Планарный транзистор

Планарный транзистор — это разновидность полевого транзистора (FET), в котором все электроды (исток, сток, затвор) расположены на одной плоскости (поверхности) полупроводниковой подложки, а токопроводящий канал формируется непосредственно под поверхностью. Данная конструкция является исторически первой и наиболее распространённой в микроэлектронике, лежащей в основе большинства интегральных схем (ИС), выпускаемых по технологиям вплоть до 28 нм.

История

Концепция планарного транзистора была предложена и впервые реализована в 1959 году инженером компании Fairchild Semiconductor Жаном Эрни. Эрни разработал метод изоляции p-n-переходов с помощью термического окисления кремния и последующей фотолитографии, что позволило создавать транзисторы на одной пластине без необходимости ручной сборки. Первый коммерческий планарный транзистор — 2N1613 — был выпущен Fairchild в 1960 году.

В 1961 году компания Texas Instruments представила первую интегральную схему, построенную на планарных транзисторах, что ознаменовало начало эры кремниевой микроэлектроники. В течение последующих 50 лет планарная технология доминировала, постепенно масштабируясь с 10 мкм до 28 нм.

С середины 2010-х годов, в связи с физическими ограничениями (утечки тока, короткоканальные эффекты) при переходе на техпроцессы 22 нм и ниже, планарные транзисторы начали вытесняться трёхмерными структурами — FinFET (транзисторы с плавниковым каналом) и GAAFET (транзисторы с кольцевым затвором). Однако планарные транзисторы продолжают широко применяться в аналоговых схемах, силовой электронике и для производства чипов по «старым» техпроцессам (≥ 90 нм).

Устройство и принцип работы

Структура

Планарный полевой транзистор (обычно МОП-транзистор, MOSFET) состоит из следующих элементов:

• Подложка — монокристаллический кремний (Si) p- или n-типа проводимости.
• Области истока (Source) и стока (Drain) — легированные области противоположного типа проводимости по отношению к подложке, созданные методом диффузии или ионной имплантации.
• Канал — область между истоком и стоком непосредственно под поверхностью подложки.
• Подзатворный диэлектрик — тонкий слой диоксида кремния (SiO₂) или диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k), изолирующий затвор от канала.
• Затвор (Gate) — проводящий электрод (поликремний, металл), расположенный на диэлектрике.

Все элементы (контакты истока, стока, затвора) выведены на верхнюю поверхность кристалла, что и дало название технологии — «планарный» (от лат. planum — плоскость).

Принцип действия

Работа планарного MOSFET основана на эффекте поля: напряжение, приложенное к затвору, изменяет проводимость канала.

1. Режим обогащения (enhancement mode) — наиболее распространённый. При нулевом напряжении на затворе канал отсутствует, транзистор закрыт. При подаче положительного (для n-канального) напряжения на затвор, в приповерхностном слое под затвором образуется инверсный слой (канал) n-типа, соединяющий исток и сток. Ток начинает течь.
2. Режим обеднения (depletion mode) — канал существует при нулевом напряжении на затворе; при подаче напряжения канал сужается, транзистор закрывается.

Ток между истоком и стоком управляется напряжением на затворе, что позволяет использовать транзистор как ключ или усилитель.

Классификация

Планарные транзисторы классифицируются по нескольким признакам:

По типу проводимости канала

• n-канальные (NMOS) — канал образован электронами, более быстрые и компактные.
• p-канальные (PMOS) — канал образован дырками, медленнее, но проще в изготовлении.
• КМОП (CMOS) — комплементарная пара NMOS и PMOS, используемая в большинстве цифровых схем для минимизации энергопотребления.

По типу затвора

• С поликремниевым затвором — традиционная технология, использовавшаяся до техпроцессов 45 нм.
• С металлическим затвором — применяется начиная с 45 нм для уменьшения сопротивления и улучшения управления каналом.

По типу подзатворного диэлектрика

• С SiO₂ — классический диэлектрик, используемый до 45 нм.
• С high-k диэлектриком — используется начиная с 45 нм для снижения токов утечки через затвор.

Характеристики и параметры

Основные электрические параметры планарного транзистора:

• Пороговое напряжение (Vth) — напряжение на затворе, при котором начинает течь ток.
• Крутизна (gm) — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе.
• Ток утечки (Ioff) — ток, протекающий между истоком и стоком в закрытом состоянии.
• Пробивное напряжение — максимальное напряжение между стоком и истоком, при котором происходит пробой.
• Сопротивление канала в открытом состоянии (Ron) — определяет потери мощности в ключевом режиме.

Применение

Планарные транзисторы используются в следующих областях:

• Цифровые интегральные схемы — микропроцессоры, микроконтроллеры, логические микросхемы (по техпроцессам ≥ 90 нм).
• Аналоговые схемы — операционные усилители, компараторы, аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
• Силовая электроника — ключи в источниках питания, драйверы светодиодов, инверторы (планарные MOSFET с вертикальным каналом).
• Радиочастотные устройства — усилители мощности, смесители, генераторы (до частот порядка 10–20 ГГц).
• Датчики — в составе МЭМС (микроэлектромеханических систем) и сенсоров.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота изготовления — отработанная технология с высокой воспроизводимостью и низким уровнем брака.
• Низкая стоимость — для техпроцессов ≥ 90 нм производство экономически эффективно.
• Хорошая управляемость — благодаря планарной структуре легко осуществляется литография и травление.
• Высокая надёжность — многолетняя отработка технологии и материалов.

Недостатки

• Короткоканальные эффекты — при длине канала менее 100 нм возникают проблемы с управлением каналом (эффект DIBL, снижение порогового напряжения).
• Утечки через подложку — с уменьшением толщины диэлектрика растут токи утечки.
• Ограничение по масштабированию — физические пределы (туннелирование, квантовые эффекты) не позволяют использовать планарную структуру на техпроцессах < 22 нм.

Интересные факты

• Первый планарный транзистор был изготовлен на пластине кремния диаметром 1 дюйм (25,4 мм) и содержал один транзистор.
• В 1960 году Fairchild Semiconductor выпустила первый коммерческий планарный транзистор 2N1613, который использовался в компьютерах IBM System/360.
• Технология планарных транзисторов позволила создать первый микропроцессор Intel 4004 (1971 год), содержащий 2300 транзисторов.
• До 2010 года планарные транзисторы обеспечивали выполнение закона Мура (удвоение числа транзисторов на кристалле каждые 2 года).

Источники

• Жан Эрни, «Method of manufacturing semiconductor devices», патент США № 3,025,589 (1959).
• S. M. Sze, «Physics of Semiconductor Devices», 3rd edition, Wiley, 2007.
• Intel Corporation, «From 45nm to 22nm: The Evolution of Transistor Technology», 2012.
• ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), 2013 Edition.
• «Энциклопедия полупроводниковых приборов», под ред. В. И. Старосельского, 2015.