Основы микроэлектроники (курс лекций)

Вид материала

Содержание

Конец лекции 18
Выводы по качествам КМОП
– 38 – Лекции 19- 20
Повышение качества МОП-структур
Конец лекции 19
Сзс, сведены к минимуму, на первый план выдвигается задача уменьшения постоянной времени пролета s

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8

Конец лекции 18

Лекция 19

При подаче на вход х высокого потенциала р-МОП-транзистор запирается, а n-МОП-транзистор отпирается. При подаче на вход х низкого потенциала р-МОП-транзистор открывается, а n-МОП-транзистор запирается.

Поскольку один из транзисторов всегда находится в закрытом состоянии, ток от Е₊к Е_– через эти транзисторы отсутствует. Следовательно, если входной сигнал не изменяется, потребляемая инвертором мощность практически равна нулю (я не говорю о динамических потерях на фронтах при переключении — здесь какая-то мощность рассеивается).

В комплементарных МОП-ИМС на одном и том же кристалле необходимо делать транзисторы обоих типов — с n- и р-каналом. Здесь один из транзисто-ров надо размещать в специальном кармане. Напри-мер, если в качестве подложки используется р-кремний, то n-канальный транзистор можно создавать непосредственно в подложке, а для р-канального потребуется карман с электронной проводимостью (см. рисунок). П

олучение такого кармана в принципе не сложно, но связано с дополнительными технологическими операциями (фотолитография, диффузия доноров и др.). Кроме того, затрудняется получение низкоомных слоев в верхней (сильнолегированной) части n-кармана. Другим способом изготовления КМОП-транзисторов на одной подложке является КНС-технология. В этом случае на сапфировой подложке создаются "островки" кремния с собственной проводимостью, после чего на одних островках проводится диффузия донорной примеси и получаются n-канальные транзисторы, а в других — диффузия акцепторной примеси, и получаются р-канальные транзисторы. Хотя число технологиче-ских операций в этом случае больше, чем при изготовлении транзисторов одного типа, зато отпадают трудности в получении низкоомных слоев истока и стока.

Выводы по качествам КМОП

Достоинства: КМОП обладают высокой помехозащищенностью и малой потребляемой мощностью. Они имеют колоссальный коэффициент разветвления: на малых частотах

неограниченный (при R_вх = 10¹⁴ Ом), при более высоких — не менее 50, что практически

всегда достаточно.

– 38 – Лекции 19- 20

Недостатки: Нужно создавать дополнительную изолирующую область под одной из двух групп транзисторов, что приводит к увеличению площади ИМС и, следовательно, КМОП обладают меньшей степенью интеграции, чем "однофазные" МОП ИС.

Повышение качества МОП-структур

В процессе развития микроэлектроники усовершенствование МОП-транзисторов проходило по двум главным направлениям: повышение быстродействия и снижение порогового напряжения, и второе — для уменьшения рабочих напряжений МОП и рассеиваемой ими мощности. Поскольку полная мощность кристалла ограничена, уменьшение мощности, рассеиваемой одним транзистором, способствует повышению степени интеграции, а уменьшение напряжения питания облегчает совместную работу МОП и низковольтных биполярных ИМС без специальных согласующих элементов.

Повышение быстродействия МОП-транзисторов связано прежде всего с уменьшением емкостей перекрытия. Существенное (примерно на порядок) уменьшение емкостей перекрытия достигается при использовании технологии самосовмещенных затворов. Общая идея такой технологии состоит в том, что слои стока и истока осуществляются не до, а после реализации затвора. При этом затвор используется в качестве маски при получении слоев стока и истока, а значит, края затвора и этих слоев будут совпадать, и перекрытие будет отсутствовать.

Один из вариантов МОП-транзистора с самосовмещенным затвором изображен на этом рисунке. Последовательность технологических операций при этом такова. Сначала проводится диффузия n⁺-слоев, причем расстояние между ними делается заведомо больше желательной длины канала. Затем осуществляется тонкое окисление на участке между n⁺-слоями и частично над ними. Далее на тонкий окисел напыляют алюминиевый электрод затвора, причем, его ширина меньше расстояния между n⁺-слоями. Наконец, проводится ионное легирование (имплантация атомов фосфора) через маску, образуемую алюминиевым затвором и толстым защитным окислом. Атомы фосфора проникают в кремний через тонкий окисел и "продлевают" n⁺-слои до края алюминиевой полоски, так что края затвора практически совпадают с краями стока и истока. Имплантированные слои легированы несколько слабее, чем диффузионные; поэтому для них использовано обозначение "n" вместо "n⁺". Глубина имплантации также несколько меньше, чем глубина диффузии, и составляет 0,1  0,2 мкм.

Конец лекции 19

Лекция 20

МОП-транзистор с самосовмещенным поликремниевым плавающим затвором (Из лекции изъят из-за сокращения числа часов, желательна самостоятельная проработка.)

Другой вариант МОП-транзистора с самосовмещенным затвором показан на следующем рисунке. Здесь сначала вытравливают окно в окисле с размерами, соответствующими всей

– 39 – Лекция 20

структуре транзистора. Затем в средней части окна проводят тонкое окисление кремния в виде полоски, ширина которой равна длине будущего канала L. Далее на эту полоску напыляют поликристаллический слой кремния той же ширины, но более длинный, выходящий за границы исходного окна в окисле. Удельное сопротивление напыляемого кремния делается достаточно малым, так что слой поликристаллического кремния выполняет роль металлического затвора в обычных МОП-транзисторах. На следующем этапе проводят мелкую диффузию донорной примеси через маску, образуемую полоской поликристаллического кремниевого затвора и защитным окислом, окружающим окно. В результате получаются n⁺-слои истока и стока, края которых почти совпадают с краями кремниевого затвора. Далее всю поверхность кристалла окисляют, и в этом окисле, как обычно, делают окна для омических контактов, в том числе для контакта с кремниевым затвором. На рисунке видно, что поликристаллический кремниевый затвор оказывается погруженным в слой защитного окисла, а омический контакт к нему располагается за пределами рабочей области транзистора. (Этот абзац и сопутствующий рисунок из лекции изъяты.)

Когда паразитные емкости МОП-транзистора и, прежде всего — емкость перекрытия С_зс, сведены к минимуму, на первый план выдвигается задача уменьшения постоянной времени пролета _s. При малых емкостях она становится главным фактором, ограничивающим быстродействие (не совсем обычный параметр, но очень полезный для оценки скорости работы приборов, см. Степаненко, ОМ, с. 149, ф-ла (5.25)).

Переход от транзисторов с р-каналом к транзисторам с n-каналом позволил снизить значение _s примерно в 3 раза благодаря увеличению подвижности носителей. Дальнейшее уменьшение _s требует уменьшения длины канала L. Эта цель наиболее радикально реализуется методом двойной диффузии. Конструкция МОП-транзистора, полученного этим методом, показана на рисунке.

Данная структура аналогична структуре классического n-р-n-транзистора, с той суще-ственной разницей, что эмиттерный n⁺-слой

(в данном случае это слой истока) имеет почти такую же площадь, что и базовый р-слой (в дан-ном случае это слой канала). Для того чтобы

обеспечить точное "вписывание" n⁺-слоя в р-слой,

диффузию доноров для n⁺-слоя осуществляют через то же самое окно в окисле, через которое до этого проводили диффузию акцепторов для р-слоя. Тем самым устраняется необходимость в совмещении фотошаблонов для двух последовательных фотолитографий, а значит,

– 40 – Лекция 20 – 21

и нет ошибки совмещения, которая могла бы привести к сдвигу n⁺-слоя относительно n-слоя. В результате расстояние между n⁺- и n-слоями, т.е. толщина р-слоя, может иметь примерно те же значения, что и ширина базы w у n-р-n-транзистора — до 1 мкм и менее.

Вблизи поверхности расстояние между n⁺- и n-слоями играет роль длины канала L. При значениях L  1 мкм (вместо 4–5 мкм у наиболее совершенных МОП-транзисторов, полученных по обычной технологии) постоянная времени _s может быть менее 0,005 нс, а граничная частота f_г — более 30 ГГц.

Blog