Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

262

Гл. 4. Полевые транзисторы

баллистического переноса и эффекта увеличения подвижности

в напряженном кремнии.

скорость

насыщения,

см/с

1,8

--- 2,4

• 2,1

3,5

Рис. 4.14. Зависимость скорости электронов от расстояния в канале полевых

транзисторов, изготовленных из различных полупроводников (эффект «всплес-

ка скорости»). Для сравнения в таблице справа указаны максимальные скоро-

сти насыщения, полученные в структурах с длинным каналом [87]

Эффект «всплеска скорости» был обнаружен при моде-

лировании динамики движения электронов в канале полевого

транзистора методом Монте-Карло [182]. Оказалось, что когда

электроны попадают в сильное электрическое поле, скорость их

движения сначала быстро нарастает до значений, которые могут

в несколько раз превышать скорость насыщения v

, а затем эта

скорость уменьшается до значения, равного v

(см. рис. 4.14).

Причиной такого поведения является существование в полупро-

воднике двух различных характерных времен: времени релакса-

ции импульса Тк и времени релаксации энергии т

. Поскольку

Тк "С т

, то после попадания электронов в сильное электрическое

поле за время порядка Тк устанавливается их квазистационарное

распределение по импульсам, и все носители начинают двигаться

«синхронно» вдоль направления электрического поля. Однако

через характерное время т

неупругие процессы рассеяния «рас-

страивают» это движение и средняя скорость дрейфа уменьша-

ется. Если носитель будет успевать пролететь через канал за

время, меньшее т

, то его средняя скорость движения будет

превосходить скорость насыщения и, в соответствии с форму-

лой (4.23), частота отсечки может быть сделана выше. В транзи-

сторах на основе GaAs эффект «всплеска скорости» проявляется

в приборах с длиной канала менее 0,5 мкм, а в транзисторах на

основе кремния — при длине канала менее 0,1 мкм [182].

сх

= 6

материал

GaAs

InP

GalnAs

InAs

•

Uft

0,2 0,4 0,6

расстояние, мкм

0,8

4.1. Полевые транзисторы с изолированным затвором 263

Другой режим, называемый режимом баллистического пере-

носа, может возникать в структурах со сверхкоротким (< 500 А)

каналом, когда носитель, движущийся в сильном электрическом

поле, пролетает канал за время, меньшее ть то есть с большой

вероятностью вообще не испытав ни одного акта рассеяния,

Большой интерес к этому режиму связан с тем, что по-

скольку носитель движется максимально быстро (его скорость

в любой точке канала определяется только значением электро-

статического потенциала в этой точке), этот режим позволяет

реализовать минимально возможное для данной геометрии при-

бора время пролета и максимальную крутизну вольт-амперной

характеристики.

МОП-структура, названная баллистическим нанотранзи-

стором, была создана в Bell Laboratories в 1999 году. Длина

канала в этой структуре составляла всего 250 А. Оказалось, что

для реализации баллистического режима переноса необходима

чрезвычайно гладкая граница Si—S1O2, и поэтому в этом тран-

зисторе использовалсд сверхтонкий слой окисла. В структуре с

толщиной окисла 16 А при комнатной температуре был получен

ток стока, составляющий 85% от максимально возможного зна-

чения, отвечающего чисто баллистическому режиму.

Исследования показали, что реализовать преимущества, свя-

занные с эффектом «всплеска скорости» и баллистическим пе-

реносом, непросто. При уменьшении длины канала сильно воз-

растает рассеяние носителей на заряженных примесях, которые

располагаются в сильно легированном затворе из поликристал-

лического кремния, в области ореола и в сильно легированных

областях истока и стока. Кроме того, из-за увеличения напря-

женности поперечного электрического поля под затвором сильно

возрастает рассеяние носителей на фононах и шероховатостях

поверхности, а распределение потенциала в канале короткого

МОП-транзистора таково, что при этом трудно обеспечить высо-

кую напряженность электрического поля вблизи истока. Поэтому

необходимо было пробовать другие подходы.

Эффект увеличения подвижности в слоях напряженного

кремния известен сравнительно давно. Исследования упруго

напряженных сверхрешеток Si/Si i~

[183] обнаружили за-

метное увеличение подвижности электронов в слоях Si(100).

Своим происхождением этот эффект обязан тому, что в ре-

зультате растяжения кремния в плоскости слоя шестикратное

вырождение его зоны проводимости снимается и наинизши-

ми по энергии оказываются минимумы, эллипсоиды эффектив-

ной массы которых вытянуты в направлении, перпендикулярном

264 Гл. 4. Полевые транзисторы

слою. Поскольку энергия этих минимумов оказывается заметно

ниже края зоны проводимости в Sii^Ge*, то электроны локали-

зуются в слое Si. Из-за небольшой эффективной массы (m_L г»

«0,19то) и меньшего темпа рассеяния этих электронов их

подвижность в слое Si возрастает почти в 2 раза по сравнению

с объемным материалом (184). Хотя скорость насыщения при

этом практически не изменяется, увеличение подвижности поз-

воляет повысить крутизну вольт-амперной характеристики тран-

зисторов на 60% [185] с соответствующим выигрышем в быстро-

действии. Полевые транзисторы из напряженного кремния можно

получить наращиванием на подложку из Si варизонного слоя

твердого раствора Sii-jGex толщиной ~1,5 мкм, заканчивающе-

гося слоем постоянного состава (я~0,2) толщиной ~0,6 мкм;

на поверхности этого «релаксированного» (ненапряженного) слоя

затем создают тонкий (~100 А) слой Si, который и будет

служить каналом МОП-транзистора. Механические напряжения

в структуре можно создать и другими способами. Так, в совре-

менных процессорах фирмы Intel напряжения в области канала

n-МОП-транзисторов создают осаждением вокруг затвора слоев

S13N4 (см. рис. 4.12), а в транзисторах с каналом р-типа для

создания напряжений используются области истока и стока,

изготовленные из твердого раствора Sii_

с помощью се-

лективной эпитаксии. Напряженный кремний вот уже несколько

лет используется фирмами IBM, Intel и AMD при производстве

процессоров.

Наконец, очень перспективный путь повышения быстродей-

ствия — уменьшение напряженности поперечного электрического

поля в канале. Наиболее эффективно это можно осуществить,

создав у МОП-транзистора два затвора (симметрично свер-

ху и снизу канала) или окольцовывающий затвор. Согласно

теоретическим расчетам, в двухзатворных МОП-транзисторах

подвижность носителей в канале может быть увеличена в 2-

3 раза [186].

4.1.7. Мощные и высоковольтные МОП-транзисторы.

Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором

находят применение в качестве усилителей мощности и клю-

чевых элементов. Отсутствие явления накопления неосновных

носителей обеспечивает лучшие динамические характеристики

и более высокую скорость переключения этих транзисторов

по сравнению с биполярными приборами. В настоящее время

разработан целый ряд конструкций мощных МОП-транзисторов,

4.1. Полевые транзисторы с изолированным затвором

265

среди которых наибольшее значение имеют структуры с верти-

кальным направлением протекания тока [11, 163].

Рис. 4.15. Три конструкции мощных МОП-транзисторов с вертикальной струк-

турой [163]

На рис. 4.15а показана конструкция мощного МОП-

транзистора, созданного методом двойной диффузии (DMOS).

Эти транзисторы получаются диффузией акцепторной и донорной

примесей через окна, открытые в окисле на поверхности

слабо легированного (n ~ 10

см~

) эпитаксиального слоя

«/-типа, выращенного на сильно легированной п

-подложке.

Слабое легирование эпитаксиального слоя позволяет сделать

так, чтобы область пространственного заряда стока могла

распространяться на всю толщину слоя и электроны, попада-

ющие в ^-область из горизонтально расположенного канала,

могли быстро дрейфовать в направлении к стоку. Большая

протяженность области пространственного заряда позволяет

заметно повысить напряжение пробоя структуры. Параллельное

соединение большого числа таких транзисторов в одном приборе

позволяет создать мощный полевой транзистор. Приборы такой

конструкции характеризуются напряжением пробоя до 800 В, но

при этом имеют сравнительно высокое (порядка нескольких Ом)

сопротивление в открытом состоянии.

На рис. 4.156 показана конструкция мощного МОП-

транзистора с V-образной канавкой (VMOS). На сильно

легированной подложке п

-Si (область стока) наращивается

эпитаксиальный слой у-типа, в котором путем диффузии созда-

ются слой р-типа и поверхностные области п

-типа, которые

будут служить выводами истока. Затем путем селективного

химического травления на поверхности кремния формируются V-

образные канавки (см. с. 208). Поверхность канавок окисляется

и поверх окисла наносится металлический затвор или затвор

из легированного поликремния. Для исключения открывания

паразитного n-р-п-транзистора, образованного областями п

типа и р-слоем, эмиттер и база этого транзистора при создании

1с

266

Гл. 4. Полевые транзисторы

контакта к истоку соединяются между собой. При подаче на

затвор положительного смещения на границе окисла и р-слоя

индуцируются проводящие каналы и ток в структуре течет по-

чти вертикально, проходя часть пути в эпитаксиальном г/-слое.

Концентрация примеси в этом слое намеренно выбирается невы-

сокой (10

- 10

см

-3

), чтобы обеспечить высокое напряжение

пробоя. При напряжении пробоя 30 В такой транзистор может

обеспечить очень низкое сопротивление в открытом состоянии —

до 0,05 Ом. Транзисторы с подобной структурой и длиной канала

0,5 мкм имеют частоту отсечки, превышающую 1 ГГц [И].

В современных МОП-транзисторах с вертикальным затвором

(см. рис.4.15в) на поверхности кремния методом анизотропного

плазменного травления создаются глубокие канавки (trench),

в которых формируются изолированные слоем окисла поликрем-

ниевые затворы. Практически вертикальные стенки канавок поз-

воляют значительно повысить плотность упаковки и уменьшить

сопротивление транзистора в открытом состоянии по сравнению

с VMOS-структурами. Так, транзистор фирмы Infineon площа-

дью 30 мм

с напряжением пробоя 50 В, состоящий более чем из

300 тысяч параллельно соединенных ячеек, имеет сопротивление

открытого канала 3- Ю

-3

Ом [163].

Особенностью МОП-транзисторов по сравнению с биполяр-

ными транзисторами является то, что в области температур

до ~150°С сопротивление канала возрастает с увеличением

температуры. Это способствует получению более однородного

распределения плотности тока по площади структуры. Поэтому

мощные МОП-транзисторы лучше переносят перегрузки по току

и менее подвержены явлению вторичного пробоя.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

(IGBT). Необходимость в поиске новых конструкций мощных

полупроводниковых приборов вызвана рядом недостатков, при-

сущих чисто полевым и чисто биполярным транзисторам. Так,

полевые транзисторы при одинаковом с биполярными транзи-

сторами максимальном токе должны иметь в несколько раз

большую площадь, в результате чего их стоимость оказывается

в 2-3 раза выше. Недостатком мощных биполярных транзисторов

является их невысокое быстродействие, связанное с накоплением

в базе инжектированных носителей, что приводит к большим

коммутационным потерям при их работе на переменном токе. По-

этому разработка гибридных структур, позволяющих объединить

в себе достоинства каждого из указанных типов транзисторов,

является весьма актуальной. В настоящее время разработаны

4.1. Полевые транзисторы с изолированным затвором 267

и выпускаются в промышленных масштабах несколько типов

таких биполярно-полевых гибридных структур.

Первые монолитные биполярно-полевые структуры были из-

готовлены в конце 70-х годов и существенно усовершенство-

ваны в 80-х годах [163]. Наибольшее распространение среди

них нашли структуры, получившие название биполярных тран-

зисторов с изолированным затвором (IGBT — insulated gate

bipolar transistor), в которых объединены лучшие свойства по-

левых (быстродействие, малый ток управления) и биполярных

(низкое напряжение насыщения) приборов. В настоящее время

эти приборы занимают около 5% рынка выпускаемых мощных

полупроводниковых приборов и используются в качестве мощ-

ных управляемых ключей, несколько потеснив тиристоры с за-

нимаемых ими позиций.

Важным достоинством IGBT является их полная управляе-

мость со стороны затвора и способность сравнительно быстро

включаться и выключаться. По сравнению с запираемыми ти-

ристорами (см. с. 224), эти приборы могут работать на более

высоких частотах (до 50-100 кГц), однако для них характер-

но более высокое падение напряжения в открытом состоянии

(1,5-3 В). Поэтому IGBT наиболее эффективно использовать в

высоковольтной электронике. В настоящее время рабочее напря-

жение этих приборов достигает 6,5 кВ (изделие CM600HG-130H

фирмы Powerex), а ток — 2400 А (изделие СМ2400НС-34Н той

же фирмы). Еще одним важным достоинством 1GBT является

простота схем управления, сильно отличающая их от запираемых

тиристоров.

катод

(эмиттер)

анод

(коллектор)

затвор

катод

электроны

эпитакснальныи

дырки

слой

анод

яг

затвор

анод

а б

Рис. 4.16. Условное обозначение (а), поперечное сечение одной ячейки (б) и

эквивалентная схема (в) биполярного транзистора с изолированным затвором

(IGBT)

268 Гл. 4. Полевые транзисторы

Устройство IGBT показано на рис. 4.16. По сути прибор

представляет собой функционально-интегрированную структуру,

состоящую из низковольтного полевого транзистора, истоком

которого является п

-область катода структуры, а стоком —

высокоомный эпитаксиальный слой n-типа, и мощного р-п-р-

транзистора, образованного р

-подложкой (анодом структуры),

эпитаксиальным слоем и р-областью катода структуры.

Имеющийся в структуре n-р-га-транзистор, образованный

-областью катода, р-областью катода и эпитаксиальным

слоем, является паразитным и в работе IGBT не используется:

его открывание может привести к эффекту защелкивания

(см. подробнее с. 281) и потере управляемости структурой,

в результате чего прибор обычно выходит из строя. Чтобы

этот транзистор никогда не открывался, п

- и р-область

катода IGBT изготавливают в виде закороченной структуры

(подобно закороченному катоду тиристора, см. п. 3.1.1). Толщина

эпитаксиального слоя составляет ~200 мкм, а выводы затвора

и эмиттера располагаются на поверхности прибора в виде

регулярной структуры с характерным расстоянием между ячей-

ками, равным несколько мкм в современных приборах. Иногда

в структуру между р

-подложкой и эпитаксиальным слоем

добавляют буферный п

-слой, который позволяет уменьшить

падение напряжение на приборе в открытом состоянии (этот

вопрос уже обсуждался нами в п. 3.1 на с. 222)

). Дальнейшее

улучшение характеристик IGBT достигается в структурах с

вертикальным затвором [163].

Для перевода IGBT в открытое состояние на затвор пода-

ют положительное смещение, которое индуцирует проводящий

канал между п

-областью эмиттера и эпитаксиальным слоем

(см. рис, 4.16). Протекающий по каналу ток электронов откры-

вает р-п-р-транзистор и дырки начинают инжектироваться из

-области в эпитаксиальный слой. Эти дырки и электроны,

подходящие из катода для обеспечения электронейтральности,

сильно уменьшают сопротивление эпитаксиального слоя и тем

самым обеспечивают низкое падение напряжения на приборе в

открытом состоянии. Поскольку паразитный п-р-п-транзистор

всегда закрыт, то, в отличие от тиристора, прибор остается

управляемым и его можно легко перевести в закрытое состояние

уменьшением напряжения на затворе. Время выключения IGBT

определяется временем рассасывания инжектированных в базу

') В зарубежной литературе структуры с таким слоем называют punch

through (РТ) IGBT.

4.2. Элементы интегральных схем на МОП-транзисторах 269

р-п-р-транзистора дырок и может быть снижено до нескольких

сотен наносекунд за счет создания радиационных дефектов при

облучении прибора протонами.

4.2. Элементы интегральных схем на

МО П -транзисторах

Путь к интегральной схеме на полевых транзисторах был

нелегок. Несмотря на то, что первый МОП-транзистор был со-

здан в I960 г., использованию этих транзисторов в реальных

приборах препятствовали высокая плотность поверхностных со-

стояний на границе Si-Si02 и нестабильность характеристик.

Балк, работавший в фирме IBM, в 1965 г. первым нашел способ

уменьшения плотности поверхностных состояний путем термо-

обработки окисла в атмосфере водорода, при которой происходит

пассивация водородом ненасыщенных связей атомов Si и О (см.

с. 247). Примерно в то же время сотрудники фирмы Fairchild

Semiconductors установили, что нестабильность характеристик

МОП-транзисторов связана с неконтролируемо присутствующи-

ми в окисле ионами натрия, и нашли способ связывания этих

атомов. Только объединение этих двух идей позволило в 1965 г.

выпустить первые интегральные схемы на МОП-транзисторах со

стабильными характеристиками.

Первые интегральные схемы (ИС) на полевых транзисторах

были построены на основе МОП-транзисторов с каналом р-типа.

Технология получения этих транзисторов была очень проста

и поэтому для создаваемых на их основе ИС был характерен

намного более высокий выход годных по сравнению с ИС на

биполярных транзисторах. Это предопределяло низкую стои-

мость МОП ИС и их быстрое развитие. Однако из-за большого

встроенного положительного заряда в слое окисла (типичное

пороговое напряжение р-МОП-транзистора равно 6 В) ИС на

р-канальных транзисторах требовали высокого напряжения пи-

тания {Е

= 27 В) и характеризовались высокой потребляемой

мощностью. При этом наряду с высокой статической рассеи-

ваемой мощностью (связанной с протеканием постоянного тока

через структуру), для них была характерна и большая дина-

мическая мощность рассеяния (возникающая при переключении

схем из состояния логической 1 в состояние логического 0 и

обратно), которая равна Р

дин

= где / — частота пере-

ключения, С

— емкость шины, a U

-\ — разность напряжений,

отвечающих уровням 0 и 1. Кроме того, было ясно, что из-за

270 Гл. 4. Полевые транзисторы

примерно втрое более низкой подвижности дырок в Si по срав-

нению с электронами, в таких ИС нельзя полностью реализовать

высокие потенциальные возможности полевых транзисторов.

1 -

о -

1 -

8 10

И „..-2

доза, 10 см

Рис. 4.17. Зависимость порогового напряжения МОП-транзисторов с канала-

ми п- и р-типа от дозы имплантированных в приповерхностный слой ионов

бора. Толщина подзатворного окисла 650 А, поликремниевый затвор п

-типа.

Сплошная линия — транзистор с каналом n-типа, пунктирные линии — тран-

зисторы с каналом р-типа. Последние транзисторы изготовлены в слое п-типа,

созданном на поверхности подложки р-тила путем имплантации ионов фосфора

с поверхностной концентрацией (в 10

см"

): / — 0,8; 2 — 1,0; 3 — 1,5; 4 —

2,0 [58]

При попытке создания ИС на МОП-транзисторах с каналом

n-типа разработчики столкнулись с тем, что из-за положитель-

ного встроенного заряда в окисле (см, с. 247) на поверхности

p-Si всегда образуется инверсионный слой, и необходимо было

сначала научиться управлять пороговым напряжением п-МОП-

транзистора. В первых микросхемах для коррекции У

пор

на

подложку схемы подавалось большое отрицательное смещение;

позже для коррекции

nop

было предложено использовать

ионную имплантацию. Действительно, если считать импланти-

рованную примесь сосредоточенной в очень тонком слое вблизи

границы раздела Si-Si02, то поверхностная плотность встроен-

ного заряда в окисле просто изменяется на величину поверхност-

ной плотности заряда внедренной примеси Q и сдвиг порогового

напряжения равен AV

aop

ж Q/Сд [87]. Поэтому внедряя в

приповерхностный слой полупроводника ионы акцепторных или

4.2. Элементы интегральных схем на МОП-транзисторах

271

донорных примесей, можно направленно менять пороговое напря-

жение, при этом практически не изменяя емкость обедненного

слоя. Имплантация доноров повышает пороговое напряжение

в р-канальных МОП-транзисторах и понижает его в п-каналь-

ных приборах; имплантация акцепторов производит противопо-

ложное действие (см. рис. 4.17). Решение проблемы коррекции

ор позволило создать ИС на МОП-транзисторах с каналом

n-типа, которые работали при напряжении Е

= 5 В и имели

более высокое быстродействие.

4.2.1. Интегральные схемы на n-МОП-транзисторах. На

рис. 4.18 показано устройство логического элемента «2И-НЕ»,

построенного на п-МОП-транзисторах. Элемент образован дву-

мя последовательно включенными нормально закрытыми (ра-

ботающими в режиме обогащения) транзисторами Т1 и Т2 и

одним нормально открытым (работающим в режиме обедне-

ния) транзистором ТЗ, который служит активной нагрузкой (см.

рис. 4.18а)

). Низкое выходное напряжение на выходе схемы

(логический 0) устанавливается только тогда, когда оба тран-

зистора Т1 и Т2 открыты, то есть на их входы подан высокий

потенциал, отвечающий уровню логической 1.

Интегральные схемы на МОП-транзисторах создаются с по-

мощью планарной технологии (см. п. 2.8,1), Основными этапами

изготовления таких ИС являются [58]: создание в необходимых

местах окисной изоляции; выращивание тонкого слоя подзатвор-

ного окисла; осаждение слоя поликремния, из которого затем с

помощью фотолитографии изготавливаются затворы и нижний

уровень контактных соединений; создание сильно легированных

областей истока и стока с помощью ионной имплантации. После

изготовления транзисторов поверхность структуры закрывается

слоем фосфорно-силикатного стекла, которое является геттером

подвижных ионов натрия и защищает прибор от их вредного

воздействия. В этом стекле с помощью литографии вскрываются

окна и с помощью верхнего слоя металлизации создаются необ-

ходимые соединения между элементами, а затем вся структура

защищается слоем плазмохимически осажденного нитрида крем-

ния (SiNj), который герметизирует прибор и предохраняет его от

загрязнения и механических повреждений.

') Термины «нормально открытый» и «нормально закрытый» обозначают

состояние транзистора при К,и = 0, которое определяется знаком порогового

напряжения V„

. На электрических схемах каналы таких транзисторов изоб-

ражаются, соответственно, сплошной и прерывистой линиями (см. рис. 4.18).