Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 [ 30 ] 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

тока. В этом случае напряжения между затвором и истоком 17зи, стоком и истоком t/си. подложкой и истоком t/пи равны потенциалам t/g, и с, Un соответственно. Падение напряжения в канале на участке длиной у обозначим Usuiy). Потенциал канала в сечении у равен

Фкан (у) = Фяов + f/кан (у) « 2 фр -f f/„aH (</)•

При у=0 и г/=1кан потенциалы канала равны соответственно

Фкан(0);«фдов»2фр; ф„ан(„ан)«фиов + С.

При выводе уравнения вольт-амперных характеристик сделаем ряд упрощающих допущений: 1) подвижность электронов в канале постоянна и не зависит от уровня продольного электрического по-

rj93

//»-

0-01©:

0 0 0-

000 0 0

Рис. 4.6.1. Модель /г-канального МДП-транзистора

ля; 2) ток через подложку отсутствует; 3) изменение толщины канала вдоль у мало; 4) в канале существует только продольное электрическое поле Е(г/), а в диэлектрике (ЗЮг) и ОПЗ - поперечное поле Ех{у); 5) объем полупроводниковой подложки за пределами ОПЗ электрически нейтрален; 6) плотность пространственного заряда диэлектрика вдоль канала постоянна. Ток в канале определяется известным соотношением

кан - -Sk

?кан

J j (х, у) dx,

(4.6.1)

где ]{х, у) - плотность тока; Хкан - толщина канала. Так как инверсионный слой очень тонкий, то будем считать плотность тока не зависящей от координаты х, т. е. j(x, у)1{у). Учитывая, что

j (г/) = <7 fi„ /г Е(у) = -qn {dф«ан{у)Му), из (4.6.1) получаем

JKaH = - li„ 5„ан С?кан (У)

d Фкан (у)

dy •

(4.6.2)

*кая

где Скан(«/)= qndx - заряд на единицу площади канала в плоскости, параллельной затвору (поверхностная плотность заряда). Плотность заряда в канале определим из условия равенства нулю плотности полного заряда системы:

Qa (У) + Скан (У) + Qon3 («/) + = 0.

где Qziy) - плотность свободного заряда на поверхности затвора, обращенной к диэлектрику; Qon3 {У) - плотность объемного заряда слоя ОПЗ толщиной Лопз (г/) =-л:опз -кан (см. рис. 4.5.2, г). Следовательно,

Ркан {у) = - iQa («/) + РОПЗ {у) + Рд]. (4.6.3):

Используя интегральную форму закона Гаусса, найдем поверхностную плотность свободного заряда затвора с учетом того, что из-за контактной разности потенциалов фкмп=-(0.8... 1,0) В создается положительный заряд затвора при t/3 =0

= «о 8д (у) = ---8, 8д =

-О д[3 -Фкмп-Фкан («/)], (4.6.4)

где 8д - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика МДП-структуры (для SiOz 8д=112); Е,{у) - поперечная составляющая электрического поля в диэлектрике, зависящая от координаты у; Содеобд/йд - удельная емкость структуры затвор-канал; йд - толщина диэлектрика. Плотность объемного заряда ОПЗ

Сопз(г/)=-91ЛаЛопз(/). (4.6.5)

Толщина ОПЗ может быть определена путем двойного интегрирования уравнения Пуассона:

d"<f/dx = -p{x)fSoEa при граничных условиях

Ф()1*=г„ан=4кан {уУ>

ф ()1=гопз = ;

d<f

(4.6.6)

(4.6.7):

= -£опз()

где р(л;) =-lAal; еп - относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; Еопз (х) - напряженность электрического поля в ОПЗ.

Из выражений (4.6.5) - (4.6.7) следует

Аопз(1/)-/[фкан(«/)-г/п]:

Сопз (у) = -12 8о 8„ g I Ла i [фкан (y) - Unl 185



Подставляя (4.6.4) и (4.6.8) в (4.6.3), получаем

С«ан(У) = -Сод{[С/з-фк мп-2 Ф-С/„ан(у)] +

+ -У .ИМ lU (у) -I- 2 ф.- t/nl

Соя од-i-HaHW-rY/-п!/•

Из выражения (4.6.9) можно определить пороговое «апряжение i/з пор при «изких значениях напряжения стока Uc-Q, положив <?кан(г/)~0, С/кан(г/)=0, что соответствует условию прекращения тока в канале,

С/,„„о = ф„„„ + 2ф-

Сод С%д

/З ПОР = Ф« «п + 2 ф.-5й-+ Ла1 (2 ф, [/ ) . (4.6.10)

Выражение (4.6.10) показывает влияние контактной разности потенциалов фкмп, пространственного заряда в диэлектрике Сд, степени легирования полупроводниковой подложки и потенциала подложки Vjj 0 на пороговое напряжение. Пороговое напряжение сильно зависит также от удельной емкости Сод. Для уменьшения С/зпор применяется тонкий диэлектрик. Минимальная толщина диэлектрика ограничивается технологическими возможностями и допустимым напряжением пробоя.

После подстановки (4.6.10) в (4.6.2), разделения переменных У и С/кан(&) й интегрирования левой части полученного уравнения в пределах от О до Ьк&п, а правой части от О до С/с с учетом того, что ток /кан постоянен по длине канала, получим следующее выражение для выходных вольт-амперных характеристик МДП-транзистора:

Сед УП Дкан

С/с (С/з-С/*)-

(4.6.11)

где С* = фкмп + 2фр-Сд/Со д.

Из (4.6.10) видно, что пороговое напряжение С/зпор «С/* при низких концентрациях атомов примеси в подложке Ла и высокой емкости Сод. Эти условия обычно выполняются в конструкциях МДП-транзисторов микросхем. Выражение (4.6.11) получено в предположении С/и=0. Если С/и ФО, то в это выражение необходимо подставлять вместо U3, Ос и С/ц соответственно С/3 -С/, С/с-С/и и СУ1 -С/и . Из выражения (4.6.11) видно, что возможно двойное управление током стока изменением потенциалов затвора С/3 или подложки С/п относительно потенциала истока. В «-канальном МДП-транзисторе управляющий потенциал подложки должен быть ниже потенциала истока для поддержания запертого состояния р-п-перехода исток-подложка (С/п<0 при С/и =0). При высокой емкости Сод и невысокой степени легирования подложки выражение (4.6.11) можно упростить:

Сол Мп Дк

i/c(f/3-f/3.o.)-

(4.6.12)

Выходные вольт-амперные характеристики [--/з,) п-канального МДП-транзистора со встроенным и с "WP ным каналом представлены на рис. 4.6.2. Характеристики имеют ппя уяпяктрпных участка разделенных штриховой кривой, крутой TnoS. внражГни (4.6.12) описывают крутой участок


W П П Cfi,B

Рис. 4.6.2. Выходные вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов Ic = F{Uc, t/3) при Ub - O для встроенного (а) и индуцированного (б) канала п-типа

ВАХ МДП-транзистора, когда отсутствует перекрытие канала по всей его длине. Это условие выполняется для С/3 -С/с>С/зпор или. 0<С/с<Оз-С/зпор . При С/с==С/з -С/зпор =t/cHac происходит перекрытие канала у стока (режим насыщения), ток достигает максимального уровня /с нас при заданном напряжении затвора. Ток насыщения «-канального МОП-транзистора определяется соотношением

/снас ==-sЬLЬ {и-Щ)К (4.6.13)

i-кан

Штриховые кривые на рис. 4.6:2 соответствуют этому уравнению. Уравнение (4.6.13) используется для определения параметров МДП-транзистора в режиме насыщения при С/сСз -зпор-

Передаточные характеристики /с=/(С/з) j у >и рассмат-риваемых МДП-транзисторов показаны на рис. 4.6.3. Ток стока равен нулю при С/з = С/зпор (Lsnop +5 В при индуцированном канале и Сзпор-4 В при встроенном канале).

Усилительные свойства МДП-транзистора определяются крутизной его характеристики Ic = F{U3) в области насыщения:

"г, г, п =ТСнас- (4.6.14)

а [/3 С/с = С/з-С/з пор -нан

Из выражения (4.6.14) видно, что для увеличения крутизны S необходимо уменьшать толщину окисла, длину канала 1кан и уве-



личивать ширину какала Вкан. Приборы с большой крутизной должны иметь широкий канал.

Быстродействие МДП-транзистора определяется временем пролета носителей тока в канале и длительностью процессов заряда и разряда паразитных емкостей как самого транзистора, так и емкостей других элементов микросхемы (нагрузка, пленочный монтаж

и др.). Чтобы уменьшить время пролета и емкости затвор-канал

Сзкан и канал-подложка Сканп

стремятся уменьшить длину канала кан. Необходимо обратить внимание на то, что малая емкость Сзкан=Сод/.канбкан ДОЛЖНа

быть обеспечена при достаточно большой удельной емкости Сод= = 8оед/с?д структуры, определяющей статические параметры

=+5Д

10в/

/

Z 6 8 V3,B

Рис. 4.6.3. Передаточные вольт-ам

первые характеристики МОП-тран- МДП-транзистора. Минимальная зисторов со встроенным (Л и с ин- - г г

дуцированным (2) каналом «-типа Дл™а канала НИЗКОВОЛЬТНЫХ

МДП-транзисторов (t/clO В) определяется технолопическими возможностями и составляет примерно 5 мкм. При больших напряжениях стока возможен пробой промежутка исток-сток через область объемного заряда стока, простирающуюся до самого истока.

§ 4.7. Основные конструктивно-технологические разновидности МОП-транзисторов

МОП-транзистор с алюминиевым затвором. Конструкция такого транзистора является наиболее простой (рис. 4.7.1). Под алюминиевым затвором находится тонкий окисел кремния (д» 0,05... 0,2 мкм). За пределами МОП-транзистора кремниевая подложка покрыта толстым окислом (1,5 мкм) для уменьшения паразитной емкости сигнальных шин, снижения брака из-за проколов в окисле, повышения порогового напряжения паразитных МОП-транзисторов, образующихся на участках прохождения алюминиевых шин над диффузионными шинами питания и заземления. Рассмотрим топологию МОП-транзистора с учетом изменения геометрических размеров элементов в процессе изготовления микросхемы (рис. 4.7.2). Здесь кан=1£.кант-2л;ф-1,6л;р-п; 5кан= = 5кант-Ь2л;ф, где кант, 5кант - топологические (закладываемые в фотошаблон) размеры канала; Хр-п - глубина р-п-перехода диффузионных областей истока и стока; 0,8л;р п - глубина боковой диффузии; Хфл; 1,0... 1,3 мкм - изменение размеров на операциях фотолитографии и травления; 1.дифт, 5дифт - топологические размеры областей истока и стока, формируемых диффузией или ионной имплантацией.

Длина алюминиевого затвора делается несколько больше длины промежутка исток-сток для уверенного формирования канала на протяжении всего этого промежутка. В областях взаимного перекрытия /пер затвора с истоком и стоком образуются паразитные емкости Сзи и Сзо. Наибольшее влияние на быстродействие логических элементов на МОП-транзисторах оказывает проходная емкость Сзо, которая выполняет роль элемента параллельной обратной связи в транзисторном инверторе.

МОП-транзисторы с поликремниевым и молибденовым затворами. Для уменьшения емкостей перекрытия Сзи и Сзо используются конструкции с самосовмещенным затвором относительно внутренних границ истока и стока, в которых затвор изготовляется из легированного поликристаллического кремния или молибдена (рис. 4.7.3 и 4.7.4). Там же изображены фрагменты, раскрывающие сущность технологии, позволяющей осуществить само-


£ечете м> А-А Ч

Рис. 4.7.1. Структура «-канального МОП-транзистора с алюминиевым затвором:

/ - подложка р-типа; 2,1 - алюминиевые выводы стока и истока; 3, 6 - диффузионные пН--области стока и истока; -алюминиевый затвор; 5 - тонкий окисел; S - область соединения истока с подложкой; 9 - защитный диод; 10 - п+-область (катод) защитного диода; - толстый окисел

совмещение затвора с истоком и стоком. Молибден и поликристаллический кремний - высокотемпературные материалы, способные выполнять роль защитной маски при диффузии (Г>1100°С).

Рис. 4.7.2. Топология интегрального МОП-транзистора. Штриховыми линиями показаны изменения размеров после проведения основных технологических операций

1Q

«пер

Диффузия из парогазовой смеси или твердого диффузанта ограничена со стороны затвора слоем поликристаллического кремния (рис. 4.7.3) или молибдена (рис. 4.7.4). Длину диффузионной области под затвором (длина перекрытия) определяется толщиной





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 [ 30 ] 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47