Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевые транзисторы (ПТ) с управляющим p-n переходом, хорошо впи­сываются в общую технологию биполярных ИС и потому часто из­готавливаются совместно с биполярными транзисторами на одном кристалле. Типичные струк- туры ПТ с каналами различного типа проводимости показаны на рисунке 4.14.

Рисунок 4.14

В структуре n-канального ПТ, показанной на рисунке 4.14а, p-слой затвора обра­зуется на этапе базовой диффузии, а n⁺-слои, обеспечивающие оми­ческий контакт с областями истока и стока, - на этапе эмиттерной диффузии. Заметим, что р-слой затвора окружает сток со всех сто­рон, так что ток между истоком и стоком может протекать только через управляемый канал под р-слоем.

В n-карманах, предназначенных для ПТ, вместо скрытого n⁺-слоя целесообразно сформировать скрытый p⁺-слой. Назначение этого слоя - уменьшить начальную толщину канала и тем самым напряжение отсечки. Осуществление скрытого p⁺-слоя связано с до­полнительными технологическими операциями. Для того чтобы скрытый р⁺-слой проник в эпитаксиальный n-слой достаточно глу­боко, в качестве акцепторного диффузанта используют элементы с большим коэффициентом диффузии (бор или галлий).

На подложку, а значит, и на p⁺-слой для изоляции элементов подают постоянный максимально отрицательный потенциал; поэтому они не выпол­няют управляющих функций.

Структура р-канального ПТ, показанная на рисунке 4.14б,совпадает со структурой обычного n-p-n транзистора. Роль канала играет участок ба­зового р-слоя, расположенный между n⁺- и n-слоями. Если при сов­местном изготовлении ПТ и биполярного транзистора не исполь­зовать дополнительных технологических процессов, то толщина канала будет равна ширине базы n-p-n транзистора (0,5-1 мкм). При такой малой толщине канала получаются большой разброс параметров ПТ и малое напряжение пробоя. Поэтому целе­сообразно пойти на усложнение технологического цикла, осуществ­ляя p-слой ПТ отдельно от базового р-слоя, с тем чтобы толщина ка­нала была не менее 1-2 мкм. Для этого проводят предварительную диффузию р - слояПТ до базовой диффузии. Тогда во время базовой диффузии р-слой ПТ дополнительно расширяется, и его глубина ока­зывается несколько больше глубины базового слоя.

Для того чтобы области истока и стока соединялись только через канал, n+-слой делают более широким (в плане), чем p-слой. В результате n+-слой контактирует с эпитаксиальным n-слоем и вместе они образуют «верхний» и «нижний» затворы. На рисунке 4.14б,контакт между «верхним» и «нижним» затворами условно показан штриховой линией.

МДП-транзисторы

Вообще говоря, совместное изготовление МДП- и биполярных транзисторов на одном кристалле, в едином технологическом цикле возможно, но является специальным случаем. Как правило, би­полярные и МДП-транзисторные ИМС разрабатываются и изготав­ливаются раздельно. Эти два типа ИМС предназначе- ны либо для ре­шения разных функциональных задач, либо для решения одной и той же задами, но с использованием преимуществ соответствующего класса транзисторов. Главную роль в современной микроэлектро­нике играют МДП-транзисторы, в которых диэлектриком является SiO₂, их называют МОП-транзисторами.

МОП-транзистор.

Поскольку интегральные МДП-транзисторы не нуждаются в изоля­ции, их структура внешне не отличается от структуры дискретных вариантов. На рисунке 4.15а воспроизведена структура МОП-транзи­стора с индуцированным n-каналом. Отметим особенности этого транзистора как элемента ИМС.

Рисунок 4.15

Из сравнения с биполярным транзистором очевидна, прежде всего, тех­нологическая простота МОП-транзистора. Необходимы всего лишь один процесс диффузии и четыре процесса фотолитографии (под диффузию, под тонкий подзатворный окисел, под омические контакты и под металлизацию). Технологическая про­стота обеспечивает меньший брак и меньшую стоимость.

Отсутствие изолирующих карманов способствует лучшему ис­пользованию площади кристалла, т. е. повышению степени инте­грации элементов. Однако, с другой стороны, отсутствие изоляции делает подложку общим электродом для всех транзисторов. Это обстоятельство может привести к различию параметров у внешне идентичных транзисторов. Действительно, если на подложку задан постоянный потенциал, а истоки транзисторов имеют разные потен­циалы (такое различие свойственно многим схемам), то будут раз­ными и напряжения между подложкой и истоками U_ПИ. Это равносильно раз­личию пороговых напряжений МДП-транзисторов.

Как известно, главным факто­ром, лимитирующим быстродей­ствие МДП-транзисторов, обычно являются сопротивление каналов и паразитные емкости. Другие варианты МДП-транзисторов, где эти параметры сведены к минимуму, рассмотрены в [4].

В комплементарных МОП-транзисторных ИМС (КМОП) на одном и том же кристалле необходимо изготовлять транзисторы обоих типов: с n- и с р-каналами. При этом один из типов транзисторов нужно размещать в специальном изолирующем кармане. Например, если в качестве подложки используется р-кремний, то n-канальный транзистор можно осуществить непосредственно в подложке, а для р-канального транзистора потребуется карман с электронной проводимостью, на который подается максимальный положительный потенциал (рисунок 4.15б). Получение такого кар­мана в принципе несложно, но связано с дополнительными техно­логическими операциями (фотолитография, диффузия доноров и др.). Кроме того, затрудняется получение низкоомных р⁺-слоев в верх­ней (сильно легированной) части n-кармана.

Другим способом изготовления КМОП-транзисторов на одной подложке является КНС технология (кремний на сапфире) [5].

Что касается сочетания МОП-транзисторов с биполярными, то в принципе оно осуществляется просто n-канальные транзисторы изготавливаются непосредственно в р-подложке на этапе эмиттерной диффузии, а p-канальные — в изолирующих кар­манах на этапе базовой диффузии.

В процессе развития микроэлектроники усовершенствование МОП-транзисто- ров происходило по двум главным направлениям: повышение быстродействия и снижение порогового напряжения. В основе последней тенденции лежало стрем -ление снизить рабочие напряжения МОП-транзисторов и рассеиваемую ими мощность. Поскольку полная мощность кристалла ограничена, уменьшение мощности, рассеиваемой в одном транзисторе, способствует, повыше­нию степени интеграции, а уменьшение напряжений питания об­легчает совместную работу МОП-транзисторных и низковольтных биполярных ИС без специальных согласующих элементов.

Способы уменьшения поро­гового напряжения.

Транзисторы со структурой, показанной на рисунке 4.16а, обычно называют МОП-транзистора­ми с кремниевым затвором.Такие транзисторы характерны не только малой емкостью перекрытия, но и ма­лым пороговым напряжением: 1-2 В вместо обычных 2,5-3,5 В. Это объ­ясняется тем, что материал затвора и подложки один и тот же - кремний. Следовательно, контактная разность потенциалов между ними (j_MC) равна нулю, что и приводит к уменьшению порогового на­пряжения [4]. Примерно такой же результат дает исполь­зование молибденового затвора.

Рисунок 4.16

Помимо контактной разности, потенциалов, для уменьшения поро­гового напряжения можно варьировать и другими параметрами. Например, можно заменить тонкий окисел SiO₂ тонким напыленным слоем нитрида кремния Si₃N₄, у которого диэлектрическая проницаемость (e»7) при­мерно в полтора раза больше, чем у двуокиси кремния (e=4,5). Это приводит к увеличению удельной емкости С₀, а значит, к уменьшению соответствующих слагаемых порогового напряжения. Нитрид кремния в качестве подзатворного диэлектрика обеспечи­вает также дополнительные преимущества: меньшие шумы, боль­шую временною стабильность ВАХ и повышенную радиационную стойкость МДП-транзистора.

Сочетая перечисленные методы, можно обеспечить пороговые напряжения практически любой сколь угодно малой величины.

Следует, однако, иметь в виду, что слишком малые значения по­рогового напряжения (0,5-1 В и менее) в большинстве случаев неприемлемы по схемотехническим соображениям (малая помехо­устойчивость).

МНОП-транзистор.

Особое место среди МДП-транзисторов занимает так называемый МНОП-транзистор,у которого диэлектрик имеет структуру «сэндвича», состоящего из слоев нит­рида и окисла кремния (рисунок 4.16б). Слой окисла получается путем термического окисления и имеет толщину 2-5 нм, а слой нитрида - путем реактивного напыления и имеет толщину 0,05-0,1 мкм, достаточную для того, чтобы пробивное напряжение превышало 50-70 В.

Главная особенность МНОП-транзистора состоит в том, что его пороговое напряжение можно менять, подавая на затвор короткие импульсы (100 мкс) напряжения разной полярности, с большой амплитудой (30-50 В). Так, при подаче импульса - 30 В устанав­ливается пороговое напряжение U_ЗИО=4В (рисунок 4.16в). Это значение сохраняется при дальнейшем использовании транзистора в режиме малых сигналов (U_ЗИ £ 10 В); в таком режиме МНОП-транзистор ведет себя как обычный МДП-транзистор с индуциро­ванным p-каналом. Если теперь подать импульс +30 В, то порого­вое напряжение сделается равным U_ЗИ0= 20 В и, следовательно, сигналы U_ЗИ=10В не смогут вывести транзистор из запертого состояния. Как видим, благодаря гистерезиcной зави­симости U_ЗИ0МНОП-транзистор можно с помощью больших управляющих импульсов переводить из рабочего в запертое состо­яние и обратно. Эта возможность используется в интегральных запоминающих устройствах.

В основе работы МНОП-транзистора лежит накопление заряда на границе нитридного и оксидного слоев. Это накопление есть результат неодинаковых токов проводимости в том и другом слоях, где оба тока зависят от напряжения на затворе и меняются в про­цессе накопления заряда. При большом отрицательном напряжении U₃ на границе накапливается положительный заряд. Это сопровождается уменьшением порогового напряжения. При боль­шом положительном напряжении U_ЗИна границе накап­ливается отрицательный заряд. Это приводит к увеличению порогового напряжения.

При малых напряжениях U_ЗИ токи в диэлектрических слоях умень­шаются на 10 - 15 порядков , так что накопленный заряд сохра­няется в течение десятков тысяч часов.Вместе с ним сохраняется и порого­вое напряжение.