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.

а)

б)

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.

а)

б)

в)

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).