- •1. Основы микросхемотехники ИС
- •1.1. Основные термины и определения
- •1.2. Этапы и направления развития ИС
- •1.3. Классификация ИС
- •1.3.4. Классификация по степени интеграции
- •1.4. Последовательность разработки ИС
- •2. Основы цифровой техники
- •2.3. Основные логические операции
- •2.4. Формы представления логической функции
- •2.5. Структурное проектирование цифровых схем комбинационного типа
- •3. Основные параметры и характеристики ЦИС
- •3.1. Основные параметры ЦИС
- •3.2. Характеристики ЦИС
- •3.3. Определение измеряемых параметров по характеристикам
- •4.1. Формирование биполярных транзисторов
- •4.3. Эквивалентная модель интегрального n–p–n биполярного транзистора
- •4.4. Режимы работы биполярного транзистора
- •4.6. Статические ВАХ транзистора
- •5. Диоды в интегральных схемах
- •5.1. Модель идеального диода
- •5.2. Эквивалентная схема интегрального диода
- •5.3. Аппроксимации ВАХ диода
- •5.4. Варианты реализации интегральных диодов
- •6. Пассивные элементы ИС
- •6.1. Основные параметры резисторов
- •6.2. Реализация интегральных резисторов
- •6.4. Реализация интегральных конденсаторов
- •7. Элементная база статических ЦИС на биполярных транзисторах
- •7.1. Резисторно-транзисторная логика (РТЛ)
- •7.1.1. Характеристики РТЛ
- •7.2. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)
- •7.2.1. Принцип работы
- •7.2.2. Входная характеристика
- •7.2.3. Передаточная характеристика
- •7.2.4. Выходная характеристика
- •7.2.6. Многоярусные ЭСЛ (МяЭСЛ)
- •7.3. Диодно-транзисторная логика
- •7.3.1. Расчет передаточной и входной характеристик
- •7.3.2. Выходная характеристика
- •7.3.3. Влияние нагрузки на логические уровни
- •7.4. Транзисторно-транзисторная логика
- •7.4.1. ТТЛ-элемент с простым инвертором
- •7.4.2. Передаточная характеристика
- •7.4.3. Входная характеристика
- •7.4.4. Выходная характеристика
- •7.4.6. Основные параметры
- •7.4.7. Многоэмиттерный транзистор
- •7.4.8. ТТЛ-элемент со сложным выходным каскадом
- •7.4.9. Модификация логического элемента
- •7.5. Интегральная инжекционная логика
- •7.5.2. Реализация логических функций
- •8. Полевые транзисторы
- •8.1. Типы полевых транзисторов
- •8.2. Определение физических параметров
- •8.3. модель полевого транзистора
- •8.4. Режимы работы и уравнения ВАХ полевого транзистора
- •9. Элементная база на полевых транзисторах
- •9.2. Передаточная характеристика и параметры инвертора с линейной нагрузкой
- •9.3. Передаточная характеристика и параметры инвертора с нелинейной нагрузкой
- •9.4. Передаточная характеристика и параметры инвертора с квазилинейной нагрузкой
- •9.5. Передаточная характеристика и параметры инвертора с токостабилизирующей нагрузкой
- •9.6. Передаточная характеристика и параметры комплементарного инвертора
- •9.8. Логические элементы на МОП-транзисторах
- •9.9. Определение эквивалентной крутизны группы переключающих транзисторов
- •9.11. Влияние параметров транзисторов на характеристики логического элемента
- •9.12. Сопряжение ТТЛ- и КМОП-схем
В арсенид-галлиевой технологии применяется именно такой тип транзистора. Проводимость сток-исток в нем управляется областью пространственного заряда контакта Шотки (металл-полупроводник).
|
|
|
hОК |
|
|
w |
Исток |
Затвор |
Сток |
|
|
|||
xj |
|
n+ |
|
n+ |
|
|
ОПЗ |
l |
ОПЗ |
|
|
p-подложка |
||
|
|
|
|
Рис.8.8. Определение физических параметров n-МОП
синдуцированным каналом
8.2.Определение физических параметров
Рассмотрим физические параметры транзистора на примере n-МОП с индуцированным каналом (рис.8.8): w - ширина транзистора (затвора или канала); l - длина затвора (канала); hОК - толщина подзатворного окисла; xj - глубина диффузионных областей
стока, истока; ОПЗ область пространственного заряда.
Между полупроводниковыми областями n-типа и p-типа возникают обедненные ОПЗ.
Между слоем металла и диффузионной областью n+-типа создается омический контакт.
Пороговое напряжение - это физический параметр, который характеризует напряжение на затворе относительно истока:
U |
ПОР0 |
= ϕ |
МП |
+ ϕ |
В |
− |
θПС |
+ |
θВ |
, |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
СОК |
|
СОК |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
где ϕМП - разность работ выхода электронов из материала затвора и
148
полупроводника подложки; jВ - потенциал инверсии, jВ = 2jF ; jF - уровень Ферми,
|
|
æ |
NП |
ö |
jF = jT |
ç |
÷ |
||
× ln ç |
n |
÷; |
||
|
|
è |
i |
ø |
j = kT |
, |
|
|
|
T |
q |
|
|
|
|
|
|
|
где NП - концентрация подложки; ni - собственная концентрация
полупроводника; qПС - фиксированный заряд на границе полупроводник (Si) - окисел (SiO2), определяемый зарядом поверхностных состояний,
θ ПС = q × N ПС ,
NПС - плотность поверхностных состояний на границе
полупроводник (Si) - окисел (SiO2); qВ - потенциал в подложке, наведенный потенциалом на затворе,
qВ = 2 × q × eSi × e0 2 × jT × NП ;
СОК - удельная емкость подзатворного окисла,
СОК = e0h× eОК . ОК
Пороговое напряжение зависит от напряжения подложка-исток:
UПОР =UПОР0 - h ×UПИ ;
η - коэффициент влияния подложки.
Однако коэффициент влияния подложки зависит от напряжения подложки - исток:
h = f (UПИ );
η = |
hОК |
|
|
2ε0εSi qNП |
|
. |
|
εОКε0 |
|
|
UПИ + ϕВ |
Для упрощения расчетов считают, что коэффициент влияния
149
подложки - величина постоянная, независимая от рабочего напряжения подложка-исток UПИР
UПОР |
η = const |
UПОР0
UПИ
(рис.8.9). UПИР
Рис.8.9. Зависимость порогового напряжения от напряжения подложка-исток
8.3. Эквивалентная модель полевого транзистора
На рис.8.10 приведена эквивалентная схема
|
D |
|
CBD |
|
|
|
|
|
RD |
|
|
|
|
|
CGD |
|
|
|
|
|
|
RDS |
IDS |
IBD |
|
|
|
G RG |
CGB |
RB |
B |
|||
|
|
|||||
|
CGS |
|
|
|
|
|
|
RS |
|
IBS |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
S |
|
CBS |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.8.10. Эквивалентная схема полевого транзистора
полевого транзистора: RG - объемное сопротивление затвора;
RD - объемное сопротивление стока; RS - объемное сопротивление
150
истока; RB - объемное сопротивление подложки; RDS – сопротивление утечки сток-исток; CBD - емкость донной части перехода сток-подложка при нулевом смещении; CBS - емкость донной части перехода исток-подложка при нулевом смещении; CGS - емкость перекрытия затвор-исток; CGD - емкость перекрытия затвор-сток; CGB - емкость перекрытия затворподложка.
8.4. Режимы работы и уравнения ВАХ полевого транзистора
Рис.8.11 иллюстрирует выходную ВАХ полевого транзистора, на которой указаны три режима работы.
IC |
II |
III |
|
|
UЗИ
I UСИ
Рис.8.11. Режимы работы полевого транзистора на выходной ВАХ
При расчетах используют следующие уравнения для аппроксимации трех режимов работы ВАХ полевого транзистора:
I - область отсечки:
UЗИ < UПОР; UСИ = ;
IC = 0 .
II - крутая область:
151
UЗИ ³ UПОР; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
UСИ £ |
UЗИ -UПОР |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
1+ h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
éU |
СИ |
(U |
ЗИ |
|
-U |
ПОР |
) |
|
U 2 |
ù |
|
|
|
|||||||||
IC = k ê |
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
СИ |
ú (1 |
+ h) |
; |
||||||||
|
|
|
1+ h |
|
|
|
|
2 |
|
|||||||||||||
ê |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ú |
|
|
|
|||||||||
ë |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
û |
|
|
|
|
k - крутизна полевого транзистора, измеряемая в А/В2, |
|
|
||||||||||||||||||||
|
k = kУД |
W |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
e0 × eОК |
|
|
|
|
|||||
|
kУД = m ×СОК |
= m |
. |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
III - пологая область: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hОК |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
UЗИ ³ UПОР; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
UСИ ³ UЗИ -UПОР |
; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1+ h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
IC = |
k |
× |
(UЗИ -UПОР )2 |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|||||
|
|
2 |
|
|
|
1+ h |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Граничное условие для тока стока при переходе из крутой в |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
UСИ |
= |
UЗИ -UПОР |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
пологую область определяется при |
|
|
|
|
|
|
|
|
1+ h |
|
|
, т.е. |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IC = k2 × (UСИ )2 ×1+ h .
8.5.Технологический маршрут изготовления
КМОП пары
Рассмотрим кратко основные технологические операции формирования комплементарной пары полевых транзисторов.
Исходным материалом является подложка p-типа (рис.8.12).
152
p
Рис.8.12. Исходная подложка для формирования структур. 1. Формирование кармана для создания p-МОП (рис.8.13): а) маскирующее окисление под карман dОК = 0,35 мкм SiO2;
|
P |
n-карман |
p |
|
|
Рис.8.13. Формирование кармана n-типа для p-МОП |
б) 1 фл - фотолитография области кармана р-МОП- транзистора;
в) травление маскирующего окисла SiO2; г) снятие фоторезиста;
д) ионное легирование фосфором (Р) Е = 40 кэВ; D = 0,9 мкКл/см2; разгонка примеси при температуре Т = 1150 °С в течение t = 2 ч (О2) + 14 ч (N2); в результате получается область глубиной xj = 5,5 - 6,0 мкм, с поверхностным сопротивлением ρs = 1,3 - 1,4 кОм/□, толщина поверхностного окисла dОК = 0,22 - 0,25 нм.
2. Формирование слоев, защищающих активные области транзисторов (рис.8.14):
а) стравливание SiO2, окисление перед нанесением нитрида кремния в HCl (dОК = 42,5 нм);
б) 2 фл - фотолитография слоя нитрида кремния для защиты активных областей;
153
в) дубление фоторезиста; г) плазмохимическое травление (ПХТ) нитрида кремния
(Si3N4);
n |
p |
|
|
Рис.8.14. Формирование защитных слоев |
|
3. Формирование охранных областей n-МОП (рис.8.15): а) 3 фл - фотолитография "охраны n-транзисторов";
б) ионное легирование бором (В) Е = 100 кэВ; D = 5,9 мкКл/см2;
в) снятие фоторезиста.
|
B |
n |
p |
|
|
Рис.8.15. Формирование охранных областей для n-МОП |
4. Формирование охранных областей p-МОП (рис.8.16): а) 4 фл - фотолитография "охраны р-транзисторов";
б) ионное легирование фосфором (Р) Е = 40 кэВ; D = 2,5 мкКл/см2;
в) снятие фоторезиста.
154
P |
|
p+ |
p+ |
n |
p |
|
|
Рис.8.16. Формирование охранных областей для p-МОП |
5. Подгонка порогового напряжения (рис.8.17):
а) выращивание фонового окисла SiO2 толщиной dОК = 0,85 мкм, стравливание защитной маски Si3N4, освежение окисла
SiO2;
б) предварительное окисление при температуре Т = 900 °С в течение t = 5'–10'–5'; dОК = 70 нм; стравливание SiO2;
в) подгонка порогового напряжения UПОР0 |
с помощью ион- |
||
ного легирования бором (В): 1) Е = 100 кэВ; D = 0,3 мкКл/см2; 2) |
|||
E = 40 кэВ; D = 0,1 мкКл/см2. |
|
|
|
|
B |
B |
|
p+ n+ |
n+ |
p+ |
p+ |
n
p
Рис.8.17. Ионное легирование бора для подгонки порогового напряжения
155
6.Формирование подзатворного окисла SiO2 толщиной dОК
=42,5 нм (рис.8.18).
p+ n+ |
n+ |
p+ |
p+ |
|
n |
|
p |
|
|
|
|
Рис.8.18. Формирование подзатворного окисла |
7. Формирование поликремниевого затвора (рис.8.19):
а) выращивание поликремния Si* толщиной dОК = 0,4 мкм; б) легирование Si* с помощью диффузии фосфора (Р), снятие
фосфорно-силикатного стекла (ФСС);
в) 5 фл - фотолитография поликремниевого затвора Si* (рис.8.19);
г) ПХТ Si*.
p+ |
n+ |
n+ |
p+ |
p+ |
|
|
n |
|
p |
|
|
|
|
|
Рис.8.19. Фотолитография поликремниевого затвора |
8. Формирование областей стока-истока n-МОП (рис.8.20): а) 6 фл - фотолитография областей стока-истока n+-типа ;
б) ионное легирование мышьяком (As) E = 60 кэВ; D = 1000 мкКл/см2.
156
|
|
|
|
As |
p+ n+ |
n+ |
p+ |
n+ |
n+ |
|
p+ |
|||
|
n |
|
|
p |
|
|
|
|
|
Рис.8.20. Формирование областей стока-истока для n-МОП |
9. Формирование областей стока-истока p-МОП (рис.8.21): а) окисление при температуре Т = 950 °С в течение t = 30 мин
в сухом кислороде (О2); б) 7 фл - фотолитография областей стока-истока р+-типа
(рис.8.21);
в) ионное легирование (BF2) E = 80 кэВ; D = 700 мкКл/см2.
BF2
p |
+ |
n |
+ p+ |
p+ |
+ |
p |
+ |
n+ |
n+ |
p |
+ |
|
|
|
n |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.8.21. Формирование областей стока-истока для p-МОП |
10. Формирование контактных окон:
а) окисление при температуре Т = 950 °С в течение t = 30 мин в сухом кислороде (О2);
б) 8 фл - вскрытие контактных окон к областям n+ и Si* (рис.8.22);
157
в) ПХТ SiO2;
г) снятие фоторезиста; д) ионное подлегирование фосфором (Р) контактов Е = 40
кэВ, D = 1400 мкКл/см2;
е) оплавление ФСС + разгонка Р в контактах при температу-
ре Т = 1000 °С;
Рис.8.22. Вскрытие контактных окон |
к |
областям стока- |
||||||
истока |
|
|
|
|
|
|
|
|
ж) 9 фл |
- |
вскрытие |
контактных |
окон |
к |
областям |
р+ |
|
(рис.8.23); |
|
|
|
|
|
|
|
|
з) ПХТ ФСС и SiO2, химический дотрав. |
|
|
|
|
p+ n+ p+ |
p+ |
n+ |
p+ |
n+ |
n+ |
p+ |
|
|
n |
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
Рис.8.23. Вскрытие контактных окон к областям стока-истока p- |
||||||
|
|
МОП |
|
|
|
158
11. Формирование слоя металлизации (рис.8.24):
а) химическая обработка поверхности пластины, освежение (буферный травитель);
б) нанесение слоя металлизации Al и кремния Si толщиной d = 0,8 мкм;
в) запыление Si (dx = 20 нм).
г) 10 фл - фотолитография для слоя металлизации; д) ПХТ Al;
е) нанесение защиты.
p |
+ + p+ |
p+ |
+ |
+ |
n+ |
n+ |
p |
+ |
n |
|
n |
p |
|
|
|
||
|
|
|
n |
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.8.24. Формирование слоя металлизации |
159