Главная » Мануалы

1 ... 3 4 5 6 7 8 9 ... 20

на границе с Si02 встроенный отрицательный заряд, что позволяет получать л-канальные приборы с индуцированным каналом, работающие в режиме обогащения при пороговом напряжении, примерно равном +1 В.

Конструкции МДП-транзисторов с поликремниевыми затворами.

В МДП-транзисторах с алюминиевым затвором имеются значительные по площади области перекрытия затвора с областями истока и стока (см. рис. 3.1), что, с одной стороны, необходимо для надежного обеспечения формирования канала транзисторов, с другой - приводит к наличию .паразитных емкостей Сзи и Сзс, снижению быстродействия МДП-микросхем. Уменьшение размеров областей перекрытия затруднено ошибками совмещения фотошаблонов металлизации с областями истока и стока, т. е. разрешающей способностью фотолитографии по алюминиевой металлизации, которая не превышает ±1 мкм.

Использование поликремния в качестве материала затвора (рис. 3.15) позволило получить ряд существенных конструктивно-технологических преимуществ и значительно повысить параметры МДП-приборов.

Значительно уменьшена глубина залегания р-п переходов истока и стока (до 2...1 мкм) и боковой диффузии (до 0,6...1,4 мкм), а вместе с тем значительно уменьшены перекрытие затвором областей истока и стока и площади р-п переходов, и, таким образом, существенно снижены значения соответствующих паразитных емкостей. Наименьшие величины перекрытий получены при использовании ионного легирования при формировании областей истока и стока, однако сопротивление поликремниевых шин при этом остается высоким. Для увеличения проводимости шин используют комбинацию диффузионного и ионного легирования.

Совместимость материала затвора с материалами защитного слоя (например, поликремния и пиролитически нанесенного окисла кремния) позволила значительно сблизить контакты стока и истока.


/ 2 3

Рис. 3.15. Структура МДП-транзистора с поликремниевыми затворами:

/- подложка р-типа; 2. 3- диффузионные п^-об-ласти истока и диффузионных шин (первый уровень разводки), 4. 5, 7-алюминиевые контакты к истоку, затвору и стоку;. 6- поликремниевый затвор, 8- проводник из легированного поликремния (второй уровень разводки); 9-алюминиевая шина (третий уровень разводки); 10-межслойный диэлектрик (ЗЮг, БСС, ФСС)


12 3 Ч

Рис, 3.16, Структуры МДП-транзисторов с индицированным и встроенным каналами, истоки и стоки которых сформированы комбинацией диффузии и ионного легирования: /-подложка р-типа, 2-диффузионная л^ -об-ласть истока; 3-ионно-легированная н * -область истока; 4- встроенный ионно-легированный л-ка-нал; 5, 7 ,8 , 10, 11- алюминиевые выводы истоков, стоков и затворов; 6, 9- поликремниевые затворы

уменьшить размеры этих областей и всего прибора в целом, повысить степень интеграции МДП-микросхем.

Уменьшена ширина канала до 4...6 мкм за счет более точного формирования конфигураций истока, стока и затвора и меньшего перекрытия этих областей. Снижение толщины подзатворного диэлектрика до 0,07...0,1 мкм позволило резко увеличить крутизну характеристики транзисторов (3.5) и повысить быстродействие микросхем.

Применение поликремния в качестве материала затвора дает снижение контактной разности потенциалов фмп (3.8 а), (3.8 б) и уменьшение порогового напряжения. К этому же результату приводит уменьшение плотности заряда поверхностных состояний Qss благодаря эффективной защите подзатворного диэлектрика материалом затвора и отжиг этого диэлектрика при высоких температурах в процессе проведения операций легирования кремния. Снижение пороговых напряжений дало возможность перейти к использованию источников питания с рабочим напряжением 5 В, снизив потребляемую мощность БИС.

Освоение технологии изготовления МДП БИС с поликремниевыми затворами транзисторов, сочетающей диффузионное и ионное легирование, позволило создать в составе микросхем МДП-транзисторы ср встроенным каналом, работающие в режиме обеднения (рис. 3.16). Нагрузочные транзисторы п-МДП-типа со встроенным каналом обладают более высоким быстродействием, лучшей помехоустойчивостью и занимают вдвое меньшую площадь, чем нагрузочные транзисторы, работающие в режиме обогащения (см. рис. 3.11, 3.14) при той же потребляемой мощности.

Все указанные факторы в сочетании позволили создать МДП БИС с минимальной задержкой на один элемент 1...4 не и значительно уменьшить такой важный параметр, как произведение мощности на задержку (I...4 пДж), что уже вплотную подходит к аналогичным параметрам БИС на биполярных транзисторах.

Конструкции Д-МДП-транзисторов. Конструкция Д-МДП-тран-зистора (рис. 3.17, б) разработана специально для обеспечения высокого быстродействия за счет уменьшения длины канала до субмикронных размеров. Короткий канал получают по принципу формирования тонкой базы в биполярном транзисторе - за счет медленного, хорошо контролируемого и управляемого процесса диффузии (поэтому Д-МДП, т. е. диффузионный МДП-транзистор). В этом транзисторе (рис. 3.17, б) области канала р-типа и истока п'-тта формируются в процессе двух диффузий в одно и то же окно в окисной маске. Конструкция Д-МДП-транзистора не требует высокой точности совмещения затвора с областями истока и стока, как в обычном МДП-транзисторе. В связи с этим оказалась возможной реализация МДП-структур с длиной канала 0,4...1 мкм даже при ограниченных возможностях фотолитографического процесса по разрешающей способности. Короткий канал формируется в приповерхностной области




Рис. 3.17. Структура обычного -канального МДП-транзистора (а) и диффузионного; -канального Д-МДП-транзистора (б):

/- область канала; 2- область дрейфа электронов

Кремния р-типа электропроводности в промежутке между двумяР р-п переходами. Число носителей тока в этом индуцированном канале определяется напряжением на затворе, а скорость их перемещения - напряжением, приложенным между истоком и стоком. Произведение числа носителей на их скорость пропорционально току стока. В м-канальных Д-МДП-транзисторах при длине канала менее одного микрона электроны, инжектированные из области истока, даже при сравнительно небольших напряжениях на стоке приобретают значительную скорость.

В обедненной п-области между каналом и стоком при нормальных смещениях (С/с>(Ус ас) электроны, прошедшие канал, инжектируются в область объемного пространственного заряда, прилегающую к -области стока, и дрейфуют к стоку в сильном электрическом поле. Такая же область дрейфа существует и в обычных МДП-транзисторах при f/c>6c ac (рис. 3.7, г, 3.17, а).

Таким образом, несмотря на различия в конструкциях, принцип работы Д-МДП- и МДП-транзисторов одинаков. Но в производстве Д-МДП-транзисторов использованы достижения как биполярной технологии (малое расстояние между двумя р-п переходами), так и технологии изготовления МДП-структур (формирование тонкого подзатворного диэлектрика с малой толщиной, низкой дефектностью и плотностью поверхностных состояний).

Освоение технологии микросхем на Д-МДП-транзисторах с использованием эпитаксиальных структур позволяет, кроме того, формировать на одной и тон же подложке биполярные п-р-п-транзисторы , и изолированные вт них Д-МДП-транзисторы (рис. 3.18), что имеет ; исключительное значение для производства как аналоговых (например, операционных усилителей), так и логических микросхем.

Перекрытие электродом затвора обедненной области объемного заряда (рис. 3.17, б) дает лишь незначительный вклад в паразитную емкость Сзс, но наличие этой области позволяет повысить рабочее напряжение прибора до нескольких сотен вольт. Короткий канал и малая емкость Сзс позволили увеличить быстродействие микросхем с Д-МДП-транзисторами примерно в 5 раз при том же минимальном проектном геометрическом размере, что и в БИС на обычных МДП-транзисторах: значения времен переключения и задержки в ло-104


Рис. 3.19. Фрагмент структуры кристалла с V-образным углублением для формирования V-МДП-транзистора

Рис. 3.18. Структура планарно-эпитак-сиального Д-МДП-траизнстора:

7-дифф> чканн|.к' о6л^1Сти истока и стока; 2, 5- шины алюминиевой металлизации; 3- затвор; 4- подзатворный тонкий окисе.ч; 6- изолирующая об.аасть; 8- п-эпитаксиальный слой, 9- подложка. J0- область получаемая метолом двойной диффузии для формирования канала транзистора

гических микросхемах на Д-МДП-транзисторах составляют 1 не и менее. Пробивное напряжение Д-МДП-транзисторов составляет 300...400 В.

В связи с малой плотностью размещения элементов в кристалле маловероятно, что Д-МДП-транзисторы будут широко использоваться в БИС, но благодаря своим уникальным свойствам они найдут применение в быстродействующих переключающих устройствах с высоким рабочим напряжением и в устройствах большой мощности.

Конструкции V-МДП-транзисторов. Все рассмотренные ранее МДП-транзисторы имеют планарную конструкцию, т. е. являются двумерными. V-МДП-технология добавляет в конструкцию МДП-транзисторов третье измерение, позволяя формировать исток прибора под его затвором и стоком, а не рядом с ними. Это третье измерение дает V-МДП-приборам преимущества как по быстродействию, так и по плотности упаковки перед такими структурами, как п-ка- нальные МДП-приборы с кремниевыми затворами.

Собственно говоря, термин V-МДП-транзистор относится к МДП-приборам, в которых буква V означает, во-первых, вертикальное направление протекания тока от расположенного в подложке истока к расположенному над ним стоку и, во-вторых, способ формирования приборов селективным вытравливанием в исходной заготовке углубления V-образного сечения (рис. 3.19). V-МДП-транзистор получают на боковых стенках этого углубления. Особо следует отметить, что л+-исток, расположенный под -стоком, вообще не требует для своего формирования дополнительной площади на поверхности пластины, что обусловливает высокую компактность V-МДП-структуры. Кроме этого, истоковая область -типа выполняет роль земляной шины и не требует, как это бывает в других конструктивно-технологических вариантах, дополнительной площади кристалла для заземляющих шин.

Пирамидальная ямка вытравливается на такую глубину, чтобы она пересекла ионно-легированный слой -типа и эпитаксиальный слаболегированный р-слой, диффузионно-легированный -слой, достигнув вершиной высоколегированной подложки + -типа. Сече-



ние р-слоя служит основой для формирования канала. Этот слои имеет глубину менее I мкм, его сечение плоскостями V-образного углубления определяет длину V-МДП-транзистора. Ширина кана-i ла в У-МДП-транзисторе получается большой, так как этот канал' расположен по всему периметру V-образного углубления. Поскольку ширина канала определяет максимальный ток транзистора и его усиление, постольку V-МДП-транзисторы можно непосредственно сопрягать с системами, требующими больших управляющих токов, например со схемами, содержащими большое количество ТТЛ-нагрузок, светодиодными индикаторами и даже небольшими электро-двигптелями.

Слой подзатворного диэлектрика формируется на поверхности V-образного углубления (рис. 3.20). В качестве материала затвора применяют алюминий либо поликремний. Область объемного пространственного заряда выполняет в V-МДП-транзисторе ту же роль, что и обедненная область пространственного заряда в Д-МДП-транзисторе: увеличивает пробивное напряжение транзистора, дает пониженные значения паразитной емкости Сзс.

Трехмерность V-МДП-транзисторной структуры является фактором существенного повышения плотности упаковки БИС.

В связи с низким выходом годных и ограниченных логическими возможностями перспективы создания V-МДП-БИС невелики. Но такие структуры обладают уникальными способностями управления очень большими токами с высокой скоростью их переключения. Они нашли применение в звуковых высококачественных усилителях мощности, в широкополосных усилителях, в источниках вторичного электропитания для преобразования постоянного тока в переменный при меньших затратах, массе и габаритных размерах, чем традиционные источники питания.

Конструкции МДП-траизисторов на диэлектрической подложке. Использование структур с эпитаксиально выращенным на диэлектрической подложке (сапфир или шпинель) слоем монокристаллического кремния толщиной 0,7...2,0 мкм с целью изготовления МДП-транзисторов целесообразно, так как позволяет существенно снизить па-

® ® ОПЗ ® / п-

Р

\ Исток

г


Рис. 3.20 Структура V-МДП-транзистора:

/- область канала; 2- область дрейфа электро-

3 ц

Рис. 3.21. Структура МДП-транзистора на диэлектрической (сапфир) подложке:

/- подложка; 2, 4- исток и сток; 3- эпитак спальная р-о6ласть; 5, 8- шнны металлизации; 6- подзатворный тонкий диэлектрик; 7- затвор

разитные емкости транзистора и коммутационных проводников, избавиться от паразитных транзисторных структур, упростить технологию изготовления МДП-приборов. Транзисторы формируются в изолированных друг от друга островках, что позволяет уменьшить практически до нуля паразитные межэлементные связи через подложку. Диффузия для формирования истока и стока (рис. 3.21) проводится на всю глубину эпитаксиального слоя, что позволяет получать вертикальные р-п переходы малой площади с малыми емкостями.

МДП-структуры на диэлектрической подложке обладают существенно более высоким быстродействием по сравнению с аналогичными структурами на кремниевой подложке и позволяют, кроме того, несколько сэкономить площадь при создании МДП БИС.

3.5. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КМДП-БИС

Из всех возможных схем инверторов схема на транзисторах с разными типами проводимости обладает выдающимися свойствами и с развитием конструктивно-технологических способов ее изготовления выдвигается на первый план как основа для создания БИС и СБИС сложных полупроводниковых цифровых и аналоговых устройств. Такие схемы (рис. 3.22, а) называют схемами с взаимодополняющими (комплементарными) транзисторами (КМДП). Подложки каждого из транзисторов соединены с их истоками, что предотвращает открывание р-п переходов. Затворы транзисторов объединены. На них подается управляющий входной сигнал, уровень которого изменяется от t/вхО и ULivU.n- Выходной сигнал снимается с объединенных стоков транзисторов.

Функционирование КМДП-инвертора. Характерной особенностью функционирования КМДП-инвертора является то, что входное напряжение управляет не только ключевым, но и нагрузочным транзистором. При низком уровне напряжения на входе (логический 0) открыт р-МДП-транзистор, /г-МДП-транзистор закрыт и на выходе имеет место высокий уровень напряжения (логическая 1), близкий к напряжению источника питания U .n. Прн высоком напряжении на входе открыт

Рис. 3.22. Электрическая схема (а) КМДП-инвертора на основе взаимодополняющих п- и р-тран-зисторов с индуцированными каналами и его передаточная характеристика (б)

-о Выход




rt-МДП-транзистор, а р-МДП закрыт и выходное напряжение является низким. Таким образом, КМДП-ячейка (рис. 3.22, а) работает как инвертор, в которо.м р-МДП-транзистор играет роль переменной нагрузки. Запирание одного транзистора связано с отпиранием другого, и наоборот. Такая работа транзистора в КМДП-инверторе связана с тем, что в схеме всегда выполняется условие зип + зи/ = и„, и уменьшение С одного транзистора приводит к увеличению Ury другою.

Рассмотрим в упрощенном виде передаточную характеристику (зависимость и,ых От t/,x) (рис. 3.22. б) инвертора: параметры транзисторов будем считать одинаковыми, а токи утечки пренебрежимо малыми. При общем условии lUup\ + \Uor\< <t/ п1<пр1, где и„р - напряжение пробоя перехода сток-подложка /г-каналь-ного транзистора, работа инвертора осуществляется следующим образом. При 0<(/вх<(Уоп активный транзистор /г-типа закрыт, нагрузочным транзистор р-типа открыт и выходное напряжение U iy.= U,. =U (рис. 3.22). При увеличении Свх от Ud до U .p - Uop происходит плавное запирание р-транзистора, отпирание п-транзистора и уменьшение напряжения на выходе (7, х- При U,t=Ur. -Uop нагрузочный транзистор VT2 закрыт и и,их=0=и°.

Как мы видим, и в состоянии логического нуля и в состоянии логической единицы один из транзисторов находится в закрытом состоянии и ток от источника питания отсутствует. Потребление энергии происходит только в момент переключения инвертора из одного состояния в другое и расходуется на перезарядку емкости нагрузки. При этом рассеиваемая мощность пропорциональна частоте переключения емкости нагрузки С„ и квадрату напряжения источника питания: Я=

=(Ски„ . Отсюда естественно вытекает, что самым эффективным средством снижения рассеиваемой инвертором мощности является уменьшение напряжения источника питания, на величину которого, как это видно из предыдущего рассмотрения, накладываются ограничения: Uon<U , , Uop<U , UQn+U(,p>Un, . Минимальные значения пороговых напряжений, как это следует из уравнений (3.8а, 3.86), определяются возможностями технологии изготовления КМДП-инвертора, а также допустимыми уровнями помех (рис. 3.2,6). Напряжение источника питания обычно лежит в интервале 3,0... 12 В. Эти данные говорят также о том, что КМДП-инвертор малочувствителен к достаточно большим колебаниям напряжения источника питания.

Преимущества, недостатки, перспективы использования КМДП-структур. Главно преимущество - минимальное энергопотребле- ! ние, благодаря чему вначале основной областью применения КМДП- микросхем было создание интегральных устройств с батарейным питанием (для наручных часов, микрокалькуляторов и др.).

Новые области применения открываются перед КМДП-схема-ми не только благодаря их малому энергопотреблению, но и в не меньшей степени из-за их повышенной помехоустойчивости и обусловленной этим возможности работать при предельных температурах и в широком диапазоне температур. Имеются данные, что именно КМДП-микросхемы могут уверенно работать в температурном интервале -60...-fl25°C и при более высоких температурах.

Еще одно преимущество КМДП-микросхем - широкий диапазон напряжении питания (см. табл. 1.2). Их способность работать при напряжениях питания от 3 до 15 В означает принципиально более высокую независимость от флуктуации напряжения источника питания, шумов, колебаний температуры. Высокая помехоустойчивость КМДП объясняется тем, что ее передаточная характеристика имеет очень крутой перепад.

Благодаря исключительно малому потреблению энергии в режиме хранения информации КМДП-технология является привлекательной для создания БИС памяти, так как в большинстве систем памяти их элементы в основном работают в режиме пассивного хранения, а не в режиме обращения, и поэтому малое потребление мощности в статическом режиме, свойственное КМДП-схемам, может обеспечить значительное снижение затрат на источники питания. И хотя у КМДП-микросхем плотность упаковки (сравни рис. 3.14 и 3.23) и быстродействие не достигли еще того уровня, что и в МДП-микросхемах на -канальных транзисторах, по полной рассеиваемой мощности с ними могут соперничать очень немногие другие типы микросхем (рис. 3.24), а других подобных им приборов с автоматическим снижением потребляемой мощности при переходе в статический (хранение логического О или 1) режим работы вообще не существует.

Структуры КМДП не лишены недостатков. К их числу относится сравнительно низкое быстродействие (см. табл. 1.2), обусловленное малой скоростью переключения р-МДП-транзисторов из-за низкой подвижности дырок. Для повышения быстродействия ширину р-каналов необходимо увеличить в 1,5...2 раза по сравнению с шириной -каналов, если длина каналов обоих типов выполнена минимальной. Другой недостаток - большая площадь кристалла, занимаемая КМДП-элементом (рис. 3.23). В тех случаях, когда можно обойтись невысоким быстродействием, ширину р-каналов лучше выбрать такой же, как у -каналов (один и тот же проектный размер), чтобы не увеличивать без необходимости и без того большую площадь КМДП-ячейки (см. рис. 1.21,6).

К отрицательным свойствам КМДП-структур относится изменение (сдвиг) передаточной характеристики элемента со многими входами с изменением числа входов, на которых сигнал изменяется одновременно. Это связано с изменением сопротивления цепочки р-МДП-транзисторов (см. рис. 1.21). Если в цепочке изменится сигнал только на входе /, ее сопротивление будет вдвое больше, чем при его одновременном изменении на входах / и 2, и втрое больше при изменении сигнала одновременно на трех входах. Это ограничивает допустимое число входов КМДП. Если источник питания обладает хорошей стабильностью напряжения и помехоустойчивость схемы не вызывает беспокойства, то число входов в КМДП-ячейке может быть больше обычно принятого значения, равного четырем.



Выход

Исток (земля)


п-канальный

р-канальный


ЩПЕИСиасапфиЛ ре

Скорость переключения, с

Рис. 3.23. Конструкция КМДП-инвертора с алюминиевыми затворами (а) н его топология {6):

транзистора, 3-охранное кольцо п-канального Г Л ° -?-<Р н -канального транзистора! штриховой линией показана область тонкого окисла

Рис. 3.24. Зависимость потребляемой мощности от скорости переключения для различных конструктивно-технологических вариантов МДП БИС (в расчете на один логический элемент), выполненных с 5-микронными проектными нормами и работающих при напряжении питания 5 В

\ Одним ИЗ недостатков КМДП-микросхем, выполненных по традиционной технологии (см. рис. 3.23), является вероятность защелкивания: вследствие своей близости друг к другу р- и п-канальные приборы вместе могут образовывать сквозные р-п-р-п- или п-р-п-р-структуры, которые ведут себя как кремниевые управляемые выпрямители (тиристоры), т. е. защелкивающиеся приборы, которые обычно срабатывают от бросков тока во входной или выходной цепи. Этот бросок тока попадает в базу п-р-п- или р-п-р-прнбора, а раз открывшись, паразитная р-п-р-п-структура остается в этом состоянии вплоть до выключения питания. Решение проблемы защелкивания КМДП-микросхем - в создании изолирующих карманов для каждого типа транзисторов.

Конструктивно-технологические варианты исполнения КМДП-инверторов. Развитие технологии КМДП-приборов (поликремниевые затворы и самосовмещение), формирование охранных колец не для одного, а для группы транзисторов одного типа проводимости (см. рис. 1.21) и новые схемотехнические решения, позволившие уменьшить соотношение числа р- и п-канальных транзисторов (ие по одному /9-канальному транзистору, на каждый п-канальный, как это обычно принято, а меньше), позволили приступить к разработке и массовому производству КМДП БИС различного назначения.

Технология КМДП-структуры с металлическими затворами (рис. 3.23) была в свое время разработана на базе р-канальной МДП-технологии, отсюда и использование в них карманов р-типа. В то время единственной легирующей примесью, с помощью которой можно было получать глубокие и вместе с тем слаболегированные карманы, был бор. Развитие конструкций КМДП-приборов шло, с одной стороны, по направлению модификации структур, размещенных в кремниевой подложке, с другой стороны, по направлению модификации пленочных структур, расположенных поверх полупроводниковой пластины. Естественно, что эти два направления осуществлялись одновременно и параллельно.

Первой модернизацией конструкции и технологии изготовления КМДП-инвертора было использование пленок поликремния в качестве материала затвора с целью возможности использования самосовмещения и получения более высоких характеристик МДП-структур р-канального и п-канального транзисторов. На рис. 3.25, а показано поперечное сечение обычного КМДП-инвертора с кремниевыми затворами; р-канальный транзистор для получения необходимого порогового напряжения (порядка 1 В) выполнен непосредственно в подложке п-типа с соответствующей примесной концентрацией. Для п-канального транзистора в подложке п-типа сформирован карман р-типа. Уровень легирования этого кармана естественно выше, чем в подложке, так как это легирование должно обеспечить перекомпенсацию исходной примеси с определенной точно- стью и воспроизводимостью. Вследствие этого возрастают емкости р-п-переходов стока и истока.



/ 5 2 5 1 ii 3 2U 1


Рис. 3.25. Варианты формирования структуры КМДП БИС с карманом р-типа (а), п-типа (б) и с карманами двух типов (в):

i-толстый окисел; 2-тонкий (подзатворный) диэлектрик; поликремниевые затворы; р+-диффузионные области стока и истока р-канального МДП-транзистора; 5- п+-диффузионные области стока и истока л-канального МДП-транзистора

Улучшить рабочие характеристики -канальных приборов позволяет конструктивно-технологический вариант исполнения КМДП-инвертора с карманами -типа (рис. 3.25, б). Этот вариант является наиболее пригодным при создании КМДП-микросхем с большим количеством -канальных приборов. При этом -канальные транзисторы имеют такие же высокие характеристики, что и транзисторы в обычных -канальных МДП-микросхемах, что представляет собой весьма важное преимущество. К сожалению, в этом случае сразу же возникает аналогичная проблема снижения рабочих характеристик р-канальных транзисторов, у которых возрастают паразитные емкости.

Полное решение проблемы повышения характеристик транзисторов связано с освоением КМДП-технологии с карманами двух типов (двойными), в которой оба типа транзисторов формируются в своих карманах (рис. 3.25, в). В этом случае исходный уровень легирования подложки (на рис. 3.25, в - эпитаксиального слоя) должен быть очень невысоким, чтобы для каждого типа карманов можно было подобрать оптимальную для его транзисторов дозу имплантируемой примеси. При наличии двойных карманов для каждого из типов приборов можно принять независимые меры защиты от эффектов второго порядка - сквозного обеднения, влияния подложки, пробоя, эффекта защелкивания. В частности, эффект защелкивания мо>1?но устранить использованием -подложки (рис. 3.25, в), которая образует общий базовый контакт ко всем базовым областям паразитных р- -р-транзисторов. Соединив ее с положительным полюсом источника питания, можно получить низ-коомную шунтирующую цепь, закорачивающую эмиттерные переходы паразитных р- -р-транзисторов.

Технология с двойными карманами позволяет реализовать структуры транзисторов с минимальными размерами, так как возможность независимого легирования каждого типа карманов решает максимально для каждого типа транзисторов проблему сквозного обеднения. Кроме того, карманы получаются самосовмещенными

р-канальный транзистор

Осажденный

/окисел

п-нанальныи транзистор

МногодроВнеВая разЬадна

Заш,итный

i-й слой поли- \ 2-йслой поли-

1 и^И^ .........


Рис. 3.26. Структура фрагмента КМДП БИС с двумя слоями поликремния, сплошным р-карманом и подлегированием периферийных областей

друг с другом: всюду, где нет кармана -типа, есть карман р-типа. Это позволяет использовать для их формирования один и тот же фотошаблон.

На рис. 3.26 представлена структура КМДП-инвертора с р-карманами, в которой для повышения плотности размещения элементов на кристалле используют пленочную систему с двумя слоями поликремния и одним слоем металлизации. Для затрудения образования паразитных МДП-транзисторов применяют подлегирование периферийных областей соответствующими примесями методом ионной имплантации. Эта структура используется для создания БИС микропроцессоров. Два слоя поликремния в сочетании со слоем металлизации обеспечивает большую свободу в организации разводки БИС и, следовательно, более высокие плотность упаковки и степень интеграции.

В современной технологии КМДП БИС помимо поликремниевых затворов и двух уровней поликремния используются двойные карманы для независимой оптимизации характеристик р- и -канальных транзисторов (рис. 3.25). В некоторых конструктивно-технологических вариантах КМДП-приборов карманы различного типа проводимости разделены в приповерхностной области слоем толстого окисла, как в биполярных транзисторах с комбинированной изоляцией (см. рис. 2.34, а; 2.38, г).

На рис. 3.27 дан наибольший размер топологии КПДП-инвер-тора, изготовляемого по современной технологии (43 мкм), для сравнения с соответствующим размером аналогичного инвертора, изготовленного по технологии с алюминиевыми затворами (120 мкм, рис. 3.23).

Метам

Рис. 3.27. Структура КМДП-инвертора с двум; карманами р~- и /г~-типа электропроводности, изоляцией толстым окислом, одним уровнем поликремния и подлегированием периферийных облас-

тей




Конструкции элементов КМДП БИС на сапфировых подложках. Хотя в настоящий момент технологию КМДП БИС на сапфировых подложках нельзя рассматривать как серийную массовую технологию БИС, она по-прежнему является многообещающей с точки зрения создания чрезвычайно быстродействующих приборов. Этот конструктивно-технологический вариант обещает существенное повышение плотности упаковки КМДП-приборов. По сравнению с КМДП-схемами на кремниевых подложках вариант КНС позволяет уменьшить площадь кристалла приблизительно на 30% главным образом за счет исключения металлической или поликремниевой перемычки между р~- и п+-областями р-канального нагрузочного и п-канального управляющего транзисторов (рис. 3.23, 3.27), путем их непосредственного конструктивного объединения. Кроме того, КНС-приборы характеризуются приблизительно вдвое меньшей па- Щ разитной емкостью по сравнению с приборами на кремниевых подложках.

Преимущества КМДП-схем на сапфировых подложках по плотности упаковки, быстродействию, рассеиваемой мощности по сравнению со схемами на монолитных кремниевых подложках пока еще в массовом производстве не оправдывают тех дополнительных затрат, которые связаны с очень высокой стоимостью эпитаксиаль-ных структур кремния на сапфировых подложках. Поэтому использование данного конструктивно-технологического варианта КМДП БИС оправдано лишь при разработке аппаратуры специального назначения.

3.6. МДП-ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОСТОЯННЫХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Элементной базой полупроводниковых постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) служат интегральные диоды, биполярные транзисторы или транзисторы МДП-типа, размещенные в узлах двухкоординатной матрицы. Информация в ПЗУ определяется наличием диода или транзистора в узле матрицы (например, хранение О ) или их отсутствие (хранение 1 ). Запись информации в диодные ПЗУ или ПЗУ на транзисторах проводится либо выжиганием соответствующих диодов, либо пережиганием специально предусмотренных в каждом узле матрицы плавких перемычек, либо отсутствием соответствующего окна в окисле для создания контактов к транзистору. В последнем случае информация фактически содержится на фотошаблоне для формирования контактных окон.

Наибольшее распространение получили ПЗУ на МДП-транзисторах в связи с возможностью достижения высоких степеней интеграции и соответственно большой информационной емкости, а также благодаря малому потреблению энергии. Запись информации в ПЗУ на МДП-транзисторах осуществляется либо пробоем кон-

l- 1

Щ

Ш

Щ

Й

Щ

Ш

Щ

Щ

Щ

Щ


Рис. 3.28. Фрагмент топологии запоминающей матрицы ПЗУ на п-канальных МДП-транзисторах (а) и электрическая схема фрагмента (б):

i- металлическая разводка; 2, 5- диффузионные шнны

денсатора, входящего в состав запоминающего элемента, либо конструированием шаблона для вскрытия окон под тонкий окисел.

Фрагмент топологии ПЗУ на п-канальных МДП-транзисторах, в котором запись информации осуществляется на стадии производства при вскрытии окон под затворный окисел в соответствующих узлах матрицы, показан на рис. 3.28, а. Диффузионные адресные шины 3 образуют стоки транзисторов, а заземленные диффузионные шины 2 - истоки. Металлические дорожки / выполняют функции шин адресов и затворов МДП-транзисторов. МДП-транзисторы формируются в тех узлах матрицы, где должен быть записан О (рис. 3.28, б). В рассматриваемом случае на фрагменте топологии сформировано восемь МДП-транзисторов и записана информация

0 0 10

0 10 1 (3.10)

0 0 0 1

Считывание-информации, т. е. выбор запоминающего элемента или совокупности запоминающих элементов осуществляется возбуждением определенных координатных шин запоминающего поля, для чего используются матричные дешифраторы. С матричных дешифраторов адреса подается высокий уровень напряжения на одну из шин адресов по координате y и, через сопротивления, роль которых выполняют п-канальные МДП-транзисторы, на одну из шин по координате x. При этом на одной из выходных информационных шин появляется высокий уровень напряжения, если в



выбранном узле запоминающей матрицы отсутствует запоминающий элемент ( -канальный МДП-транзистор), т. е. если не вскрыто окно для его формирования, что соответствует считыванию 1 И наоборот, на соответствующей информационной шине появляется низкий уровень напряжения, если запоминающий МДП-транзис-; тор сформирован (окно вскрыто), что соответствует считыванию О , j

В описанном фрагменте БИС ПЗУ информация заносится один-1 единственный раз в процессе изготовления и хранится бесконечно] долгое время. Однако такой способ записи не всегда удобен, так как корректировка однажды записанной информации невозможна. Для микропроцессорных систем с целью оперативного изменения решаемых ими задач необходимо иметь устройства перепрограм-мируемон памяти: перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ), в которых информация могла бы храниться годами и в которых имелась бы возможность стирать эту информа- цию полностью или частично и заносить новую.

Элементной базой современных БИС ППЗУ служат: лавинно-] инжекционные МДП-транзисторы с плавающим затвором (тран-3 зисторы ЛИПЗМДП); лавинно-инжекционные МДП-транзисторы! с плавающим и управляющим затворами; МДП-транзисторы со структурой металл - нитрид - окисел - полупроводник (транзисторы МНОП-типа, см. § 3.4).

Структура лавинно-инжекционного МДП-транзистора с плавающим поликремниевым затвором, созданного на основе р-канальной| технологии, представлена на рис. 3.29, а. Подложкой служит пласти-] на кремния -типа с удельным сопротивлением 4...8 ОмХсм. j

Механизм зарядки плавающего затвора пояснен на рис. 3.29, б.j Он основан на следующих эффектах. На стоковую область р-ка-j нального МДП-транзистора подается отрицательный потенциал. По мере увеличения отрицательного смещения обедненный слой и1 электрическое поле в нем будут расти. Под действием электрического! поля обедненного слоя неосновные носители - электроны - из сто- ковой р+-области будут выноситься в -область подложки. С увели-



Рис. 3.29. Структура ЛИПЗМДП-транзистора (а) и механизм записи информации - зарядки плавающего затвора (б):

) р+-о6ласть стока, 2-граница области пространственного заряда; 3-граница р-и-перехода сток-подложка; 4- область лавинного умножения электронов; 5- подложка лтипа; 6- подзатворный диэлек рнк; 7- поликремниевый плавающий затвор; в- защитный диэлектрик

чением напряженности этого поля будет возрастать дрейфовая скорость электронов и при определенном критическом значении напряженности поля становится возможным лавинное умножение электронов в -области. Одновременно за счет емкостной связи Сзс на плавающем затворе индуцируется положительный заряд, который будет искривлять обедненную область в р+-слое вблизи поверхности и формировать электрическое поле, направленное от плавающего затвора к стоку.

Таким образом, электрическое поле в обедненной области обратносмещенного стокового - -перехода формирует значительное количество высокоэнергетических (горячих) электронов, обладающих достаточным запасом энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер границы раздела кремний - окисел кремния и тонкий подзатворный диэлектрик. Преодолев подзатворный окисел, горячие электроны стекают на плавающий затвор, так как на него предварительно за счет емкостной связи подается притягивающее их положительное напряжение смещения. По мере зарядки плавающего затвора на нем аккумулируется отрицательный заряд, который будет создавать поле, препятствуюш,ее процессу зарядки. При этом ток лавинной инжекции через диэлектрик будет уменьшаться и при определенной величине заряда снизится до нуля.

Практически для зарядки электронами плавающего затвора на сток ЛИПЗМДП-транзистора необходимо подать отрицательный импульс напряжения, при этом величина аккумулированного заряда на плавающем затворе Q будет зависеть от амплитуды и длительности импульса приложенного напряжения, геометрических размеров и свойств материалов затвора и подзатворного диэлектрика:

-ln{l+e.p[-K,U+ln(-K,K,U.)}, (3.11)

где Uc - амплитуда импульса приложенного напряжения, Сз - емкость структуры плавающий затвор - подложка, Тс -длительность импульса записи, К\, /(2 - коэффициенты, характеризующие геометрические размеры канала (длину, ширину), толщину подзатворного диэлектрика, глубину и площадь р-п перехода сток - подложка. Типичные значения: t/c=30...50 В, Тс=1...10 не, h = = 0,1 мкм, Лтд=1 мкм.

После зарядки плавающего затвора электронами в области канала МДП-транзистора р-типа возникает инверсионный слой, транзистор переходит в открытое состояние, т. е. хранит О !

Поскольку плавающий затвор со всех сторон окружен двуокисью кремния, представляющей собой один из лучших существующих диэлектрических материалов, заряд на плавающем затворе сохраняется длительное время (рис. 3.30). Исследования стабильности заряда показали, что даже при 125°С за 10 лет заряд может уменьшиться лишь на 30% своей первоначальной величины.



0,8 0,6 О,* 0,2

т-зоо'с

VT1

5 10 t,C

VT2

Рис. 3.30. Экспериментальная зависимость изменения заряда на плавающем затворе от времени хранения при 125 и 300°С, начальной удельной плотности заряда q(0)/(?= 1,8-10 электронов/ cм^ (кривые /, 3) и 3,0-10 электронов/см (кривые 2, 4). Толщина подзатворного диэлектрика Л,= 0,12 мкм

Рис. 3.31. Схема запоминающег элемента ППЗУ на ЛИПЗМДГ транзисторе VT2 с электрическо! записью информации и стира ннем ультрафиолетовым освещ^ нием

Стирание хранимой в ППЗУ информации осуществляется при облучении информационного поля ультрафиолетовыми лучами. При этом длина волны излучения должна быть достаточной для того, чтобы фотоны могли передать электронам энергию, необходимую для преодоления потенциального барьера на границе кремний - двуокись кремния в обратном направлении при возвращении в подложку. В обычно используемых для этой цели источниках ультрафиолетового излучения (ртутная лампа) указанному требованию отвечает длина волны Л=253,7 нм (£=4,9 эВ).

Корпуса БИС ППЗУ на ЛИПЗМДП-транзисторах с электри ческой записью и ультрафиолетовым стиранием информации должнь иметь специальное окно с вставленным в него кварцевым стеклом прозрачным для ультрафиолетового излучения, что делает эти кор пуса черезвычайно дорогими. Стирание информации при ультрафиолетовом облучении происходит во всех ячейках БИС ППЗУ одновременно. Стирание информации и ее перезапись осуществляются на изолироВанных БИС, изъятых из устройств, в которых они установлены и эксплуатируются.

Для формирования запоминающих элементов ППЗУ на ЛИПЗМДП-транзисторах необходим по крайней мере еще один МДП-транзистор, затвор которого выводится на адресную шину (рис. 3.31). ЛИПЗМДП-транзистор может находиться в двух устойчивых состояниях: открытом (плавающий затвор несет на себе заряд Q, достаточный для формирования инверсионного канала) или закрытом (плавающий затвор не заряжен), что соответствует хранению запоминающим элементом О или 1 . Адресный транзистор VT} запоминающего элемента - обычный /э-канальный МДП-транзистор. Если на адресной шине АШ низкий уровень напряжения.

то он подключает запоминающий транзистор VT2 к разрядной шине РШ.

Дальнейшим развитием описанной выше конструкции транзистора явилась структура с двумя затворами - плавающим и управляющим (рис. 3.32). Эту структуру изготавливают по р-ка-нальнон МДП-технологии на кремниевой пластине п-типа электропроводности с удельным сопротивлением 5 ОмХсм с ориентацией (100). После выращивания подзатворного окисла толщиной порядка 0,1 мкм формируют пленку поликристаллического кремния для плавающего затвора, после чего создают металлическую разводку и формируют управляющий затвор. Толщина диэлектрика между плавающим и управляющим затворами, создаваемого осаждением SiOo из газрвой фазы, равна примерно 0,2 мкм. Зарядка плавающего затвора в таком приборе осуществляется также за счет лавинной инжекции носителей с обратносмещенного р-п перехода. В процессе зарядки плавающего затвора электронами на управляющий затвор подается положительное напряжение, что повышает уровень инжекции, а следовательно, и эффективность записи.

Для запоминающего транзистора, изображенного на рис. 3.32, возможен процесс стирания информации (удаление накопленного заряда с плавающего, затвора) с помощью электрического импульса. Приборы постоянной памяти с электрическим стиранием информации позволяют осуществить перезапись не всей, а только части информации, и, кроме того, это можно сделать в БИС электрически стираемого перепрограммируемого ПЗУ (ЭСППЗУ), не изымая ее из электронной системы устройства (например, одноплатной микро-ЭВМ). В режиме стирания к управляющему затвору прикладывается положительный потенциал. Ток разрядки, протекающий через межзатворнын диэлектрик между плавающим и управляющим затворами, определяется формулами

/р = Л,£2ехр( -Лг/г'г),

(3.12)

S 8

МЗ мзд

мзд >

Сзп + С.

зп + С„з + С

-зП + мз + ЗС

q) , (3.13)

где Е2 - напряженность поля в межзатворном диэлектрике; Смз, зп, Сзс-емкости между затворами, плавающим затвором и подложкой и плавающим затвором и стоком соответственно, 5 з - площадь межзатворного промежутка; е„з - диэлектрическая посто-

Рис. 3.32. Структура ЛИПЗМДП-транзистора с Плавающим и управляющим затворами; с электрическим стиранием и электрической записью Информации



янная материала межзатворного диэлектрика; Л| и Аг - коэффициенты, зависящие от величины потенциального барьера фв между поликремниевым плавающим затвором и межзатворным диэлектриком.

Очень важно то, что величина фб может меняться в довольно широких пределах (1,0...1,6 эВ) в зависимости от способов форми-)ования пленки поликремния и пленки межзатворного диэлектрика, асчет и экспериментальные данные говорят о том, что уменьшение фб на 0,1 эВ влечет за собой снижение времени стирания минимум на порядок! Это еще раз указывает на теснейшую связь технологии изготовления и конструкции элементов с получением необходимых электрических характеристик приборов.

Снижение времени стирания возможно и за счет увеличения напряжения стирания на управляющем затворе. В обоих случаях уменьшение времени стирания происходит за счет возрастания тока разрядки.

Согласно имеющимся данным р-канальные МДП-транзисторы с двумя затворами выдерживают более пятисот циклов перезаписи без существенных изменений характеристик. К недостаткам приборов такого типа относятся черезвычайно высокие напряжения стирания (около 80 В). Для устранения этого недостатка было предложено несколько других конструкций запоминающего транзистора. В первой из них (рис. 3.33, а) управляющий электрод служит только для стирания информации и изолирован от плавающего затвора слоем нитрида кремния толщиной около 0,07 мкм (3.12), (3.13). Во второй конструкции запоминающего элемента (рис. 3.33, б) перезарядка плавающего затвора осуществляется при лавинной инжекции горячих дырок и электронов, генерируемых в электрических по./Тях обратносмещенных п^-р и р'-п переходов соответственно. Инжекция электронов на плавающий затвор осуществляется за счет подачи на сток сравнительно большого отрицательного смещения, когда на управляющем затворе поддерживается нулевой либо положительный потенциал. Для инжекции дырок из обратно-

ПлаВашщий СтирпющиЛ затйор электрод

,Слой 5(3Nj,



?W ПЗ

Инжекиия Инжекция п дырок злетрокоВ

Инжекиия Инжекция Оыш^лектт^

Рис. 3.33. Структуры ЛИПЗМДП запоминающих транзисторов с различными вариантами стирания информации


Рис. 3.34. Варианты структуры запоминающих элементов БИС ЭСППЗУ на основе п-канальных МДП-транзисторов с двумя поликремниевыми затворами

смещенного -р-перехода на подложку подается положительный потенциал относительно истока, а на затвор - отрицательный потенциал.

Для данного запоминающего элемента характерны два уровня порогового напряжения, измеряемого по управляющему затвору: первый, когда плавающий затвор заряжен электронами (пороговое напряжение имеет положительное значение), и второй, когда плавающий затвор заряжен дырками- (отрицательное).

В модифицированном варианте конструкции данного запоминающего элемента ППЗУ область инжекции дырок располагается непосредственно в области истока (рис. 3.33,в).

Общим для всех запоминающих элементов, изображенных на рис. 3.29, 3.32, 3.33, является то, что запись информации в них осуществляется лавинной инжекцией электронов из области обратносмещенного р-п перехода. Это приводит к формированию проводящего канала в р-канальном МДП-транзисторе, поэтому запоминающая ячейка для осуществления выборки информации должна содержать дополнительные транзисторы, что, естественно, не ведет к экономии площади кристалла. Кроме того, память на р-канальных МДП-транзисторах имеет сравнительно малое быстродействие из-за низкой подвижности дырок в кремнии по сравнению с электронами.

Перспективными запоминающими элементами СБИС ЭСППЗУ большой информационной емкости и высокого быстродействия являются -канальные МДП-транзисторы с плавающим и управляющим затворами, изготовляемые на основе совмещенной технологии с применением пленок поликремния для обоих затворов, самосовмещения и ионного легирования. На рис. 3.34 показаны три варианта структуры таких запоминающих МДП-элементов СБИС перепрограммируемой памяти, отличающихся конфигурацией и взаимным расположением затворов.

Управление запоминающим элементом осуществляется за счет емкостной связи управляющий затвор - плавающий затвор и плавающий затвор - подложка. Для достижения максимальной емкостной связи толщина межзатворного диэлектрика должна быть соизмерима с толщиной подзатворного диэлектрика. Различные



1 ... 3 4 5 6 7 8 9 ... 20

Яндекс.Метрика