книги / Элементы свербольших интегральных схем

для подачи напряжения смещения на «подложку» транзисторов (роль подложки играет область кармана). Совместить оба тран­ зистора ключевого элемента в одну структуру, как это делается для «-канальных схем, невозможно. Кроме того, при уменьшении размеров и сближении «- и р-канальных транзисторов проявляется тиристорный эффект «защелкивания»: при резком возрастании напряжения питания происходит включение тиристорной р-п-р-п структуры, образуемой близко расположенными «- и р-канальны- ми транзисторами, и схема оказывается неработоспособной. Одна­ ко огромные преимущества по электрическим параметрам (в пер­ вую очередь минимальная потребляемая мощность, что важно для СБИС) стимулируютпоиски новых конструкций, позволяющих снизить площадь комплементарного элемента. Поэтому, несмотря на указанные трудности, комплементарные структуры перспектив­ ны для СБИС [78].

Конечно, в транзисторах комплементарных схем проявляются все особенности параметров и характеристик, обусловленные ма­ лыми размерами, которые рассматривались выше для «-каналь­ ных структур. Поэтому они должны иметь те же особенности кон­ струкции, которые отмечались в § 2.4. Здесь нас будут интересо­ вать конструкции, позволяющие снизить площадь комплементар­ ного ключевого элемента (дополняющей пары транзисторов). Их можно разделить на три группы:

структуры на кремниевых подложках с минимальными рас­ стоянием между «- и р-канальными транзисторами, достигаемыми за счет устранения тиристорного эффекта;

структуры, созданные в тонких пленках на диэлектрических подложках (сапфир) или на окисленных кремниевых подложках (все их можно назвать структурами типа кремний на диэлектрике, Щ Ц ), в которых отсутствуют карманы и минимальны расстояния между транзисторами;

структуры на кремниевых подложках, в которых р-канальные транзисторы расположены над «-канальными, не занимают допол­ нительного места на поверхности, а карманы отсутствуют.

Рассмотрим механизм возникновения тиристорного эффекта на примере структуры с р-карманом [79], показанной на рис. 3.34. Слева расположен р-ка­ нальный транзистор, исток которого соединен с плюсом источника питания. Справа в кармане p-типа расположен л-канальный транзистор, исток которого соединен с минусом источника питания. Подложка соединена с положительным полюсом источника питания, а р-карман — с отрицательным (заземлен). При включении источника питания p-я переход карман— подложка, имеющий весь­ ма большую барьерную емкость, смещается в обратном направлении и через структуру в течение короткого интервала времени протекает емкостной ток смещения 1 (ток заряда барьерной емкости р-л перехода), величина которого пропорциональна скорости нарастания напряжения на шине питания. Этот ток вызывает падение напряжения вдоль структуры. В результате р-л переходы исток — подложка р-канального транзистора и исток — карман я-канального транзистора кратковременно смещаются в прямом направлении и происходит

101

инжекция дырок 2 в подложку и электронов 3 в р-карман. Истоки транзисто­

ров образуют	эмиттеры тиристора, а подложка и р-карман — его базы. Ти­
ристор получается совмещением горизонтального р-п-р транзистора			(р+ — исток,
л — подложка,	р — карман)	и я-р-я вертикального транзистора	(л+ — исток,
р — карман, л — подложка).		Если сумма коэффициентов передачи	ап и ар этих:

транзисторов превышает единицу, то при подаче напряжения питания тиристорвключится и останется далее во включенном состоянии, что приведет к не­ работоспособности схемы ,и создаст угрозу выхода ее из строя вследствие про­ текания большого тока. Диффузионные длины неосновных носителей в совре­ менных МДП-структурах весьма велики (сотни микрометров), расстояния же между р+- и л+-областями составляют десятки или даже единицы микро­ метров, условие ап+ а Р> 1 легко выполняется. Для устранения тиристорного эффекта приходится разносить р- и л-канальные транзисторы, увеличивать, глубину кармана и создавать сильнолегированное охранное кольцо р+-типа на границе кармана с целью снижения ар и бокового сопротивления кармана для уменьшения падения напряжения за счет протекания емкостных токов. Очевидно, что уменьшение концентрации примесей в подложке, снижающее емкости р-л переходов и улучшающие параметры л-канальных схем, сильно увеличивает вероятность появления тиристорного эффекта в комплементарных схемах, а также прокола промежутка между карманом и ближайшим тран­ зистором.

На рис. 3.35 приведена конструкция структуры с я-кармашж [75], созданная на высокоомной подложке (р=50 Ом*см); для снижения сопротивления и уменьшения коэффициента передачи паразитного я-р-я транзистора вокруг кармана создана сильно­ легированная кольцевая р+-область 1. В результате при разре­ шающей способности фотолитографии 2 мкм и длине канала 2 мкм расстояние между р- и я-канальным транзисторами LPTU получается 10... 15 мкм. Несмотря на это коэффициент передачи горизонтального я-р-я транзистора ап=0,66. Коэффициент пере­ дачи вертикального р-п-р транзистора более 0,99, т. е. сумма ап + + а р>>1. В структуре с я-карманами подложка заземляется, а кар­ маны подключаются к плюсу источника питания. Как отмечается в [75], это уменьшает вероятность возникновения тиристорнога эффекта, который в данной структуре при напряжении питания 5 В не наблюдался.

Рис. 3.34

Рис. 3.35

Рис. 3.34. Тиристорный эффект в комплементарной структуре

Рис. 3.35. Комплементарная структура с я-карманом

102

Тиристорный эффект может быть устранен при создании струк­ тур транзисторов в слаболегированном эпитаксиальном слое, на­ несенном на сильнолегированную подложку. Это позволяет умень­ шить расстояние между транзисторами. В качестве примера рас­ смотрим структуру, описанную в [79], в которой расстояние меж­ ду я- и р-канальными транзисторами уменьшено до нуля. Она соз­ дается на относительно низкоомной подложке я-типа с удельным сопротивлением порядка 1 Ом*см (рис. 3.36); сильнолегированный д+-карман получается методом внедрения бора. Затем произво­ дится локальное окисление для разделения транзисторов и эпитак­ сия (после локального окисления поверхность должна быть плос­ кой). В результате получаются скрытые окисные слои, лежащие под эпитаксиальной пленкой. Пленка, наращиваемая на окисел, является поликристаллической, а пленка на кремнии — монокристаллической. В процессе эпитаксии примеси проникают в нее из подложки, создавая « “ -область, и из /?+-кармана, создавая р~-об­ ласть. Затем поликристаллические участки сильно легируются и служат для образования контактов, а монокристаллические — для создания активных областей транзисторов. Отсутствие тиристор­ ного эффекта обеспечивается малыми сопротивлениями подложки и кармана р+-типа. Площадь структуры уменьшается на 33% по сравнению с обычной технологией. Кроме того, уменьшаются ем­ кости р-п переходов транзисторов, что повышает быстродействие схем.

Структура с эпитаксиальным слоем на сильнолегированной я+- подложке и карманом /?+-типа, но без скрытых диэлектрических слоев описана в [22]. Она позволяет снизить расстояние между п- и р-канальными транзисторами за счет устранения тиристорно­ го эффекта. Минимальное расстояние равно ширине разделитель­ ного окисла, т. е. не может быть сделано равным нулю, как в пре­ дыдущей структуре, где истоки я- и р-канальных транзисторов располагались вплотную, образуя р-п переход.

Структуры кремний на сапфире позволяют достигнуть более высокой степени интеграции и быстродействия, но обладают рядом недостатков, таких как высокая стоимость, большие токи утечки транзисторов, низкая подвижность носителей в канале, не дающая возможности полностью реализовать потенциальные преимущест­ ва по быстродействию и др. В связи с этим интенсивно разраба-

Рис. 3.36

Рис. 3.37

Рис. 3.36. Комплементарная структура со скрытыми окнсными слоями

Рис. 3.37. Комплементарная структура с р-канальным транзистором, располо­ женным в слое отожженного поликремния

103

4.2. ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТИ И СКОРОСТИ НАСЫЩЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ

Типовая конструкция МЕППТ (рис. 4.2), используемого в циф­ ровых ИС, создается локальным ионным легированием областейистока и стока /г+-типа и области канала /г-тйпа. Типичная толщи­

на канала	d = 0,1	мкм,	средняя	концентрация доноров в канале-
(1... 2) •1017	см“3,	длина	затвора	L3 = 0,5...1	мкм, расстояние	ис­
ток— сток LH.c= l,5 ... 3 мкм, высота барьера					Шотки Um =0,8	В..
Тип ионов, их энергия и доза при ионном легировании выби­
раются таким образом, чтобы глубина легирования (толщина						ка­

нала) и положение максимума на кривой распределения примесей по глубине обеспечивали заданное пороговое напряжение

£/пор= £/ш-£ /р ,	(4.1>
где
Up= qNpd*/&0en.	(4.2)

В качестве легирующих примесей используют кремний, селен, се­ ру и др.

В сверхскоростных ИС применяются МЕППТ, для которых по­

роговые	напряжения лежат		в	пределах — 2,5...+0,2	В.	Если
£Аюр<0,	то при	напряжении	затвор — исток 0 3 = 0 канал			явля­
ется проводящим,		и транзистор		называют транзистором	со	встро­
енным каналом, или нормально				открытым. При t/nOp>0	и	U3 = 0

канал перекрыт обедненным слоем затвора, и транзистор называют транзистором с индуцированным каналом или нормально закры­ тым. Транзистор со встроенным каналом при UnOp<U3 <z0 рабо­ тает в режиме обеднения (рис. 4.3), а при 0 < £ / 3 < С / 3 т а х — в ре­ жиме обогащения. Здесь максимальное напряжение затвора U3 шах определяется напряжением отпирания диода Шотки, используе­ мого в качестве затвора, и составляет 0,7... 0,8 В. Транзистор с

индуцированным	каналом работает только в режиме обогащения
				h	i
Затвор'Шотки				h i			/ 1
	Обедненная	Омический					/	1
Диэлектрик						/	/	1
	область	контакт	Режим		/			1
								1
			обеднения		/			1
					Режим'
				1/	обогащения
				hг
			hiopi	0 UnopZ				max Щ
Рис.	4.2			Рис.	4.3

Рис. 4.2. Поперечный разрез полевого транзистора со структурой металл — по­ лупроводник

Рис. 4.3. Стоко-затворные характеристики транзисторов со встроенным (/) л индуцированным (2) каналами

108