Інвертор на основі структур кремній-на-ізоляторі

1 Інвертор на основі структур кремній-наізоляторі, що складається з монокристалічної кремнієво/ підкладки з послідовно розміщеними на ній шарами ізолюючого окислу, рекристалізованого полікремнію з активними областями каналів навантажувального та ключового транзисторів протилежних типів провідності, що включають області стоків та витоків, підзатворного діелектрика й електродів затворів із полікремнію, які з'єднані між собою і є входом інвертора, а з'єднані стокова об ласть ключового транзистора та витокова навантажувального є виходом інвертора, стік навантажувального транзистора під'єднаний до шини живлення, а витік ключового - до земляної шини, який відрізняється тим, що додатково містить керуючий транзистор, причому до підканальної області ключового транзистора під'єднана стокова область керуючого транзистора, яка має тип провідності протилежний до типу провідності підканальної області, витокова область керуючого транзистора під'єднана до земляної шини, а затвор керуючого транзистора з'єднаний з входом інвертора 2 Інвертор на основі структур кремній-на-ізоляторі за п 1 , який відрізняється тим, що підканальна область керуючого транзистора через контактзатравку в шарі ізолюючого окислу з'єднана з монокристалічною підкладкою Корисна модель належить до мікроелектронноі техніки і може бути застосована для виготовлення комплементарних інтегральних схем - метал-окис-напівпровщник (КМОН) - на основі структур кремній-на-ізоляторі (КНІ), в тому числі трьохвимірних, а також інтегральній схемотехніці Відома КМОН КНІ структура [Т Сукано, Т Чмола, Е Такэиси Введение в микроэлектронику // М Мир - 1988 - с 262 (рис 5 25)], утворена в лазерно рекристалізованому полікремнієвому шарі товщиною 0,5мкм, нанесеному на окислену кремнієву пластину і включає два взаємодоповнюючих КНІ МОН-транзистори При відповідному підключенні електродів ця структура буде утворювати КМОН КНІ - інвертор, в якому n-канальний транзистор буде ключовим, а р-канальний - навантаженням Робочі характеристики такого інвертора, зокрема його амплітудно-передаточна характеристика (АПХ) будуть визначатися електрофізичними параметрами структури, співвідношеннями геометричних розмірів каналів р-1 п-типу транзисторів, а наявність "плаваючих", ізольованих від підкладки р- і п- канальних областей транзисторів буде супроводжуватися "кшк"-ефектом, нестабільністю параметрів та недостатньою крутизною АПХ Найбільш близьким технічним рішенням інвертор на основі структур кремній-на-ізоляторі (КМОН КНІ - інвертор) [А С SU №1783937], який складається із монокристалічної кремнієвої підкладки з послідовно розміщеними на ній шарами ізолюючого окислу, рекристалізованого полікремнію з активними областями каналів навантажувального та ключового транзисторів взаємодоповнюючих типів провідності, що включають області стоків та витоків, підзатворного діелектрика і електродів затворів з полікремнію, які з'єднані між собою і є входом інвертора, а з'єднані стокова область ключового транзистора та витокова навантажувального є виходом інвертора, стік навантажувального транзистора під'єднаний до шини живлення, а витік ключового - до земляної шини Використання такого інвертора дозволило б дещо покращати його АПХ за рахунок підключення підканальної області через сильно легований електрод до шини джерела живлення через закритий р-п-перехід Крутизна АПХ такого транзистора є ео CD 7677 недостатньою, що веде до невисокої швидкості переключення. В основу корисної моделі поставлене завдання підвищення крутизни, завадостійкості та стабільності амплітудно-передаточної характеристики інвертора, створеного на основі КМОН КНІ- структури, у якому внаслідок введення керуючого транзистора дало б змогу забезпечити підвищення швидкості переключення і за рахунок цього зменшити споживану потужність інвертора. Поставлене завдання вирішується тим, що в КМОН КНІ-інверторі, який складається із монокристалічної кремнієвої підкладки з послідовно розміщеними на ній шарами ізолюючого окислу, рекристалізованого полікремнію з активними областями каналів навантажувального та ключового транзисторів протилежних типів провідності, що включають області стоків та витоків, підзатворного діелектрика і електродів затворів з полікремнію, які з'єднані між собою і є входом інвертора, а з'єднані стокова область ключового транзистора та витокова навантажувального є виходом інвертора, стік навантажувального транзистора під'єднаний до шини живлення, а витік ключового - до земляної шини, в якому, згідно з корисною моделлю, додатково введено керуючий транзистор, причому до підканальної області ключового транзистора під'єднана стокова область керуючого транзистора, яка має тип провідності протилежний до типу провідності підканальної області, витокова область керуючого транзистора під'єднана до земляної шини, а затвор керуючого транзистора з'єднаний з входом інвертора. Поставлене завдання досягається також тим, що підканальна область керуючого транзистора через контакт-затравку в шарі ізолюючого окислу може бути з'єднана із монокристалічною підкладкою. Введення керуючого транзистора в КМОН КНІінверторі дозволяє керувати пороговою напругою ключового транзистора, тобто зменшувати чи збільшувати її значення в залежності від того, відкривається чи закривається вхідним сигналом керуючий транзистор. Це дозволяє одержати значно кращу амплітудно-передаточну характеристику інвертора, що веде до зменшення споживної потужності в цілому. З'єднання підканальної області керуючого транзистора через контакт-затравку в шарі ізолюючого окислу із монокристалічною підкладкою призводить до зменшення порогової напруги ключового транзистора за рахунок додаткового відсмоктування через відкритий керуючий транзистор основних носіїв в підкладку, що рівноцінно збільшенню концентрації носіїв заряду в індукованому каналі цього транзистора. На фіг. 1 зображено структуру ключового та навантажувального транзисторів інвертора на основі структур кремній-на-ізоляторі, на фіг. 2 структуру керуючого транзистора, на фіг. З - електрична схема інвертора на основі структур кремній-на-ізоляторі, на фіг. 4 зображено амплітуднопередаточні характеристики такого інвертора, де: 1 - монокристалічна кремнієва підкладка; 2 - ізолюючий окисел; 3, 4, 5, 6,- рекристалізований полікремній із активними областями навантажувально го та ключового транзисторів відповідно; 7 полікремнієвий затвор; 8 - металеві провідники; 9 підзатворний діелектрик; 10 - захисний діелектрик; 11 -контакти металевих провідників; 12 - контакт затравка рекристалізованого полікремнію до підкладки; 13,14 - рекристалізований полікремній із активними областями керуючого транзистора, 15 ключовий транзистор VTI, 16 - навантажувальний транзистор VTII, 17 - керуючий транзистор VTIII, А - амплітудно-передаточні характеристики інвертора з керуючим транзистором VTIII 17, В - без керуючого транзистора VTIII 17. На мрнокристалічній кремнієвій підкладці 1 послідовно сформовані шар ізолюючого окису 2, в рекристалізованому полікремнії активні області транзисторів, де витік 3 ключового транзистора VTI 15 під'єднаний до земляної шини " ", стік 4 ключового транзистора VTI 15 з'єднаний із витоком 5 навантажувального транзистора VTII 16 і утворюють вихід інвертора "Вих" (фіг. 3). Стік 6 навантажувального транзистора VTII 16 під'єднаний до шини живлення и с с . Затвори 7 обох транзисторів також з'єднані і являють вхід інвертора "Вх". Підканальна область ключового транзистора VTI 15 (зображено стрілкою) під'єднана до стокової області 13 керуючого транзистора VTIII 17, а його підканальна область та витік 14 під'єднані до шини " ", затвор 7 керуючого транзистора VTIII 17 - до інвертора "Вх". Підканальна область навантажувального транзистора VTII 16 може бути "плаваючою" або під'єднаною до шини U cc (зображено пунктирною лінією). Робота інвертора в режимі переключення, тобто при зміні сигналу на "Вх" інвертора від рівнів "лог.1" до "лог.О", є аналогічною до стандартного, тому доцільно показати тільки зміни впливу керуючого транзистора. Отже, при подачі на "Вх" інвертора сигналу високого рівня "лог.1", який перевищує порогову напругу керуючого транзистора VTIII 17 (Unopa), цей транзистор відкриється і канальна та підканальна області ключового транзистора VTI 15 через відкритий керуючий транзистор VTIII 17 буде з'єднана з земляною шиною. Одночасно почне відкриватися і ключовий транзистор VTI 15. При цьому порогова напруга UnOpi ключового транзистора VTI 15 зменшиться (порівняно із "плаваючою" непідключеною підканальною областю як в [1]) за рахунок додаткового відсмоктування через відкритий керуючий транзистор VTIII 17 основних носіїв в підкладку, що рівноцінно збільшенню концентрації носіїв заряду в індукованому каналі цього транзистора. Потенціал провідного каналу зменшиться, що рівноцінно зменшенню иПОрі, тобто, цей транзистор буде відкритим більше, покращиться провідність каналу ключового транзистора VTI 15 , що в свою чергу сформує кращий низький рівень сигналу на "Вих" інвертора. При зміні рівня вхідного сигналу з "лог.1" на "лог.О", до рівня меншого l/порз, керуючий транзистор VTIII 17 закривається, канальна та підканальна області ключового транзистора VTI 15 будуть від'єднані від шини " ", і матимуть ефект "плаваючої" підкладки. В цьому випадку, транзистор буде закритим краще, оскільки його порогова напруга Unopi підвищиться, зменшиться час закривання 7677 елементів інтегральних схем (1С) так і потужних ключового транзистора VTI 15, що сформує, відформуючих каскадів вихідних сигналів 1С з поповідно, кращий рівень "лог.1" на виході інвертора кращеними параметрами імпульсів і крутіший фронт зміни вихідного сигналу від "лог. 0" до "лог. 1". Приклад конструктивно-технологічної реалізації інвертора. Вихідним матеріалом були монокреОтже, при зміні рівнів сигналу на вході КНІ мнієві підкладки 1, типу КДБ-40, кристалографічної КМОН - інвертора, наприклад від рівнів "лог.1" до орієнтації (100) з шаром термічного ізолюючого "лог. 0", що є більшим і меншим, відповідно, и П0Р з окислу БЮг 2 товщиною 1,0-1,2мкм. В цьому шарі та ІІпоріпорогова напруга ключового транзистора методами літографії сформоване контактне вікно VTI 15 буде додатково керованою керуючим транзатравка 12 для одержання потрібної кристалозистором VTIII 17 і матиме властивість зменшуваграфічної орієнтації в процесі лазерної рекристалітись або збільшуватись якраз в потрібному зназації полікремнію. ченні, залежно від того, відкривається чи закривається вхідним сигналом керуючий транзисШар полікремнію 3 товщиною 0,4мкм наносили тор. методом розкладу моносилану в реакторі пониженого тиску при Т=625°С. Рекристалізацію полікреЦе дозволяє одержати значно кращу АПХ інмнію проводили через рідку фазу шляхом сканувертора. Потрібно також зауважити, що в режимі вання сфокусованою лазерною плямою при включення ключового транзистора, його стікгустині потужності 120кВт/см2. витокові області на межі підканальна область - стік керуючого транзистора VTIII 17 додатково будуть Перекриття смуг сканування 30-40%. Перед закорочуватись, що суттєво підвищить провідність лазерною рекристалізацією на полікремній були каналу ключового транзистора VTI 15 (у виключенанесені допоміжні технологічні покриття - 0,6мкм ному стані - ізоляція р-п-переходом). SiO2 і смужки товщиною 0,1мкм із SJ3N4. Після лазерної обробки ці покриття травлювались. ОкисРобота експериментального КМОН КНІ - інленням і фотолітографією були сформовані підзавертора оцінювалася порівнянням за досліджуватворний діелектрик транзисторів 9 товщиною ними АПХ характеристиками з керуючим транзис700А. Затворний полікремній 7, товщиною 0,5мкм тором і без нього при однакових умовах напруги був нанесений аналогічно до попереднього поліживлення Ucc (+5B), рівнів сигналу на вході, а такремнію. Після цього він був легований п-типом кож машинним моделюванням. домішки до величини поверхневого опору 20Ця оцінка показала, що рівень сигналу "лог. 0" 250м. на виході зменшився з 0,3В до 0,12В; рівень "лог.1" - підвищився з 4,4В до 4,7В; тривалість Формування затворів транзисторів 7, стікфронту імпульсу на виході інвертора зменшилася витокових областей 3, 4, 5, 6, 13, 14 проводили (на рівні імпульсу 0,5) приблизно на 20-25% (фіг. методом самосуміщеної полікремнієвої технології, 4). Це свідчить про переваги даного інвертора поіонних імплантації фосфору та бору. Після цього рівняно із стандартними за АПХ, і як наслідок, його наносили захисний діелектрик із піролітичного кращою завадостійкістю, меншою споживаною БіОг - 10, до якого формували контакти 11 та алюпотужністю. мінієву розводку 8. Запропонований інвертор може бути використаний як для побудови високоякісних логічних ЇО ФіГ.1 8 / 13 Фіг.2 Si у Q / 9 12 І I \ \ 11 7677 a Вих 15 Вх ч Фіг.З U«r=5B Фіг.4 Комп'ютерна верстка Г Паяльніков Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 4 2 , 01601