Конструктивно-технологические варианты исполнения элементов КМДП-БИС (стр. 2 из 2)
10-6 10-7 10-8
Рис. 3 Зависимость потребляемой мощности от скорости переключения для различных конструктивно-технологических вариантов МДП БИС (в расчете на один логический элемент), выполненных с 5-микронными проектными нормами и работающих при напряжении питания 5 В
Конструктивно-технологические варианты исполнения КМДП-инверторов
Развитие технологии КМДП-приборов (поликремниевые затворы и самосовмещение), формирование охранных колец не для одного, а для группы транзисторов одного типа проводимости и новые схемотехнические решения, позволившие уменьшить соотношение числа р- и n-канальных транзисторов (не по одному р- канальному транзистору, на каждый n-канальный, как это обычно принято, а меньше), позволили приступить к разработке и массовому производству КМДП БИС различного назначения.
Технология КМДП-структуры с металлическими затворами (рис. 2) была в свое время разработана на базе р-канальной МДП-технологии, отсюда и использование в них карманов р-типа. В то время единственной легирующей примесью, с помощью которой можно было получать глубокие и вместе с тем слаболегированные карманы, был бор. Развитие конструкций КМДП-приборов шло, с одной стороны, по направлению модификации структур, размещенных в кремниевой подложке, с другой стороны, по направлению модификации пленочных структур, расположенных поверх полупроводниковой пластины. Естественно, что эти два направления осуществлялись одновременно и параллельно.
Первой модернизацией конструкции и технологии изготовления КМДП-инвертора было использование пленок поликремния в качестве материала затвора с целью возможности использования самосовмещения и получения более высоких характеристик МДП-структур р-канального и n-канального транзисторов. На рис. 4,aпоказано поперечное сечение обычного КМДП-инвертора с кремниевыми затворами: р-канальный транзистор для получения необходимого порогового напряжения (порядка 1 В) выполнен непосредственно в подложке n-типа с соответствующей примесной концентрацией. Для га-канального транзистора в подложке n-типа сформирован карман р-типа. Уровень легирования этого кармана естественно выше, чем в подложке, так как это легирование должно обеспечить перекомпенсацию исходной примеси с определенной точностью и воспроизводимостью. Вследствие этого возрастают емкости р-n-переходов стока и истока.
а)
б) 
в)
Рис. 4. Варианты формирования структуры КМДП БИС с карманом р-типа (а), n-типа (б) и с карманами двух типов (в): /—толстый окисел; 2—тонкий (подзат-ворный) диэлектрик; 3— поликремневые затворы; 4— р+-диффузионные области стока и истока р-ка-нального МДП-транзистора;5— n+-диффузионные области стока и истока n-канального МДП-транзистора
Улучшить рабочие характеристики n-канальных приборов позволяет конструктивно-технологический вариант исполнения КМДП-инвертора с карманами n-типа (рис. 4, б). Этот вариант является наиболее пригодным при создании КМДП-микросхем с большим количеством n -канальных приборов. При этом n -канальные транзисторы имеют такие же высокие характеристики, что и транзисторы в обычных и-канальных МДП-микросхемах, что представляет собой весьма важное преимущество. К сожалению, в этом случае сразу же возникает аналогичная проблема снижения рабочих характеристик р-канальных транзисторов, у которых возрастают паразитные емкости.
Полное решение проблемы повышения характеристик транзисторов связано с освоением КМДП-технологии с карманами двух типов (двойными), в которой оба типа транзисторов формируются в своих карманах (рис. 4, в). В этом случае исходный уровень легирования подложки (на рис. 4, в — эпитаксиального слоя) должен быть очень невысоким, чтобы для каждого типа карманов можно было подобрать оптимальную для его транзисторов дозу имплантируемой примеси. При наличии двойных карманов для каждого из типов приборов можно принять независимые меры защиты от эффектов второго порядка — сквозного обеднения, влияния подложки, пробоя, эффекта защелкивания. В частности, эффект защелкивания можно устранить использованием n+-подложки, которая образует общий базовый контакт ко всем базовым областям паразитных р-n-р-транзисторов. Соединив ее с положительным полюсом источника питания, можно получить низ-коомную шунтирующую цепь, закорачивающую эмиттерные переходы паразитных р-п-р-транзисторов.
Технология с двойными карманами позволяет реализовать структуры транзисторов с минимальными размерами, так как возможность независимого легирования каждого типа карманов решает максимально для каждого типа транзисторов проблему сквозного обеднения. Кроме того, карманы получаются самосовмещенными.
Рис. 5. Структура фрагмента КМДП БИС с двумя слоями поликремния, сплошным р-карманом и подлегированием периферийных областей друг с другом: всюду, где нет кармана n-типа, есть карман р-типа.
Это позволяет использовать для их формирования один и тот же фотошаблон. На рис. 5 представлена структура КМДП-инвертора с р-карманами, в которой для повышения плотности размещения элементов на кристалле используют пленочную систему с двумя слоями поликремния и одним слоем металлизации. Для затрудения образования паразитных МДП-транзисторов применяют подлегирование периферийных областей соответствующими примесями методом ионной имплантации. Эта структура используется для создания БИС микропроцессоров. Два слоя поликремния в сочетании со слоем металлизации обеспечивает большую свободу в организации разводки БИС и, следовательно, более высокие плотность упаковки и степень интеграции.
В современной технологии КМДП БИС помимо поликремниевых затворов и двух уровней поликремния используются двойные карманы для независимой оптимизации характеристик р- и п-канальных транзисторов (рис. 4). В некоторых конструктивно-технологических вариантах КМДП-приборов карманы различного типа проводимости разделены в приповерхностной области слоем толстого окисла, как в биполярных транзисторах с комбинированной изоляцией
На рис. .6 дан наибольший размер топологии КМДП-инвертора, изготовляемого по современной технологии (43 мкм), для сравнения с соответствующим размером аналогичного инвертора, изготовленного по технологии с алюминиевыми затворами (120 мкм, рис. 2).
Рис. 6. Структура КМДП-инвертора с двумя карманами р–и n– - типа электропроводности, изоляцией толстым окислом, одним уровнем поликремния и подлегированием периферийных областей
Конструкции элементов КМДП-БИС на сапфировых подложках
Хотя в настоящий момент технологию КМДП БИС на сапфировых подложках нельзя рассматривать как серийную массовую технологию БИС, она по-прежнему является многообещающей с точки зрения создания чрезвычайно быстродействующих приборов. Этот конструктивно-технологический вариант обещает существенное повышение плотности упаковки КМДП-приборов. По сравнению с КМДП-схемами на кремниевых подложках вариант КНС позволяет уменьшить площадь кристалла приблизительно на 30% главным образом за счет исключения металлической или поликремниевой перемычки между р+- и n+-областями р-канального нагрузочного и n-канального управляющего транзисторов (рис. 2, 6), путем их непосредственного конструктивного объединения. Кроме того, КНС-приборы характеризуются приблизительно вдвое меньшей паразитной емкостью по сравнению с приборами на кремниевых подложках.
Преимущества КМДП-схем на сапфировых подложках по плотности упаковки, быстродействию, рассеиваемой мощности по сравнению со схемами на монолитных кремниевых подложках пока еще в массовом производстве не оправдывают тех дополнительных затрат, которые связаны с очень высокой стоимостью эпитаксиальных структур кремния на сапфировых подложках. Поэтому использование данного конструктивно-технологического варианта КМДП БИС оправдано лишь при разработке аппаратуры специального назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.
2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с.
3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с.
4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с.
5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.
6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. - 160 с.