Технология изготовления МДП-структур

Вакуумная и плазменная электроника

Вариант №21

Выполнил: Чекамеев И. Г. группа ЭКТ-44

Проверила: Титова И. Н.

МОСКВА

Содержание

	Расчёт электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП-транзистора..................................................................
1.1	Исходные данные. Задание.......................................................................	3,4
1.2	Структура и топология МДП-транзистора..............................................
1.3	Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора.............
1.4	Расчёт ВАХ в рамках идеализированной модели..................................
1.5	Расчёт ВАХ с учётом неоднородности ОПЗ под затвором...................
1.6	Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры.........................
1.7	Факультативное задание: Расчёт и корректировка порогового напряжения с учётом эффектов короткого и узкого канала..................
1.8	Факультативное задание: Расчёт реальной ВАХ, зависящей от ...
1.9	Факультативное задание: Расчёт параметров эквивалентной схемы...

Расчёт электрических характеристик кремниевого интегрального n-канального МДП транзистора

1.1 Исходные данные. Задание

Исходные данные. Вариант №21

	Материал затвора	N+-Si*
	Длина канала L, мкм
	Ширина канала W, мкм
	Толщина подзатворного диэлектрика (SiO2) d, мкм	0,03
	Концентрация примеси в подложке , см-3	1016
	Подвижность электронов в канале mn, см2/В.с
	Плотность поверхностных состояний , см-2	6*1010
	Концентрация примеси в n+- слоях, см-3	1020
	Глубина залегания стока , мкм	0.6

ОБЩИЕ ДАННЫЕ

e = 1.62*10^-19 Кл – заряд электрона,

ε₀ = 8.85*10^-14 Ф/см диэлектрическая проницаемость вакуума,

ε = 11.9 – относительная проницаемость Si,

ε_d = 3.4 – относительная проницаемость диэлектрика,

Е_s = 1.5*10⁴ В/см – продольное электрическое поле в канале,

V_t = 1 В – пороговое напряжение.

Задание

1. Нарисовать масштабный эскиз и топологию МДП-транзистора в соответствии с заданием

2. Рассчитать пороговое напряжение МДП-транзистора при заданных исходных данных и = 0 В.

3. Внести изменения в конструкцию транзистора, чтобы обеспечить пороговое напряжение +1 В.

4. Рассчитать и построить выходные характеристики в приближении идеализированной модели при = 0 В в диапазоне напряжений:

0-5 В; = 0 - 5 В (шаг 1 В)

5. Рассчитать выходную характеристику с учётом неоднородности ОПЗ под затвором (реальная ВАХ) при 0-5 В, = 4 В, = 0 В.

6. Построить выходные ВАХ транзистора в рамках идеальной и реальной моделей при 0-5 В, = 4 В, = 0 В.

7. Привести малосигнальную эквивалентную схему, объяснить смысл элементов.

Факультативно

8. Провести расчет и корректировку с учетом эффектов короткого и узкого канала.

9. В дополнение к п.6 построить реальную выходную ВАХ для = 4 В, = -2 В. На одном графике совместить следующие ВАХ:

- Идеальная ВАХ при 0-5 В, = 4 В, = 0 В.

- Реальная ВАХ при 0-5 В, = 4 В, = 0 В.

- Реальная ВАХ при 0-5 В, = 4 В, = -2 В.

10. Рассчитать параметры эквивалентной схемы.

1.2 Структура и топология МДП-транзистора

В соответствии с заданием, транзистор имеет следующие характерные размеры: L=3 мкм, W=10 мкм, d=0.03 мкм, Xj=0.6 мкм. Масштабный эскиз структуры показан на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Структура исследуемого МДП-транзистора Масштабная топология прибора показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Топология исследуемого МДП-транзистора

Технология изготовления МДП-структур

Технология изготовления МДП ИС значительно проще технологии изготовления биполярных интегральных схем. Так, число основных технологических операций примерно на 30 % меньше, чем при изготовлении и биполярных ИС.

Наибольший практический интерес представляет изопланарная технология изготовления МДП-структур, особенностью которой является изоляция МДП-структур толстым слоем оксида кремния. Применение этой технологии позволяет совместно формировать на одной подложке как биполярные, так и МДП-структуры. Процесс поэтапного формирования МДП-структуры:

а) на поверхности кремниевой подложки р-типа формируют маску из нитрида кремния, через отверстия в которой внедряют ионы бора, в результате чего формируются противоканальные р⁺-области;

б) окислением через маску создают разделительные слои диоксида кремния, после чего удаляют слой нитрида кремния, затем ионным легированием бора создают слой с повышенной концентрацией акцепторов, который необходим для снижения порогового напряжения;

в) формируют тонкий подзатворный слой диоксида кремния и наносят на него слой поликремния (затвор);

г) ионным легированием мышьяка формируют n⁺-области истока и стока;

д) химическим паровым осаждением наносят слой диоксида кремния, формируют в нем окна, напыляют пленку алюминия и методом фотолитографии создают рисунок металлических проводников.

1.2.2 Краткие теоретические сведения о МДП-транзисторах.

Транзисторы со структурой металл-диэлектрик полупроводник

1). В рамках идеализированной модели ток стока является функцией двух напряжений:

или

и не зависит от потенциала подложки (т.е. от напряжения ).

2). ВАХ идеализированного МДП транзистора определяется двумя параметрами:

и .

3). В пологой области ВАХ ток стока и крутизна ВАХ зависят только от напряжения затвор-исток: ; , а eмкости

, .

4). Предельная частота транзистора определяется соотношением

и составляет .

5). Эффективными способами регулировки порогового напряжения являются:

а) применение поликремниевого затвора п⁺- или р⁺- типа;

б) подлегирование поверхности канала.

ВАХ реального МДП транзистора с длинным каналом

1). В реальных МДП транзисторах пороговое напряжение и ВАХ зависят от напряжения подложка-исток.

2). Ток стока зависит от трех напряжений: . Влияние потенциала подложки учитывается дополнительными параметрами ВАХ и . Запирание перехода подложка-исток при заданных напряжениях уменьшает ток стока и напряжение насыщения.

3). При через канал протекает подпороговый ток. Этот ток экспоненциально зависит от напряжения .

4) Пороговое напряжение зависит от температуры через параметр . Для любого типа канала ток при заданных напряжениях растет с температурой.

Эффекты малых размеров (короткий или узкий канал)

1. Эффекты малых размеров в МДПТ связаны с краевыми эффектами в ОПЗ, разогревом носителей в канале продольным полем и новыми механизмами тока (из-за близости стока к истоку).

2. Пороговое напряжение п-канальных транзисторов уменьшается при уменьшении длины канала, увеличении ширины канала и увеличении напряжения сток-исток; р-канальных — наоборот.

3. Смыкание ОПЗ стока и истока приводит к эффекту, аналогичному пробою.

4. Ограничение дрейфовой скорости носителей в канале приводит к тому, что в пологой области ВАХ канал на границе со стоком не перекрывается полностью. Ограничение дрейфовой скорости носителей уменьшает ток стока в пологой области ВАХ и снижает напряжение сток-исток насыщения.

5. При увеличении напряжения сток-исток в пологой области ВАХ уменьшается эффективная длина канала. В результате выходная проводимость транзистора конечна.

1.3 Расчет и корректировка порогового напряжения транзистора

При пороговое напряжение n-МДП-транзистора рассчитывается по формуле 1.1:

(1.1) где:

- φ_GB – контактная разность потенциалов затвор - полупроводник,

-φ_G, φ_B – их потенциалы соответственно,

-Q_SS –плотность поверхностного заряда на границе диэлектрик-полупроводник,

-Q_SB0 – поверхностная плотность заряда в канале,

-C_S – удельная емкость диэлектрика.

На основе исходных данных рассчитываем компоненты для 1.1:

-0,92 В

см

Кл/см² .

= Кл/см² .

= Ф/см²

Таким образом, предположим что при заданных исходных данных обеспечивается пороговое напряжение, 0.2 B.

Вывод: для обеспечения величины порогового напряжения +1 В необходимо увеличить его на +1 - (0,2) = +0,8 В. Если затвор сделать из р⁺-Si, то получим 0.2+1.12=1.32В. Остается добавить +1-1.32=-0.32В. Так как эта величина отрицательная, то под затвором необходимо выполнить подлегирование поверхности примесью n-типа (мелкими донорами) на глубину *Xj=0.06 мкм.

Необходимая доза подлегирования составляет

см^-2,

Cредняя концентрация акцепторов в подзатворном слое

D/Δx= см^-3 .

1.4 Расчёт ВАХ в рамках идеализированной модели

В этом приближении действие подложки не учитывается, а толщина ОПЗ под затвором считается постоянной и равной . ВАХ (1.2):

(1.2)

где ;

А/В². (1.3)

Таблица точек построения графика идеальных ВАХ МДП-транзистора:

	В	В	В	В
	0.075	0.18	0.28	0.38
	0.1	0.38	0.68	0.98
	0.1	0.4	0.8	1.2
	0.1	0.4	0.88	1.38
	0.1	0.4	0.9	1.58
	0.1	0.4	0.9	1.6

Семейство идеальных ВАХ МДП-транзистора показано на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Семейство ВАХ МДП-транзистора в рамках идеальной модели

- ток стока;

- напряжение сток-исток;

1 - ВАХ МДП-транзистора для ;

2 - ВАХ МДП-транзистора для ;

3 - ВАХ МДП-транзистора для ;

4 - ВАХ МДП-транзистора для ;

Вывод: найдено семейство ВАХ идеального транзистора при различных напряжениях затвор-исток.

1.5Расчёт ВАХ с учётом неоднородности ОПЗ под затвором

Для крутой области ВАХ:

, (1.4)

Коэффициент влияния подложки рассчитывается как (1.5):

(1.5)

Расчет проведем для , В

Напряжение насыщения определяется соотношением :

, (1.6)

где (1.7)

Для , В:

=2,46В.

Ток насыщения I_DS определяется из выражения (1.4) при V_DS=V_DSS (1.8):

мА (1.8)

Для пологой области ВАХ:

Для пологой области расчет ВАХ проводится следующим образом

(рисунок 1.4)

- Рассчитывается эффективная длина канала с учетом насыщения дрейфовой скорости носителей в канале и модуляции длины канала

- Рассчитывается ток стока с учетом предыдущего пункта при Uds=4В

- Пологая область ВАХ строится как линия, проходящая через точки

(Udss, Ids) – (4, Id(4)).

Рисунок 1.4 – Методика построения ВАХ реального транзистора в пологой области

Вычислим при В как (1.9)

. (1.9)

Эффективная длина канала:

, (1.10)

где E_S = 15 кВ/см — поле насыщения скорости электронов,

— (1.11)

толщина ОПЗ под стоком на границе с пологой областью,

= 0,92 В — (1.12)

контактная разность потенциалов сток-подложка.

Из (1.11) и (1.12):

см

см

Ток стока при В:

	Идеальный	Реальный
Vdt=0,В; Id,мА
Vdt=2,В; Id,мА	0.7	0.8
Vdt=2,35,В; Id,мА	0.73	0.86
Vdt=4,В; Id,мА	0.87	0.9
Vdt=5,В; Id,мА	0.85	0.9

На рисунке 1.5 показаны ВАХ транзистора, рассчитанные в рамках идеальной и реальной моделей при U_BS=0 В.

Рисунок 1.5 - ВАХ транзистора, рассчитанные в рамках идеальной и реальной моделей при U_BS=0.

- а – идеальная модель, U_BS=0

- б – реальная модель, U_BS=0B

Вывод: в результате расчета была вычислена реальная ВАХ транзистора в отсутствие напряжения подложка-исток. Точка насыщения: =2,46В,

мА. При построении пологой области была взята точка В,

1.6 Малосигнальная эквивалентная схема и ее параметры

Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора показана на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора

· R_G – сопротивление затвора;

· R_D – сопротивление стока;

· R_S –сопротивление стока;

· R_B – сопротивление подложки;

· G – выходная проводимость;

· C_GD – диффузионная ёмкость перехода затвор-сток;

· C_G – барьерная ёмкость затвора;

· C_bd – диффузионная ёмкость перехода подложка-сток;

· C_bs – диффузионная ёмкость перехода подложка-сток;

· g_SV_g – генератор тока; g_bV_b – генератор тока;

1.7 Факультативное задание: Расчёт и корректировка порогового напряжения с учётом эффектов короткого и узкого канала

С учетом эффекта короткого канала изменение порогового напряжения рассчитывается по формуле 1.13:

(1.13), где

; , — толщина ОПЗ под затвором, истоком и стоком, — толщина -областей, — контактная разность потенциалов -область — -подложка.

Считаем случай, когда В , В

B

мкм

мкм

мкм

С учетом эффекта узкого канала изменение порогового напряжения рассчитывается по формуле 1.14:

(1.14)

B

Вывод: с учётом эффектов короткого и узкого канала получим изменение порогового напряжения В.

1.8 Факультативное задание: Расчёт реальной ВАХ, зависящей от

Расчет реальной ВАХ при U_BS=-2В проводится аналогично разделу 1.5. Результаты расчета выходной ВАХ рассматриваемого МДП-транзистора

при U_GS=4B, U_DS=0-5В, U_BS=-2 в рамках модели вместе с данными рисунка 1.5 показаны на рисунке 1.7.

Для крутой области ВАХ:

, (1.4)

Коэффициент влияния подложки рассчитывается как (1.5):

(1.5)

Расчет проведем для , В

Напряжение насыщения определяется соотношением :

, (1.6)

где (1.7)

Для , В:

=2,62В.

Ток насыщения I_DS определяется из выражения (1.4) при V_DS=V_DSS (1.8):

мА (1.8)

Для пологой области расчет ВАХ проводится следующим образом

(рисунок 1.4)

- Рассчитывается эффективная длина канала с учетом насыщения дрейфовой скорости носителей в канале и модуляции длины канала

- Рассчитывается ток стока с учетом предыдущего пункта при Uds=4В

- Пологая область ВАХ строится как линия, проходящая через точки

(Udss, Ids) – (4, Id(4)).

Рисунок 1.4 – Методика построения ВАХ реального транзистора в пологой области

Вычислим при В как (1.9)

. (1.9)

Эффективная длина канала:

, (1.10)

где E_S = 15 кВ/см — поле насыщения скорости электронов,

— (1.11)

толщина ОПЗ под стоком на границе с пологой областью,

= 0,92 В — (1.12)

контактная разность потенциалов сток-подложка.

Из (1.11) и (1.12):

см

см

Ток стока при В:

На рисунке 1.5 показаны ВАХ транзистора, рассчитанные в рамках идеальной и реальной моделей при U_BS=0.

	Идеальный,	Реальный,	Реальный,
Vdt=0,В; Id,мА
Vdt=2,35,В; Id,мА	0.8	0.8	0.75
Vdt=2,75,В; Id,мА	0.86	0.86	0.77
Vdt=4,В; Id,мА	0.9	0.9	0.95
Vdt52,В; Id,мА	0.9	0.9

Рисунок 1.7 - ВАХ транзистора, рассчитанные при Ugs=4В с учетом различных приближений

- а – идеальная модель, U_BS=0

- б – реальная модель, U_BS=0B

- в – реальная модель, U_BS=-2B

Вывод: в результате расчета была вычислена реальная ВАХ транзистора при напряжений подложка-исток U_BS=-2B. Точка насыщения: =2,62В, мА. При построении пологой области была взята точка В,

1.9 Факультативное задание: Расчёт параметров эквивалентной схемы

Рассчитаем малосигнальные параметры эквивалентной схемы, показанной на рисунке по рис.1.6:

Крутизна ВАХ: =(960-830)/(4-3)=130 .

Выходная проводимость: =130/3-0.75=57 .

Собственный коэффициент усиления по напряжению: =130/57 2,28

Вывод: используя реальную ВАХ транзистора в отсутствие напряжения подложка-исток, провели расчет малосигнальных параметров эквивалентной схемы МДП-транзистора.