CC BY
45
Спроектовано польовий МОН-транзи-стор з вертикальною структурою методом подвтног дифузп. Транзистор розра-хований на роботу в дiапазонi частот до 900 МГц. Формування металiзацii затвору та витоку проводиться в одному техноло-гiчному циклi, що спрощуе технологiчний процес виготовлення транзистора та пони-жуе вимоги до допуств цього етапу виго-товлення
Ключовi слова: транзистор, топологiя,
автодинний сенсор
□-□
Спроектирован полевой МОП-транзистор с вертикальной структурой методом двойной диффузии. Транзистор рассчитан на работу в диапазоне частот до 900 Мгц. Формирование металлизации затвора и истока проводится в одном технологическом цикле, что упрощает технологический процесс изготовления транзистора и понижает требования к допускам этого этапа изготовления
Ключевые слова: транзистор, топология, автодинный сенсор
□-□
The MOS field effect transistor with vertical structure is designed by a method of double diffusion. The transistor is calculated on work in a range of frequencies up to 900 Мгц. Formation of a gate and a source metallization is spent in one technological cycle that simplifies technological process of manufacturing of the transistor and lowers requirements to tolerances of this fabrication stage
Keywords: transistor, topology, autodyne sensor
УДК 621.382.322
N-КАНАЛЬНИИ D-МОН ТРАНЗИСТОР З ПОДВ1ЙНОЮ ДИФУЗ1€Ю ДЕЦИМЕТРОВОГО Д1АПАЗОНУ ЧАСТОТ
А. Д. Верига
Асистент*
Контактний тел.: 097-219-30-41 [email protected]
Л.Ф. Пол^танський
Доктор техшчних наук, професор, завщуючий кафедри* *Кафедра радютехшки та шформацтно'Т безпеки Чершвецький нацюнальний уыверситет iM.Ю.Федьковича Контактний тел. (03722)-4-24-36 E-mail: [email protected]
Автодинш сенсори (автогенератори слабких коли-вань) е основою радючастотно! приймаючо! частини пристрою спостереження магштного резонансу [1, 2] i застосовуються для неруйшвного, безконтактного контролю кшетичних параметрiв натвпровщнико-вих матерiалiв [4]. Поеднання функцш ВЧ-генератора i детектора усувае необхщшсть узгодження коли-вального контуру з окремим дюдним детектором i за рахунок зменшення каскадiв обробки ВЧ сигналу дае можлившть значно зменшити шум-фактор радюспек-трометра [3].
Автодинним сенсорам на бшолярних транзисторах притаманнi недолiки. Зокрема, 1х малий вхiдний опiр шунтуе коливальний контур, що безпосередньо взае-модiе з дослiджуваним зразком i повинен мати високу добротнiсть. Як наслщок рiвень отримуваних сигналiв всього в 2^3 рази бiльший за рiвень шумiв схеми, а ш-коли спiврозмiрний з ними. Крiм цього, вiдносно великий коефвдент шуму бiполярних транзисторiв (~4 Дб) зменшуе чутливiсть схеми автодинного сенсора. Не-
обхiднiсть розташування коливального контуру в об-ластi температури рвдкого азоту, обумовлюе введення в коливальний контур розподшених емностей та ш-дуктивностей з'еднувально! лiнii. При цьому зразок взаемодiе лише з частиною контуру, що призводить до зменшення чутливосп сенсора. Розмiщення бшоляр-ного транзистора в обласп низьких температур поряд з коливальним контуром унеможливлюеться iз-за на-явностi кiл живлення бази бшолярного транзистора, що ускладнюе схему приладу.
Усунення цих проблем можливе шляхом засто-сування польових транзисторiв, що мають великий вхщний опiр. Крiм цього, вони характеризуются мен-шим рiвнем шумiв (причому коефiцiент шуму мало залежить вщ напруги стiк-витiк), працюють в широкому дiапазонi температур, немае необхвдноси викори-стання додаткових юл живлення для встановлення режиму роботи транзистора.
Використання транзисторiв зi структурою метал-оксид-напiвпровiдник е б^ьш доцiльним у порiв-
нянш з польовими транзисторами, керованими р - п -переходом за рахунок значно меншо: вхiдноi eмностi [5], вщсутносп модуляцii eмностi затвор-канал, а також на декшька порядкiв б^ьшого вхiдного опору. Застосування МОН-транзисторiв (типу BF998) у схемi автодинного сенсора ускладнюють конструкцiю його гiбридноi iнтегральноi мiкросхеми (Г1МС) [6], осюльки вимагають двох джерел живлення ланок витж-затвор.
Дана проблема може бути усунута шляхом викори-стання коротко-канального транзистора з вертикальною структурою, виготовленого методом подвiйноi дифузii [7, 8], в якого крутизна ВАХ забезпечуеться ствввдношенням ширини каналу до його довжини, при заданому значенш вхiдноi eмностi.
Метою даноi роботи е розробка однозатворного транзистора з подвшною дифузiею з наступними параметрами:
1. Струм стоку: 1с = 30 мА.
2. Максимальна напруга стж-витж: исв = 20 В.
3. Крутизна: S = 30 мА/В.
4. Максимальна робоча частота: ^ = 1 ГГц.
5. Коефвдент шуму: F = 0,6...1,2 дБ.
6. Дiапазон робочих температур: Т = 77...398 К.
7. Тип корпусу: SOT-143.
детектування сигналу магштного резонансу шляхом реестрацп напруги на стоковому або витоковому опорах навантаження.
При дослщженнях автодинного сенсора на по-льовому транзисторi спостер^алися два режими детектування сигналу [11]. При перемщенш робо-чоi точки транзистора по прохщнш характеристицi рееструвалися сигнали резонансного поглинання взаемно-протилежноi фази, що вiдповiдають рiзним напругам змщення затвор-витiк. Встановлено (рис. 2), що така характеристика мае двi д^янки з явно вираженою нелшшшстю (область 1 та 2). При цьому область 2 е квадратичною д^янкою прохiдноi характеристики транзистора, а область 1 забезпечуеться ввiмкненням в коло стоку резистору навантаження.
Тополопя структури
Для проектування транзистора використовувалася SPICE-модель третього рiвня, призначена для опису коротко-канальних польових МОН-транзисторiв. Це дозволило провести як розрахунки вольт-амперних характеристик транзистора з врахуванням ефекив модуляцп довжини каналу та рухливост носiiв заряду, так i забезпечити комп'ютерне моделювання схем автодинного сенсора, що забезпечують оптимальш режими його роботи [9].
Розрахунковi вольт-ампернi характеристики транзистора приведет на рис. 1.
-0,3 -0,2
и , в
4 6
и , в
а) б)
Рис. 1. ВАХ транзистора а) прохщж, б) вихщж
Висока крутизна ВАХ транзистора забезпечуе не-обхщну ефектившсть стокового детектування [10], що полягае в проходженш високочастотного сигналу через нелшшний активний елемент (транзистор) з квадратичною д^янкою прохiдноi характеристики. Це призводить до появи постшно: НЧ та ВЧ складо-вих. При цьому незначш змши рiвня високочастот-шл напруги (коефiцiент модуляцii =1 %) викликають суттевi змiни струму стоку, що робить можливим
Рис. 2. Залежжсть струму стоку в1д напруги затвор-вилк з резистором навантаження в колi стоку
Задання робочо: точки транзистора на дiлянцi з найб^ьшою крутизною прохiдноi характеристики транзистора забезпечуе оптимальш умови генеруван-ня коливань, а ефектившсть стокового детектування е найб^ьшою на опуклостях (область 1) або вигнуто-стях (область 2) залежносп 1с вiд изв . Вибiр робочо: точки на вище вказаних дiлянках характеристики дае можлившть отримати демодульований сигнал, що супроводжуеться меншим числом комбшацшних частот, а, отже, незначним ростом шуму в порiвняннi зi звичайним дюдним детектуванням.
Топологiя та поперечнi розрiзи кристалу розро-блюваного транзистора приведен на рис. 3.
Вихiднi пластин кремшю товщиною 400 мкм, з орiентацiею поверхнi < 100 > , леговаш сурмою i ма-ють питомий опiр 0,01 Омсм. На поверхнi вихiдноi кремнiевоi пластини формуемо еттаксшний п_ - шар товщиною 10±1 мкм, з питомим опором ру = 1 Ом см. р-канальна область структури з поверхневим опором дифузшного шару р5 = 150± 10 Ом/П формуеться методом iонного легування з наступним високотем-пературним перерозпод^ом домiшок бору. Порогова напруга визначаеться товщиною окислу затвору та концентрацiею домшок в р -канальнiй областi при-ладу. Нижня поверхня кристалу служить контактом до обласи витоку.
Шсля формування р -канальних областей фор-муються витоковi областi методом дифузп домiшок фосфору з поверхневим опором дифузшних шарiв р5 = 5,0 ± 1 Ом/П.
Область п+ -типу служить в якостi витоку. По-перечнi перерiзи кристалу показан на рис. 3 б та рис. 3 в.
Наступш операцп пов'язанi з формуванням тд-затворного дiелектрика та формуванням металiзацii
-0,5 -0,4
0,1
0,0
затвору електронно-променевим розпиленням. 1нвер-«я в р -областi структури досягаеться перекриван-ням р -областi i областей витоку, що легко досягаеться у нашому випадку видаленням контакив витоку iз активно! областi структури.
Виготовлення п-канальних D-МОН транзисто-рiв передбачае використання базових технолоНч-них процеив формування К-МОН iнтегральних м^росхем.
Вольт-ампернi характеристики експериментальних зразкiв транзистора при юмнатнш та азотнiй температурах приведет на рис. 4.
Таблиця 1
Електрофiзичнi параметри структури
а)
№ шару Назва Характеристики Метод нанесення шару
1 кремшева пластина (матер1ал п+ ) ру = 0,01 Омсм
2 СТ1К структури еттак-сшний п_ - шар ру = 1 Ом-см товщина 10±1 мкм нарощування ештаксшного шару ¡з заданими електро-ф1зичними параметрами
3 р-канальна область р5 = 150 ± ЮОмДИ глибина залягання 1,5±0,2 мкм юнне легування з подальшим пере-розподшом домшок бору
4 п + -область витоку р5 = 5,0 ± 1 ОмД] глибина залягання 1,0±0,2 мкм дифуз1я домшок фосфору
5 д1електрик (дюксид кремшю - SiO2 ) товщина 80 нм (800А) терм1чне окислення в атмосфер! сухого кисню
6, 7, 8 меташзащя електронно-променеве напилення пл1вок алюмМю
Рис. 3. Фрагмент топологи кристалу транзистора: а) вигляд зверху, б) поперечний перерiз кристалу в обласп витоку, в) поперечний перерiз кристалу в обласп затвору; (1-кремшева пластина е.к.с. 0,01 Омсм, 2-ештаксшний
шар, 3-пщкладка, 4-область витоку, 5-пщзатворний дiелектрик, 6-металiзацiя стоку, 7-металiзацiя затвору, 8-металiзацiя витоку)
Електрофiзичнi параметри структури приведет в табл. 1.
в)
-0,4-0,5-0,6-
m
J -07"
äU/äT=1.5 mV/K
Ic = 20 мкА "rn = 8 В
100 150 200 250
T, K
300 350 400
б)
г)
Рис. 4. Експериментальж характеристики транзистора: а) прохщна ВАХ, б) залежжсть напруги вщачки вщ температури, в,г) вихiднi ВАХ
Висновки
1. Розроблено МОН-транзистор з подвшною ди-фузieю з вертикальною структурою для застосування в пбриднш штегральнш схемi автодинного сенсора дециметрового дiапазону.
Винесення контактiв витоку з активноï областi структури дозволило зменшити паразитш eмностi (СЗС= = 2,0 10-3пФ, СЗВ = 0,7 пФ, СЗП = 0,5 пФ, ССВ=0,3 пФ, Свп = 0,9 пФ, ССП=0,3 пФ), що е меншими у порiвняннi iз транзистором iз самосумщеним затвором i забезпечу-ють роботу транзистора в необхвдному дiапазонi частот.
Формування металiзацiï затвору та витоку може проводитися в одному технолопчному цикл^ що спро-щуе технолопчний процес виготовлення транзистора та понижуе вимоги до допусюв цього етапу виготов-лення.
2. Застосування польового транзистора в схемi автодинного сенсора значно зменшуе рiвень шумiв схеми, у порiвняннi iз використанням бiполярного транзистора, та спрощуе конструкцiю приладу, при-значеного для вимiрювань кiнетичних параметрiв на-пiвпровiдникових матерiалiв при температурах рщ-кого азоту.
Лiтература
1. O.S. Stoican NQR detection setup/ O.S. Stoican// Rom. Journ. Phys..— 2006.— Vol. 51, Nos. 1-2.— P. 311-315.
2. P.M. Andersen Ultralow power low noise ultrahigh frequency magnetic resonance spectrometer/ P.M. Andersen, N.S. Sullivan, L.W. P-
helps, and J.B. Legg// Rev. Sci. Instrum., Vol.63, Is.1, 1992.
3. Ван дер Зил А. Шумы при измерениях/ Ван дер Зил А.— М.: Мир, 1979.— 292с.
4. Хандожко А.Г., Слынько Е.И., Черныш И.П. Автодинный детектор для исследования ядерного магнитного резонанса и размер-
ных эффектов в полупроводниках/ Хандожко А.Г., Слынько Е.И., Черныш И.П.// ПТЭ.— 1988.— №5.— С.110-112.
5. http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2001/fvti/tereschuk/diss/lib/mop.htm.
6. Браиловский В.В. Гибридный автодинный сенсор магнитного резонанса/ Браиловский В.В., Верига А.Д., Политанский Л.Ф.//
Технология и конструирование в электронной аппаратуре. Научно-технический журнал.- 2009.- № 5.- С.7-9.
7. С. Зи Физика полупроводниковых приборов/ С. Зи; [Перевод с английского], под.ред. Р.А. Суриса.— [в 2-х книгах].— Москва:
«Мир», 1984
8. Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение/ Окснер Э.С.; [Перевод с английского], под.ред. В.Н. Мышляе-
ва.— Москва: «Радио и связь», 1985.— 288с.
9. Брайловский В.В. Моделирование схемы автодинного сенсора на полевом транзисторе/ Брайловский В.В., Верига А.Д., Го-
тра З.Ю., Кушнир Н.Я.// Известия вузов. Радиоэлектроника.- 2010.- № 1.- С.1-7
10. N.Sullivan Nuclear resonance spectrometers using field effect transistors/ Neill Sullivan// Rev. Sci. Instrum. .— 1971.— vol.42, №4.— P.462-465.
11. Брайловський В.В., Верига А.Д., Хандожко О.Г. Ефектившсть стокового детектування в автодинному сшн-детектор1// Науко-вий вюник Чершвецького ушверситету, Ф1зика. Електрошка. Зб1рник наукових праць. Випуск 201.- 2004.- С.110-112.
