна 0,8 В. Проводящий канал располо­жен между истоком и стоком и ограничен сверху обедненной обла­стью. При изменении положительного напряжения на затворе %з толщина проводящего канала уменьшается. Одновременно меняет­ся его проводимость и ток стока /_с. На сток при этом подается по­ложительный потенциал относительно стока.

Пороговое напряжение соответствует моменту, когда граница обедненного слоя достигает полуизолирующей подложки, канал перекрывается и ток стока равен нулю (рис. 7.7, б, кривая /). При малой толщине канала ¿/₀ пороговое напряжение может быть поло­жительным. Значения порогового напряжения лежат в пределах от -2,5В (¿/_ПОр1) до +0,2В (и_п0Р2).

 

Если пороговое напряжение отрицательно, то при и_т = 0 ка­нал является проводящим и транзистор называют нормально откры­тым (рис. 7.7, б, кривая 1). Такой транзистор аналогичен МОП- транзистору со встроенным каналом.

Если пороговое напряжение и₀ > 0, то канал перекрыт обеднен­ным слоем и транзистор называют нормально закрытым, что анало­гично МДП-транзистору с индуцированным каналом (рис. 7.7, б, кривая 2). При больших положительных напряжениях на затворе в его цепи может возникнуть паразитный ток /₃ (рис. 7.7, б, кривая 3). Это обусловлено открытием перехода металл — полупроводник. Поэтому ток стока ограничивается значением /_{с тах}.

Полевой транзистор на гетероструктурах. Комбинации различ­ных гетеропереходов представляют собой гетероструктуры. Гете­ропереход — это полупроводниковый переход между двумя разно­родными по химическому составу или фазовому состоянию полу­проводниками. Гетеропереходы формируют в объеме одного полу­проводникового кристалла. Анизотипные переходы предусматривают контакт полупроводников с электронной и донорным типами про­водимости. Изотипные переходы возникают при контакте полупро­водников с одним типом проводимости.

На границе гетероперехода происходит скачкообразное измене­ние таких свойств, как: ширина запрещенной зоны; подвижность носителей заряда; эффективная масса носителей; энергия сродства к электрону и др.

Энергетическая диаграмма гетеропереходов характеризуется скачками энергии в зоне проводимости и валентной зоне. Высота потенциальных барьеров в них различна. В частности, в таких структурах возможно получение односторонней инжекции носите­ли. На рис. 5.5 приведены зонные диаграммы гетеропереходов ^ипа Р~п _И п-Р.

^ Широко распространены гетеропереходы между арсенидом гал- и арсенидом галлия — алюминия С а Аз — А^ва^Ая (х показы- ^ет содержание алюминия), поэтому с ростом х увеличивается Ирина запрещенной зоны данного твердого раствора. Для типич- 010 значения х = 0,3 ширина запрещенной зоны твердого раство- ^а А1_{0 3}Сао,7А5 равна 1,8 эВ.

У границы раздела двух полупроводников в зоне проводимости южет образоваться квантовый колодец, или зона двумерного элек­тронного газа.

| Двумерный электронный газ, или 2/)-газ, представляет собой [систему электронов, энергетические состояния которых соответст­вуют свободному движению только вдоль определенной плоскости.

Важным свойством двумерного электронного газа является то, чт₀ возможно регулирование в широких пределах плотности Электра нов под воздействием поперечного электрического поля. Электро. ны в ДЭГ имеют повышенную эффективную концентрацию и под­вижность.

На основе таких гетероструктур изготовляют гетеротранзисто­ры. Эта конструкция многослойна (рис. 7.8). Между металлическим затвором и легированным слоем на основе А1о,зСа₀,7А8 формируется управляющий переход металл — полупроводник. Обедненная об­ласть этого перехода располагается в слоях арсенида галлия — алю­миния. Различают нормально открытый (рис. 7.8, а) и нормально закрытый транзистор (рис. 7.8, б). При Vиз < 0 в слое нелегиро­ванного арсенида галлия на границе с гетеропереходом в области ДЭГ формируется канал нормально открытого транзистора. На рис. 7.8, а эта область ограничена штриховой линией.

Под действием управляющего напряжения £/_из изменяется тол­щина обедненной области перехода металл — полупроводник, кон­центрация электронов в области ДЭГ и ток стока. Электроны в ДЭГ поступают из истока. При отрицательном напряжении за­твор — исток, равного пороговому значению, обедненная область расширяется настолько, что перекрывает поток электронов, и ток стока становится равным нулю. В нормально закрытом транзисторе

при í/из ⁼ 0 проводящий канал отсутствует вследствие того, что об­ласть ДЭГ двумерного электронного газа перекрыта объединенной областью управляющего перехода. При подаче напряжения U_m > О, равного пороговому значению, обедненная область управляющего перехода сужается настолько, что ее нижняя граница попадает в область ДЭГ.

На рис. 7.8, в приведены стоково-затворные характеристики нормального открытого 1 и нормального закрытого 2 транзисторов. Большое значение крутизны для нормально закрытого транзистора обусловлено меньшей толщиной легированного донорами слоя AlGaAs. Этот тип транзисторов перспективен для использования в СВЧ-микросхемах.

#£МТ-транзисторы (High Electron Mobility Transistor). В основе работы транзисторов лежит идея использования квантового ко­лодца в качестве канала. В квантовом колодце формируется дву­мерный электронный газ. За счет потери одной степени свободы подвижность носителей увеличивается примерно вдвое, возрастает и эффективная концентрация носителей.

Гетеропереход формируют из широкозонного полупроводника Al_xGai__xAs и более узкозонного /-GaAs. На их границе происходит разрыв энергетического уровня Е_с примерно на АЕ_С = 0,38 эВ. В ка­честве подзатворного диэлектрика используют широкозонный по­лупроводник AlGaAs, который вследствие искривления энергетиче­ских зон становится обедненным электронами (рис. 7.9, а). Канал представляет собой потенциальную яму, образованную в узкозон­ном проводнике на границе с более широкозонным. В этом канале речь идет о поверхностной плотности электронов, которая состав­ляет примерно 2 • 10¹² см^-2.

Конструкция НЕМ Г-транзистора представлена на рис. 7.9, б. За более чем четвертьвековую историю НЕМТ-транзисторы развились в большое семейство. Помимо соединений A^InB^v весьма перспек­тивными оказались соединения InGaAs, InGaP, InAlAs, InP. Соеди­нения на основе индия отличаются высокой подвижностью элек­тронов, разрыв зоны проводимости АЕ_С достигает 0,5 эВ. Разрабо­таны п- и /^-канальные НЕМТ-транзисторы, для которых, напри­мер, создается потенциальная яма для дырок в узкозонном слое InGaP.

Для использования в мощных СВЧ-устройствах, работы в экс­тремальных условиях разработаны #/ГЛ/У-транзисторы на основе GaN и SiC. Обычно канал у таких транзисторов формируют в узко­зонном слое AlGaN. По частотным и усилительным свойствам #£А7Т-транзисторы на основе AlGaN/GaN уступают транзисторам на соединениях AlGaAs/GaAs, однако превосходят их по плотности снимаемого тока, мощности и рабочим напряжением исток — стока.

V-МДП-транзисторы. Рассмотренные структуры имеют планар­ную конструкцию, ток носителей в которых переносится в гори­зонтальном направлении. Транзисторы типа К-МДП (Verticals Replacement-Gate-VRG) относятся к типу транзисторов с вертикаль­ным токопереносом — от расположенного в подложке истока к верхнему стоку.

Этот тип транзисторов изготовляют с помощью селективного трав­ления в исходной структуре кремния К-образных канавок (рис. 7.10). V-МДП-структура является весьма компактной. Истоковая область играет роль шины земли и не требует дополнительной площади кристалла для заземления. Проводящий канал образуется в р-слое, его длина определяется микронными размерами, а ширина всем периметром F-образного углубления. Ббльшая ширина канала по­зволяет получить транзисторы с ббльшим током и ббльшим усиле-

_ем. Область объемного пространственного заряда (ОПЗ) позво­ляет увеличить пробивное напряжение транзистора и снизить зна­чение паразитной емкости затвор — сток.

Разработанные вертикальные полевые транзисторы на основе ваМ имеют ряд преимуществ по сравнению с кремниевыми. Эти преимущества связаны с более высокой подвижностью и дрейфо­вой скоростью носителей, а также с возможностью использования гетеропереходов для инжекции электронов в активную область транзистора. Такие транзисторы имеют короткий канал, высокое быстродействие, малую потребляющую мощность. Этот тип тран­зисторов может стать основой разработок схем с высокой плотно­стью упаковки.

Трехмерность К-МДП-транзисторов является большим плюсом при создании объемных интегральных схем с высокой плотностью упаковки на кристалле.

7.2. Интегральные биполярные транзисторы

Эпитаксиально-планарный транзистор. Электронный прибор с тремя электродами и чередующимися полупроводниковыми облас­тями электронного или дырочного типа проводимости, в котором протекание тока обусловлено носителями заряда обоих знаков, на­зывают биполярным транзистором.

В основе работы биполярного транзистора лежат физические явления диффузии вследствие градиента концентрации и дрейфа носителей вследствие градиента электрического потенциала. Пол­ный ток носителей состоит из диффузионной и дрейфовой состав­ляющих. Различают биполярные транзисторы р-п~р- и я-/?-я-типов. Классическая конструкция биполярного транзистора, используе- ^Мая в интегральных схемах, выполняется по эпитаксиально-пла- ^НаРН0й технологии. Это означает, что транзистор выполняется в ^1итаксиальном слое толщиной \У_эп, а выводы от эмиттерной, ба- вой и коллекторных областей расположены в одной плоскости на верхи ости подложки. Такая технология позволяет производить анзисторные структуры с высоким процентом выхода годных, а анарность выводов позволяет создать автоматизированную сис- ^МУ коммутации транзистора с другими элементами микросхемы с ^мощью пленочных металлических проводников.

Одним из важных требований, предъявляемым к технологии Изготовления транзисторных структур, является минимизация за­нимаемой площади, что позволяет повысить плотность упаковки Цементов интегральной схемы и способствует повышению степе-

пи интеграции на пластине. На рис. 7.11, а приведена классиче­ская структура эпитаксиально-планарного транзистора с изоляцией /¿-«-переходом. Транзистор выполнен на высокоомной подложке р-типа. Диффузиями примесей через маску получены скрытый слой, п-, р- и я⁺-области. В данной конструкции транзистора ис­пользуют изоляцию р-п-переходами: сбоку изолирующими облас­тями, а снизу — скрытым слоем. Недостатком изоляции р-п-пере­ходами является наличие барьерной емкости, которая снижает гра­ничную частоту и увеличивает задержку переключения сигнала. Под эмиттерной областью расположена активная область транзи­стора, представляющая собой я⁺-/ь/?-структуру. Процессы диффу­зии и дрейфа носителей в этой области и определяют эффектив­ность работы транзистора. Основные физические процессы, проис­ходящие в этой активной области, идентичны процессам, рассмот­ренным в дискретном транзисторе (см. 6.2).

Биполярный эпитаксиально-планарный транзистор п⁺-р-п-типа является одним из основных элементов интегральных схем (см. рис. 7.11, а). По техническим параметрам он превосходит транзистор р-п-р-типа. Минимальные горизонтальные размеры транзистора определяются прежде всего топологическими нормами литографического процесса и глубиной боковой диффузии приме­си под оксид. Топология транзистора может быть асимметричной и симметричной, при которой базовые и коллекторные электроды симметрично облегают эмиттер.

Коллектор

При проектировании транзисторов большой мощности следует обеспечить максимальное отношение периметра эмиттера к его площади. С этой целью создают гребенчатые конструкции, позво­ляющие создать узкие эмиттеры с большим периметром. Характе­ристики транзистора зависят от частоты сигнала, структуры тран­зистора и наличия в ней паразитных элементов. Транзисторы п-р-п-типа имеют более высокую предельную частоту, чем р-й-/>-транзисторы.

Многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы. Широко используют в микросхемах многоэмиттерный биполярный транзи­стор (МЭТ). Число эмиттеров в них составляет 2...8. Поэтому МЭТ можно рассматривать как совокупность транзисторов с общей ба­зой и соединенными коллекторами (рис. 7.12, а). Каждая пара смежных эмиттеров вместе с /ьслоем образуют горизонтальные транзисторные структуры п⁺-р-п⁺-шш. При этом, если на одном из эмиттеров действует прямое напряжение, то на соседнем обрат­ное. В этом случае первый будет инжектировать носители заряда, а соседние будут их собирать. Это паразитный транзисторный эф­фект. Для подавления «паразитных» транзисторов п⁺-р-п⁺-типа расстояния между соседними эмиттерами должны быть больше диффузионной длины носителей в базовом слое (около 10 мкм).

Основная область применения МЭТ лежит в области цифровых микросхем, например в логических интегральных схемах семейства ТТЛ и ТТЛШ.

Многоколлекторный биполярный транзистор (МКТ) представлен на рис. 7.12, в. Он представляет собой транзистор, работающий в инверсном режиме. Под инверсным режимом будем понимать ре­жим, при котором полярность смещений на эмиттерном и коллек­торном переходах меняется на противоположную. В этом случае большая часть неосновных носителей заряда, инжектированных коллектором, не достигает эмиттерного перехода, поскольку пло­щадь коллекторного перехода значительно больше площади эмит­терного перехода. Общим эмиттером служит общий эпитаксиаль­ный слой, а коллектором является сильно легированные неболь­шие области п^Г.

При конструировании МКТ основное внимание уделяют обес­печению высокого коэффициента передачи тока от общего эмитте­ра к каждому из я⁺-коллекторов. Коэффициент передачи тока базы по каждому из «-коллекторов примерно в п раз меньше, чем в од­ноколлекторном транзисторе. Поэтому скрытый слой максимально приближают к базовому слою, а я⁺-области располагают близко друг к другу. Условное обозначение этого класса транзисторов при­ведено на рис. 7.12. Транзисторы этого типа широко применяют в интегральных схемах интегральной инжекционной логики (ИЛ), транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Транзисторные структуры интегрально-инжекционной логики. По­явление весьма эффективной интегрально-инжекционной логики (И²Л) способствовало разработке биполярного транзистора со встроенным инжектором (рис. 7.13, а). Транзисторы с инжектором состоят из горизонтального транзистора Т\ р-п-р-тш\г., выполняю­щего функции генератора тока, и вертикального транзистора тока 7г п-р-п-типа, выполняющего функции инвертора.

Оба транзистора реализованы в одном кристалле так, что базо­вая область транзистора Т\ совмещена с эмиттерной областью транзистора Т₂, а коллекторная область Т\ совмещается с базовой областью Т₂. Эмиттерную область Т\ называют инжектором носи­телей, она подключена к источнику питания. Транзистор Т\ может быть многоэмиттерным, а транзистор Т₂ всегда является многокол­лекторным, электроды которого являются логическими выходами- Условное обозначение транзисторов типа И²Л приведено на рис. 7.13, б. Транзисторы этого типа имеют низкое напряжение пи­тания, обладают небольшой работой переключения, позволяют на их основе создавать схемы с высокой степенью интеграции. Глав-

Рис. 7.13. Структура биполярного транзистора для И Л (а) и условное обозначение (Я)

ный недостаток таких транзисторов — низкое быстродействие, обу­словленное процессами рассасывания зарядов неравновесных ос­новных носителей в режиме насыщения. Это и заряды дырок и эмиттерной области, и заряды электронов в базе.

Заметим, что транзистор с инжекционным питанием для совме­щенных транзисторных структур является интересным инженер­ным решением.

Транзистор с барьером Шоттки. В радиотехнике известен инже нерный прием: чтобы предотвратить насыщение биполярного транзистора, необходимо между базой и коллектором включить Диод. В микроэлектронике инженеры нашли изящный способ из­бежать режима насыщения транзистора. С этой целью в структуру транзистора на границе базовой и коллекторной областей «вмонти­рован» диод Шоттки (рис. 7.14). Когда транзистор заперт или рабо­тает в активном режиме, потенциал коллектора положителен отно­сительно базы. В этом случае диод находится под обратным смеще­нием и не влияет на работу транзистора. Если потенциал коллекто­ра становится отрицательным относительно базы, то диод отпира­йся и на нем падает прямое напряжение порядка 0,5 В. Коллек- торный переход запирается и исключается накопление избыточно- ^г° заряда.

На рис. 7.14, а приведена схема встраивания диода Шоттки в |анзисторную структуру. Условное обозначение транзистора с [одом Шоттки приведено на рис. 7.14, б. Конструктивно диод (оттки представляет собой несколько расширенный электрод 1ы, частично перекрывающий область коллектора. Такие транзи­ты отличаются высоким быстродействием. Транзисторы с дио- Шоттки широко используют при конструировании интеграль- *х логических схем с высоким быстродействием (ТТЛШ). Разра- гана интегральная Шоттки-логика на основе транзисторов с дио-

1и Шоттки.

Диод Шотгки а о

Рис. 7.14. Структура транзистора с диодом Шоттки (а) и его условное обозначение (б)

7.3. Квазипланарные транзисторные структуры

Проблемы перехода от микро- к нанотранзисторным структурам. Основная тенденция развития микроэлектроники заключается в увеличении степени интеграции, соответственно уменьшении ли­нейных размеров структур и энергопотребления, но в увеличении надежности. Идет интенсивный поиск новых конструктивных ре­шений транзисторных структур, переход из микро- в нанометро- вый диапазон размеров. Появились первые действующие прототи­пы нанотранзисторов.

Если первые транзисторы имели характерный сантиметровый раз­мер, то за полвека транзистор уменьшился примерно в 100 ООО раз по линейному размеру и в 1010 раз — по массе. Количественные пре­вращениями приводят к существенным изменениям качества, так как устройства переключения электрических сигналов достигают минимально возможных размеров, обусловленных атомной струк­турой вещества. Меняются и свойства самих электрических сигна­лов в наномире. Электрический ток в наномире нельзя интерпре­тировать в виде некоего подобия электрической жидкости или электронного газа, протекающих через транзистор-вентиль. В на­номире квантованность электрического заряда выходит на первый план. Электрический заряд, которым можно манипулировать, кра­тен заряду электрона д. Как бы точно ни производилось измерение электрического тока, количество информации, которое можно пе­редать с его помощью, строго ограничено и определено числом пе­реданных элементарных зарядов.

Логические элементы срабатывают на определенный зарядовый пакет. Возникнут сбои, если пакет окажется недостаточно велик. Так, при кодировании логической единицы пакетом из десяти эле­ментарных зарядов с порогом срабатывания в пять зарядов логиче­ский элемент будет неправильно срабатывать примерно в 3 % слу­чаев. В процессе уменьшения длины канала и соответственно дли- 160

ны затвора достигнуто значение порядка 100 нм, а толщина подза- творного оксида в схемах микропроцессоров ныне составляет 0,8 нм, или три атомных слоя. Это позволило увеличить быстродействие микропроцессоров, снизить потребление энергии. Вместе с тем возросли токи утечки, в том числе за счет туннельного тока через слой оксида. Причем токи утечки весьма существенны даже для от­ключенного транзистора. В этой ситуации транзистор постоянно работает в цепи. С уменьшением толщины областей истока — сто­ка возрастает их сопротивление. В таком случае необходимо боль­шее напряжение для переключения транзистора, при этом увели­чивается плотность потребляемой мощности. С увеличением на­пряжения возрастает опасность пробоя слоя диэлектрика из трех атомных слоев. Круг замкнулся. Дальнейшее уменьшение длины ка­нала требует увеличения степени легирования в канале до 10¹⁸ см^-3. Это приведет к снижению подвижности носителей и росту порога включения транзистора.

Кроме эффекта квантования электрического заряда, на малых расстояниях начинают сказываться волновые свойства частиц. Длина когерентности электронной волны в твердом теле при обыч­ной температуре составляет единицы нанометров. Поэтому на рас­стояниях, меньших 1 нм, начинают проявляться волновые свойства электронов: когда вещество берется в малых количествах, то не всегда можно однозначно отнести его к изоляторам, проводникам или полупроводникам. Например, некоторые химические элемен­ты, взятые, допустим, по 20, 50 и 100 атомов, будут последователь­но проходить стадию изолятора, полупроводника и проводника со­ответственно. Использование ресурсов вещества, пространства, времени, энергии и информации в наномире строго регламентиру- ^ется особыми правилами, которые базируются на законах кванто­вой механики. Конструирование нанотранзисторов превращается в ожную квантово-механическую задачу. «Овеществление» кванто- -механических схем и чертежей требует разработки сложнейших хнологических процессов.

Когда же будет достигнут предел миниатюризации обычной лектроники? Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих эле­ментов 5...30 нм. Эта область перехода от классической твердотель­ной электроники к квантовой получила название области меза- структур. Еще способны работать мезаструктуры с обычными электрическими сигналами, однако при дальнейшем уменьшении размеров очень быстро нарастают проблемы, решить которые весь­ма затруднительно. В соответствии с законом Мура полное освое-

ние области мезоэлектроники ожидается примерно через 10 лет. Таким образом, мезотранзисторы — это последний рубеж сущест­вования обычных транзисторов, за которым последует поколение нанотранзисторов. Разработки транзисторных структур для субмик- ронной технологии следующих поколений на 0,13; 0,10; 0,07 мкм ве­дется по разным направлениям. Технология нанометрового диапа­зона будет промышленной технологией на ближайшие полвека.

МОП-транзистор с двумя затворами — транзистор с двумя затво­рами принципиально новой конструкции. Конструкция ЕтЕЕТ- транзистора представляет собой кремниевое тело (столбик, встав­ка-/?«), которое обернуто затвором. Конструкция затвора такова, что формируются два самосовмещенных канала с двух сторон кремниевого тела (рис. 7.15). Выступающая передняя область тела представляет собой исток транзистора, а задняя область — сток. Ток течет в плоскости, параллельной плоскости тела. Активная ширина прибора IV равна высоте тела-столбика и может быть уве­личена за счет включения нескольких столбиков. Каналы индуци­руются напряжением на затворах вдоль обеих сторон пластины. Активная ширина прибора равна высоте тела-плавника. Это тело можно увеличивать путем параллельного включения многих стол­биков, формирующих исток и сток. Таким образом, формируют активную область транзистора. Трехмерная конструкция ЕтЕЕТ- транзистора позволяет значительно снизить потери на тепловыде­ление.

Структура ПпРЕТ аналогична традиционной МОП-структуре, хотя и является квазипланарной. Отличительной особенностью яв­ляется активная область, которая в данном случае формируется вставками. Высота тела вставки составляет 180 нм, толщина за-

творного диэлектрика — 2,2 нм, поликремниевого затвора — 75 нм. Разработаны симметричные и асимметричные п- и /?-канальные транзисторы с длиной канала примерно 30 нм. Типичный ток в «-канальном транзисторе составляет 1300 мкА/мкм, в ^-каналь­ном — 850 мкА/мкм. Созданы /^,ш/^г£Т-транзисторы с длиной кана­ла 20 нм, в котором размеры кремниевой вставки определяются промежутками между поликремниевыми затворами, а области ис­тока и стока формируются процессами литографии. Характеристи­ки Яя/^ЕГ-транзисторов позволяют надеяться на их использование в интегральных схемах с увеличенной плотностью упаковки и уменьшенной рассеиваемой мощностью.

Технологический процесс изготовления /^гш/^г£’7’-транзистора предусматривает формирование, методами литографии плавни­ка-вставки толщиной 20 нм и высотой 180 нм. Области стока-исто­ка изготовляют с помощью ионной имплантации под углом 45° с четырех сторон пластины. Удается создать транзисторы