НИЗКОВОЛЬТНЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ БИПОЛЯРНЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ СТРУКТУРАХ Российский патент 2001 года по МПК H01L27/00 H01L27/14 H03K19/13 

Изобретение относится к устройствам и интегральным конструкциям импульсной и цифровой техники, в частности к интегральным логическим элементам БИС, ЭВМ и автоматики.

Фундаментальной проблемой разработки элементной базы БИС и ЭВМ является увеличение уровня интеграции, снижение напряжения питания и мощности потребления логических элементов (ЛЭ), увеличение их нагрузочной способности и соответствующего системного быстродействия в компоновочном пространстве БИС. Переход к субмикронным и глубокосубмикронным технологиям позволяет резко снизить размеры и рабочие площади ЛЭ, увеличить их внутреннее, "технологическое" быстродействие, однако проблема увеличения системного быстродействия при дальнейшем снижении напряжения питания и мощности потребления остается критической для перспективных ЛЭ ультраБИС (УБИС).

Конкуренция двух базовых направлений развития технологии и схемотехники БИС-биполярного и МОП (КМОП)- происходила в течение трех десятилетий 1960-1980-х годов. Однако уже 90-е годы - это период, когда "рабочей лошадкой" цифровых СБИС и УБИС широкой номенклатуры стали разнообразные глубокосубмикронные КМОП технологии и соответствующие микромощные схемотехники с прогрессирующим использованием низковольтных напряжений питания. Главным ограничением биполярного направления развития биполярных СБИС и УБИС, прежде всего на наиболее быстродействующих ЭСЛ элементах, было значительное потребление статической мощности, балластный характер которой в отличие от КМОП элементов проявлялся в режиме покоя или непереключения ЛЭ. Эта балластная статическая мощность сильно нивелировала другие уникальные особенности масштабированных биполярных структур с предельно сжатыми вертикальными и горизонтальными размерами: 1) максимальное технологическое (внутреннее, в режиме кольцевого генератора) быстродействие приборов и элементов с минимальными задержками ЭСЛ элементов около 10-15 пс; 2) максимально высокая нагрузочная способность выходных элементов со схемотехникой комплементарных эмиттерных повторителей и аналогичных двухтактных схем; 3) высокая логическая функциональная гибкость биполярного ЭСЛ, модифицированного комплементарного биполярного (КБИ) и смешанного (КБИ-КМОП) базиса. В то же время в мировой практике разработки биполярных схем не создано ЛЭ, работающих с напряжением питания менее 1 В. Это "непреодолимое противоречие" классической биполярной схемотехники имеет место вследствие падений немасштабируемого напряжения на открытом эмиттерном p-n- переходе транзистора, равного 0.7-0.8 В для кремниевых транзисторов, и на вспомогательных активных и резистивных элементах между шинами питания.

Известно, что замена МОП приборов в классических КМОП инверторах НЕ, ИЛИ- НЕ, И-НЕ ЛЭ (аналога всевозможных структурно-схемотехнических решений современных микропроцессорных УБИС) с пренебрежимо малой статической мощностью потребления [1] на биполярные транзисторы не приводит к работоспособным биполярным ЛЭ. В то же время имеется ряд схемотехнических решений с использованием биполярных комплементарных пар в качестве инверторов и выходных каскадов, характеризующихся значительной нагрузочной способностью и максимально быстрой зарядкой нагрузочных емкостей в широком диапазоне их значений [2-4] . Данные ЛЭ-инверторы НЕ, выбранные нами в качестве аналогов, содержат комплементарные биполярные транзисторы, базы которых соединены со входом, объединенные коллекторы с выходом, а эмиттеры с соответствующими шинами положительного и отрицательного питания.

Известен другой аналог-ЛЭ НЕ, ИЛИ-НЕ на комплементарных инверторах, который создается с использованием сложной интегральной конструкции комплементарных токовых зеркал с использованием дополнительной комплементарной пары, объединенные базы и коллекторы которой соединены со входом элемента и базами первой комплементарной пары [4]. Данный ЛЭ является близким к заявляемому объекту изобретению по совокупности формальных функциональных признаков, однако его реальное логическое функционирование с ненормализованными выходными токами при различных сочетаниях на выходах переменных не может быть взято за основу функционирования заявляемого объекта вследствие практически неустранимых функциональных противоречий элемента.

Известный аналог [4] характеризуется также серьезными недостатками, практически лишающими его возможности интегрального воплощения в плотноупакованных микромощных, низковольтных, быстродействующих УБИС. Это прежде всего связано с элементной избыточностью - использованием дополнительных балластных пар в ЛЭ НЕ. Далее для реализации логики, например, ИЛИ-НЕ требуется в интегральных конструкциях использовать отношения площадей соответствующих транзисторов в первой и второй комплементарных парах, равных 2 и 3, что не только существенно усложняет ЛЭ, но и практически на порядок увеличивает общую площадь ЛЭ-аналога по сравнению с площадью одной элементарной комплементарной пары. К серьезным недостаткам прототипа следует отнести также сильное изменение логического перепада при увеличении входов, требующее использование шунтирующих диодов Шоттки, формирующих стабильный перепад. Кроме того прототип обладает невысоким быстродействием и не способен работать в субвольтовом режиме напряжения питания и обеспечивать высокую помехоустойчивость ЛЭ. Несмотря на обеспечение микромощного режима с уменьшением до минимума статической балластной мощности, в этих инверторах также нельзя уменьшить напряжение питания меньше 1 В.

В качестве базового прототипа-основы для синтеза более гибких многофункциональных ЛЭ мы выберем биполярный комплементарный ЛЭ инвертор - НЕ на комплементарных структурах (фиг. 1), содержащий по крайней мере одну комплементарную пару n-p-n- и p-n-p-транзисторов, эмиттеры которых соединены с соответствующими шинами отрицательного и положительного питания, базы и коллекторы которых объединены и являются соответственно входом и выходом элемента [5] . В качестве критики и недостатков малокомпонентного комплементарного инвертора-прототипа отметим следующее. Несмотря на обеспечение микромощного режима с уменьшением до минимума статической балластной мощности в этих инверторах также нельзя уменьшить напряжение питания меньше 1-1.3 В. Кроме того в этих комплементарных парах транзисторы могут заходить в нежелательный режим насыщения, что приводит к потерям быстродействия инвертора. Этот существенный недостаток в принципе необходимо компенсировать использованием избыточных комплементарных транзисторов с диодами Шоттки, шунтирующих коллекторно-базовые переходы. Однако параллельным объединением комплементарных пар и их коллекторных выходов нельзя реализовать более гибкие универсальные ЛЭ типа ИЛИ-НЕ, И-НЕ, даже используя "расщепленное автономное питание для каждой пары, вследствие логически противоречивой состязательной ситуации при подаче в двухвходовом ЛЭ, например входных сигналов "1" и "0". Проблема малокомпонентного синтеза логического элемента ИЛИ-НЕ из комплементарных пар представляется первоочередной и будет решена и проанализирована в рамках заявляемого объекта устройства.

Для повышения степени интеграции и быстродействия перспективных биполярных ЛЭ УБИС, конкурентных по всей совокупности параметров КМОП элементам, требуются ЛЭ на масштабированных в область глубокого субмикрона и даже наноразмеров биполярных структуры с минимальными геометрическими размерами без балластных площадей, увеличивающих внутренние барьерные емкости, с выбором профилей примесей и топологией, обеспечивающих их работоспособность и надежность функционирования без нежелательных эффектов прокола, туннелирования, плохих контактов и других. А именно комплементарные биполярные ЛЭ, обеспечивающие высокую нагрузочную способность и малую потребляемую мощность перспективных низковольтовых микромощных быстродействующих УБИС.

Задачей изобретения является создание логического элемента НЕ, ИЛИ-НЕ на комплементарных структурах, обеспечивающего низковольтное напряжение питание и логический перепад в субполувольтовом диапазоне вплоть до 0.12-0.2 В, приемлемую помехоустойчивость работы, высокое технологическое и системное быстродействие элемента, уменьшение рабочей площади малокомпонентного ЛЭ для плотноупакованных УБИС, уменьшение рассеиваемой статической, динамической и полной мощности. Дополнительными целями, ставящими достижение сверхинтеграции и сверхбыстродействия УБИС на заявляемых ЛЭ, являются: дополнительное значительное уменьшения площади кристалла при реализации совмещенных трехмерных комплементарных функционально-интегрированных структур, а также обеспечивающих сокращение площади кристалла, затрачиваемой на соединение приборов и на разводку питания, и даже устранение собственно дорогих электрических источников питания для УБИС на заявляемых ЛЭ, запитываемых оптическим излучением. К глобальной цели изобретения следует отнести достижение значительно более конкурентоспособного заявляемого биполярного логического элемента НЕ, ИЛИ-НЕ известному аналогичному КМОП элементу - "рабочей лошадке" современных УБИС по всей совокупности электрических, схемотехнических, технологических характеристик и параметров.

Указанная задача достигается тем, что низковольтный быстродействующий биполярный логический элемент на комплементарных структурах содержит по крайней мере одну комплементарную пару n-p-n- и p-n-p-транзисторов, эмиттеры которых соединены с соответствующими шинами отрицательного и положительного питания, базы и коллекторы которых объединены и являются соответственно входом и выходом элемента, при этом база каждого симметричного n-p-n- и p-n-p-транзистора с нанометровыми размерами этой пары выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового тонкослойного материала с толщиной базы и концентрацией основных носителей тока из диапазона, в котором отсутствует прокол базы, а длина пробега неосновных носителей от эмиттера к коллектору более чем на два порядка меньше их диффузионной длины и имеет сильнолегированные приконтактные области, а эмиттер и коллектор этого транзистора выполнены из соответствующего сильнолегированного материала с концентрацией не менее чем на порядок меньшей концентрации вырождения этого материала; 2) в элементе по п.1 при использовании по меньшей мере двух комплементарных пар на n-p-n- и p-n-p-транзисторах эмиттеры n-p-n-транзисторов, как и эмиттеры p-n-p-транзисторов пар соответственно объединены, объединенные коллекторы транзисторов пар соединены между собой и являются выходом элемента, а базы транзисторов комплементарных пар являются соответствующими входами элемента; 3) в элементе по п. 2 транзисторы каждой комплементарной пары имеют вертикальную структуру столбика, у нижнего основания которого расположены горизонтальные сильнолегированные эмиттерные n⁺-, p⁺- области, с единой базовой областью из упомянутого слаболегированного материала и соответствующими приконтактными сильнолегированными областями, расположенными у боковой поверхности этой структуры, а у верхнего основания которой также расположен поглощающий коллекторный контактом пары, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа; 4) в элементе по п. 3 соответствующие коллекторные сильнолегированные n⁺-, p⁺- области пары вертикальной структуры объединены металлическим контактом и он содержит изолирующий тонкий слой окисла между противоположными поверхностями совмещенных и изолированных друг от друга n-p-n- и p-n-p- транзисторов комплементарных пар; 5) низковольтный быстродействующий биполярный логический элемент на комплементарных структурах, содержащий по меньшей мере две комплементарные пары на n-p-n- и p-n-p-транзисторах, эмиттеры которых соответственно объединены, объединенные коллекторы транзисторов пар соединены между собой и являются выходом элемента, а объединенные базы транзисторов комплементарных пар являются соответствующими входами элемента, при этом каждая комплементарной пара имеет вертикальную структуру столбика, у нижнего основания которого расположены горизонтальные слаболегированные эмиттерные области, единая для пары базовая область столбика выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового тонкослойного материала с толщиной базы и концентрацией основных носителей тока из диапазона, в котором отсутствует прокол базы, а длина пробега неосновных носителей от эмиттера к коллектору более чем на два порядка меньше их диффузионной длины и имеет сильнолегированные приконтактные области, расположенные у боковой поверхности этой структуры, а у верхнего основания которой расположен поглощающий коллекторный контактом пары, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа, причем горизонтальные эмиттерные области пар снабжены прозрачными окнами для оптического излучения.

Сущность изобретения и его отличительные от прототипа признаки заключаются в уникальной возможности обеспечения сверхбыстродействия работоспособности и надежности биполярных комплементарных двухтактных (пуш-пульных) ЛЭ-инверторов в микромощном режиме сверхнизких напряжений питания и логического перепада вплоть до 0.12-0.15 В при использовании необходимых и достаточных для такого функционирования оригинальных масштабированных в область глубокосубмикронных горизонтальных и вертикальных размеров симметричных биполярных комплементарных структур, когда база каждого транзистора этой пары выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового материала с толщиной и концентрацией основных носителей тока из диапазона, в котором длина пробега неосновных носителей более чем на два порядка меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе n-, p-проводимости, L = (DT)^1/2, где D - коэффициент диффузии, а T - время жизни соответствующих носителей, дырок и электронов в слаболегированном полупроводнике. Биполярная по природе сущность поведения тонкослойных комплементарных структур в низковольтных микромощных инверторах НЕ характеризуется сильным полевым эффектом перемещения носителей: электронов в n-p-n- и дырок в p-n-p- транзисторах по достаточно тонкослойной (менее 100 нм) и слаболегированной базе с (или базе с собственной концентрацией для кремния n_i = 1,38 • 10¹⁰ см^-3) под действием ускоряющего поля между коллектором и эмиттером Ece. Более того, для сущности функционирования инвертора на описываемых масштабированных комплементарных структурах крайне важен не только низковольтный режим, но и то, что выбором конструкций структур удается избежать прокола базы, наличия балластных токов туннелирования и влияния контактных факторов за счет экранирования поля Ece расположением симметричных базовых контактов и сильным легированием их приконтактных областей с концентрацией не менее чем на порядок меньшей концентрации вырождения этого материала.

В отличие от традиционных масштабированных транзисторов СБИС, где для устранения прокола базы при требовании малых толщинах активной базы ее сильно легируют вплоть до концентраций (3-5)10¹⁸см³ в инверторах и более сложных логических элементах заявки используется новый обобщенный тип биполярных приборов - комплементарные симметричные транзисторные структуры (СТС) с нелегированной базовой областью, обеспечивающие симметричность по отношению к типу подвижных носителей и позволяющие строить экономичные низковольтные микромощные схемы. В СТС кардинальное уменьшение прокола активной базы достигается за счет уменьшения ее ширины с локализацией подвижных носителей между близко расположенными базовыми контактами. При снижении концентрации легирующей примеси в активной базе вплоть до собственной понижается барьер для инжекции носителей из эмиттера в базу, но сохраняется барьер, препятствующий проникновению соответствующих носителей в базовый контакт.

Сущность заявляемого изобретения при синтезе более гибких многофункциональных ЛЭ заключается в обеспечении базовой логики ИЛИ-НЕ сверхкомпактным, наиболее эффективным, параллельным соединением друг с другом двухтактных (пуш-пульных) комплементарных пар (вместо наиболее распространенного в КМОП схемотехнике последовательного соединения пар), не потребляющих практически статическую мощность, находясь в состояниях "1" или "0", с N входами их общих баз n-p-n- и p-n-p-транзисторов и с единым общим их коллекторным выходом этих же транзисторов в режиме оптимальной их работы при низких уровнях тока и напряжения питания. Принципиально важно для раскрытия сущности изобретения, что малая статическая мощность потребления ЛЭ достигается без ограничения и ухудшения скорости переключения и запасов помехоустойчивости, причем скорость зарядки нагрузочных емкостей будет зависеть от горизонтальной площади комплементарных структур, обеспечивающих ту или иную величину рабочего тока и нагрузочную способность ЛЭ и соответственно его системное быстродействие. В то же время минимальная динамическая мощность ЛЭ обеспечивается за счет минимальных логических перепадов, равных напряжению питания ЛЭ в диапазоне величин Eп = 0.15-0.5 В.

Сущность достижения дополнительной цели - достижение более высокой плотности упаковки ЛЭ и их сверхинтеграции в конкурентных УБИС для дешевого однолитографического производства заключается в совмещении рабочих областей баз комлементарных транзисторов в единую активную базовую область для протекания рабочих токов в трехмерных совмещенных функционально-интегрированных биполярных структурах, где площадь инвертора может занимать около 4 литографических квадратов, 4 L², где L-минимальный топологический размер. Причем наиболее значительное уменьшения площади кристалла при реализации заявляемых совмещенных комплементарных функционально-интегрированных структур достигается при обеспечении сокращения площади кристалла при расположении наверху трехмерной комплементарной структуры единого поглощающего коллекторного контакта пары, выполненной в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа, поглощающих в совмещенной структуре потоки электронов и дырок из эмиттеров основания структуры. Дополнительное сокращение площади кристалла под ЛЭ и его разводку при реализаци функционально-интегрированных элементов (минимизация площади на соединение приборов и на разводку шин питания) достигается устранением собственно дорогих электрических источников питания для УБИС на заявляемых ЛЭ, запитываемых оптическим излучением, падающим на открытые прозрачные окна горизонтальных эмиттерных областей в основании трехмерных столбиковых комплементарных структур.

Принципиально важно для раскрытия сущности изобретения по всем пунктам 1-5, что заявляемые биполярные элементы И-НЕ могут быть выполнены с помощью однолитографических операций. В то же время для раскрытия сущности изобретения по дополнительному пункту 4 для более дешевых комплементарных технологий изготовления функционально-интегрированных элементов без коллекторных контактов Шоттки можно использовать коллекторные сильнолегированные области пары и для достижения работоспособности и надежности элементов изолирующий тонкий слой окисла, симметрично разделяющий трехмерную биполярную структуру. Эффективность биполярных технологий для изготовления планарных и трехмерных комплементарных СТС будет значительно выше, чем у традиционных и перспективных КМОП технологий, где необходимо создавать специальные прецизионные подзатворные сверхтонкослойные подзатворные слои толщиной в единицы-десятки нм, а также другие оксидные области.

Рассмотрим перечень фигур графического изображения и примеры конкретного выполнения заявленного ЛЭ, ставя номер фигуры в соответствие пунктам формулы изобретения.

На фиг. 1а приведена принципиальная обобщенная схема простейшего ЛЭ, инвертора НЕ на комплементарной паре 1, выполненной на n-p-n-, p-n-p-транзисторах 1₁, 1₂; входом 1_вх, выходом 1_вых и шинами питания источника напряжения: -E₀, +E₀ (прикладываемое к ЛЭ напряжение Eп = 2E₀). На фиг. 1б приведена структурная содержательная схема биполярного инвертора, изображенного на фиг. 1a, с единообразным описанием сечений комплементарных транзисторов 1₁, 1₂. При этом активная база каждого транзистора 4 этой пары выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового материала с толщиной W < 100 нм и имеет сильнолегированную приконтактную область 5, а эмиттер 6 и коллектор 7 этого транзистора выполнены из соответствующего сильнолегированного материала.

На фиг. 2а приведена принципиальная обобщенная схема многовходового элемента ИЛИ-НЕ, который содержит источник напряжения Eп с расщепленным напряжением +E₀, -E₀), комплементарные пары 1,2,..n на составных n-p-n- и p-n-p-транзисторах: 1₁, 1₂; 2₁, 2₂...; n₁, n₂, объединенные база первой пары являются первым входом элемента 1_вх, объединенные база второй и n-й пары являются 2-м и n-м входом элемента 2_вх, n_вх. Эмиттеры n-p-n-транзисторов, как и эмиттеры p-n-p- транзисторов пар, соответственно объединены, коллекторы транзисторов пар соединены и являются выходом 1_вых. На фиг. 2б приведена структурная содержательная схема биполярного ЛЭ ИЛИ-НЕ, изображенного на фиг. 2а, с единообразным описанием сечений комплементарных транзисторов 1₁, 1₂; 2₁, 2₂ двух комплементарных пар 1 и 2. При этом активная база каждого транзистора 4 этой пары выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового материала с толщиной W в нанометровом диапазоне и имеет сильнолегированную приконтактную область 5, а эмиттер 6 и коллектор 7 этого транзистора выполнены из соответствующего сильнолегированного материала.

На фиг. 3 для пояснения п.3 заявляемого объекта приведен двухвходовой элемент ИЛИ-НЕ на двух трехмерных функционально- интегрированных структурах комплементарных пар 1_вх и 2_вх, соответствующими входами 1_вх, 2_вх и выходом 1_вых. Поперечное сечение каждой пары имеет вертикальную структуру столбика единой базы 8 высотой W < 100 нм, в основании которого лежат горизонтальные сильнолегированные эмиттерные и коллекторные n⁺ - p⁺-области 9, 10. Единая активная базовая область 8 из слаболегированного материала примыкает к соответствующим приконтактными сильнолегированным областям n⁺-p⁺-11 и 12, расположенными у боковой поверхности. Наверху столбика расположены поглощающий коллекторный контакт пары, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p- типа 13, 14 (два параллельных контакта Шоттки с различной высотой барьера, или в перспективе контакт металл - туннельный диэлектрик - полупроводник).

На фиг. 4 приведен модифицированный элемент ИЛИ-НЕ, который с целью удешевления технологии содержит объединенные наверху столбика металлическим контактом соответствующие коллекторные сильнолегированные области пары 15 и 16, и изолирующий тонкий слой окисла 17 между противоположными поверхностями совмещенных (для надежности работы ЛЭ и отсутствия балластных токов между высоколегированными областями базы и коллектора) и изолированных друг от друга n-p-n- и p-n-p-транзисторов, эмиттеры 9 и 10 соединены с шинами отрицательного и положительного питания -E₀, +E₀.

На фиг. 5 для пояснения п. 5 заявляемого объекта приведен двухвходовой элемент ИЛИ-НЕ на двух трехмерных функционально интегрированных структурах комплементарных пар 1 и 2, соответствующими входами 1_вх, 2_вх и выходом 1_вых. Поперечное сечение каждой пары имеет вертикальную структуру столбика единой базы 8 высотой W < 100 нм, в основании которого лежат горизонтальные слаболегированные (нелегированные) эмиттерные области. Единая активная базовая область 8 из слаболегированного материала примыкает к соответствующим приконтактным сильнолегированным областям n⁺- p⁺- 11 и 12, расположенными у боковой поверхности. Наверху столбика расположены поглощающий коллекторный контакт пары, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа 13, 14. Совмещенный функционально-интегрированный элемент на фиг. 5 запитывется помощью оптического источника излучения в определенном диапазоне длин волн, когда горизонтальные сильнолегированные эмиттерные области пар снабжены прозрачными окнами для оптического излучения 18.

Устройство работает следующим образом. Для инвертора на фиг. 1 при подаче входного сигнала положительной полярности или "1" p-n-p-транзистор закрыт, а n-p-n-транзистор открыт, то есть находится в проводящем состоянии, когда под действием поля между коллектором и эмиттером электроны движутся к коллектору и понижают его потенциал, то есть напряжение на выходе 1_вых имеет отрицательный знак- "0". При подаче входного сигнала отрицательной полярности или "0" p-n-p-транзистор открыт, а n-p-n-транзистор закрыт, p-n-p-транзистор находится в проводящем состоянии, когда под действием поля между коллектором и эмиттером дырки движутся к коллектору и повышают его потенциал, то есть напряжение на выходе 1_вых имеет положительный знак-"1".

Для ЛЭ на фиг. 2 при любом сочетании входных сигналов на выходе 1_вых реализуется логика ИЛИ-НЕ (в положительной логике) и функция И-НЕ (в отрицательной логике). Реализация ИЛИ-НЕ достигается за счет большей величины тока n-р-n-транзисторов по сравнению с токами p-n-p-транзисторов - при одинаковой и симметричной их топологии - с учетом полевого управления тока транзисторов напряжением коллектор-эмиттер при открывающем напряжении перехода база-эмиттер. В исходном статическом состоянии при подаче на входы 1_вх, 2_вх ... сигнала логического "0" открыты p-n-p-транзисторы, на инверсном выходе 1_вых - состояние логической "1". В исходном статическом состоянии при подаче на входы 1_вх, 2_вх ... сигнала логического "0" открыты n-p-n-транзисторы, на инверсном выходе 3 - состояние логической "0". При подаче на входы 1_вх, 2_вх .. . сигналов логического "0" и "1" открыты n-p-n- и p-n-p-транзисторов комплементарных пар, но ток n-p-n-транзисторов больше в 5-7 раз p-n-p-транзисторов, и на инверсном выходе 1_вых - состояние логического "0". Потребление в статике мощности - практически нулевое.

В динамике при подаче на вход ЛЭ переключающих сигналов протекают сквозные токи, задающие уровень динамической мощности, пропорциональной величине логического перепада, но из-за малой его величины эта мощность предельно минимизируется. При быстро нарастающем на входах напряжениях для схем (фиг. 1.2) на выходе возникает начальный выброс сигнала U_вых, который объясняется влиянием проходной емкости между контактом базы и коллектора.

Принципиальным вопросом является доказательство возможности работы в режиме малых напряжений питания и логического перепада для ЛЭ, выполненных на комплементарных СТС со слаболегированной или нелегированной активной базой. Покажем эту возможность на основе анализа и моделирования транзисторных структур и ЛЭ.

Анализируемые комплементарные симметричные транзисторные структуры (СТС) разного типа, изображенные на фиг. 1б, 2б, обеспечивают топологическую симметричность по отношению к типу подвижных носителей для построения экономичных низковольтных микромощных схемы с малыми площадями на кристалле УБИС. Сечение СТС всех типов имеет активную базовую область, ограниченную сверху и снизу высоколегированными областями, а по бокам - высоколегированными областями другого типа проводимости. Проанализируем СТС, у которых активная базовая область вообще нелегирована, то есть является собственным полупроводником или полупроводником с небольшой фоновой проводимостью любого другого типа. Если активная нелегированная область будет характеризоваться p типом проводимости, то СТС, изображенные на фиг. 2б, 3, могут рассматриваться как вертикальная n-p-n-СТС с двумя базовыми контактами и одновременно как латеральный полевой транзистор с дырочным каналом и с двумя управляющими переходами. Если активная область будет характеризоваться n типом проводимости, то эта структура может рассматриваться как биполярная p-n-p СТС с двумя базовыми контактами и как полевой транзистор с электронными каналами и двумя управляющими переходами. Биполярный режим работы СТС в ЛЭ характеризуется инжекцией в активную область носителей обоих знаков при открывании входного p-n-перехода и протекании по структуре значительных плотностей токов при малой исходной проводимости активной области.

При масштабировании - согласованном уменьшении горизонтальных и вертикальных размеров классического биполярного транзистора - возникают серьезные противоречия и трудности, особенно в нанометровом диапазоне размеров. Для предотвращения прокола тонкослойной базы транзистора необходимо увеличивать в ней концентрацию легирующей примеси, а также снижать рабочие напряжения питания. В то же время предельная концентрация легирующей примеси в активной базовой области принципиально ограничивается наличием туннельного пробоя эмиттерного p-n-перехода.

В СТС устранение (или кардинальное уменьшение) прокола активной базы достигается за счет уменьшения ее ширины с локализацией подвижных носителей между близко расположенными базовыми контактами (лучше это реализуется у "квадратных" СТС на фиг. 1б, 2б, чем у СТС на фиг. 3, 4, 5), подобно тому как локализуют канал в МОП транзисторах. Когда ширина базы не превышает ее толщины, то электрическое поле между эмиттером и коллектором значительно ослабляется за счет экранирующего, демпфирующего действия базовых контактов. При снижении концентрации легирующей примеси в активной базы вплоть до собственной понижается барьер для инжекции носителей из эмиттера в базу, но сохраняется барьер, препятствующий проникновению соответствующих носителей в базовый контакт. При тонкослойной активной базе со слабым легированием, вплоть до собственной концентрации в принципе минимизируется эффект прокола базы, при этом величина неконтролируемого тока прокола может быть достаточно малой.

В рассматриваемых ЛЭ (фиг. 1-5) анализируемые и моделируемые СТС различного типа имеют область активной базы - слой Si с собственной концентрацией и проводимостью (допустима концентрация фоновой примеси 10¹³ - 10¹⁴ см^-3), а прилегающие к ней области p⁺-типа и n⁺-типа проводимости имели одинаковую концентрацию легирующей примеси соответственно 10¹⁸ см^-3. Уровень легирования периферийных областей должен быть достаточно велик для обеспечения контактов и для снижения омического сопротивления, однако в случае перекрытия периферийных областей не должен превышать величины концентраций, вызывающей туннельный пробой сильнолегированного p-n-перехода. При указанных размерах квадрата СТС 0.1 х 0.1 мкм (СТС - 0.1) размер активной базы (с толщиной менее 100 нм) по третьей координате был принят 1 мкм.

Рассмотрим результаты численного моделирования n-p-n СТС-0.1, выполненный по модифицированной программе счисленного смешанного приборно-схемотехнического моделирования [6, 7] . На фиг. 6 представлены расчетные входные bax n-p-n СТС (толщина и ширина базы 0.1 мкм, а длина 1 мкм), характеризующие специфику очень высокого эффективного коэффициента усиления СТС в области микротоков базы. При подаче напряжения прямого смещения на эмиттерный переход наблюдается интенсивная инжекция электронов из эмиттера и дырок из базовых контактов в активную область базы, причем с возрастанием прямого смещения база-эмиттер происходит возрастание концентрации подвижных носителей в активной области базы и в дальнейшем достижение их концентрации в высоколегированных областях. Эффективно образуются электронный и дырочный каналы, причем разность потенциалов на концах каналов определяет величину (и направление) тока в каналах. На фиг. 7 и 8 представлены выходные BAX аналогичных n-p-n- и p-n-p СТС триодного типа. Несмотря на некоторое отличие в форме выходных BAX в области малых и средних напряжений коллектор-эмиттер можно сделать вывод о хороших ключевых характеристиках комплементарных СТС, у которых отношение токов включенного (напряжение база-эмиттер равно 0.8 В) и выключенного (напряжение база-эмиттер 0 В) превышает свыше четырех-пяти порядков. Исследование влияния концентрации легирующей примеси в активной базе показало, что выходные BAX слабо меняются, пока концентрация не превышает 10¹⁵ см^-3.

На фиг. 9 для двухтактного каскада на комплементарных СТС представлены его расчетные передаточные характеристики, характеризующие возможность формирования логических перепадов в достаточно широком диапазоне и с высокой нагрузочной способностью в низковольтном режиме (E_п = 0.15-0.5 В) с минимальной статической мощностью (менее 0.1 нВт - 0.1 мкВт, соответственно). Для нагрузочной емкости C_н = 1-10 фФ в рассматриваемом диапазоне логических перепадов времена задержек составляли от 15 до 150 пс. Нами показано, что для более значительных нагрузок C_н ЛЭ его системное быстродействие управляется с помощью увеличения площадей СТС, изображенных на фиг. 1-5.

Таким образом, анализ статических и динамических характеристик ЛЭ показал, что ЛЭ на приборном базисе СТС со слаболегированной (нелегированной) базой обладают высокими нагрузочными и усилительными формирующими свойствами, допускают работу при размерах 100 нм и менее. Подобное сочетание показателей качества ЛЭ на СТС вместе с высочайшей плотностью размещения трехмерных функционально-интегрированных ЛЭ на комплементарных парах (фиг. 3-5) является наилучшим для низковольтовых процессорных кремниевых УБИС. У предложенных ЛЭ выявлены значительные преимущества с ЛЭ-прототипом [5] и аналогами [1-4] . Это открывает возможности достижения сверхконкурентоспособных параметров заявляемых ЛЭ в рамках дешевых однолитографических технологий (без достаточно дорогостоящего создания недостаточно контролируемых тонкослойных подзатворных и других окислов) и развития архитектур УБИС поразрядной совместимости специализированных процессорных и запоминающих устройств новейших поколений с тактовыми рабочими частотами в несколько ГГц.

При переходе к новому классу трехмерных совмещенным биполярных комплементарных ЛЭ на рассматриваемых СТС (фиг. 3-5), т.е. совмещенным приборам, у которых один и тот же объем базы используется для движения обоих типов носителей, электронов и дырок, достигается минимизация площади структур и ЛЭ до единиц-десятков литографических квадратов. Практически площадь функционально-интегрированных трехмерных биполярных двухвходовых ЛЭ (фиг. 3-5) в два раза меньше, чем площадь ЛЭ на фиг. 2.

Вертикальные трехмерные биполярные ЛЭ представляют собой набор из вертикальных комплементарных пар (фиг. 3-5) со специальной конструкцией коллектора (более сложного 13, 14, более простого 15, 16) и обобщенного эмиттера (9, 10) на фиг. 4 и (8) на фиг. 5. Эмиттер должен поставлять в активную слаболегированную базу (8) оба типа носителей, коллектор должен беспрепятственно поглощать оба типа носителей. При работе ЛЭ на СТС на эмиттерно-базовые переходы подают напряжение питания Еп, смещающее эмиттерно-базовый p-n-переход в прямом направлении. Конструкция ЛЭ предусматривает снижение величины сквозного тока через p-n-переходы до сотых - тысячных долей рабочего тока. В качестве поглощающего коллекторного контакта используется сложный контакт, например n⁺ - p⁺ - типа (фиг. 4), два контакта Шоттки n-типа и p-типа 13, 14 (фиг. 3, 5), а также в обозримой перспективе в рамках нанотехнологий контакт металл - туннельный диэлектрик - полупроводник.

Поскольку активная базовая область совмещенных комплементарных пар предназначена как для электронов, так и для дырок, то концентрация легирующей примеси в ней должна быть небольшой (не более 10¹²-10¹⁴ см^-3), что обеспечивает симметрию передаточных характеристик с дифференциальным усилением около 2.6-3 для Е_п = 0.15-0.5 В, что показано на фиг. 9. Для эффективных производств будущего на минифабах и особенно в открытом космосе на спейсфабах - беспилотных станциях - допустимо и даже необходимо сверхцелесообразно использование для активных базовых областей полупроводника с собственной проводимостью, что сверхактуально при переходе к наноэлектронной технологии, когда целесообразно исключить легирование областей с нанометровыми размерами! А мы показали, что СТС масштабируемы в область размеров приборов в десятки нанометров и даже единиц нм, что позволит эффективно создавать биполярные комплементарные ЛЭ наноэлектроники.

Для выполнения более сложных функций, чем ИЛИ-НЕ, можно воспользоваться параллельно-последовательной схемотехникой аналогично КМОП [1], а также можно воспользоваться дополнительным сложением потенциалов на базах в качестве "сложного входа", сложением токов на объединенных выходами элементах, или наконец использовать структуру с несколькими базовыми контактами. Но использование наиболее экономичных и быстродействующих схемотехник параллельных комплементарных пар является, вероятно, наиболее эффективным приемом для достижения рекордных технике эксплуатационных параметров.

В рамках моделируемой однолитографической 0.1-0.12 мкм технологии реально получить плотность ЛЭ на см² от 10¹⁰ до 10¹². Для малых нагрузочных емкостей в диапазоне 1-3 фФ, когда можно использовать малые размеры СТС и ЛЭ менее 0.1 мкм², при напряжении питания 0.2-0.5 В собственная задержка вентиля составит от 15 до 50 пс. Подобное сочетание производительности с плотностью размещения является наилучшим для низковольтовых кремниевых интегральных схем.

Более того, в рамках заявляемых ЛЭ имеется огромный потенциал увеличения уровня интеграции, что мы продемонстрируем на примерах развития оптических ЛЭ (фиг. 5) и ранее рассматриваемых ЛЭ. На фиг. 5 представлен трехмерный функционально-интегрированный биполярный ЛЭ с оптическим питанием, в котором также используется один и тот же канал активной области базы для переноса носителей разных знаков, генерируемых оптическим излучением в открытые прозрачные окна эмиттеров 18, что позволяет эффективно использовать их в системах с оптическим питанием и в системах с оптоэлектронной обработкой информации. Экономное как на земле, так и особенно в космосе оптическое питание предоставляет дополнительную степень свободы в построении оптимальной архитектуры вычислительных систем, где использование естественных световых источников позволяет устранить зависимость от дополнительной аппаратуры и сложностей разводкм. В ЛЭ (фиг. 5) функции эмиттера выполняет часть прибора, на которую падает свет. Коллектор должен обеспечивать беспрепятственное перетекание обоих типов фотогенерированных носителей из канала активной совмещенной базы на выходной поглощающий контакт коллектора. Базовые вертикальные контакты 5 управляют не только величиной, но и направлением протекания тока.

Детализируем особенности простейшего варианта ЛЭ на комплементарной паре на кремниевой подложке (фиг. 5). Возможно решение ЛЭ, когда сама подложка и вертикальный столбик могут иметь тип проводимости, близкий к собственной проводимости полупроводника, хотя и допускается фоновое легирование (однако при значительном фоновом легировании может нарушиться симметрия ЛЭ). Толщина подложки выбирается равной 0.1 мкм, высота столбика-толщин ширина базы - 0.1 мкм, протяженность или ширина базы 1 мкм, причем толщина задается минимальным топологическим размером. В верхней части столбика оптического ЛЭ может быть сформирован и поглощающий коллекторный контакт в виде высоколегированных областей p- и n- типа проводимости, как это изображено на фиг. 4. Формирование под действием светового излучения в основании столбика неравновесного электронно-дырочного облака превращает подобную структуру с боковыми базовыми контактами в простейший ЛЭ-инвертор, а двухстолбиковую структуру в двухвходовой ЛЭ ИЛИ-НЕ аналогично ранее рассмотренным. Действительно при подаче на базу положительного потенциала из облака извлекаются и поступают на коллектор, понижая его потенциал, электроны; а при подаче на базу отрицательного потенциала из облака под затвор извлекаются дырки, которые, двигаясь к коллектору, повышают его потенциал. Величины положительного и отрицательного потенциалов на коллекторе определяются относительно равновесного потенциала дырок и электронов в облаке. Ранее рассматривался случай, когда электронно-дырочная плазма или "облако" формировалось с помощью p-n-перехода в основании столбика (фиг. 3,4), а энергия в него поставлялась за счет прямого смещения p-n- перехода.

Оптический биполярный ЛЭ (фиг. 5) и его схемотехнические варианты более гибких сложных логических функций функционирует при условии, когда электронно-дырочное облако формируется оптическим излучением с мощностью светового потока P и длиной (частотой) световой волны (в непосредственной близости от столбика, а конкретно падающим на полупроводник лучом с размерами "пятна", как у столбика. Очевидно, что при малой длине волны излучение полностью поглощается в приповерхностном слое и фотогенерированные носители растекаются на расстояние, сравнимое с их диффузионной длиной. При более длинноволновом излучении только часть его поглощается материалом, а остальное излучение проникает дальше. Это открывает возможности для питания трехмерных многослойных систем.

Выходная вольт-амперная характеристика оптического биполярного ЛЭ достаточно полно характеризует его электрические возможности, а обусловленная ею передаточная характеристика, подобная изображенной на фиг. 9, показывает диапазон рабочих напряжений и коэффициент усиления прибора, причем основными параметрами являются мощность светового потока и длина волны. Для оптического биполярного ЛЭ существует оптимальная для данной конструкции длина волны, при которой он обеспечивает максимальный выходной ток, при этом коэффициент усиления от длины волны может не зависить, а диапазон рабочих напряжений изменяется слабо.

Таким образом на основе комплементарной пары в функциональном оптическом ЛЭ-усилителе с инвертированным выходом можно синтезировать различные конструктивные варианты оптического ЛЭ на базе комплементарных пар, занимающих минимальную площадь (фиг. 5), и на базе более дешевых технологий, совместимых с традиционными КМОП, КБИ, КБИКМОП технологиями (фиг. 2, 3), причем отсутствие шин питания позволяют создавать очень экономичные высокопроизводительные оптоэлектронные системы с максимальной плотностью упаковки элементов для наземных и космических УБИС и систем на кремниевых пластинах.

Технико-экономический эффект изобретения заключается в значительном увеличении системного быстродействия цифровых логических схем, а также возможности работы с сигналами с малыми логическими перепадами и напряжениями питания при приемлемой помехоустойчивости, в микромощном режиме минимально возможных статических, динамических и полных мощностей, в резком увеличении уровня интеграции УБИС как для технологий в области глубокого субмикрона, так и для нанотехнологий с минимальными размерами 1-50 нм, что весьма важно при построении сверхскоростных УБИС - элементно-технологической базы перспективных микропроцессорных, супер-ЭВМ высших поколений, работающих с тактовыми частотами в десятки ГГц для наземного и космического использования.

Источники информации
1. Мур Г. , Сах С., Ванлесс Ф. Металл-оксид-полупроводниковые полевые приборы для микромощных логических схем. - Микромощная электроника. Пер. с англ. М., 1967, с. 71- 73, рис. 9. рис. 10.

2. Wiedmann S. Sub-300-ps CBL circuits // IEEE Eltctron Devices Letters, 1989, v. 10, N 11 pp. 484-487, Fig.1.

3. Бубенников А.Н. Сравнительный анализ комплементарных ЭСЛ-элементов с улучшенными энергетическими показателями для С³ БИС // Микроэлектроника. - 1994, - N 2, с. 74-83, Рис. 4-8.

4. Horwitz C. M. Complementary current-mirror logic // IEEE Journal of Solid State Circuits, 1988, v. 23, N 1, pp. 91-97, Fig. 1, 4.

5. Wiedmann S. , Wendel D. Speed enchanement and key design aspects of charge buffered logic // Digest Tech. papers 1986 Symp. VLSI Technology, 1986, pp. 43 - 44, Fig. 1,7 (прототип).

6. Бубенников А.Н. Моделирование микротехнологий, приборов и схем. Москва, "Высшая школа", 1989,
7. Бубенников А.Н., Черняев А.В. Приборно-схемотехническое моделирование в САПР БИС. - Ассоциация разработчиков САПР БИС, ТРТИ, Таганрог 1992.

Изобретение относится к устройствам и интегральным конструкциям импульсной и цифровой техники, в частности к интегральным логическим элементам БИС, ЭВМ и автоматики. Создан логический элемент НЕ, ИЛИ-НЕ на комплементарных структурах, обеспечивающий низковольтное напряжение питания и логический перепад в субполувольтовом диапазоне вплоть до 0,12-0,2 В, высокое технологическое и системное быстродействие, уменьшение рабочей площади малокомпонентного ЛЭ для плотноупакованных планарных и трехмерных УБИС. Низковольтный элемент содержит параллельно соединенные комплементарные пары n-p-n- и р-n-р-транзисторов, эмиттеры которых соединены, базы и коллекторы объединены и являются соответственно входами и выходом элемента. При этом база каждого симметричного n-р-n- и р-n-р-транзистора выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводника. Сущность изобретения заключается в возможности обеспечения сверхбыстродействия, работоспособности и надежности параллельно соединенных биполярных комплементарных двухтактных инверторов ( 1,2, . .n) в микромощном режиме сверхнизких напряжений питания и логического перепада вплоть до 0,12-0,15 В при использовании необходимых и достаточных для такого функционирования оригинальных масштабированных в область глубокосубмикронных горизонтальных и вертикальных размеров симметричных биполярных комплементарных структур. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Низковольтный быстродействующий биполярный логический элемент на комплементарных структурах, содержащий по крайней мере одну комплементарную пару n-p-n- и p-n-p-транзисторов, эмиттеры которых соединены с соответствующими шинами отрицательного и положительного питания, базы и коллекторы которых объединены и являются соответственно входом и выходом элемента, отличающийся тем, что при этом база каждого симметричного n-p-n- и p-n-p-транзистора с нанометровыми размерами этой пары выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового тонкослойного материала с толщиной базы и концентрацией основных носителей тока из диапазона, в котором отсутствует прокол базы, а длина пробега неосновных носителей от эмиттера к коллектору более чем на два порядка меньше их диффузионной длины и имеет смежные с базой сильнолегированные приконтактные области, а эмиттер и коллектор этого транзистора выполнены из соответствующего сильнолегированного материала с концентрацией, не менее чем на порядок меньшей концентрации вырождения этого материала. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что при использовании по меньшей мере двух комплементарных пар на n-p-n- и p-n-p-транзисторах эмиттеры n-p-n-транзисторов, как и эмиттеры p-n-p-транзисторов пар соответственно объединены, объединенные коллекторы транзисторов пар соединены между собой и являются выходом элемента, а базы транзисторов комплементарных пар являются соответствующими входами элемента. 3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что транзисторы каждой комплементарной пары имеют вертикальную структуру столбика, у нижнего основания которого расположены горизонтальные сильнолегированные эмиттерные n⁺-, р⁺ - области, с единой базовой областью из упомянутого слаболегированного материала и соответствующими приконтактными сильнолегированными областями, расположенными у боковой поверхности этой структуры, а у верхнего основания столбика также расположен поглощающий коллекторный контакт пары, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и р-типа. 4. Элемент по п.3, отличающийся тем, что соответствующие коллекторные сильнолегированные n⁺-, р⁺ - области пары вертикальной структуры объединены металлическим контактом и он содержит изолирующий тонкий слой окисла между противоположными поверхностями совмещенных и изолированных друг от друга n-p-n- и p-n-p-транзисторов комплементарных пар. 5. Низковольтный быстродействующий биполярный логический элемент на комплементарных структурах, содержащий по меньшей мере две комплементарные пары на n-p-n- и p-n-p-транзисторах, эмиттеры которых соответственно объединены, объединенные коллекторы транзисторов пар соединены между собой и являются выходом элемента, а объединенные базы транзисторов комплементарных пар являются соответствующими входами элемента, при этом каждая комплементарная пара имеет вертикальную структуру столбика, у нижнего основания которого расположены горизонтальные слаболегированные эмиттерные области, единая для пары базовая область столбика выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового тонкослойного материала с толщиной базы и концентрацией основных носителей тока из диапазона, в котором отсутствует прокол базы, а длина пробега неосновных носителей от эмиттера к коллектору более чем на два порядка меньше из диффузионной длины и базовая область имеет сильнолегированные приконтактные области, расположенные у боковой поверхности этой структуры, а у верхнего основания которой расположен поглощающий коллекторный контакт пары, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа, причем горизонтальные эмиттерные области пар снабжены прозрачными окнами для оптического излучения.