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. 
| а) | б) |
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.
| 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 UПИ. 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 (jMC) 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).
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 UЗИО=4В (рисунок 4.16в). Это значение сохраняется при дальнейшем использовании транзистора в режиме малых сигналов (UЗИ £ 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 UЗИ0= 20 В и, следовательно, сигналы UЗИ=10В не смогут вывести транзистор из запертого состояния. Как видим, благодаря гистерезиcной зависимости UЗИ0МНОП-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 UЗИна границе накапливается отрицательный заряд. Это приводит к увеличению порогового напряжения.
При малых напряжениях UЗИ 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.