Главная » Мануалы

1 2 3 4 5 6 7 8 ... 20




JSILMM

Рис. 2.53. Ленты-носители кристаллов с паучковыми выводами:

а - гибкая лента со сформированными из фольги выводами: б - леита-носитель с установленными крист! ламн БИС и присоединенными выводами; в - конструкция ленты-носителя; /-столбиковый вывод; 2~ паучковый алюминиевый или медный вывод; J-полиимидная пленка-нос| тель; кристалл; 5-контактная площадка для контроля параметров микросхемы; 6-перфорацион! отверстие, 7- защитный компаунд

ВЫВОДОВ в нанесенной на гибкую ленту-носитель медной или алюм ниевой фольге. Чаше других используются конструкции паучковы выводов, сформированные на основе полиимидной пленки толщин 40...50 мкм с накатанной на пленку медной фольгой толщиной 35 мкм. Для закрепления фольги на пленке перед накаткой на ленту наносят специальные клеи или адгезивы. Формирование паучковых выводов осуществляется после фотолитографии травлением медной фольги. Помимо перфорированных отверстий в полиимидной пленке локал но протравливают сквозные отверстия, над которыми нависают вне! ние концы паучковых выводов и через которые осуществляется пр соединение паучковых выводов микросхемы к коммутационной плаТ при сборке аппаратуры. Для контроля параметров микросхемы на концах выводов предусматриваются контактные площадки.

Присоединение паучковых выводов к кристаллу ИС приходится проводить с использованием промежуточных жестких шариковых и столбиковых выводов (рис. 2.51, б) из-за невозможности присоед нения плоского вывода к контактной площадке через окно в слое з щитного диэлектрика. Перспективна конструкция паучковых выв^

дов, на внутренних, обращенных к кристаллу, концах которых имеются обтравленные выступы толщиной около 30 мкм, благодаря которым отпадает необходимость в формировании жестких выводов (рис. 2.54). Кроме того, на внешних концах паучковых выводов можно сформировать утолщение, доводящее толщину паучкового вывода до 60...70 мкм, повышающее его жесткость.

Обычно внешние выводы микросхемы присоединяются

Рис. 2.54. Паучковые выводы с контактными выступами

К контактным площадкам, расположенным на рабочей поверхности кристалла там, где сформированы все ее элементы. Это неудобно, так как, во-первых, контактные площадки занимают большую площадь кристалла (что видно из рис. 2.43 и рис. 2.44), во-вторых, операция присоединения внешних выводов часто отрицательно сказывается на параметрах и надежности микросхем, в-третьих, монтаж и сборка бескорпусных микросхем на коммутационных платах при таком одностороннем расположении контактных площадок часто затруднены.

Было бы желательно для формирования контактных площадок использовать нерабочую сторону кристалла и найти способ создания электрического соединения с ними элементов микросхемы через его толщу. Предложено несколько вариантов создания проводящих каналов через кристалл.

Метод термомиграции. Каналы создаются проплавлением алюминия через кремниевую пластину под действием градиента температуры. Если локально нанести островки алюминия на рабочую сторону кремниевой пластины, нагреть пластину до температуры выше 577 °С, создать в ней градиент температуры, так чтобы на нерабочей стороне была более высокая температура, чем на рабочей, то на поверхности в месте контакта алюминия с кремнием образуется зона жидкого эвтектического сплава (рис. 2.42), которая будет перемещаться в направлении более горячей стороны пластины. Процесс термоградиентной зонной миграции (ТГЗМ) происходит за счет растворения атомов кремния на горячей стороне расплавленной зоны, диффузионного переноса их через эту зону и осаждения на холодной стороне зоны. В результате ТГЗМ в кремнии п-типа образуются каналы р-типа с выходами на нерабочую сторону подложки. Скорость ТГЗМ при 1100 °С и градиенте температуры 50 °С/см составляет 3 мкм/мин, т. е. формирование сквозного проводящего канала завершится в течение нескольких десятков минут.

При ТГЗМ происходит увеличение поперечного размера проводящего канала, но незначительное, составляющее 3...5 мкм при тол-




Рис. 2.55. Сквозные проводящие каналы в кристаллах полупроводниковых БИС, сформированные методом термомиграции алюминия в кремниевой подложке п-типа (о), методом прожигания отверстий лазерным лучом с последующим заполнением металлом в сапфировой (б) н кремниевой (в) подложках

Рнс. 2.56. Фрагмент топологии микросхемы с фигурами совмещения

щине пластин 200...400 мкм. Концентрация примеси в канале приблизительно соответствует растворимости алюминия в кремнии при эвтектической температуре, что соответствует удельному сопротивлению р=0,005 Ом-см. Создание проводящих каналов целесообразно проводить до начала формирования элементов в полупроводниковой микросхеме. Градиент температуры в пластине обычно создают путем ее одностороннего нагрева. Термомиграцию проводят при 1100... 1300 °С с градиентом температуры по толщине пластины 50... 150 °С/см. Для получения каналов п-типа в кремнии р-типа в качестве легирующего и создающего движущуюся жидкую зону материала можно использовать сплав олово - сурьма.

Методы лазерного прожигания отверстий. Лучом лазера можно прожигать сквозные отверстия в кремниевых и сапфировых подложках 0 200 мкм, они легко могут быть заполнены жидким проводящим материалом за счет капиллярного эффекта. В кремниевых подложках перед заполнением отверстий проводящим материалом их стенки легируют подходящей примесью, с тем чтобы изолировать проводящие каналы от подложки с помощью р-п перехода (рис. 2.55).

Создание сквозных проводящих каналов, соединяющих рабочую и обратную стороны кристалла, позволяет осуществить их сборку в этажерочную конструкцию. Благодаря этому можно перейти к старой идее создания микроэлектронной аппаратуры в виде этажерочных микромодулей (см. гл. 1), но на новом уровне, когда каждый этаж будет содержать не один или несколько электрорадиоэлементов, а уже целое устройство в виде БИС или СБИС.

2.11. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МИКРОСХЕМ

Фигуры совмещения необходимы для точного выполнения операции совмещения рисунка фотошаблона при фотолитографии с рисунком ранее созданных слоев. Их число на единицу меньше количества операций фотолитографии, использованных при изготовлении микросхемы. Фигуры совмещения могут иметь форму треугольника, квадрата, креста (рис. 2.56) и т. д.

Ключ - это какая-либо конструктивная особенность первой контактной площадки или других элементов микросхемы, расположенных вблизи первой контактной площадки, позволяющая без тру-


а распознать ее и отличить от других. Это необходимо для правильной ориентации кристалла при размещении его в корпусе микросхемы и в процессе присоединения выводов. На рис. 2.43 ключом является специфичная геометрия первой контактной площадки с двумя токо-растекателями, а на рис. 2.44 ключом является крестообразная отметка (часть фигуры совмещения).

Тестовые элементы - резисторы, диоды, транзисторы - могут быть включены в состав микросхемы для контроля результатов технологических операций по электрофизическим характеристикам отдельных слоев транзисторных структур или для контроля результатов всего технологического маршрута по данным о полученных параметрах тестовых элементов. Например, о результатах операции базовой диффузии можно судить по сопротивлению тестового резистора, а результаты технологического процесса в целом дают измерения параметров тестового транзистора (рис. 1.17, б, рис. 2.4). В последнем случае с помощью зондов путем задания набора тестовых сигналов можно получить информацию о таких рабочих характеристиках транзистора, как напряжение пробоя р-п переходов, коэффициенте усиления, токах утечки и т. д.

Как правило, дополнительно в центре каждой кремниевой пластины и еще в четырех точках располагаются специально разработанные тестовые структуры (рис. 2.57). Они являются, по существу, спутниками, свидетелями и позволяют проводить межоперационный тестовый контроль и контроль микросхем на пластине, не разделенной еще на кристаллы. Измерения параметров элементов и электрофизических, оптических и других характеристик отдельных полупроводниковых или пленочных структур дают информацию о поверхностном сопротивлении, контактном сопротивлении между слоем металла и полупроводника, толщине окисной пленки и т. д. Тестовые структуры позволяют использовать многопозиционное контрольно-измерительное оборудование с многозондовыми головками и получить данные о свойствах и параметрах рабочих элементов и Структур на пластине.

Статистические методы обработки результатов позволяют по Данным тестового контроля составлять объективную оценку технологических операций и маршрутов, прогнозировать процент выхода годных микросхем и т. д.




Рис. 2.57. Тестовые структуры: о-топология тестовой структуры; б - расположение на полупроводниковой пластине

Необходимость создания специальных тестовых структур опреде ляется очень малыми размерами активных областей элементО! микросхемы, параметры которых можно контролировать только посл( изготовления контактов и контактных площадок. В тестовых струк турах размеры отдельных областей элементов микросхемы, окон i окисле, контактных площадок выбираются такими, чтобы без труда! можно было провести измерения с помощью системы зондов. :

Глава 3. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ НА МДП-ТРАНЗИСТОРАХ

Интегральные микросхемы на транзисторах со структурой металл - диэлектрик - полупроводник получили широкое распространение, и их производство составляет значительную долю продукции электронной промышленности. Они занимают доминирующее положение при выпуске таких изделий микроэлектроники, как полупроводниковые оперативные и постоянные запоминающие устройства, БИС электронных микрокалькуляторов, БИС микропроцессорных наборов.

3.1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ МДП-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 транзисторов основано на перемещении только основных носителей заряда в полупроводниковом материале, в связи с чем эти транзисторы называют униполярными в отличие от биполярных, использующих оба типа носителей.

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

В то же время БИС на МДП-транзисторах уступают БИС на биполярных транзисторах в технологической воспроизводимости, стабильности параметров и быстродействии.

МДП-транзистор имеет четыре электрода: исток, сток, затвор и подложку (см. рис. 1.14). Полупроводниковая область, от которой начинается дрейф основных носителей, называется истоком, область, в которой осуществляется дрейф основных носителей и амплитудная модуляция дрейфового тока,-каналом, область, к которой под действием поля движутся (дрейфуют) основные носители,- стоком, металлическая или полупроводниковая область, используемая для создания модуляции дрейфового тока,- затвором. Подложка является конструктивной основой МДП-транзистора.




Рис. 3.1. Конструкция транзистора

МДП

Области истока и стока одного типа электропроводности формируют на некотором расстоянии /к друг от друга локальной диффузией или ионным легированием (рис. 3.1). Они самоизолированы друг от друга р-п переходами. Между ними поверх слоя диэлектрика расположен затвор, выполненный из проводящего материала.

Принцип действия МДП-транзисто-ра основан на эффекте модуляции электропроводности поверхностного слоя полупроводникового материала, расположенного между истоком и стоком. Этот эффект вызывают наложением поперечного электрического поля в пространстве между проводящим затвором и полупроводниковым материалом (подложкой) за счет напряжения, подаваемого на затвор. Тип электропроводности канала обязательно совпадает с типом электропроводности областей истока и стока. Так как тип электропроводное--ти истока, стока и канала противоположен типу элeктpoпpoвoднocт^ подложки, то сток, исток и канал образуют с подложкой р-п переход,

В зависимости от типа основных носителей тока в канале раз- личают п-канальные и р-канальные МДП-транзисторы. По конструктивно-технологическому исполнению МДП-транзисторы подраз-Ш деляют на две разновидности: со встроенным и с индуцированнылШ каналами (рис. 3.2). Встроенный канал предусмотрен конструктивнее и создается на этапе производства транзистора легированием при поверхностной области между истоком и стоком.

Создавая электрическое поле в структуре металл - диэлектрик -: полупроводник, можно управлять электропроводностью канала соответственно током, протекающим между истоком и стоком. Так при отрицательном относительно п-канала напряжении на затвор в канале у границы полупроводника с диэлектриком концентраци электронов снижа,ется и проводимость канала уменьшается (режи обеднения) (рис. 3.2, а). В р-канальном МДП-транзисторе в завис! мости от величины и полярности напряжения на затворе наблюда ся обеднение (Из>0) или обогащение (1/з<0) канала дыркам (рис. 3.2, б).

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом (рис. 3.2, t при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует.

Рассмотрим качественно принцип действия транзистора с индуш рованным каналом п-типа (рис. 3.2, в). Пусть транзистор включ так, что на подложку подается самый отрицательный потенциал, а i затвор 0. В результате р-п переходы исток-подложка и сток-подложка будут смещены в обратном направлении. Ток через обра

и 3 с

\.....

п-нпнал

p-Si

П И

и 3 с

-0/7

р-канал

n-Si


р-на нал

n-Si

И

п

Рис. 3.2. Структуры н условные обозначения МДП-транзисторов; со встроенными 11-{а) н р-каналом (б), с индуцированными л-(в) и р-каналом (г);

и - исток; 3 - затвор; с - сток; П - подложка

но-смещенный р-п переход мал, что соответствует высокому сопротивлению между областями исток - сток. И если к областям исток - сток подключить питание, ток носителей от истока к стоку будет ничтожно мал, т. е. транзистор будет закрыт. Обратим внимание на то, что структура затвор-диэлектрик-полупроводник подобна конденсаторной структуре, и приложим к затвору положительный потенциал. Под его действием в окисле и тонком приповерхностном слое проводника будет создано электрическое поле с напряженностью, пропорциональной напряжению на затворе и обратно пропорциональной толщине диэлектрика. Под действием этого поля электроны, имеющиеся в подложке, будут притягиваться к поверхности полупроводника, а дырки отталкиваться. Тем самым будет изменяться концентрация носителей в тонком приповерхностном слое (4...5 нм) полупроводника между областями исток - сток. Вначале образуется слой, обедненный акцепторами, а затем, по мере роста положительного смещения на затворе, инверсионный слой электронов. При некотором напряжении на затворе, именуемом пороговым (С/о), между истоком и стоком образуется проводящая область - канал - с очень низким сопротивлением. Транзистор будет открыт. После этого ток стока принимает определенное значение при определенном напряжении на затворе. Поскольку входной управляющий ток (в цепи затвора) ничтожно мал по сравнению с управляемым (в цепи исток - сток), получается значительное усиление мош,ности, гораздо большее, чем у биполярных транзисторов. МДП-транзистор является эффективным усилительным прибором.

Электрическое сопротивление канала зависит от его длины U и ширины &к, оно модулируется напряжением на затворе и^ и зави-



сит от напряженности наведенного поля в полупроводнике, обратно пропорционально толщине диэлектрика Лд и прямо пропорционально диэлектрической проницаемости диэлектрика £д.

Таким образом, для формирования индуцированного канала в п-канальном транзисторе на затвор необходимо подать положитель- ное напряжение определенной величины, а в р-канальном - отрицательное. Транзисторы с индуцированным каналом работают только в режиме обогащения.

Исток и сток в принципе обратимы, и их можно менять местами при включении транзистора в схему. В этом случае при симметричной структуре транзистора (сток и исток могут различаться формой, размерами, площадью) его параметры сохраняются.

Здесь целесообразно остановиться на нежелательном явлении возникновения индуцированных каналов в полупроводниковых структурах под действием положительного электрического заряда в окисле. Этот заряд возникает при формировании окисла на поверхности полупроводникового материала любого типа проводимости и обусловлен внедрением в него из окружающей атмосферы, материалов технологической оснастки и оборудования положительных ионов щелочных и щелочноземельных металлов. Он получил название встроенный заряд. Расположение такого заряда над полупроводником р-тина электропроводности приводит к увеличению в его приповерхностном слое числа электронов и уменьшению концентрации дырок. При значительной величине встроенного заряда и малой концентрации акцепторной примеси в полупроводнике это приводит к самопроизвольному образованию вблизи границы окисел - полупроводник индуцированного канала. Именно это явление долгое время препятствовало созданию эффективной технологии производства микросхем на п-канальных МДП-транзисторах. Получалось, что некоторые (или даже все) транзисторы оказывались во включенном состоянии в отсутствие потенциала на затворе. При производстве микросхем на р-канальных транзисторах встроенный заряд в окисле вызывает некоторое обогащение поверхности полупроводника электронами и несколько повышает отрицательное напряжение на затворе, необходимое для формирования канала р-типа электропроводности. Именно благодаря этому первые МДП-микросхемы были созданы на р-канальных транзисторах, хотя заранее было известно об их сравнительно небольшом быстродействии, так как дырки в кремнии менее подвижны, чем электроны.

Образование индуцированных каналов в областях р-типа электропроводности часто препятствует формированию работоспособных структур и в технологии изготовления микросхем на биполярных транзисторах (см. гл. 7).

Для борьбы со встроенным зарядом с целью снижения концентрации в окисле положительных ионов принимаются различные конструктивные и технологические меры: покрытие окисла тонким слоем гетерирующего ионы щелочных и щелочноземельных металлов фосфоросиликатного стекла (1...4% Р2О5), проведение процесса формирования окисла в хлорсодержащей среде и др. Очень важны с точки зрения производства структур, исключающих самопроизвольное формирование индуцированных каналов, соблюдение требований гигиены производственных помещений, технологического оборудования и обслуживающего персонала.

Помимо деления МДП-транзисторов по основному признаку - способу формирования и типу электропроводности проводящего канала - существует и более детальная классификация, учитывающая конструктивно-технологическое исполнение МДП-транзисторов, например по материалу затвора (с алюминиевыми, молибденовыми, поликремниевыми затворами); сочетанию с другими элементами микросхеме, например комплементарные МДП-транзисторь^ (КМДП-транзисторы), т. е. взаимодополняющие, сформированные

одном кристалле р- и п-канальные транзисторы; по функциям, выполняемым в схеме, например активные и нагрузочные транзисторы.

Нагрузочные МДП-транзисторы используют в составе микросхем в качестве резисторов. Необходимое значение сопротивления канала этих транзисторов создается конструктивно (выбором геометрических размеров канала) и схемотехнически (подачей на его затвор потенциала определенной величины).

Каждый из четырех типов МДП-транзисторов (рис. 3.2) может быть использован в качестве нагрузки, а его подложка присоединена к источнику питания или нулевой шине. Затвор же 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 в инверторе.

Базовой схемой многих МДП^микросхем является инвертор - ключевая схема, содержащая активный транзистор и нагрузку, включенные между шиной питания и землей. С учетом 48 вариантов использования МДП-транзистора в качестве нагрузки и четырех вариантов схемного включения активного транзистора существует 192 варианта построения инверторов на основе двух МДП-транзисторов. В настоящее время используются лишь немногие из них: с линейной, нелинейной, квазилинейной, токостабилизирующей нагрузками и вариант инвертора на КМДП-транзисторах (рис. 3.3, а).

Некоторые из этих вариантов в дальнейшем нами будут рассмотрены с точки зрения конструктивного и технологического их исполнения.

МДП-транзисторы могут служить в схеме и в качестве конденсаторов, для чего можно использовать емкости структур затвор - подложка или емкости обратносмещенных р-п переходов сток (исток)- подложка.

Таким образом, МДП-транзистор может быть основным и единственным элементом МДП-микросхем. Он может выполнять функции как активных приборов (ключевой транзистор в инверторе, усили-

. .VU1 J

Вход о-

VT1 Выход


.... VB1

Рис. 3.3. Электрическая схема инвертора с входной шиной, подключенной к охранным диодам (а), и конструкции шины с охранными диодами (б)



тельный транзистор), так и пассивных элементов (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в элементе памяти). При проектировании МДП-микросхем можно обходиться только одним элементом - МДП-транзистором, конструктивные размеры которого и схема включения будут зависеть от выполняемой функции. Это обстоятельство дает существенный выигрыш в степени интеграции (полупроводниковые резисторы и конденсаторы занимают большую площадь и требуют для себя отдельную изолированную область, кроме того, наличие пассивных полупроводниковых элементов влечет з, собой появление дополнительных паразитных элементов, в частност паразитных емкостей, существенно ухудшающих частотные свойств, микросхем).

3.2. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МДП-МИКРОСХЕМ

Вспомогательные элементы в МДП-микросхемах предусматриваются для защиты приборов от воздействия статического электричества в процессе их производства и эксплуатации, а также для борьбы с паразитными каналами.

Охранные диоды предусматриваются во входных цепях МДП-микросхем и предназначены для предотвращения пробоя подзатвор-ного диэлектрика под действием зарядов статического электричества, накапливающегося на одежде и руках операторов, на инструменте монтажника и технологической оснастке. Заряд этот может быть любого знака. Диоды VD1 и VD2 (см. рис. 3.3), подключенные к входной шине инвертора, позволяют положительному заряду стекать через киод VD1, а отрицательному - через диод VD2. При проекти ровании охранных диодов необходимо обеспечить высокое напряже ние прибоя р-п переходов диодов (более 2t/ n) и малые паразитньк емкости. Первое требование выполняется использованием в качеств! одной из областей диода VD1 низколегированной подложки, а дл1 диода VD2 - низколегированной р-области. Второе требование вы полняют минимизацией площади р-п переходов.

Недостатками рассмотренной схемы защиты и конструкций охранных диодов являются уменьшение входного сопротивления МДП микросхемы и появление входного тока утечки, а также то, что пр Uax>Ua.n. через входную цепь могут протекать большие токи, чт приводит к разрушению диодов. Часто используют и более простые схемы защиты с одним охранным диодом (рис. 3.4).

Охранные кольца. При наличии положительного встроенного заряда в толстом окисле и положительного потенциала на алюминиевых шинах разводки создаются условия для формирования паразитного индуцированного п-канала в приповерхностных участках крем ния р-типа электропроводности с низким уровнем легирования. Уве личение толщины диэлектрика йт.д (рис. 3.1) над опасными участкам!


р-канальный транзистор

п-канальный транзистор

ш

...... У


А-А

Рис. 3.5. Охранные кольца в структуре инвертора с п- и р-ка-нальным транзисторами:

/ - область фор.чирования паразитного канала р-типа; 2- область формирования паразитного канала п-типа; п^-об-ласти охранного кольца; 4-р + -областн охранного кольца

Рис. 3.4. Конструкция п-канального транзистора с охранным диодом:

/-подложка г-типа; 2. 7-алюминиевые шины; 3, 6-области истока и стока; -алюминиевый затвор; 5- подзатворный окисел; 8- контакт истока с подложкой; 9- охранный диод; 10- катод защитного диода; -толстый окисел

не всегда возможно и не всегда гарантирует отсутствие паразитного канала.

Эффективным средством против возникновения сквозных паразитных каналов является формирование кольцевой каналоограничи-вающей р+-области, в которой инверсия проводимости вследствие высокого уровня легирования поверхности практически невозможна. Для полного исключения возможности формирования паразитного канала на р+-область охранного кольца можно подать самый низкий потенциал схемы (рис. 3.5).

Паразитный р-канал может образоваться между р+-областью истока р-канального транзистора и р-областью, в которой расположен п-канальный транзистор, при отрицательном потенциале на алюминиевом проводнике. Вероятность появления этого канала тем выше, чем ниже уровень легирования п-подложки. Охранная кольцевая область п+-типа, соединенная с точкой схемы, имеющей самый высокий потенциал ( + f/ n), предотвращает появление сквозного паразитного канала на этом участке схемы.

Применение охранных колец существенно увеличивает площадь элементов и снижает степень интеграции МДП-микросхем.

3.3 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ И ИХ СВЯЗЬ С КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Основными для МДП-транзисторов являются стоковая характеристика I(.=f{Uc) при fy3=const и стоко-затворная характеристика с-КС1з) при t/c=const (рис. 3.6). Основные электрические парамет-





Рнс. 3.6. Схемы включения (а), стоковые (б) и стоко-затворные (в) статические характеристики п- и р-канальиых МДП-транзисторов

ры МДП-транзисторов: пороговое напряжение Uq, крутизна S, удельная крутизна So, дифференциальное сопротивление канала постоянная времени канала Тк, входное сопротивление Rax-

Конструктивно-технологические варианты исполнения МДП-транзисторов приводят к получению различных электрических параметров. Для улучшения электрических характеристик интегральных микросхем на МДП-транзисторах, в первую очередь для повышения их быстродействия, необходимо снижать пороговые напряжения МДП-транзисторов и увеличивать удельную крутизну их характеристик. Каждый технологический способ изготовления МДП-транзисто-1 ров оценивается прежде всего с точки зрения улучшения именно этих гтараметров.

Способ изготовления МДП-транзисторов характеризуется прежде! всего следующими конструктивными параметрами МДП-структур (см. рис. 3.1): длиной канала /к, его шириной и толщиной подзат-! ворного диэлектрика Лд. Физическая структура МДП-транзистора характеризуется следующими электрофизическими napaMerpaMHj j типом электропроводности и концентрацией примеси в исходной! кремниевой пластине No, см~, однозначно связанных со значениями -! удельного объемного сопротивления кремния р„. Ом-см; подвиж-Г ностью носителей (электронов или дырок) в канале МДП-транзисто-1 ра \in или (.ip, см/(В-с); концентрацией поверхностных состояний! iVnoB, см; диэлектрической проницаемостью материала подзатвор-! ного диэлектрика Ед; электрофизическими характеристиками мате- риала затвора.

Рассмотрим вначале качественно связь электрических параметра ров МДП-транзисторов и конструктивно-технологических парамет-J ров МДП-структур.

Прежде всего для снижения порогового напряжения следует повысить напряженность электрического поля зазора металл - полу-

проводник, т. е. в подзатворном диэлектрике. Это можно сделать, уменьшив толщину подзатворного диэлектрика Лд, а также подобрав диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью ёд. С этой же целью, чтобы облегчить формирование инверсионного проводящего канала при меньших значениях Uo, используют слаболегированную подложку с высокими р„.

Существенное влияние на пороговое напряжение оказывает плотность поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик - полупроводник и связанный с ней заряд.

Причинен возникновения этого заряда является то особое положение, в котором находятся поверхностные атомы любого кристалла. На поверхности происходит обрыв рядов атомов кристаллической решетки, поверхностные атомы имеют так называемые оборванные (ненасыщенные) связи. Это означает, что на зонной энергетической диаграмме имеются дискретные разрешенные уровни, связанные с наличием поверхностных атомов. Эти уровни были открыты'акад. Иг. Евг. Таммом в 1932 г, и носят название уровней Тамма. Плотность этих уровней и определяет плотность поверхностных состояний. Электроны могут занимать уровни Тамма, т. е. локализоваться у поверхности, образуя некоторый поверхностный заряд. Естественно, что плотность поверхностных состояний завнсит от населенности поверхности полупроводника атомами, т. е. от кристаллографической ориентации поверхности кремния. В кремнии наиболее плотно заселены плоскости (111). Меньшую заселенность имеют пластины кремния с ориентацией (100). Вероятность перехода электронов на уровни Тамма зависит от взаимного расположения в запрещенной зоне полупроводника уровня Ферми и поверхностных >ровней.

В зависимости от типа электропроводности области канала заряд, вызванный наличием поверхностных состояний, может либо способствовать (п-канальные транзисторы), либо препятствовать (р-канальные транзисторы) образованию канала.

Сопротивление канала и связанная с ним удельная крутизна выходной характеристики транзистора зависят от подвижности носителей в канале ц и, конечно, от его размеров и k. Но в случае МДП-транзисторов сопротивление канала зависит от величин и ед, которые при заданном напряжении на затворе влияют на концентрацию носителей в канале.

Выявим связь параметров Uo, S, So и R с конструктивно-технологическими параметрами, анализируя стоковые и стоко-затворные характеристики МДП-транзистора в схеме включения с общим истоком (рис. 3.6, а), наиболее распространенной в микросхемах.

Семейство стоковых характеристик МДП-транзисторов приведено на рис. 3.6, б для п-канальных (первый квадрант рис. 3.6, б) и Р-канальных (третий квадрант) транзисторов. Условно каждую стоковую характеристику можно разделить на два участка: крутой и пологий. На пологом участке характеристики ток стока достигает Максимального для данного напряжения затвора значения. Причиной такого поведения стоковых характеристик является характер распределения зарядов в областях МДП-транзистора при различных напряжениях затвора и стока относительно истока (рис. 3.7). Приложение к затвору напряжения U3XJ0 при Uc = 0 приводит к формированию в подзатворной области полупроводника однородного по тол-



© ©о©

©+©+©+©+© ©+©+©+©+©

© © © ©

©+©+©+©+©+©+©+©+©+©+©+©+в^

- © 0 ©

0000/---

SQ©0 © © ©

© © ©

ИнёерсионньЩ-слой

Обедненная область

© © ©

h + + + + + +/+ + + -©--©-©-e-J

©©©©/©

\© © © ©

©+©+©+©+©+©+©+€)+©+©+©+©+©< if


Рис. 3.7. Распределение концентрации зарядов в областях п-канального МДП-траи знстора:

а) uU=ti; б) -U>Uo, Wc = 0; в) - 1/з> U>0: г) -и^>и„. Uf:>U-Ua

щине и другим характеристикам инверсионного слоя. При полож! тельном потенциале стока f/c>0 по каналу от стока к истоку теш ток. Канал и объемный заряд в подложке в этом случае имеют пер менное сечение (рис. 3.7, в): у области стока минимальная толщин канала и максимальная толщина слоя объемного заряда. Это обу ловлено изменением разности потенциалов затвор - канал и к нал - подложка по длине канала. Когда разность потенциалов канале вблизи стоковой области будет равной U3 - Uc=(Jo, прои ходит перекрытие канала у стока областью объемного заряд (рис. 3.7, г). Накануне перекрытия (Us - UcUq) ток достигает ма симального уровня (режим насыщения). Границу насыщения на сто ковой характеристике характеризуют напряжением насыщения Uc ac=U3-Uo (рис. 3.6, б).

Аналитически крутой участок (f/cfCHBc=f3-fo) стоковой характеристики выражают уравнением

гоКг. . 21 (3.1)

c=[2c(3-tc)-a.

к

а пологий учаЬток {Uc>UcHac=U3-Uo) уравнением

В этих уравнениях через Сз о обозначена удельная емкость затв ра относительно канала, определяемая выражением

30=0

остальные величины известны.

По существу уравнение (3.2) представляет собой выражен геометрического места точек, в которых наступает насыщение

ковых характеристик (штриховая линия на рис. 3.6, б). Семейство стоко-затворных характеристик дано на рис. 3.6, в. Начало характеристик лежит в точке Uo. При стоковых напряжениях, больших (Уснас, эти характеристики практически сливаются.

Усилительные свойства МДП-транзистора характеризуются крутизной его стоко-затворной характеристики в области насыщения:

Снвс~0 Снвс

(3.4)

(3.5)

где So - удельная крутизна.

Из выражений (3.4), (3.5) видно, что для увеличения крутизны необходимо уменьшить толщину подзатворного диэлектрика Лд, увеличить ширину канала Ьк и уменьшить его длину / .

Для крутого участка стоковой характеристики сопротивление канала /? можно определить из выражения (3.1) по формуле

(3.6)

При определении сопротивления канала на участке насыщения стоковой характеристики используют эмпирическую формулу:

где So - удельная крутизна, определяемая экспериментально, показатель степени п зависит от технологии изготовления МДП-транзисторов, его значения лежат в интервале 1...2.

Пороговое напряжение связано с электрофизическими параметрами МДП-структуры следующими соотношениями: для р-канального транзистора

ДЛЯ га-канального транзистора

о=-Фмп--с^+7+2ффг

(3.8а)

(3.86)

В этих формулах фмп - контактная разность потенциалов металла и полупроводника, определяемая разницей в их работах выхода (значение ф^п при использовании алюминиевого затвора можно найти из зависимостей данных на рис. 3.8); Qss - qNnoB - плотность заряда поверхностных состояний на границе полупроводник-диэлектрик, где - заряд электрона, УУпов - плотность по-

4 Звк. 918



верхностных состояний; Q - это плотность объемного пространственного заряда в полупроводнике, определяемая выражением:

Qn=j2BqN. (3.9)

Формулы (3.7) ...(3.9) дают связь величины Uo с концентрацией легирующей примеси в подложке Nn и фф, -потенциалом, зависящим от положения уровня Ферми в полупроводнике относительно середиг ны запрещенной зоны, который вычисляется по формуле фф,= = С(>г1п(Л/п/м/), где (ft - температурный потенциал {0,026 В), п, - концентрация собственных носителей в полупроводнике (для Si;2-10° см ).

Из формул (3.8а) и (3.86) видно, что пороговое напряжение п-канального транзистора ниже, так как для него в формуле (3.86) два последних слагаемых меняют знаки на обратные. Существенным резервом понижения пороговых напряжений является уменьшение разности потенциалов фмп (подбором материала для затвора и уменьшением плотности поверхностных состояний jVnoB за счет качества обработки поверхности и выбора ориентации кристаллической решетки материала пластины).

Существует большое число факторов, влияющих на быстродействие (скорость переключения) МДП-транзисторов. Главные из них имеющиеся в транзисторе паразитные емкости и сопротивления (рис. 3.9). Ток стока во времени изменяется медленно при мгновенном изменении входного напряжения, так как при изменении входного напряжения на затворе паразитные емкости начинают заряжаться или разряжаться через паразитные сопротивления. Чем больше значения этих паразитных элементов, тем медленнее проходит процесс заряда или разряда. Довольно велики емкости между диффузионными областями и затвором Сзс и Сзи и между диффузионными областями и подложкой Спс и Спи- Параметры паразитных элементов уменьшаются с уменьшением размеров транзистора, увеличением точности формирования конфигурации затвора и совмещения его с областями истока и стока, с созданием самосовмещенных областей затвора, стока и истока.

-0,1 -0,8 -,2

<

п

р


Рис. 3.8. Зависимость контактной разности потенциалов в МДП-сгруктурах с алюминиевыми затворами от типа электропроводности и степени легирования кремния

Рнс. 3.9. Паразитные элементы в МДП-транзисторе

3.4. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗНОВИДНОСТИ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ

Конструкции МДП-транзисторов в микросхемах с алюминиевой металлизацией. Вариант конструкции активного транзистора с прямоугольным каналом и со средним значением крутизны стоко-зат-ворной характеристики представлен на рис. 3.1. Под алюминиевым затвором находится тонкий слой термически выращенного окисла кремния (0,05...0,10 мкм). За пределами области канала толщина окисла составляет 1 мкм. Этот сравнительно толстый слой окисла выполняет функции защитного диэлектрика, позволяет существенно снизить значения паразитных емкостей сигнальных шин и повысить пороговое напряжение паразитных МДП-транзисторов (рис. 3.10) в местах прохождения алюминиевых проводников над диффузионными шинами питания.

В нагрузочных транзисторах значение крутизны стоко-затворной характеристики может быть небольшим, и соответственно отношение длины канала к его ширине выбирается таким, чтобы при заданной крутизне нагрузочный транзистор занимал минимальную пло-

2 1

Г|1

~1 -тл---

II II

Рис. 3.10. Чертеж топологии (а) н электрическая схема (б) паразитного р-канального МДП-транзистора:

/-алюминиевая шина, 2-толстый окисел, J-диффузионные шины

А-А


3 с

с,з

Рис. 3.11. Конструкция (а) и электрическая схема (б) нагрузочного р-канального МДП-транзистора


Рис. 3.12. Конструкция МДП-транзистора с П-образным каналом



щадь (рис. 3.11). В том случае, когда для обеспечения высоких значений крутизны характеристик активного транзистора отношение йк к должно быть равно или больше 20, с целью экономии площади рекомендуется П-образная форма канала (рис. 3.12).

Для повышения степени интеграции в микросхемах, требующих последовательного и параллельного соединения транзисторов, области истоков или стоков МДП-транзисторов могут быть объединены (рис. 3.13). На рис. 3.14 приведена конструкция инвертора, в которой диффузионная область стока активного VT1 и истока нагрузочного VT2 МДП-транзисторов объединены.

Освоение производства р-канальных МДП-транзисторов с индуцированным каналом и алюминиевым затвором позволило получить следующие параметры МДП-структур: минимальная длина канала 10...12 мкм (по затвору 20 мкм), глубина залегания р-п переходов 2,5 мкм, боковая диффузия под окисел 2 мкм, толщина подзатворного диэлектрика 0,12...0,15 мкм, напряжение питания 12 В, пороговое напряжение (-4+0,5) В, удельное поверхностное сопротивление диффузионных областей истока и стока и диффузионных шин 50... 100 Ом/П, пробивное напряжение р-п переходов областей истока и стока свыше 30 В, пороговое напряжение паразитных транзисторов

Л> 31 cm 32 С2

а

ш

щ


Рис. 3.13. Фрагменты топологии (а, в) и электрические схемы (6. г) при параллельном (а, б) и последовательном (в, г) включении траизисторов рчллельном


VTi Bxaaj

Выход -о

Рис. 3.14. Конструкция (а) и электрическая схема (б) инвертора на МДП-транзисгорах с неяииейиой нагрузкой и алюминиевой мегаллизацией

свыше 40 В, подвижность дырок в канале около 200 см/(В-с), плотность поверхностных состояний 10 ...10 см~. На таких структурах были созданы одни из первых логических интегральных МДП-микросхем с минимальным временем задержки.на вентиль 80... 100 не и основным показателем качества микросхем - произведением мощности на задержку 60...80 пДж. Хорошо отработанная технология производства и меньшая стоимость способствуют тому, что микросхемы на р-МДП-транзисторах выпускают до сих пор, несмотря на худшие характеристики.

Усовершенствование технологических операций, в первую очередь тех, которые направлены на снижение встроенного в окисле заряда и плотности поверхностных состояний, привело к созданию интегральных п-канальных МДП-транзисторов. Преимуществами микросхем на таких транзисторах являются: повышенное в 2...3 раза быстродействие, совместимость по знаку и уровню питающего напряжения с ТТЛ-микросхемами на биполярных транзисторах.

Применение кремниевых подложек с рабочей поверхностью, ориентированной по кристаллографической плоскости (100), приводит к уменьшению плотности поверхностных состояний до 10 см и к еще большему снижению порогового напряжения.

Возможности управления пороговым напряжением расширяются, если использовать многослойный подзатворный диэлектрик. В этом случае в игру вступают дополнительный заряд на границе диэлектриков, объемный встроенный заряд дополнительного диэлектрика, заряд, обусловленный поляризацией диэлектриков.

МНОП-транзисторы. Одним из вариантов МДП-транзистора с многослойным диэлектриком является структура металл - нитрид кремния - окисел кремния - полупроводник (сокращенно - МНОП). Пленка нитрида кремния обладает высокой пассивирующей способностью (поскольку скорость дрейфа положительных ионов в нитриде на несколько порядков меньше, чем в окисле) и более высокой диэлектрической проницаемостью. Уже одно это позволило бы снизить пороговое напряжение на 1...1,5 В и повысить удельную крутизну.

Однако использовать один только нитрид кремния в качестве подзатворного диэлектрика оказалось невозможно из-за появления заряда на границе раздела кремний - нитрид кремния, зависящего от напряжения на затворе. Это приводит к непостоянству порогового напряжения приборов и к его гистерезису.

Использование МНОП-структуры позволило получить приборы, в которых эквивалентная толщина диэлектрика уменьшается примерно в полтора раза, пороговое напряжение снижается в среднем на 1 В. Эта же МНОП-структура при толщине пленки ЗЮг 0,005 мкм (5 нм) может быть использована в качестве элемента памяти в ППЗУ с электрическим стиранием и записью информации (см. § 3.6).

МОАП-транзисторы. Использование AI2O3 в качестве второго подзатворного диэлектрика обусловлено его способностью создавать



1 2 3 4 5 6 7 8 ... 20

Яндекс.Метрика