МЕТОД ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОЙ РАБОТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ ДИФФЕРЕНИЦАЛЬНОГО КАСКАДА В ПРЕДЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Известна интегральная микросхема [1], содержащая nМОП или pМОП-транзисторы, включённые по схеме дифференциального каскада с электрически связанными истоками, а на входы дифференциального каскада подан предельный режим: на один вход – низкое напряжение, на второй вход – высокое напряжение, межуровневый слой двуокиси кремния над активной структурой транзисторов, контакты к активной структуре и металлизацию.

Основными недостатками данной интегральной микросхемы являются низкая степень планарности поверхности плёнки двуокиси кремния и низкая стабильность работы интегральной микросхемы в предельном режиме.

Низкая степень планарности плёнки двуокиси кремния обусловлена наличием ступенек на планарной поверхности кристалла микросхемы, которые могут приводить к уменьшению толщины шин металлизации, к их обрывам

и, следовательно, к отказам.

Максимальный размах выходного напряжения операционного усилителя (ОУ), входным блоком которого является дифференциальный каскад (рисунок 1) на nМОП или pМОП-транзисторах, равен ± 3 В при напряжении питания ± 5 В При типовой толщине подзатворного диэлектрика 25 нм напряжённость поперечного или вертикального электрического поля достигает величины 1,2 МВ/см. Высоковольтные интегральные микросхемы работают с размахом входных напряжений дифференциального каскада до ± 8 – 20 В. При этом напряжённость поперечного электрического поля достигает величины 2 – 5 МВ/см при толщине подзатворного диэлектрика 40 мнм. Кроме поперечного поля в структуре МОП транзистора присутствует продольное или горизонтальное поле сток-исток. Поперечное поле приводит к миграции ионов в подзатворном диэлектрике, а продольное к миграции ионов из диэлектрика, примыкающего к торцевым областям подзатворного диэлектрика, в подзатворный диэлектрик. Большая напряжённость поперечного и продольного электрических полей в подзатворном диэлектрике приводит к смещению зарядов в подзатворном диэлектрике, изменению порогов nМОП и pМОП-транзисторов, и к отказам интегральных микросхем при испытаниях и при эксплуатации в аппаратуре.

Рисунок 1. Электрическая принципиальная схема дифференциального электрического каскада на полевых транзисторах

Низкая стабильность работы интегральной микросхемы ОУ в предельном режиме заключается в том, что если на один из входов подать высокое напряжение, а на другой – низкое в течение достаточно длительного времени, то на одном транзисторе порог увеличится, а на другом – уменьшится. Происходит это из-за смещения зарядов, присутствующих в структуре транзисторов под действием поперечного и продольного электрических полей. При подаче положительного напряжения на затвор мигрирующие положительные ионы в подзатворном окисле смещаются к границе окисел – полупроводник под действием поперечного электрического поля. Порог nМОП-транзистора при этом уменьшается, а pМОП-транзистора – увеличивается. При подаче отрицательного напряжения на затвор мигрирующие положительные ионы в подзатворном окисле смещаются к границе затвор – окисел. Порог nМОП-транзистора при этом увеличивается, а pМОП-транзистора – уменьшается. Продольное электрическое поле увеличивает количество ионов в подзатворном диэлектрике. Разница порогов транзисторов, включённых по схеме дифференциального каскада, приводит к увеличению напряжения смещения ОУ, входными каскадами которых является рассматриваемый дифференциальный каскад. Следствием этого является уход за пределы допустимых норм параметров интегральных микросхем, зависящих от напряжения смещения компараторов и операционных усилителей, и отказы интегральных микросхем при испытаниях и при эксплуатации в аппаратуре.

Наиболее близким решению данной проблемы является интегральная микросхема [43], содержащая nМОП- или pМОП-транзисторы, включённые по схеме дифференциального каскада с электрически связанными истоками, а на входы дифференциального каскада подан предельный режим: на один вход – низкое напряжение, на второй вход – высокое напряжение, межуровневый слой борофосфоросиликатного стекла над активной структурой транзисторов, контакты к активной структуре и металлизацию.

Использование борофосфоросиликатного стекла в качестве межслойного диэлектрика приводит к планаризации поверхности и к повышению надёжности металлизации [3].

Список литературы:

1. Соклоф, С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. – М: Мир, 1988, с. 53-55, 92, 109, 271
2. Белоус А.И. Полупроводниковая силовая электроника / А.И. Белоус А, С.А. Ефименко, А.С. Турцевич. – Москва: «Техносфера», 2013, с. 157 – 158, рис. 3.82* на цветной вклейке.
3. Турцевич, А.С. Получение и свойства плёнок БФСС в реакторе пониженного давления / А.С. Турцевич, О.Ю. Наливайко, Л.П. Ануфриев. – Микроэлектроника, том 36, № 4, Июль-Август 2007, с. 270 – 288.