Конструктивно-технологічні різновиди МДП-транзисторів

14

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки

Кафедра РЕЗ

РЕФЕРАТ

На тему:

«КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНІ РАЗНОВИДНОСТИ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ»

МІНСЬК, 2008

Конструкції МДП-транзисторів в мікросхемах з алюмінієвої металізацією. Варіант конструкції активного транзистора з прямокутним каналом і з середнім значенням крутизни передавальної характеристики представлений на рис.1. Під алюмінієвим затвором знаходиться тонкий шар термічно вирощеного оксиду кремнію (0,05 ... 0,10 мкм. За межами області каналу товщина оксиду становить 1 мкм. Цей порівняно товстий шар оксиду виконує функції захисного діелектрика, дозволяє істотно знизити значення паразитних ємностей сигнальних шин і підвищити граничну напругу паразитних МДП-транзисторів (рис.1) в місцях проходження алюмінієвих провідників над дифузійними шинами харчування.

Рис.6.1 Креслення топології (а) і електрична схема (б) паразитного транзистора.

Рис.1 Конструкція (а) і електрична схема (б) навантажувального р-канального МДП-транзистора

Рис.2 Конструкція МДП-транзистора з П-образним каналом

В навантажувальних транзисторах значення крутизни передавальної характеристики може бути невеликим, і відповідно відношення довжини каналу до його ширини вибирається таким, щоб при заданій крутизні навантажувальний транзистор відводилася мінімальна площа (рис.1). У тому випадку, коли для забезпечення високих значень крутизни характеристик активного транзистора ставлення bк / LК має дорівнювати або більше 20, з метою економії площі рекомендується П-образна форма каналу (рис.2).

Для підвищення ступеня інтеграції в мікросхемах, що вимагають послідовного і паралельного з'єднання транзисторів, області витоків або стоків МДП-транзисторів можуть бути об'єднані (рис.3). На рис.4 наведена конструкція інвертора, в якій диффузионная область стоку активного VT1 і витоку навантажувального VT2 МДП-транзисторів об'єднані.

Освоєння виробництва р-канальних МДП-транзисторів з індукованим каналом і алюмінієвим затвором дозволило отримати наступні параметри МДП-структур: мінімальна довжина каналу 10 ... 12 мкм (по затвору 20 мкм), глибина залягання р-п переходів 2,5 мкм, бічна дифузія під окисел 2 мкм, товщина подзатворного діелектрика 0,12 ... 0,15 мкм, напруга живлення 12 В, порогове напруга (-4 + 0,5) В, питомий поверхневий опір дифузійних областей витоку і стоку і дифузійних шин 50. ..100 Ом / т, пробивна напруга р-п переходів областей витоку і стоку св перевищене 30 В, порогове напруга паразитних транзисторів понад 40 B, рухливість дірок в каналі близько 200 см2 / (B · c), щільність поверхневих станів 1011 ... 1012 см2.

Рис 3. Фрагменти топології (а, в) і електричні схеми (б, г) при паралельному (а, б) і послідовному (в, г) включення транзисторів.

Рис.4. Конструкція (а) і електрична схема (б) інвертора на МДП-транзисторах з нелінійним навантаженням і алюмінієвої металізацією.

На таких структурах були створені одні з перших логічних інтегральних МДП-мікросхем з мінімальним часом затримки на вентиль 80 ... 100 нс і основним показником якості мікросхем - твором потужності на затримку 60 ... 80 пдж. Добре відпрацьована технологія виробництва і менша вартість сприяють тому, що мікросхеми на р-МДП-транзисторах випускають до сих пір, незважаючи на гірші характеристики.

Удосконалення технологічних операцій, в першу чергу тих, які спрямовані на зниження вбудованого в окисле заряду і щільності поверхневих станів, привело до створення інтегральних n-канальних МДП-транзисторів. Перевагами мікросхем на таких транзисторах є: підвищена в 2 ... 3 рази швидкодію, сумісність по знаку і рівню напруги живлення з ТТЛ-мікросхемами на біполярних транзисторах.

Застосування кремнієвих підкладок з робочою поверхнею, орієнтованої по кристаллографической площині (100), призводить до зменшення щільності поверхневих станів до 1011 см-2 і до ще більшого зниження порогового напруги.

Можливості управління пороговим напругою розширюються, якщо використовувати багатошаровий подзатворного діелектрик. В цьому випадку в гру вступають додатковий заряд на кордоні діелектриків, об'ємний вбудований заряд додаткового діелектрика, заряд, обумовлений поляризацією діелектриків.

МНОП-транзистори. Одним з варіантів МДП-транзистора з багатошаровим діелектриком є ​​структура метал - нітрид кремнію - оксид кремнію - напівпровідник (скорочено - МНОП). Плівка нітриду кремнію має високу пасивуються здатністю (оскільки швидкість дрейфу позитивних іонів в нітриді на кілька порядків менше, ніж в оксиді) і більш високою діелектричної проникністю. Вже одне це дозволило б знизити граничну напругу на 1 ... 1.5. В і підвищити питому крутизну.

Однак використовувати один тільки нітрид кремнію в якості подзатворного діелектрика виявилося неможливо через появу заряду на межі поділу кремній - нітрид кремнію, що залежить від напруги на затворі. Це призводить до непостійності порогового напруги приладів і до його гістерезису.

Використання МНОП-структури дозволило отримати прилади, в яких еквівалентна товщина діелектрика зменшується приблизно в півтора рази, порогове напруга знижується в середньому на 1 В. Ця ж МНОП-структура при товщині плівки SiO2 0,005 мкм (5 нм) може бути використана в якості елемента пам'яті в ППЗУ з електричним стиранням і записом інформації.

МОАП-транзистори. Використання А12Оз в якості другого подзатворного діелектрика обумовлено його здатністю створювати на кордоні з SiO2 вбудований негативний заряд, що дозволяє отримувати n-канальні прилади з індукованим каналом, що працюють в режимі збагачення при пороговому напрузі, приблизно рівному +1 В.

Конструкції МДП-транзисторів з полікремнієвих затворами. У МДП-транзисторах з алюмінієвим затвором є значні по площі області перекриття затвора з областями витоку і стоку (див. Рис.6.1), що, з одного боку, необхідно для надійного забезпечення формування каналу транзисторів, з іншого - призводить до наявності. паразитних ємностей СЗІ і СЗС, уповільнення швидкодії МДП-мікросхем. Зменшення розмірів областей перекриття утруднено помилками суміщення фотошаблонів металізації з областями витоку і стоку, тобто роздільною здатністю фотолітографії по алюмінієвої металізації, яка не перевищує ± 1 мкм.

Використання полікремнію в якості матеріалу затвора (рис.5) дозволило отримати ряд істотних конструктивно-технологічних переваг і значно підвищити параметри МДП-приладів.

Значно зменшено глибина залягання р-п переходів витоку і стоку (до 2 ... 1 мкм) і бічний дифузії (до 0,6 ... 1,4 мкм), а разом з тим значно зменшено перекриття затвором областей витоку і стоку і площі р-п переходів, і, таким чином, істотно знижені значення відповідних паразитних ємностей. Найменші величини перекриттів отримані при використанні іонного легування при формуванні областей витоку і стоку, проте опір полікремнієвих шин при цьому залишається високим. Для збільшення провідності шин використовують комбінацію дифузійного і іонного легування.

Сумісність матеріалу затвора з матеріалами захисного шару (наприклад, полікремнію і піролітичним нанесеного оксиду кремнію) дозволила значно зблизити контакти стоку і витоку, зменшити розміри цих областей і всього приладу в цілому, підвищити ступінь інтеграції МДП-мікросхем.

1 2 3

Рис.5. Структура МДП-транзистора з полікремнієвих затворами: 1 - підкладка р-типу; 2, 3 - дифузійні n + - області витоку і дифузійних шин (перший рівень розводки), 4, 5, 7 - алюмінієві контакти до витоку, затвору і стоку ;, 6 - полікремнієвих затвор; 8 - провідник з легованого полікремнію (другий рівень розводки); 9 - алюмінієва шина (третій рівень розводки); 10 - міжшарового діелектрик (SiO2, БСС, ФСС)

Рис.6. Структури МДП-транзисторів з индицировать і вбудованим каналами, витоки і стоки яких сформовані комбінацією дифузії і іонного легування: 1 - підкладка р-типу; 2 - дифузійна n + -область витоку; 3 - іонно-легована n + -область витоку; 4 - вбудований іонно-легований n-канал; 5, 7,8, 10, 11 - алюмінієві висновки витоків, стоків і затворів; 6, 9 - полікремнієві затвори.

Зменшено ширина каналу до 4 ... 6 мкм за рахунок більш точного формування конфігурацій витоку, стоку і затвора і меншого перекриття цих областей. Зниження товщини подзатворного діелектрика до 0,07 ... 0,1 мкм дозволило різко збільшити крутизну характеристики транзисторів і підвищити швидкодію мікросхем.

Застосування полікремнію в якості матеріалу затвора дає зниження контактної різниці потенціалів ЦМП і зменшення граничної напруги. До цього ж результату призводить зменшення щільності заряду поверхневих станів Qss завдяки ефективному захисту подзатворного діелектрика матеріалом затвора і отжиг цього діелектрика при високих температурах в процесі проведення операцій легування кремнію. Зниження порогових напруг дало можливість перейти до використанню джерел живлення з робочою напругою 5 В, знизивши споживану потужність БІС.

Освоєння технології виготовлення МДП БІС з полікремнієвих затворами транзисторів, що поєднує диффузионное і іонне легування, дозволило створити в складі мікросхем МДП-транзистори з вбудованим каналом, що працюють в режимі збіднення (Рис.6). Навантажувальні транзистори n-МДП-типу з вбудованим каналом мають вищу швидкодію, кращої помехоустойчивостью і займають вдвічі меншу площу, ніж навантажувальні транзистори, що працюють в режимі збагачення (див. Рис.2, 4) при тій же споживаної потужності.

Всі зазначені фактори в поєднанні дозволили створити МДП БІС з мінімальною затримкою на один елемент 1 ... 4 ні і значно зменшити такий важливий параметр, як твір потужності на затримку (1 ... 4 пдж), що вже впритул підходить до аналогічних параметрах БІС на біполярних транзисторах.

Конструкції Д-МДП-транзисторів. Конструкція Д-МДП-транзистора розроблена спеціально для забезпечення високої швидкодії за рахунок зменшення довжини каналу до субмікронних розмірів. Короткий канал отримують за принципом формування тонкої бази в біполярному транзисторі - за рахунок повільного, добре контрольованого і керованого процесу дифузії (тому Д-МДП, тобто дифузний МДП-транзистор). У цьому транзисторі області каналу р-типу і витоку n + -типу формуються в процесі двох дифузії в один і той же вікно в окисної масці. Конструкція Д-МДП-транзистора не вимагає високої точності суміщення затвора з областями витоку і стоку, як в звичайному МДП-транзисторі. У зв'язку з цим виявилася можливою реалізація МДП-структур з довжиною каналу 0,4 ... 1 мкм навіть при обмежених можливостях фотолітографічного процесу по роздільної здатності. Короткий канал формується в приповерхневої області. Кремнію p - типу електропровідності в проміжку між двома р-п переходами. Число носіїв струму в цьому индуцированном каналі визначається напругою на затворі, а швидкість їх переміщення - напругою, прикладеним між витоком і стоком. Твір числа носіїв на їх швидкість пропорційно току стоку. В і-канальних Д-МДП-транзисторах при довжині каналу менше одного мікрона електрони, інжектовані з області витоку, навіть при порівняно невеликих напругах на стоці набувають значну швидкість.

Мал.7. Структура звичайного n-канального МДП-транзистора (а) і дифузійного n-канального Д-МДП-транзистора (б): / - область каналу; 2 - область дрейфу електронів.

У збідненого n-області між каналом і стоком при нормальних зсувах (Uc> Uнас) електрони, що пройшли канал, инжектируются в область об'ємного просторового заряду, прилеглу до n + -області стоку, і дрейфують до стоку в сильному електричному полі. Така ж область дрейфу існує і в звичайних МДП-транзисторах при Uc> Uнас (рис.7)

Таким чином, незважаючи на відмінності в конструкціях, принцип роботи Д-МДП - і МДП-транзисторів однаковий. Але у виробництві Д-МДП-транзисторів використані досягнення як біполярної технології (мінімальна відстань між двома р-п переходами), так і технології виготовлення МДП-структур (формування тонкого подзатворного діелектрика з малою товщиною, низькою дефектностью і щільністю поверхневих станів).

Освоєння технології мікросхем на Д-МДП-транзисторах з використанням епітаксійних структур дозволяє, крім того, формувати на одній і тій же підкладці біполярні п-р-п-транзистори і ізольовані від них Д-МДП-транзистори (рис.8), що має виняткове значення для виробництва як аналогових (наприклад, операційних підсилювачів), так і логічних мікросхем.

Перекриття електродом затвора збідненого області об'ємного заряду (рис.7, б) дає лише незначний внесок в паразитную ємність СЗС, але наявність цієї області дозволяє підвищити робоча напруга приладу до декількох сотень вольт. Короткий канал і мала ємність СЗС дозволили збільшити швидкодію мікросхем з Д-МДП-транзисторами приблизно в 5 разів при тому ж мінімальному проектному геометричному розмірі, що і в БІС на звичайних МДП-транзисторах: значення часів перемикання та затримки в логічних мікросхемах на Д-МДП -транзісторах становлять 1 цієї статті не і менше. Пробивна напруга Д-МДП-транзисторів складає 300 ... 400 В.

У зв'язку з малою щільністю розміщення елементів в кристалі малоймовірно, що Д-МДП-транзистори будуть широко використовуватися в БІС, але завдяки своїм унікальним властивостям вони знайдуть застосування в швидкодіючих перемикаючих пристроях з високою робочою напругою і в пристроях великої потужності.

Рис.8. Структура планарно-епітаксіального Д-МДП-транзистора: 1,7-діффузіонниеобласті витоку і стоку; 2,5-шини алюмінієвої металізації; 3 - затвор; 4 - подзатворного тонкий оксид; 6 - ізолююча область; 8 - n-епітаксіальний шар, 9 - підкладка; 10 - область отримується методом подвійного дифузії для формування каналу транзистора.

Рис 9. Фрагмент структури кристала з V-подібним поглибленням для формування V-МДП-транзистора.

Конструкції V-МДП-транзисторів. Усі розглянуті раніше МДП-транзистори мають планарную конструкцію, тобто є двовимірними. V-МДП-технологія додає в конструкцію МДП-транзисторів третій вимір, дозволяючи формувати витік приладу під його затвором і стоком, а не поруч з ними. Це третій вимір дає V-МДП-приладів переваги як по швидкодії, так і по. щільності упаковки перед такими структурами, як п-канальні МДП-прилади з кремнієвими затворами.

Власне кажучи, термін «V-МДП-транзистор» відноситься до МДП-приладів, в яких буква V означає, по-перше, вертикальний напрямок протікання струму від розташованого в підкладці витоку до розташованого над ним стоку і, по-друге, спосіб формування приладів селективним витравлювання в вихідної заготівлі поглиблення V-подібного перетину (рис.9). V-МДП-транзистор отримують на бічних стінках цього поглиблення. Особливо слід відзначити, що n + -істок, розташований під n + -стоком, взагалі не вимагає для свого формування додаткової площі на поверхні пластини, що обумовлює високу компактність V-МДП-структури. Крім цього, Істоковий область n + -типу виконує роль земляний шини і не вимагає, як це буває в інших конструктивно-технологічних варіантах, додаткової площі кристала для заземлюючих шин.

Пірамідальна ямка витравлюється на таку глибину, щоб вона перетнула іонно-легований шар n + -типу і епітаксіальний слаболегірованних р-шар, дифузійно-легований n - шар, досягнувши вершиною високолегованої підкладки n + - типу. Перетин р-шару служить основою для формування каналу. Цей шар має глибину менше 1 мкм, його перетин площинами V-образного поглиблення визначає довжину V-МДП-транзистора. Ширина каналу в V-МДП-транзисторі виходить великий, так як цей канал розташований по всьому периметру V-образного поглиблення. Оскільки ширина каналу визначає максимальний струм транзистора і його посилення, остільки V-МДП-транзистори можна безпосередньо сполучати з системами, які вимагають великих керуючих струмів, наприклад зі схемами, що містять велику кількість ТТЛ-навантажень, світлодіодними індикаторами і навіть невеликими електродвигунами.

Шар подзатворного діелектрика формується на поверхні V-образного поглиблення (рис.10). Як матеріал затвора застосовують алюміній або полікремній. Область об'ємного просторового заряду виконує в V-МДП-транзисторі ту ж роль, що і збіднена область просторового заряду в Д-МДП-транзисторі: збільшує пробивну напругу транзистора, дає знижені значення паразитної ємності СЗС.

Тривимірність V-МДП-транзисторної структури є фактором істотного підвищення щільності упаковки БІС.

У зв'язку з низьким виходом придатних і обмежених логічними можливостями перспективи створення V-МДП-БІС невеликі. Але такі структури володіють унікальними здібностями управління дуже великими струмами з високою швидкістю їх перемикання. Вони знайшли застосування в звукових високоякісних підсилювачах потужності, в широкосмугових підсилювачах, в джерелах вторинного електроживлення для перетворення постійного струму в змінний при менших витратах, масі і габаритних розмірах, ніж традиційні джерела живлення.

Конструкції МДП-транзисторів на діелектричній підкладці. Використання структур з епітаксійних вирощеним на діелектричній підкладці (сапфір або шпінель) шаром монокристалічного кремнію товщиною 0,7 ... 2,0 мкм з метою виготовлення МДП-транзисторів доцільно, так як дозволяє істотно знизити паразитні ємності транзистора і комутаційних провідників, позбутися від паразитних транзисторних структур, спростити технологію виготовлення МДП-приладів. Транзистори формуються в ізольованих один від одного острівцях, що дозволяє зменшити практично до нуля паразитні межелементние зв'язку через підкладку. Дифузія для формування витоку і стоку (рис.11) проводиться на всю глибину епітаксійного шару, що дозволяє отримувати вертикальні р-п переходи малої площі з малими ємностями.

Рис.10 Структура V-МДП-транзистора: / - область каналу; 2 - область дрейфу електронів.

Рис.11. Структура МДП-транзистора на діелектричній (сапфір) підкладці: / - підкладка; 2, 4 - витік і стік; 3 - епітак-сіальная р-область; 5, 8-шини металізації; 6 - подзатворного тонкий діелектрик; 7-затвор.

МДП-структури на діелектричній підкладці володіють істотно більш високою швидкодією в порівнянні з аналогічними структурами на кремнієвій підкладці і дозволяють, крім того, кілька заощадити площа при створенні МДП БІС.