Национальный исследовательский университет

Задание по дисциплине «Проектирование и моделирование элементной базы микроэлектроники»

Вариант - 10

Выполнил:

Студент группы МНКТ211

Калачикова И.В.

Проверил:

Попов Д.А.

Москва 2022

Таблица 1. Исходные данные для расчета МОП-транзистора:

Параметр

Описание

x_j=0,4…1,2

Глубина залегания p-n перехода исток-подложка и сток-подложка, мкм

d_пер=0,1

Длина области перекрытия затвор-исток и затвор-сток, мкм

N_{П_n}=(5…10)×10¹⁶

Концентрация акцепторной примеси в подложке n-канального МОПТ, см^-3

N_{П_p}=(2…8)×10¹⁶

Концентрация донорной примеси в подложке p-канального МОПТ, см^-3

N_{З_n}=(1…1.5)×10¹⁹

Концентрация донорной примеси в затворе n-канального МОПТ, см^-3

N_{З_p}=(0.5…10)×10¹⁹

Концентрация акцепторной примеси в затворе p-канального МОПТ, см^-3

N_{С_n}=(0.5…1.5)×10¹⁸

Концентрация донорной примеси в области истока/стока у pn-перехода с подложкой в n-канальном МОПТ, см^-3

N_{С_p}=(0.7…1.2)×10¹⁸

Концентрация акцепторной примеси в области истока/стока у pn-перехода с подложкой в p-канальном МОПТ, см^-3

n_i=1.5×10¹⁰ (Si)

Концентрация носителей зарядов в собственном полупроводнике, см^-3

e=12 (Si), e=3.9 (SiO₂),

Относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, диэлектрика

q=1.6×10^-19

Заряд электрона, Кл

m_n≈600...400 (Si)

Подвижность электронов в канале МОПТ, см²/(В×с)

m_p≈300...200 (Si)

Подвижность дырок в канале МОПТ, см²/(В×с)

Тепловой потенциал при комнатной температуре (Т=300 К), В

Таблица 2. Параметры структуры МОП-транзистора

№

L, мкм

tox, нм

Xj, мкм

NП_n, 1/см3

NП_p, 1/см3

NЗ_n, 1/см3

NЗ_p, 1/см3

NC_n, 1/см3

 NC_p, 1/см3

1,2

5E+16

2E+16

1E+19

1E+17

1,5E+18

1,2E+18

Рисунок 1 – Электрическая схема

Ширина канала W= 10L=50мкм

Длина =7L= 35мкм

1. Технологический процесс изготовления транзистора

В технологическом процессе КМОП микросхемы можно выделить несколько важных этапов, на которых формируются:

· карманы p- и n-типа,

· изоляция между областями p- и n- канальных транзисторов,

· области истока, стока и затвора,

· контакты к активным областям,

· многослойная металлизация.

Создание КМОП структуры обычно начинается с выделения активных зон – карманов p-и n-типа, в которых будут размещаться, соответственно, n-МОП и p-МОП транзисторы. Предварительно на поверхность пластины из монокристаллического кремния ориентации (100) p+ типа проводимости наносится эпитаксиальный слой p- типа с удельным сопротивлением 5-50 Ом∙см. Именно в этом слое и формируется активная структура ИС.

Создание областей разного типа проводимости (карманов p- и n- типа) выполняется с помощью фотолитографии. В фоторезисте формируется защитная маска, через которую последовательно проводится локальное травление оксида, а затем - ионное легирование сначала бором (p -тип проводимости), а затем фосфором (n -тип).

Проводится фотолитография: наносится и сушится слой фоторезиста толщиной 0,5-1 мкм, он экспонируется через фотошаблон и проявляется. В результате на поверхности пластины формируется защитная фоторезистивная маска с заданной топологией щелевой изоляции. Через эту маску последовательно травятся пленки Si3N4 (реактивным ионным травлением), а затем SiO2 и непосредственно кремний - во фторсодержащей плазме. Далее плазмохимическим нанесением SiO2 этом канавки заполняются толстым слоем оксида. Последующая химико-механическая полировка поверхности пластины обеспечивает ее планаризацию. При этом слой оксида удаляется вплоть до поверхности Si3N4, который выполняет в данном случае роль стоп-слоя, поскольку скорость его полировки значительно ниже, чем у SiO2.

Проводится фотолитография и на поверхности пластины остается слой фоторезиста с окнами по форме областей стока-истока. Через эти окна травятся слои Si3N4 и поликремния с остановкой на SiO2. После этого фоторезист и Si3N4 удаляются, поликремний оксидируется и на пластину наносится новый слой фоторезиста. Последующая фотолитография оставляет закрытыми участки пластины с карманами n- типа, полностью открывая участки карманов p- типа. Далее следует ионное легирование мышьяком на небольшую глубину для формирования слабо легированных n-областей истока-стока. При этом зона легирования ограничена поликристаллическим затвором и изоляцией SiO2 в мелких канавках.

После формирования в кармане p- типа областей стока-истока n-типа фоторезист удаляется и проводится следующая фотолитография для вскрытия окон на участках карманов n-типа. Ионное легирование бором формирует области истока стока p- типа.

Далее идет формирования внутренних контактов к активным элементам КМОП и многослойная металлизация.

2. Структура и топология транзистора

Рисунок 2- Структура КМОП транзистора

Рисунок -3 Топология КМОП транзистора

3. Расчет параметров транзистора

Площадь стока AD =30L= 1,5*10^-10 м²

Площадь истока AS =1,5*10^-10 м²

Периметр стока PD = 26L=1,3*10^-4 м

Периметр истока PS =1,3*10^-4 м

Подробный расчет приведен в файле Excel.

Таблица 3. Результаты расчета

VTOn (В)

VTOp (В)

CGSO (Ф/м)

CGDO (Ф/м)

CJ (Ф/м²)

CJSW (Ф/м)

0,945

-2,485

8,629E-11

8,629E-11

0,458

5,505E-07

4. Схемы и результаты расчета входных и выходных характеристик для n- и p-канальных транзисторов в LTspice

Рисунок 4 - Входная характеристика (линейный масштаб) для n-канального транзистора

Рисунок 5 - Входная характеристика (полулогарифмический масштаб) для n-канального транзистора

Рисунок 6 - Выходная характеристика (линейный масштаб) для n-канального транзистора

Рисунок 7 - Входная характеристика (линейный масштаб) для р-канального транзистора

Рисунок 8 - Входная характеристика (полулогарифмический масштаб) для р-канального транзистора

Рисунок 9 - Выходная характеристика (линейный масштаб) для р-канального транзистора

5. Параметры элементов схемы

Из полученных характеристик пункта 4 определяем:

− значение порогового напряжения;

Рисунок 10 – Пороговое напряжение для n-канального транзистора

Пороговое напряжение было рассчитано и равняется 0,944 В.

Рисунок 11 – Пороговое напряжение для р-канального транзистора

Пороговое напряжение было рассчитано и равняется -2,485 В.

− ток утечки;

Рисунок 12 –Ток утечки для n-канального транзистора

Ток утечки для данного транзистора равняется 1е-11А. (серый график)

Ток утечки для р-канального транзистора равняется 17е-12А.

− ток насыщения

Это максимальный ток в схеме.

n-канальный транзистор: 2,820 мА       

p- канальный транзистор: 0,127мА