CC BY
47
Литература
1. Лекция 17. Основные принципы нанотехнологии. Перспективы нанотехнологии в системах записи и хранения информации [Электронный ресурс] / Режим доступа : http://rudocs.exdat.com/docs/index-247352.html - 10.09.2014.
2. Закон Мура и его влияние на микропроцессоры. Создаем свой процессор [Электронная версия] / Режим доступа : http:// www.igropolis.com/articles/46496/Zakon_Mura_i_ego_vliyanie_na_mikroprocessory.htm] - 12.09.2014.
3. Friedrich, J. Constitutional Supercooling in Czochralski Growth of Heavily Doped Silicon Crystals [Electronic resource] / J. Friedrich, L. Stockmeier, G. Muller // Acta Physica Polonica. - 2013. - Vol. 124, Issue 2. - P. 219. - Available at: http://connection. ebscohost.com/c/articles/89750179/constitutional-supercooling-czochralski-growth-heavily-doped-silicon-crystals - 10.09.2014. doi:10.12693/aphyspola.124.219
4. 5th International Workshop on Crystal Growth Technology [Electronic resource] / Berlin, Germany, 2011. - Р. 32. - Available at: http://iwcgt5.ikz-berlin.de/fileadmin/pdf/IWCGT5_Abstractbook.pdf - 01.09.2014
5. Патент RU 2257428. Бывалый [Электронная версия] / Способ получения однородных монокристаллов. - опул. 27.07.2005. -Бюл. № 21. - Режим доступа: http://www.freepatent.ru/images/patents/211/2257428/patent-2257428.pdf. - 15.09.2014
6. 5th International Workshop on Crystal Growth Technology. June 26 - 30, 2011 Berlin, Germany. Р. 79 [Electronic resource] / Available at : http://iwcgt5.ikz-berlin.de/fileadmin/pdf/IWCGT5_Abstractbook.pdf - 15.08.2014
7. Нашельский, А. Я._Технология полупроводниковых материалов [Текст] / А. Я. Нашельский. - М.: Металлургия, 1972. - 432 с.
8. Фалькевич, Э. С. Технология полупроводникового кремния [Текст] / Э. С. Фалькевич, Э. О. Пульнер, И. Ф. Червоный, Л. Я. Шварцман, В. Н. Ярким, И. В. Салли, Э. О. Пульнер, И. Ф. Червоный. - М.: Металлургия, 1992. - 408 с.
9. Глазов, В. М. Физико-химические основы легирования полупроводников [Текст] / В. М. Глазов, В. С. Земсков. - М.: Наука, 1967. - 367 с.
10. Случинская, И. А. Основы материаловедения и технологии полупроводников [Текст] / И. А.Случинская. - М.: Наука, 2002. - 376 с. - Режим доступа http://www.twirpx.com/file/96095/ - 17.08.2014
-□ □-
Типова схема компаратора включае диферен-щальний каскад, вихидну логшу та схему змiщення рiвнiв. Сучасш компаратори мають стробуючий вхи), що забезпечуе порiвняння вхидних сигналiв тшьки в момент подачi видповидного iмпульсу. Це дозволяе надавати компараторам прицезiйностi, тобто порiвнювати вхiдт сигнали в той момент часу, коли це е необхдно iз великою точтстю
Ключовi слова: операцшний пидсилювач, одно-пороговий аналоговий компаратор та г^терезис-
ний компаратор Шмтта, бар'ер Шоттк □-□
Типичная схема компаратора включает дифференциальный каскад, исходную логику и схему смещения уровней. Современные компараторы имеют стробирующий вход, обеспечивающий сравнение входных сигналов только в момент подачи соответствующего импульса. Это позволяет предоставлять компараторам прецизионности, т.е. сравнивать входные сигналы в тот момент времени, когда это необходимо с большой точностью
Ключевые слова: операционный усилитель, одно-пороговий аналоговый компаратор и гистерезисний
компаратор Шмитта, бар'ер Шоттки -□ □-
УДК 681.3
|DOI: 10.15587/1729-4061.2014.27559]
СХЕМОТЕХН1ЧН1, ТЕХНОЛОГ1ЧН1 ТА Ф1ЗИКО-ТОПОЛОПЧН1 МЕТОДИ П1ДВИЩЕННЯ ШВИДКОДП 1НТЕГРАЛЬНИХ КОМПАРАТОР1В
С. П. Новосядлий
Доктор техычних наук, професор Кафедра комп'ютерноТ шженери та електронки Прикарпатський нацюнальний ушверситет ím. В. Стефаника вул. Шевченка, 57, м. 1вано-Франмвськ, УкраТна, 76025 E-mail: nsp@mail.pu.if.ua
1. Вступ
На практищ найб^ьше поширення отримали пристрой яю формують на виходi або напругу проти-
лежно1 полярност при практично рiвних абсолют-них значения, або напругу одше1 полярность Перший варiант характерний для використання в ролi схеми порiвняння операцшного тдсилювача (ОП), а дру-
©
гии-при використанн1 спещал1зованих 1нтегральних схем. В другому випадку вихщш напруги компаратора узгоджеш за величиною 1 полярнютю 1з сигналами, що використовуються в цифровш технщь
Виходячи 1з наведеного, можна сказати, що вхщний сигнал компаратора мае аналоговий характер, а вихщ-ний цифровий. Внаслщок цього компаратори часто виконують роль елемент1в зв'язку м1ж аналоговими 1 цифровими пристроями, тобто виконують роль анало-гово - цифрових перетворювач1в (АЦП).
Викладен в статт схемотехшчн1, тополопчн та технолопчн р1шення, направлен на пщвищення шивдкодп штегральних компаратор1в реал1зовува-лись на виробництв1 у ВАТ «Родон», яке було одн1ею 1з головних оргашзацш по розробщ шивдкод1ючих 1С.
2. Аналiз дослiджень i публiкацiй
Даний метод реалiзований у швидкодтчих ком-napaTopiB напруги LM160, LM161 фiрми National Semiconductor. Ясно, що в тонкш 6a3i бшолярного транзистора об'емний заряд, природньо, буде меншим нiж в товстiй. Крiм того, слабо легована база буде спри-яти тому, що менша iмовiрнiсть iнжектованих дiрок попаде в область колектора, i тому об'емний заряд колектора також значно зменшиться. Використання тонко! слаболеговано! бази, тим не менше мае також один суттевий недолш, який полягае у зменшенн величини обернено! напруги колектор-емггер (Vqeo ). Саме обернена напруга зменшуеться iз-за наявного ефекту Ерлi «проколу» бази. Цей ефект мае мюце, коли ширина збiдненого шару бази буде поширюватись на перехщ колектор-база i досягае переходу емггер-база. Ефективна ширина бази скорочуеться до нуля i проходить пряма iнжекцiя електронiв iз емiтера в колектор. Тому розробка штегрального компаратора повинна проводитись з врахування максимально можливо! обернено! напруги колектор-база при використанн транзисторiв iз тонкою базою.
Ми вибрали схемотехшку мiкросхем LM160, LM161 (фiрми National Semiconductor) як прикладу штеграль-них компараторiв, в яких за рахунок використання транзисторiв з тонкою базою у вихщному каскадi дося-гаеться висока швидкодiя. Цi компаратори мають час спрацювання на рiвнi 12-13 нс (номшал) при скачку вхщно! напруги в 10 мВ [1]. В цих компараторах вико-ристовуеться зменшення часу розсмоктування за ра-хунок використання великого оберненого струму бази транзисторiв, що виходять iз режиму насичення. Тут вхщний каскад е гс-р-гс-диферен^альний пщсилювач, змiщений джерелом струму з пасивним навантажен-ням i не великою величиною опору (100-200 Ом). Цей каскад через емггерн повторювачi з'еднуються iз другим каскадом диференщального пiдсилювача, наван-таженням якого вже е перетворювач струм-напруга. Тут два парофазних виходи другого каскада керують двома щентичними схемами вихiдного каскаду, по су^ звичайними схемами швидкодтчо! ТТЛ. Вихiдний каскад живиться вщ окремого джерела живлення з на-пругою 5 В i тому рiвнi вихщно! напруги компаратора е стандартними ТТЛ-рiвнями.
На рис. 1, а приведена схема вихщного ТТЛ-каскаду та бшолярних транзисторах з тонкою базою. В цш
схем1 напрями струм1в показан1 при переключенн1 компаратора 1з високого стану в низький, тобто коли транзистор Qз виходить 1з режиму насичення. При високому р1вш напруги на емггер1 транзистора Q1, перехщ колектор-база Ql е вщкритим. При цьому тече струм в базу транзистора Q2, який швидко вщ-криваеться. Як тыьки транзистор починае проводити струм, вш формуе обернений базовий струм транзистора Qз 1 досить швидко виводить транзистор Qз 1з насичення[2].
При переключенш компаратора в протилежний стан струми змшюють напрями як це показано на рис. 1, б.
Рис. 1. Вихщний каскад швидкодючого компаратора LM
161: а — переключення 1з високого стану в низький; б — переключення 1з низького стану у високий
В той же час транзистор Q4 вщкриваеться, пере-водячи вихщну напругу в низький лопчний р1вень QCE(sat) величиною 0,1-0,3 В у залежност1 вщ коефь ц1ента розвгглення по виходу 1 опору навантаження.
Для переключення 1з низького стану у високий р1вень напруги на ем1тер1 транзистора Ql повинен
стати низьким, тсля чого цей транзистор перейде в активний режим. Колекторний струм цього транзистора буде виконувати функцп оберненого базового струму транзистора , який переходить iз режиму насичення в режим вщачки. Як пльки транзистор переходить в режим вщички, транзистор Qi закри-ваеться, а транзистор вiдкриваeться. В цьому ви-падку вихiдна напруга збшьшуеться до рiвня логiчноi одиницi, рiвноi V + - VВЕ -Уд0 = 5-0,7 = 3,6 В.
Таким чином, транзистори i достатньо швидко виходять iз режиму насичення за рахунок швидкоджчих властивостей керуючого транзистора i для й2 - Й1, а для -транзистора . Обернений базовий струм в обох випадках буде набагато бшьшим, шж прямий за рахунки високого коеф^ента передачi за струмом керуючого транзистора.
В цьому виконанш компаратора слабе легування баз транзисторiв вихiдного каскаду досягаеться бага-тозарядною iмплантацiею бора ( BF3++ ), а емиера - дво-зарядними iонами миш'яку ( А++ ) або фосфору ( Р++ ) i миш'яку для глибокого колектора.
Швидкодж таких компараторiв також можна до-сягнути шляхом зменшення часу спрацювання, з рiвня 8-12 нс шляхом використання у вхщному диферен-щальному каскадi супер-бета транзисторiв, як не зро-блено в ОП серп 140926 [3].
3. Формування цшей i задач
3. 1. Шдвищення швидкодп компараторiв шляхом використання транзисторiв Шотткi
Одним iз найбiльш ефективних методiв зменшен-ня часу переключення транзистора - це використан-ня дiодiв з бар'ером Шоттю, включених паралельно переходу колектор-база транзисторiв. Дiод Шотткi, як правило, виконуеться на основi переходу метал -натвпровщник, що мае випрямляючу властивiсть (рис. 2).
При формуваннi бар'ера Шоттю на n-Si частiше всього використовують золото, алюмiнiй, хром i платину. Напiвпровiдником зазвичай служить n-Si або GaAs з помiрною концентрацiею акцепторiв з питомим опором вщ 0,1 до 10 Ом ■ см. Шар металу представляе досить тонку металеву плiвку, товщина якоi спадае 0,8-1,2 мкм, що формуеться магнетронним розпилен-ням вiдповiдноi мшеш.
На рис. 2, б показана енергетична дiаграма бар'ера Шотткi, сформованого мiж n-Si i металом. Висота бар'ера або контактний потенщал фВ переходу метал n-Si е рiвною 0, 56 В для Сг, 0,68 В для А1 0,81 В для Аи i 0,9 В для Р^ Це потенщальний бар'ер на шляху протiкання електрошв iз металу в напiвпровiдник, причому висота його е достатньою для запобжання якого - небудь струму електрошв в цьому напрямi [4].
Висота потенщального бар'ера для протжання електронiв iз напiвпровiдника в метал - фВ, зазвичай, лежить в дiапазонi 0,25-0,4 В. Порiвнюючи його значення з контактним потенщалом (контакт-ноi рiзницi потенцiалiв) р-я-переходу в Si вiд 0,8 до 0,9 В, можна зробити висновок, що внаслщок б^ьш низького бар'еру для протжання електронiв в дiодi Шотткi, напруга змiщення, яка необхщна для забез-печення заданого значення рiвня струму через дюд Шотткi, приблизно в 2 рази менша, нiж в дiодi на основi р-я переходу. На рис.3б подана енергетична дiаграма для нульового, прямого i оберненого змщен-ня. Якщо пряме змiщення, то метал (анод) стае пози-тивним по вщношенню до напiвпровiдника (катоду). Висота бар'ера зменшуеться до фВ-фF , де VF - пряма напруга змщення [5]. Прямий струм через бар'ер е зв'язаний з прямим змщенням експоненцшною залеж-
шстю:
IF = 10
ехр
Рис. 2. Структура дюда Шотткi i його енергетична дiаграма: а — при нульовому; б — прямому i оберненому змщенж
-1^ =10ехр-^. Рiвень прямоi
напруги змiщення, який е необхщний для отримання струму через дюд в мШамперному дiапазонi 0,35 В в порiвняннi з напругою 0,65-0,7 В, характерним для р-я-переходу в З точки зору прямого спаду
напруги, дюд з бар'ером Шоттю в n-Si е аналопчний дюду на оснсж р-п-переходу в германш (Ge).
На рис. 3, а, б показано транзистор Шоттю i його структуру в штегральному виконаннi.
Зазвичай дiод Шоттю виготовляеться як нероздшьна частка структури транзистора, i тому такий транзистор називають транзистором Шотткi. Саме дюд Шоттю фор-муеться шляхом нанесення металу, який пе-рекривае базову i колекторну области тобто р-1 я-область Так як рухливють електрошв в 2-2,5 рази е бшьшою за рухливiсть дiрок, то такий транзистор Шотткi формуеться на n-Si. Тут слвд зауважити, що рухливють електронiв в арсенда галiю е бiльшою в 3 рази за рухливкть дiрок в GaAs i в 5 разiв за рухливiсть дiрок в Si, то швидкодiя арсешд-галiевого транзистора Шоттю теж буде в 2,5-3 рази бшьшою за швидкодт кремшево-го. А про це ми скажемо дещо нижче.
Коли перехщ колектор-база змiщуеться в прямому напрям^ то дiод Шотткi вiдкри-
ваеться при прямш напрузi на рiвнi 0,2-0,3 В, а при напрузi 0,3-0,4 В вiн стае повшстю провiдним. При цьому дiод Шоттк шунтуе струм через перехiд колек-тор-база транзистора. Таким чином, при використанш дiода Шотткi пряма напруга змщення на базi переходу емгтер - база не буде перевищувати 0,3-0,4 В, так як пор^ провiдностi в р-п-переходу на n-Si складае бiля 0,5 В, то ми можемо сказати, що обмежувальна дiя дiода Шотткi не дозволяе при такш напрузi вiдкриватись переходу ем1тер-база.
п+
Дюд ШоТТК!
п+
При скачку вхщно! напруги 50 мВ цей компаратор мае наступш часи спрацювання:
tpd(0)=10 нс (номшал) i 20 нс (максимум) - при пе-реходi в низький рiвень (0);
tpd(1)=12 нс (номшал) i 20 нс (максимум) - при пе-реходi у високий рiвень (1).
На рис. 4, а, б приведет його часи спрацювання при рiзних передачах вхщно! напруги.
Принципова схема компаратора NE529 на транзисторах Шоттк приведена на рис. 4. Вона як i попередш схеми компараторiв, мктить два послiдовних з'еднаних п—р—п i p-n-p-диференцiальних пiдсилювачiв, якi ке-рують двома комплементарними ТТЛ - схемами. Вхщ-ним каскадом служить диференщальний пiдсилювач на бiполярних транзисторах i , змiщених джерелом струму на транзисторi Ц27. Для досягнення високо! швидкодп навантаження цього диференщального тд-силювача е пасивним з використанням опорiв R2 i R3 (по 1,5 кОм номшалом) [7]. Постiйна складова вхщно! напруги першого каскаду зсунута вниз за допомогою емгтерних повторювачiв на транзисторах Ц4 i Ц5 та стабiлiтронiв Д4 i Д5. Змiщення ще! схеми зсуву приводиться транзисторами джерела струму Q i Ц7. Повний зсув постшно! складово! е рiвний: УВЕ + У2 = 7,0 В.
Рис. 3. Схема транзистора: а — Шоттю; б — його структура
В результат! перехщ колектор - база не буде про-водити електричний струм причому не буде як ш-жекцп д1рок Гз бази в колектор, так i емки елек-трошв iз емiтера в базу. Тому об'емний заряд буде визначатись тiльки електронами, якi пролiтають через активну базу: Qs = QB = Icttr. Так, як IB(R)ts= QB , то вираз для часу розсмоктування носив запишеться: ts =[Ic(sat)/IB(R)]ttr, де IB(R) - обернений базовий струм. Час прольоту в штегральних n-p-n-транзи-сторiв досить малий, на рiвиi 30-100 пс , тому в транзисторах Шоттк можна досягнути часу розсмоктування на рiвиi i менше 1 нс [6].
Тепер швидкiсть переключення транзистора обме-жена головним чином часом, необхщним для змiии спаду напруги на емносп переходу емггер - база, яка вiдповiдаe часу спаду.
ОскГльки, AVbe = AQbe / aCbe = IB(R)/CBE(R)tfaU (CBE , то отримаемо: tfall = AVBECBE/IB(R). Прийняв-ши, що VBE(sat) = 0,8 B, а VBE(cutoff) = 0,5B, то змiиа напруги емГтер - база, яка необхщна для переходу транзистора Гз режиму насичення в режим вщачки складае бшя 0,3 В. При CBE = 10пф, i IB(R)=IB (R) = =10 мА=3 с, то час спаду, таким чином, транзистор Шоттк можна забезпечити час переключення мен-шим 3 нс, а значить випдно формувати на ньому швидосш компаратори.
Компаратор NE529 фГрми Signetics - приклад компаратора, в якому використанш транзистори Шотткь
Рис. 4. Час спрацювання компаратора: а — на транзисторах Шоттю NE 529 фiрми Signetics при рiзних напругах переключення; б — час спрацювання на рiзних виходах при дм вхiдноT напруги переключення
Другий каскад диференцiального пiдсилювача ви-конаний на транзисторах Ц10,Ц11, як е змiщенi джере-лами струму на транзисторi . В ролi навантаження кожно! iз половин диференцiального пiдсилювача ви-користовуеться схема перетворювача струм - напруга з низьким вхщним опором, яка складаеться, з одше!
сторони Гз Q12,R11 (75 Ом) i Q13 (1 кОм) та Гз Q1;
R
i R
з друго! сторони.
Вхiдна напруга другого диференщального каскаду використовуеться для керування вихщними схемами ТТЛ (А i В), якi працюють в протифазь ТТЛ - схеми мають активну двотактну конфиурацш для забез-печення швидкого заряду i розряду емносп навантаження, причому транзистори Ц17 i Ц18 та Ц23 i використовуються для видачi струму в навантаження, а транзистори Ц10 i Ц20 та Ц25, Ц26 - для споживання струму iз навантаження.
а
а
Тут слщ вщзначити, що бiльшiсть транзисторiв схеми - це транзистори Шотткь Виключення склада-ють транзистори, яю не попадають в область насичен-ня, такi як 04 i 05,010 ,0н>018. Крiм цього, немае шя-ко! необхiдностi застосовувати транзистори Шоттю в схемах змщення - це економiя площi кристала.
З метою отримання сумшних з ТТЛ вихщних рiвнiв ТТЛ - каскади можуть живитися окремо вщ останньо! схеми постiйною напругою 5,0В; для цього передбаче-ний спещальний вивiд V2+ . Для забезпечення високо! швидкодп i великого дiапазону синфазно! вхщно! на-пруги для живлення дано! схеми можна використову-вати бшьш високу напругу живлення V* =±10 В.
Основний недолж схеми: транзистори Шотткi то-полопчно займають бiльшу площу кристалу i техноло-гiя !х формування е дещо складнiшою.
Подальше пiдвищення швидкодп компараторiв на основi транзисторiв Шоттю може бути реалiзоване на арсенiдгалiевих епiтаксiйних структурах, якi вико-наш на Si - пiдкладках. Завдяки тому, що рухливкть електронiв а GaAs складае > 3500 см2/В с, що майже в 3 рази бшьша за рухливiсть електронiв в монокремнп, то i швидкодiя таких компараторiв може бути збшьше-на як м^мум в 3 рази, тобто !х час спрацювання може досягати 3-5 пс. Такий технолопчний процес нами розроблений i запатентований.
3. 2. Мжропотужний К-МОН-компаратор напруги
К-МОН-швертор, що поданий на рис. 5, може бути використаний в ролi основного елемента при побудовi малопотужного компаратора напруги.
В К-МОН-швертор^ який працюе в облас^ пе-реключення з високим коефвдентом пiдсилення, або ПТ будуть вщкри^ i будуть працювати або в режимi насичення або в активному режимi польовий транзистор можна розглядати в ролi навантаження другого. Для обох польових транзисторiв справедливе сшввщ-ношення 1Дз = К ($Сз -Vt)2 , де параметри К i V,. зале-жать вiд властивостей кожного iз транзисторiв 01 чи 02. Динамiчна передатня провiднiсть визначаеться виразом:
Ау = 2|Уа| [(V + - V- )/2-| V.) ].
УПЕР
Уз
С, Л
IX
г
/77
в
Рис. 5. Еквiвалентна схема: а — К-МОН-швертор; > — принципова схема КМОН-компаратора напруги; в — його передатна характеристика
8ь = ¿1^ / dУGS = 2К^ - V. ) = 21д3/(УGS - V).
Активним навантаженням кожного польового транзистора е динамiчний ошр, стiк - витiк гав другого польового транзистра. Цей ошр приблизно е рiвний гав = УA/ IдS, де УA - коефвдент модуляци довжини каналу, який зазвичай лежить в дiапазонi, вщ 30 до 300 В. Аналiзуючи взаемодiю таких польових тран-зисторiв в простому випадку, при Кр =-Кп, Уtn =-Уtp (порогова напруга) i УAn =-УAp, то для коефвдента пiдсилення за напругою ще! КМОН - схеми можемо записати:
А V =2gfs (rдs / 2 ) =
21д
2УGS + V ^
^ = 2УA/(УGS - V.).
В таких умовах робоча точка спокою, яка знахо-диться в середиш дiапазону переключення, приблизно е рiвною середньоарифметичному двох напруг живлення V +iV-, так щоУGS(n) = -УGS(р^ +-У-/2. Вщ-повщно вираз для коефiцiента пiдсилення можна вже подати у виглядк
Наприклад, якщо V. = 2,0 В, VA = 60В для обох транзисторiв, а повна напруга живлення (розмах) (V + — V-) = 10 В, то результуючий коефвдент шдси-лення буде Aу =2-30/(5-2) = 40. Якщо живлення довести до 5 В, то коефвдент шдсилення за напругою в облас^ переключення може досягти значення 240 i бшьше.
На рис. 6, б, в подана схема КМОН-компаратора напруги та його передатна характеристика. Транзистори 01 -0,3 виконують функщю аналогових ключiв, а саме КМОН-швертор може мiстити один або деюлька КМОН-каскадiв.
Коли потенцiал ф1, мае високий рiвень, транзистори 01 i 02 вiдкриваются, а для КМОН-iнвертора, можна записати ^ = V,, = Уo. Напруга на емнос^ С1 рiвна УREF -Уo. Потiм потенцiал ф1, приймае значення i ключi 01 i 02 закриваються. Коли потенцiал ф2 до-сягае високого рiвня, то вiдкриваеться транзистор 0з. Проте напруга на емностi С1 змiнюватись скачком не може, так як при закритому транзисторi 02 струм через конденсатор не тече. Осюльки напруга на лiвiй об-кладинцi конденсатора змiниться вщ величини УREF
а
до VA , напруга на входi К-МОН-швертора вiдповiдно
змiниться на
AVa=VrFfV
в1д Уй до Уй + АУ;. Це приводить до того, що вихвдиа напруга У0 переключиться або в низький стан (рис. 6, в), якщо У5 > УМР (тобто АУ; > 0 ), або у високий стан, якщо У5 < УМР (тобто АУ;< 0) [8].
Вся схема компаратора напруги може бути вико-нана т1льки на МОН-траизисторах, тому такий компаратор буде займати дуже малу площу на кристал1 (а значить виготовлення буде супроводжуватися висо-ким виходом), що особливо е важливим при реал1за-цп паралельиих аиалогово-цифрових перетворювач1в, для побудови яких иеобхщио розмщувати на кристал1 велике число компаратор1в ( > 100). Ще одшею перевагою К-МОН-швертор1в е '1х дуже низьке спожи-ваиия потужиость Перехвд ввд кремшево'1 технологи до арсен1дгал1ево1 збшьшуе швидкодж компаратор1в майже в три рази за рахунок того, що рухлившть електрошв в GaAs е б1льшою в три рази в пор1внянш з кремшем. Ще одна пе-
сенiд галieвi епiтаксiйнi структури (АЕС) -n+ - типу. Нiтрид вольфраму WNX був осаджений реактивним Вф - магнетронним розпиленням вольфрамово! Mi-шенi в аргонно-азотнiй плазм^ що мiстила 10-12 % N2. Безпосередньо перед процесом осадження штриду вольфрама GaAs - тдкладка оброблялась у водневому розчинi HCl (2 хв) для усунення з поверхш власного окв сиду. Поим за допомогою проекцшного лiтографiчного процесу i3 сухим травленням в CF4 / O2 i3 осаджено! плiвки WNX були сформованi дiоди Шоттю. Поперед-ньо перед осадженням плiвки WNX вся поверхня GaAs -тдкладки iмплантувалась iонами берилiю (Be + ) з дозою 1-2 мккл / см2 при енергп 50 кеВ глибиною 0,1мкм для створення шару р-типу. Шсля проводилась акти-вацiя iмплантованоi р-домшки в атмосферу AsH3 + Ar за допомогою фотонного вщпалу на установщ «(1м-пульс-3)» протягом 10-12 с. Самосумщеш p-канальнi арсенiдгалieвi ПТШ формувались за допомогою техно-лопчного процесу, поданого на рис. 6.
0,1 мг.'
Легування Ве |i |i |i
1
Активац1я
Asrt+Ar
n^n-GaAs
ЕЖгШ-Ж
n-n-GaAs
ревага арсенгдгалгевих компаратор1в перед кремшевими полягае у використанш бар'ер1в Шоттю для формуваи-ня комплементарних структур, техиолопя яких розроблеиа. Зупи-нимось на 11 особливо-стях при формуваиш;
GaAs-КМОН-структур 1з самосумщеиим WNx - затвором (1з штриду вольфраму).
Розвиток технологи GaAs В1С сьогодш повш-стю скоицеитрувались навколо лопчиих схем, яю викоиуються ильки на п-каиальиих ПТ 1з затвором Шоттю (ПТШ). При переход! до комплементарних структур В1С на ПТШ одшею з основних проблем е мала висота бар'ера Шоттю на арсешд1 галж р-типу (p-GaAs).
В цьому роздШ, ми подаемо виготовлення затвору на основ1 реактивного напиленого магнетронним ВЧ-розпиленням вольфрамово'1 мшеш в аргоиио -азотшй плазм1, який може бути використаиий так 1 для формування контакта (бар'ера Шоттю) як для п-канальних, так 1 р-каиальиих ПТШ.
Так як при виготовлеиш самосумкних ПТШ тугоплавкий матер1ал затвора використовуеться як маска в процеа юиио'1 1мплантацп, контакт (бар'ер) Шоттю повинен витримувати наступну фотонну термооброб-ку, яка е иеобхщиою для активацп 1мплантовано1 бага-тозарядио'1 дом1шки.
Саме в дашй робот1 вперше проведеш експеримен-тальш дослщжеиия дИ иагрiваиия на висоту бар'ера, що формуеться контактом Шоттю штриду вольфраму ( WNх -типу) до p-GaAs для створеиия комплементарних структур иа бар'ерах Шоттю збагачеиого та збщиеиого типу.
Для таких дослщжень використовувалась тдкладка GaAs, що була вирiзана iз злитка, вирощеиого метог дом Брщжемена 50 мм та леговаиа Si - до N<10^ см-3. За допомогою хiмiчного осаджеиия iз газово'1 фази металооргаиiчиого галiю, i згииу був вирощеиий еттаксший шар товщииою 0,5 леговаиий кремшем до коицеитрацп 5 1014см-3, тобто використовувались ар-
Осадження барера Шоттк!
Легування Mg '
II II
SiQ
Осадження
n-n-GaAs
_р_ - - - _р n-n-GaAs
Осадження KOHiaKTie AuZr/Au
Рис. 6. Технологiчний процес формування p—канальних самосумiщених польових транзисторiв Шотткi на 0CH0Bi 6ap'eiB WNx до p—GaAs
Як бачимо iз рис. 6 ретроградиi стiк - витоковi областi польових траизисторiв формувались бага-тозарядиою iмплаитацiею магиiю ( Mg++ ) з дозою 10-25 мкм/см2 при енергп 75 кеВ иа глибииу 0,25 мкм [9].
Для захисту сформованих структур та приведення активно'! iмплантованоi домшки ( Mg++ ) при формуванш р+ -стж - витокових областей иаиосилилось (БФСС) борофосфориосилжатие скло (товщииою 0,5 мОм) дииамiчиим пiрогеииим осаджеииям в реак-торi поиижеиого тиску типу «1зотрон-3». Активацiя р+ -домiшок проводилась фотоииим iмпульсивним пiдпалом иа устаиовцi «1мпульс-3» протягом 4-6 с. Сформоваиi поим коистаити осаджеииям плiвки золота iз водиевого розчииу золото хлористоводиево'1 кислоти та иапилеиия сплаву AnZn та iишим фрезе-руваииям. Рипавлялись протягом 15хв в атмосфера аргоиу при Т=450 °С.
Висота бар'ера Шоттю фв i дiодиий коефвдент (иеiдеальиостi) п визиачиiсть иа основi вольфрамових характеристик за допомогою рiвнянь термоелектрои-ио'1 емiсii.
Отримаиа для виготовлеиих тестових дiодiв залеж-шсть висоти бар'ера фв та дюдного коефiцiеита п вiд температури ввдралу, що приводилась пiсля осаджеиия, показано иа рис. 7, а, б, де 1 - це висота бар'ера фв,
2 - величина додатиого коефвдента. Як бачимо, тем-пературиий вщпал зиачио поиижуе висоту бар'ера Шоттю. Щ результати подаш иа графжу в порiвняннi:
3 опублiковаиими значениями для n-GaAs ПТШ, якi теж мали бар'ери Шоттю иа основi штриду вольфраму. Як бачимо, можна визначити такий температурний режим ввдлжу, який практично зрiвнюе висоту бар'ерiв Шотткi для р— i п—каиальиих ПТШ. Це температура в
межах 520-720° С протягом 5-10 с фотонного температурного вщпалу.
500 600 700 800 Т°С а
в
Рис. 7. Залежнють висоти бар'ера Шоттк на WNx для n— i p—типу ПТШ та дюдного коефiцieнта вiд температури вiдпалу: а — вольтамперна характеристика р—канального ПТШ; б — передатна характеристика ПТШ; в — збщнеы i збагачеш ПТШ
Як вiдомо, сума 6ap'epiB Шотткi на матерiалах p- i n-типу повинна бути рiвною шириш заборонено^ зони. Як бачимо е дiапазон температур вiдпалу, при якш бар'ери стають однаковими. Це е важливо для побудо-ви комплементарних структур на ПТШ, сформованих на GaAs.
Ще раз аргументуемо технолопчш особливостi формування ^-канальних ПТШ. Активний напал формувався за допомогою селективно! iмплантащi Be+ на глибину 0,1 мкм при енергii 50 мВ i дозi 5-1012см-2. Активащя iмплантованоi домiшки Be+ провадилась для беззахисно! плiвки в атмосферi Ar/AsH3 фотонним вiдпалом при T=720 oC протягом 10 с, що забезпечуе досить високий рiвень активацii (>48 %). Затвор iз нiтриту>вольфраму WNx формувався розпиленням вольфрамовое мiшенi в аргонно-азотнш плазмi. Стiк -витоковi р+ -областi були виготовленi шляхом ребро-градно! iмплантацii двозарядних юшв магнiю Mg++ з енергiею 75-120 КеВ з дозою 1 1013см-2 з використан-ням самосумiщеного затвору WNx - типу. Активацiя домшки в спiн - витокових областях приводяться фотонним iмпульсом вiдпалом протягом 4 секунди при Т=720 оС.
За допомогою вимiрювання ВАХ затворiв ПТШ
iз розмiрами 4x24 мкм було визначено, що висота бар'ера для WNx - затвора при формуванш р - ПТШ типу була в межах фр = 0,680,02 eB, а дюдний коефь щент n = 1,35±0,12. Були також вимiрюванi параметри ПТШ, що вщповщали рiвнянню:
Ids = K(Vg - VT)2,
де IDS - струм насичення менший стiк - витш, VG -напруга на затвор^ VT - порогова напруга. При дов-жинi затвора 4 мкм типова порогова напруга ПТШ складала - 250 ± 15 мВ, а довжина затвора 1,2 мкм по-
рогова напруга зменшувалась до величини 100 ± 15 мВ, що вказуе на вплив короткого каналу. При розмiрах затвору 1,2 х 24 мкм коефщент К складав величину 0,0880,012 мА/В2, що визначалось рiзною величиною рухливоси електрошв i дiрок. На рис. 8, б приведет вихщш ВАХ ^-канальних ПТШ з WNx - затвором розмiром 1,2х24 мкм. Крутизна характеристики не пе-ревищувала 4,5 мкм/мм. Приведет розробки комп'ю-терного моделювання за допомогою програми SPICE лопчних впливiв (iнверторiв), поданих на рис. 8, а, на рис. 8, в передатня характеристика збагаченого та збщ-неного ПТШ. Вентилi (с) i (d) на рис. 8 мають дiоди, що зсувають рiвень.
Введення додаткових дiодiв зсуву рiвня що дозволяе шдвищувати напругу живлення ЕЖ вiд 0,75 до 1,2 В. Вентилi в) i d) е квазiкомплементарними, бо в них ^-ПТШ реагуе в режимi збiднення. Результати моделювання демонструе А, В, С, D по рис. 9. шверторам що подаш на рис. 8.
Рис. 8. Лопчш вентил1 (1нвертори) на а, б — збагачених та в, г — збщнених ПТШ 1з Wnx — затвором
Таким чином, технолопя формування комплементарних 1С на ПТШ вимагае узгодження процесу формування п- 1 р- канальних ПТШ для забезпечення необхщно! висоти барер1в та порогово! напру ги. Щ параметри визначаються технолопею формування WNx -затвор1в та режимом фотонно! активацп 1мпланто-ваних дом1шок берилш та магшю. Це вимагае прове-дення додаткових досл1джень по оптим1зацп електро-ф1зичних параметр1в структур 1С з використанням тестового контролю. Як бачимо КМОН-компаратори на GaAs ПТШ мають не таку високу швидкодш (в ПТШ в1дсутне накопичення заряду), але 1 суттево зменшують потужшсть споживання.
г
Рис. 9. Залежнють швидкодп вентил1в вщ потужносп споживання
3. 3. Технолопчний процес iзопланарноi бшолярно! мiкросхеми аналогового компаратора
Даний процес буде розглядатись на приклад1 м1-кросхеми, основним елементом яко! е б1полярний транзистор, зображений на рис. 10, а, б. Послщовшсть технолопчних процес1в формування таких штеграль-них аналогових компаратор1в будемо використовувати даний рисунок. В рол1 п1дкладки використовуеться пластини кремнш з еп1такс1йним шаром п - типу КЕС (з концентращею дом1шки 5-105 -1016 см-3) 1з захова-ним параметрами п + -КЕС типу з поверхневим опором 10-35 Ом/м сформованими багатозарядною ¡мпланта-щею миш'яка As++.
Технолопя формування кремн1евих еп1такс1йних структур (КЕС) повшстю усувае явища автолегування та змщення захованого шару. Тут слщ зауважити, що р1вень поверхн1 областей 1з захованими шарами е ниж-че р1вня решти поверхн1 областей 1з захованими шарами е нижче р1вня решти поверхн1 шдкладки, що дае можлив1сть п1сля ештаксшного нарощування сум1-щати рисунок захованого шару з рисунком топологи в других шарах транзисторно! структури. Формування захованого шару вщповщно здшснюеться фотолгго-граф1чним процесом на д1оксид1 кремшю з викори-станням ан1зотропного плазмох1м1чного травлення.
Рис. 10. 1нтегральний бтолярний транзистор: а — тополопя; б — структура
Перша група технолопчних операцш направлена на отримання електрично! ¡золяцп м1ж елементами м1кросхеми. На поверхш кремшево! п1дкладки 1з захованими шарами (КЕС) терм1чним оксидуванням в реактор! пониженого тиску формуеться пл!вка SiO2 , на яку осаджуеться ¡з парогазово! сум!ш! моноси-лана ! ам!аку пл!вка штриду кремн!ю (Si3N4), яка виконуе роль маскуючого покриття при локальному окисленш кремн!ю. Товщина маскуючо! н!тридно! пл!вки складае 50-100 нм. П!д шар дюксиду товщиною 0,15-0, 25 мкм е буфером м!ж кремн!ем ! маскою (Si3N4) . Його присутшсть понижуе термомехан!чн! напруження в кремнп, як! викликан! високою тверд!-стю , ! тим самим понижуеться ефектившсть
приповерхнево! дифуз!! кисню ! ¡мов!рн!сть утворення структури типу «пташиний дзьб» р!зко понижуеться з використанням термоештаксшного осаджування на установщ «Термоком» при тиску 10-15 атм [10].
Другий процес фотол!тографп проводиться з метою отримання (тополог!!) ¡золюючих областей SiO2 та р++ -шар!в. Використовуючи в рол! захисно! маски фоторезист як захисно! маски плазмох!м!чному травленн! у фтормюнш плазм! CF4 + 02 страмаеться пл!вка Si3N4, SiO2, а також частина ештаксшого шару (5-10 мкм), яка складае б!ля 0,55 його загально! тов-щини. В цьому випадку проходить планаризащя по-верхн! п!дкладки, тобто ¡золюючий шар SiO2 росте таким чином, що його поверхня площина ! поверхня кремн!ю лежать в однш площин!.
П!сля завершення процесу фотол!тографп фоторезист як межа не вщдаляеться ! провадиться багатоза-рядне юнне легування бору (В++) для створення р+ -областей, при цьому маскою при локальнш ¡мпланта-ц1! виступае двошарова пл!вка SiO2 + Si3N4 та фоторезист. Товщина р+ - шару вибираеться такою, щоб частина цього шару шсля термооксидування при тиску 10-12 атм збер!галась шд шаром SiO2 . Наявн!сть сильнолеговано! р+ - област! п!д ¡золюючим SiO2 за-поб!гае утворенню шд ним поверх-нею ¡нверсного шару, що суттево збшьшуе порогову напругу паразит-них транзистор!в ! створюе надшну локальну ¡золяц!ю м!ж елементами мшросхеми компаратора [11].
П!сля видалення фоторезиста в кисневш плазм! проводиться ло-кальне терм!чне оксидуваня в установщ «Термоком» при Т=720 оС ! тиску 10-12 атм для формування ¡золюючих областей SiO2 поверх-н! р+- шару, як! перекриваються за товщиною весь ештаксший шар. Пл!вка Si3N4 видаляеться х!м!чним травленням в гаряч!й ортофосфор-нш кислот!.
П!сля завершення операц!й по формуванню локально! ¡золяцп формуеться транзисторна структура. Знову формуеться терм!чне ок-сидування ! фотол!тограф!я в шар! фоторезиста ФНП383 створюеться рисунок - технолопя базових областей. При використанш фоторезиста
а
як маски проводиться локальна багатозарядиа 1м-плаитащя бору (В++) через плiвку 8Ю2 та товщииою 1-2 мкм. 1мплаитащя домiшки (В++) через плiвку 8Ю2 зиижуе коицеитращю радiацiйиих дефектiв.
Наступиий процес фотолггографп створюеться ри-суиок-топологiя для формуваиия вертикального ко-лекториого шару п+ - типу для його з'едиаиия iз захо-ваиим п+ - шаром. Розмiр областi 8Ю2, що роздшяе в топологiчиому плаш областi бази i емiтера вибираеть-ся вiдповiдиим лiиiйиим зазором, який може бути реалiзований мiж металевими контактами.
П'ята лiтографiя формуе рисуиок-тополопю п + -областей емиера i колектора. Пiсля плазмохiмiчиого травления вжон в 8Ю2 ие зиикае фоторезист стае маскою при локальиш iмплантацii миш'яка As чи As++ . Пiсля видалеиия фоторезиста проводиться процес иасичеиия оксиштридиого гетера його вщпал при 900 оС, що одиочасио активуе As+ та вииикають радiацiйиi дефекти. Гетериий оксииiтридиий шар по-иижуе радiацiйиi дефекти. Гетериий оксишдридиий шар поиижуе зарядиий стаи иа межi 81- 8Ю2 до рiвня 1010-1011 еВ-1см-2 для забезпечеиия високо'1 термоста-бiльиостi вхщних струмiв i иапруги змiщеиия иуля.
Для отримаиия омiчних коитактiв i електричио'1 розводки мiж елемеитами аналогового компаратора иа поверхию тдкладок наноситься плiвка сплаву алю-мiиiю АКГо-1-1, впалюеться при Т = 450-475 С в аргош [12].
Шостою лiтографiею формуеться рисуики-топо-логiя електричио'1 розводки. Вся поверхия кристалу (пластиии) покриваеться захисиою плiвкою (БФСС, 813К4 або Al2O3 ) iз вщкритим вiкиом до коитактиих площадок лиографшим процесом.
4. Висновки
1. Для зиижеиия впливу иа параметри ОП запропо-иоваио схемотехшчие рiшеиия з використаииям схем струмового дзеркала, схеми Дарлшгтона, динамiчного иаваитажеиия, супер бета-транзисторiв.
2. На осиовi бiполяриоi технологи розроблеш схе-мотехиiчиi рiшеиия ОП, в яких вихщш каскади вико-иаиi иа транзисторах Шотткi, що зб^ьшуе швидкодiю компараторiв, з використаиия сплаву АКГо-1-1.
3. Оригiиальиим ршенням в пiдвищеииi швидкодп аиалогових компараторiв е використаиия у вхiдиому каскадi польових МОН-траизисторiв iз стабiлiзоваиою затвориою системою оксиштриду кремиiю, сформова-иим магиетроииим розпилеииям кремшево! мiшеиi в азотнш плазмi.
4. Запропоиоваиа i запатентована техиологiя формуваиия швидкоджчих компараторiв иа арсеиiдi галiю з використаииям комплемеитариих МОН-траи-зисторiв, та польових транзисторiв иа гетероперходi.
Лиература
1. Коледов, Я. А. Конструктированые и технология мжросхем. Курсовое проектирование [Текст]: учеб. пос. для вузов / Я. А. Коледив, В. А. Волков, Н. К. Докучаев; под ред. П. А. Коледова. - М.: Высшая школа, 1992 - 231 с.
2. Чистяков, Ю. Д. Технология СБИС [Текст]: в 2-х кн. / под ред. С. Зи; пер. с англ. Ю. Д. Чистякова. - М.: Мир, 1986. -Кн. 2. - 455 с.
3. Айнспрук, Н. У. Арсенид галлия в микроелектронике [Текст] / У. Уиссмен, У. Френсли, У. Дункан и др.; под ред. Н. Айнспру-ка, У. Уиссмена; пер. с англ. под. ред. В. Н. Мордковича. - М: Мир, 1988. - 554 с.
4. Ди Лоренцо, А. В. Полевие транзисторы на арсениде галлия. Принципы работи и технология изготовления [Текст] / под ред. А. В. Ди Лоренцо, Д. Д. Канделуола; пер с англ. под ред. Г. В. Петрова. - М.: Радио и связь, 1988. - 489 с.
5. Ватанаба, Н. Проектирование СБИС [Текст] / Н. Ватанаба, К. Асада, К. Кани, Т. Оцуки; пер с англ. под ред. Л. В. Поспелова. -М.: Мир, 1988. - 304 с.
6. Новосядлий, С. П. Суб-наномшрона технолопя структур В1С [Текст] / С. П. Новосядлий. - 1вано-Франгавськ: Мюто НВ, 2010 - 456 с.
7. Новосядлий, С. П. Ф1зико-технолопчш основи субмшронно! технологи В1С [Текст] / С. П. Новосядлий. - 1вано-Франгавськ: Омик, 2003. - С. 52-54.
8. Новосядлий, С. П. Рад1ацшна технолопя при формуванш, субмжронних структур В1С [Текст] / С. П. Новосядлий // Металоф1зика 1 нов1тш технологи. - 2002. - № 7. - С. 1003-1013.
9. Новосядлий, С. П. Формування кремшевих ештаксшних структур для сумщених В1 - К - МОН 1 Д - МОН технологш В1С [Текст] / С. П. Новосядлий // Металоф1зика 1 нов1тш технологи. - 2002. - Т. 24, № 3. - С. 353-365.
10. Березин, А. С. Технология конструирования ИС [Текст] / А. С. Березин, О. Р. Могалкин. - М.: Дис. - 1992. - 254 с.
11. Алексеенко А. Г. Основы микросхемотехники [Текст] / А. Г. Алексеенко. - М.: Лаб. баз знаний. - 2002. - 286 с.
12. Павлов, В. М. Схемотехника аналогових схем [Текст] / В. М. Павлов, В. М. Ночин. - М.:Гор.мик-техника. - 2001. - 320 с.
