Твердотельные интегральные схемы линий задержки с использованием явления изменения сопротивления поликремниевых резисторов под действием тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ХЕРСОНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МЕЛЕНТЬЕВ НИКОЛАЙ ГЕННАДИЕВИЧ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯВЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛИКРЕМНИЕВЫХ РЕЗИСТОРОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТОКА

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и

диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Запорожье - 1994

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Особом конструкторском бюро "Элмис" (г.Запорожье) и Запорожском индустриальном институте

Научный руководитель: кандидат физико-математических нау

доцент Ткаченко H.H.

Официальные оппоненты :доктор технических наук, профессор

Гусев В.А.

кандидат физико-матеметических нау доцент Головко А.Г.

Ведущая организация: Институт физики полупроводников

АН Украины

Защита-состоится "_и_1994г. на заседании

специализированного совета Д 19.01.02 при Херсонском индустриальной институте по адресу: 325008, г.Херсон, Берислав-ское шоссе, 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ХШ

Автореферат разослан "_"_1994г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор химических наук, профессор

Новиков A.J

<">В|ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Схемы временной задержки в настоящее время становятся все более распространенными в цифровых устройствах и системах. Распределение синхросигналов, построение высокоскоростных ишн, контрольно-измерительного оборудования и интерфейсов для работы со средствами передачи данных или носителями памяти - вот далеко не полный перечень применения схем временной задержки. При выборе конкретного подхода к реализации цифровых систем и, учитывая соотношение "цена-характеристики", во многих случаях специальные требовании удается удовлетворить путем использования стандартных ИС линий задержки (ЛЗ).

Следует отметить, что до недавнего времени данный класс изделий электронной техники был представлен только гибридными ИС, что определялось в первую очередь высокими требованиями к точности динамических параметров ЛЗ, а также использованием традиционных конструкций для данных ИС на основе ЬС-фильтров, что невозможно обеспечить технологией твердотельных ИС, по крайней мере без значительных материальных затрат. Развитие технологии лазерной функциональной подгонки элементов и узлов изделий электронной техники позволило создать новый класс прецизионных цифровых ИС - твердотельные ЛЗ, однако существенно не снизило материальных затрат на их изготовление. Следовательно, задача создания твердотельных ИС линий задержжки на базе стандартных технологий ИС продолжает оставаться актуальной. Это нашло отражение в формировании государственных программ создания элементной базы для перспективных изделий вычислительной техники, согласно приказа МЭП N 409 от 10.07.90г.

К технологическим аспектам, связанным с реализацией вышеупомянутой программы и, в частности, разработкой твердотельных ИС линий задержки, относится формирование поликремниевых элементов ИС. Использование при этом .явления изменения сопротивления поликремниевых резисторов (ПР) под действием тока позволяет решить задачу создания твердотельных ИС линий задержки с параметрами мирового уровня и выше без значительных материальных затрат на изготовление.

В то же время явление прецизионного изменения сопротивления ПР под действием тока в широком дипазоне концентраций легирующей примеси практически не исследовано, а токовые флуктуации и таких регулируемых током резисторах, отражалие и особенности физических процессов, приводящих к изменению сопротивления и являющиеся важным вксплуатационным параметром, до сих пор не изучались. Поэтому исследование явления изменения сопрлтиал<?-ПР под действием тока также является актуальным и с научной и с практической точек зрения.

Целью работы является улучшение основных параметров и характеристик твердотельных ИС линий задержки, повышение степени интеграции, расширение функциональных возможностей ИС, снижение материальных затрат на их изготовление путем использования при разработке и изготовлении твердотельных ИС линий задержки и их элементов явления изменения•сопротивления ПР под действием тока и новых схемотехнических подходов.

Для достижения указанной цели в свою очередь необходимо было решить следующие задачи :

1. Разработать концепцию схемотехнического подхода к проектированию ЛЗ и на ее базе детализировать варианты их конструкций .

2. Исследовать явление изменения сопротивления и ТКС пленок поликристаллическог'о кремния под действием тока и установить особенности его протекания в резисторах на основе таких пленок в широком диапазоне концентраций легирующей примеси.

3. Исследовать боковые флуктуации в резисторах на основе пленок поликристаллического кремния, изучить особенности их проявления в широком диапазоне концентраций легирующей примеси.

4. Разработать и исследовать базовый элемент твердотельной ЛЗ на основе явления изменения сопротивления ПР под действием тока.

5. Осуществить метрологическое обеспечение твердотельных ИС линий задержки и разработать метод измерения временных задержек наносекун.дного диапазона.

Научная новизна работы.

1. Предложены новые схемотехнические подходы при проектировании ЛЗ, в основе которых лежит использование заряда двух

раздельных времязадащих цепей, что позволяет повысить точность ЛЗ, уменьшить минимальную длительность входного импульса, увеличить рабочую частоту, а также повысить степень интеграции ИС и расширить их функциональные возможности.

2. Экспериментально обнаружено явление прецизионного

уменьшения сопротивления ПР под действием тока для концентра-

17 -1 ?П —Т

ций легирующей примеси порядка 10 'см - 10 см . Предложена

модель изменения сопротивления, состоящая в том, что для низких концентраций легирующей примеси (меньше 10 см ) происходит изменение заселенности ловушек на границах зерен (ГЗ) носителями заряда, изменение их электрического состояния и электростимулированная диффузия ловушек из области ГЗ, что приводит к снижению потенциального барьра на ГЗ и к уменьшению сопротивления. Для высоких концентраций легирующей примеси (больше 101^см-^) влектростимулированная диффузия примеси на ГЗ приводит к уменьшению рассеяния на дефектах ГЗ и к уменьшению сопротивления. Установлено, что при уменьшении сопротивления ТКС резисторов увеличивается и переходит из области отрицательных значений через ноль в область положительных значе-

»

ний.

3. Впервые обнаружено увеличение сопротивления ПР под действием тока для концентраций легирующей примеси .порядка

19 -Ч

10 см , установлено, что с ростом сопротивления происходит уменьшение отрицательного ТКС поликремниевых резисторов.

4. Впервые исследованы низкочастотные токовые флуктуации в ПР в широком диапазоне концентраций легирующей примеси

17 —Ч ?0 —Ч

(10 см - 10 см ), установлена природа возникновения шума

и доказано, что для низких концентраций легирующей примеси шум

связан с термоемиссионными и туннельными процессами переноса

через ГЗ, а для высоких концентраций - шум связан с рассеянием

на дефектах ГЗ. Установлено, что с ростом концентрации легиру-14 -1

юцей примеси до 10 ^см ^ уменьшение шума ПР происходит резче, чем по модели термовмиссии. Практическая ценность работы.

1. На основе предложенных схемотехнических подходов при проектировании ЛЗ разработана и освоена серия бескорпусных ИС КБ1563 для гибридных активных ЛЗ, обеспечивающая времена задержки от 5нс до 1000нс с точностью ±0,3нс или ±0,5%.

2. Разработаны и освоены гибридные активные ЛЗ У2БР1971, У2БР2081, У2БР2083 (в настоящее время ряд расширяется).

3. Предложены конструкции ИС линий задержки с п-выходами и одним (двумя) времязадающими элементами, что позволяет повысить точность ЛЗ, надежность, увеличить степень интеграции.

4. Разработана структурная схема и схемотехническая реализация генератора временных диаграмм на основе использования двух раздельных времязадагацих цепей, что позволяет расширить диапазон задержки.

Ъ. Экспериментально исследовано изменение ТКС поликремниевых резисторов под действием тока, позволяющее регулировать его величину при изготовлении дискретных резисторов и пассивных элементов ИС.

6. Разработана и освоена серия твердотельных ИС линий задержки КР1563 на основе явления изменения сопротивления ПР под действием тока, обеспечивающая реализацию твердотельных ЛЗ по стандартной техологии ИС с минимальными затратами на изготовление.

7. Разработана методика и программное обеспечение регулировки и измерения динамических параметров ИС, что позволяет регулировать параметры ИС после их изготовления.

8. Предложен прецизионный метод измерения временных задержек наносекундного диапазона, обеспечивающий точность измерений ±0,2нс при контроле динамических параметров ИС на пластине.

Разработки защищены 11 авторскими, свидетельствами на изобретение.

Достоверность полученных результатов физических экспериментов и основных выводов подтверждается соблюдением необходимых требований к метрологическому обеспечению опытов и обработке их результатов, согласованностью между развитыми модельными представлениями и полученными экспериментальными результатами.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы внедрены на трех предприятиях промышленных министерств. Серия бескорпусных ИС КБ1563 для гибридных активных ЛЗ освоена Производственным объединением "Гамма" г.Запорожье. Серия твердотельных ИС линий задержки КР1563 освоена Особым конструктор-

ским бюро "Элмис" г.Запорожье.-Гибридные активные ЛЗ У2ВР2081, У2БР2083, У2ВР1971 (в настоящее вр^мя ряд расширяется) серийно изготавливаются НПО "Ялектронпри^ор" г.Ярославль.

Ни защиту выносятся :

1. Предложенная концепция схемотехнического проектирования ЛЗ на основе заряда двух раздельных времязадающих цепей и разработанные на ее базе конструкции ИС линий зчд«р*ки.

2. Разработанная конструкции и принцип действия базового элемента твердотельной ЛЗ на почине явления изменения сопротивления ПР под действием тока.

3- Результаты исследования явления уменьшения сопротивления и ТКС поликремниевык р^яи'-торок под действием тока в диапазоне концентраций л^гирумц-й примеси Ю1'см~^- 10^ем-3 и физические модели уменьимния сопротивления.

4. Результаты впервые обнаруженного явления увеличения сопротивления ПР под действием тока для концентрации легирующей

1 о

примеси порядка 10 ?см и его взаимосвязь с изменением ТКС.

5. Результаты исследования шума ПР в диапазоне концентраций легирующей примеси Ю^ом-^- и природы его возникновения .

6. Методика и программное обеспечение регулировки и измерения динамических параметров ИС после их изготовления и прецизионный способ измерения временных задержек наносекундного дипазона при контроле динамических параметров ИС на пластине.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на ХТ.-У Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (п.Москва, 1990г.); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (г.Черноголовка, 19901'.); на Международной конференции "Микроэлектроника 92" (г.Варшава, 1992г.); на научно-техническом семинаре "Шумовые и /"»градационные процессы в полупроводниковых приборах" (г.Москва, 1993г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа, из которых 11 авторских свидетельств на изобретение.

Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, описка литературы, приложений и содержит 137 страниц основного текста, рисунков, 8 таблиц,

!1Ц"''.'"пу«МОЙ ЛИТ<*рятурЫ ИЗ 117 ЧЯИМИЧ'»'ЧНИЙ, '« »!Г>И.'">Ж«-

1 "( (М И HVH му! fT Р Ц f-,1 I . 14

км кв^динии 0<\0СН0КЧИМ 'Рмущ, с<1» iJiH4.ni' 1«

цинк (.•-•(УЧ'Ы, няучняч Н"НИЯНЯ, ИгмК'ииичокин Ц"НМП("|'К и пемммыцы П'М"'>*»нич диссертации, кынпоимме ня зшцич'у.

fi первой р.пявн представлен обзор работ, хяряктери''у»)|<у4* доссиснутчй уровень в области ригрдоогки и исследоняммй и.-; линий задержки, рассмотрены их осноечче схемотехнический и т»хн"Лог'ич"'',«'ие особенности, н «рякж« • нриведенн дяннм» "б ичв«'"".чмх сериях ' 9Toty> кляо'*« изделий алеотр'.'ннчй Я'жямино, что традиционные конструкции отандартннх .is ггред-стакням* собой гибридные ИС, содержащие L0- или R0-фильтры нижних, частот и входные и выходные буферы определенного м-ипн логики. Отмечено, что недостатком известных конструкций че-,1!Че'|'''я использование одной времязядчющей (1.0— или R0-) цепи для задержки ф]юнта и среза сигнала. Это приводит к тому, .что минимальная • длительность входного имггульса должна быть, как минимум, «двое больше величины задержки, т.к. в протиином случае форму задержанного имггулюя будет И''Ка*«ТЬ"Я за счет неодинаковой задержки фронта и. среза. йгчюльзоеяние одч"Й мнчядчодей цени также затрудняет получение одинаковой зяд^ржки фпоитч и среяа, т.к. в »том случае необходимо добиться одии«-lif.p.Ai'M pptiM^HW заряда и рчярядя вр^мнчадчивнй цени, что усложняет конструирование ЛЗ, снижает ее точность и ун«.ии«инче'г материальные затраты на изготовление.

новым шагом в развитии данного класса изделий электронной техники стало создание фирмой Dallas Semiuori'.iucl.or' Оогр.(США) серий твердотельных ИС линий задержки на основе метода дискретной лазерной подгонки, при котосу>м коммутация необходимых времязадающих цепей для получения требуемой задержки осуществляется путем перерезания лазером по.чикр^мниевнч цереммчек. "яКИМ обрчзом, дли серий твердотелкнн* иг. ЛИНИЙ зч.ичржкИ i)Sir>m i, Up, 1010, DR1013 достигнуто 1<оиМ!9нНИе ННД^ЖН Л 1'«и-ж«ние ччтеричльных затрат ни из1'"т<>«п»нми цо сравнение '' ''iv'i-

гг«имимц ИНЧЛОГЯМИ !'ри ('О* 04НМНИИ («'UIIUHH* L« Muli'npi/'U мгч^и у ммрн-

А

метров. Однако относительно твердотельных ИС вообще цена изделий фирмы Dalles Semiconductor Corp. остается достаточно высокой, что связано с дорогостоящей лазерной технологией. Не устранены также и параметрические недостатки, связанные с ограничением минимальной длительности входного импульса, рабочей частоты и сложности регулировки из-за использования заряда-разряда о,иной времязудаккцей цени. Кроме того, в известной технологии отсутствует возможность изготовления переменных ЛЗ, в которых предусматривается элемент регулировки задержки потребителем.

Анализ имеющихся данных позволяет заключить, что к настоящему времени накоплен значительный теоретический и практический опыт в области проектирования и изготовления ИС линий задержки и их элементов и, в частности, твердотельных ЛЗ. Однако известные конструкции имеют параметрические недостатки и ограниченные функциональные возможности. Что касается известных технологий, то, , хотя они и обеспечивают высокую точность параметров ИС jmmft задержки, но достигается это ценой значительных материальных затрат.

Отмеченные обстоятельства определили цель диссертационной работы и направленность проводимых исследований и разработок.

Во второй главе представлена концепция схемотехнического проектирования ЛЗ и конструкции ИС линий задержки на ее базе, рассмотрены конструкция и принцип действия элемента задержки твердотельной ИС линии задержки на основе явления изменения сопротивления ПР под действием тока, описан технологический процесс изготовления ИС.

,В основе предлагаемого в настоящей работе схемотехнического подхода, используемого при проектировании ИС линий задержки, лежит применение двух раздельных времязадающих цепей для задержки фронта и среза, которые представляют собой одинаковые цепи заряда. Базовая структурная схема звена ЛЗ содержит логический элемент двойного инвертирования, два одинаковых регулируемых элемента задержки фронта и логические элементы функционального назначения. Входной сигнал с выходов элемента двойного инвертирования поступает на алименты задержки, один из которых осуществляет задержку фронта входного сигнала, а другой - задержку ореза, после чего сигналы складываются, и

на выходе ЛЗ появляется задержанный сигнал, в точности сохраняющий форму входного. Регулируя время задержки элементов осуществляют регулировку ЛЗ на требуемую величину задержки с требуемой точностью. Уотинонлрно, что в интегральном исполнении две одинаковые цепи зпрядя (два элемента задержки), осу-ш.еотвляицие задержку фронта и среза, легче выполнить с м«ныиим технологическим разбросом, чем о,/(ну цепь заряда-разряда, как в известных схемах. Кроме того, в модифицированном варианте базовой схемы предусматривается раздельная регулировка фронта и среза. Поэтому базовая структурная схема ЛЗ обеспечивает более высокую точность в получении одинаковой задержки фронта и среза (минимального отклонения длительности выходного импульса) . Поскольку разряд воемязадающих цепей не формирует задержку сигнала, то осуществляя его за минимальное время, можно уменьшить длительность входного импульса, и в предлагаемой схеме, она равна величине задержки, что в два раза лучше аналогичного параметра известных схем.

На основе базовой структурной схемы ЛЗ и ее варианта для п-внходов задержки разработан« и серийно выпускаются бескорпусные ИС КВ1563 для гибридных активных. ЛЗ. В общем случае при изготовлении гибридной ЛЗ к бескорпусной ИС на отвод (выход) задержки необходимо подключить два внешних времязадающих конденсатора, один из которых определяет задержку фронта, а другой - задержку среза, и внешний резистор, ггодгонкой сопротивления которого обеспечивают точность задержки при регулировке гибридной ИС. Точность задержки гибридной ЛЗ на основе беекорпуоной ИС КБ1563ЕР2-4 составляет +0,3нс или ±0,5$ (для известных зарубежных серий ЛЗ DI.U ф.Кирра. Networks, Inc. (США), 0447 (J.Bel Puse, Ino. (США) и др. точность равна ±2нс или ±Ъ%), а минимальная длительность входного импульса - ?0% от общей задержки (для известных зарубежных серий - 40$). На основе бескорпусных ИС серии КБ1563 серийно выпускаются гибридные ЛЗ У2БР2081, У2БР2083, УЭ^Р 1971 (в настоящее время ряд расширяется).

Дальнейшее развитие базовая структурная схема ЛЗ находит в конструкции ЛЗ, где реализован принцип использования дьух. раздельных црпей заряда одного цпммизадающего влементн для задержки фронта и ореяя, что обронецинч^т повышении точности sa-

lí»

держки 13. Кроме того, для случая гибридной ИС линии задержки В результате уменьшения количества навесных времнзадающих элементов обеспечиваемая повышение Надежности, b ДЛЯ случая твердотельной И1". - понижение степени интеграции (т.к. времяза-даюмдое нлемеиты занимают основную площадь [fa кристалле). В свою очередь era конструкция 13 становится базовой при разработке ИС линий задержки о n-внходами, содержащей два или один времязадамцих здем<'»т«! ,-м«"'То п-времязадающих элементов, как в известных схемах. В разработанных ЛЗ времязадающий элемент (два улементм) в соответствующие моменты времени коммутируются с нужным звеном задержки, формируя задержку фронта или среза на данном выходе.

С цель«) расширения диапазона задержки на основе схемотехнического подхода о применением двух раздельных времязадаю-щих цепей для задержки фронта и среза предложена реализация генератора временных диаграмм, у которого задержка больше длительности входного сигнала, а выходной импульс повторяет входной.

Разработанные и исследованные в работе твердотельные ИС линий задержки проектировались ня основе представленной схемотехнической концепции, я изготавливались по стандартной технологии твердотельных ИС с иодикремниевнми алиментами"и, таким образом, не требуют значительных материальных затрат при из изготовлении, как в случае лазерной технологии для изделий фирмы Dallas Semiconductor, Оогр. С целью обеспечения точности задержки использовано явление изменения сопротивления TIP иод действием тока.

Базовый »лемент задержки разработанных твердотельных WC линий задержки содержит компаратор, RC-цень, подключенную к его инвертирующему входу, а напряжение на неинвертирующем входе компаратора определяется перестраиваемым ПР, подключенным между общей шиной и специальной клеммой, предназначенной для регулировки -ЯЗ. Время задержки базового элемента твердотельной ИС определяется временам заряда конденсатора RC-цепи до уровня Напряжения на неинвер'сируни.ем входи компаратора .В режиме рену-ЛИ^ЮВКИ задержки Ь- клемме регулировки подключается импульсный

источник тока, «• СПМ'ИНЫП Которого через перестраиваемый ПР,

.. к ,л17 -Ч .-¿О -3

легированный <• концечч1Ч(',йеи примени порядка 10 см "- 10 см

I I

Припускают -ТОК ПЛОТНОСТЬЮ 'ICp- 1Г|°А/см'5. .УСМ'МНОВЛеНО, ЧТО при

нтпм происходим1 планное уменьшение сопротивления ПР вплоть до

50-* от первоначальной величины (для концентраций иримнои

ц.»рндки 1<» '-М 10 см ' и lii ''м ; с точностью +ч,о1% ,

что приводит к уменьшению в рабочем режиме ЛЗ напряжении на

неиннертирующнм входе компарятора и, соответственно, времени

задержки о требуемой высокой точностью. Для концентрации 19 —1

принеси порядка ю см * обнаружено увеличение сопротивления ПР до $0% и более. Ток, нротекадай через ПР в рабочем режим« ЛЯ, ни 1>'<рч,нпк меньше токи pei'улщювки и не влияет на сопротивлении и задержку.

Установлено, что изменение сопротивлении ПР с концемтря-

- „ . - ¡7 -"i . -

цией легирующей примеси порядка т <-м и> см • иод действием тока носит обратимый характер, цоетому при выполнении очередной регулировки ЛЗ возможно как уменьшение, так и увеличение времени задержки. Следовательно, в отличии от твердотельных ИС известных серий фирмы БчПнв Semiconductor, Corp. становится возможной реализация твердотельной переменной ./13, которая характеризуется повышенной надежностью и меньшими пи-баритами, т.к. известные переменные ЛЗ изготавливаются с использованием подвижного механического контакта.

С целью расширения диапазона задержки ЛЗ кроме тонкой регулировки на основе прецизионного изменения сопротивления ПР, компенсирующей отклонения технологического процесса, применена грубая -регулировка. Для »того через часть ПР определенной топологии пропускают ток с плотностью, приводящей к закорачиванию втой части ПР мигрирующими из контакта атомами металла, в результате чего ее сопротивление резко уменьшается до единиц ом. В элементе задержки твердотельных ИС линии задержки серии КР1563 перестраиваемый ПР изготовлен состоящим из двух секций, Ч'со обеспечивает выполнение тонкой и грубой регулировки ЛЗ.

Твердотельная ИС линии задержки из потоплена по технологии боковой разделительной изоляции оксидом кремния и с применением двух слоев поликремния (для формирования ПР и еамосокмещен-ных пп.микремниевых контактов). Стандартный технологический процесс серии логических TT.ftui WC КР ¡?>? i доиолннн, таким fПризом , втяном формирования ПР, вклмчщощим н себя нинесение цоли-кримния толщиной п,?7 - 0,3 мкм »*♦"<•< »дом счзчфняного химичео-

кого осаждения при ц«нижемн<*м дянлнни.и, ионное легирование бором-о енергией 60 кнВ дозой 4?0 мкКл/'ом'', разгонку примири для получения поверхностного сопротивления >?0 ±30 ом/кия,црят и фотолитографию. Времязадякиций МДП-конд^нсатоп Р.О-цепи выполнен на основе полупроводниковой базовой области р-тииа и нлшиние-вой металлизации с межслойнчм диилекч-риком, состоящим из слоя оксида кремния толщиной 0,05 +П,0' мкм и о.нмч нитрида кремния ТОЛЩИНОЙ. 0, 16 ■•'0,0? МКМ с удельной >»мк0("гч-.к! ?»'i0 [|ф/мм .

Казовый елемент задержки твердотельной ИГ. имеет дополнительную клемму регулировки дли настройки .нЯ, K.rmijw'H иредстав-ляет сч>бой дополнительную контактную площадку, и регулировка ИО линии задержки осуществляется на пластине после изготовления кристаллов непосредственно перед оборкой в корпуса. С целью обеспечения регулировки ИС линии задержки потребителем предложена схема алемеята задержки, содержащая цепь регулировки, подключенную к выходу ИС и управляемую стабилитроном, что позволяет регулировать задержку через выход устройства.

В третьей главе приведены результаты исследования явления изменения сопротивления и температурного коофрициеита сопротивления ПР под действием тока в диапазоне концентраций легирующей примеси от 101?см ^ до Ш^'~см ^ , результаты исследования низкочастотного шума ПР, описано впервые обнаруженное

явление увеличения сопротивления для концентраций порядка 1Я — 7

10 'см ' и качественно разработаны физические модели и механизмы изменения сопротивления ПР.

В качестве образцов для экспериментальных исследований использованы ПР, изготовленные на основе пленок поликристаллического кремния толщиной 0,3 мкм и шириной от 3 мкм до 8 мкм, осажденных в реакторе пониженного давления при температуре

17

670 С и ионнплегированных бором с концентрацией от 2x10 см до ?хЮгПсм"3.

. _?п -з

Установлено, что для концентраций порядка 1П см при воздействии на ПР током плотностью порядка Ю^А/ом'5 происходит уменьшение сопротивления до 5'1* и болне, а при изменении наклони ВАУ - выход, на участок- с мж" и пирнуоп в состояние О

НИЗКИМ сопротивлением ("мякороиемп" '' ИЛИ ВЫСОКИМ сопротивлением f "оборвано" ) В завиоимоо'тч« пт тоггпЛОГИИ печистора. Для концентрации порядка In 'ом ^си применении токи члптноо.тып

ч , ?

порядка Ш-А/ом" вначале наблюдается уменьшение сопротивления Н« - РО», а затем Р увеличением, тока й»'«"г место ноя-рч'"!-ание <'Л!1|1ПТИК11«НИИ ПР До - 'VI' < •■иямч.и1-И'^й НН.ЧИ-чинч. «ад к чч'ом случае до области ''Л'". им**«"С деа >мпякт"р-ных участка с изменением наклона, V»«огнеч'сч-еу »«ци* умичыннни*» и увеличению оол;ютикленин. Для концентраций поряд*» 1Г> '"'»•м-^ - ¡0 ом • наблюдается уменьшение сопротивлении Т!Р до ДО*, ч нрм изменении НЯЮЮЦЯ - Перевод им " ''ПС И дц.и»е

в состояние "закорочено" или "оборвано".

Установлено, что уменьшение еонроч'ивления >»• >• точностью изменения ±0,01% происходит при воздействии постоянным и импульсным ТОКОМ С длительностью импульсов вплоть нм мисменкунд. Выбор лигирующ^й примеси из боря, МЧШЬН.КЯ, фн-фмра И <МЮ(}(М1Я легирования из ионной имплантации и термической дм'{г»)уни.и практически не влияет на протекание явления, измерение аффекта Холла демонстрирует, что изменение сопротивления ¡Те не связано о изменением концентрации свободных носителей. Обнаружено, что уменьшение соироч'ивления иР сопровождается увеличением ТКГ. резисторов, причем ИСХОДНЫЙ ОЧ'рИЦате.ЦЬНЫЙ ТКГ. может переходить черия НОЛЬ В область ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ значений, при изменении сопротивления 7ТР и.чя концентрации легипунцей 1|г«,«-|"и нмпчл^ч „„„

10 -см • 1 Ьл- резисторов увеличивается с уменьшением емпрмтив-ления и уменьшается с его увеличением. Таким оОрн:<пм. экспериментальными исследованиями изменения ТКО НмликремНИенИХ регчИС-торов показана возможность выбора области температурной стабильности при проектировании "НС и регулировки величины ТКС при изготовлении дискретных резисторов и пассивны« е.цементов микросхем. В работе обнаружено, что первоначально уменьшенное сопротивление может быть восстановлено, в частности, в результате изменения полярности источника тока, т.е. усыновлен обратимый чяпактер уменьшения сопротивления.

Следовательно, на основании полученных в работе нксцери-мен'рилъных результатов доказано, что явление уменьшения сопротивления ТТР под действием тока имеет значительно более широкий диннияон пгюявления по концентрации, чем вч'м считалось ранее. Ьиерные олннпужено ЯВЛенИе увеличения см|! р< 1Ч'И ч»« чР ДЛЯ КпнпеитриЦИИ порчдкя 1п 'см * И усЧ'ЧНМКДенч есо .•>-ччь с изменением ТКГ.. Пмкчнмна ВОЗМОЖНОСТЬ ИОПОЛЫ-'МВЧНИМ ЯЧ«ИМ1И имме-

нения сопротивления ПР [¡од ■ действием токе для корректировга параметров уже изготовленных ИС, а также для конструирование HNI-ОДНИХ В СТОИМОСТНОМ отношении регулировочных влемсмтпв ДЛ! таких прецизионных твердотельных ИС, как появившиеся в последнее время ЛЗ.

На основании температурной зависимости сопротивления ГО дли ч^жунтряции легирующей примеси порядка 10 см от обратной температуры показано, что энергия активации уменьшается при уменьшении сопротивления под действием тока и увеличивается при восстановлении сопротивления. Известны теоретические работы со улектропроводности ГЗ, учитывающие изменение заполнения ловушек на ГЗ носителями заряда и , соответственно, из-мен^н'е потенциального барьера на ГЗ от внешнего напряжения. В полученных экспериментальных результатах по изменению сопротивления ПР подтверждена идея изменения потенциального барьера на ГЗ вследствие изменения заполнения ловушек при приложении внешнего напряженния. Предложена модель изменения сопротивления ПР для низких концентраций легирующей примеси под действием '¡"»ч, учитывающая изменение заселенности ловушек на ГЗ носителями заряда, изменение их электрического состояния и япе-ктростимулированную диффузию ловушек из области ГЗ, приводящую' к изменению потенциального барьера на ГЗ.

Отмечено, что уменьшение величины шумя ПР после токового воздействия подтверждает модель уменьшения сопротивления ПР дли итого случая концентраций вследствие уменьшения потенциального барьера на ГЗ, что отслеживается изменением шума.

для разработки модели изменения сопротивления ПР под действием тока для высоких концентраций легирующей примеси, где потенциальный барьер на ГЗ составляет величину порядка 0,01 зВ и не влияет на сопротивление, исследованы'температурные зависимости шумовых характеристик и сопротивления ПР до и после

воздействия током на ПР. Показано, что для концентрации леги-

.,/20 -3

рующей примеси порядка 10 см ' существует принципиально другой характер изменения шума и его температурной зависимости по сряннеми!« со е.чуччем низких концентраций: с уменьшением сопро-тик\".'"Ним после воздействия током шум растет, а его темн^рнтур-рная зависимость о ростом температуры уменьшается. На основании "м||0("смкленин теоретической температурной зависимости под-

вижности, представляющей собой суперпозицию различных процессов рассеяния, и ¡экспериментальной температурной зависимости сопротивления ПР показано, что температурная зависимость подвижности до воздействия током на ПР определяется рассеянием носителей в поле упругих напряжений дислокаций. После воздействия током на ПР и изменения характера температурной зависимости -сопротивления ПР (увеличение согцютивдения с ростом температуры) в температурной зависимости подвижности определчкнцим становится рассеяние на тепловых колебаниях решетки. Предложена модель уменьшения сопротивления ПР под действием тока для случая высоких концентраций легирующей примеси, учитывающая уменьшение рассеяния носителей на дефектах Г? после воздействии током на ПР. Согласно втой модели алектростимулиронанная диц)фуяии ионизированной примеси и (или) оборванных связей дислокаций на ГЗ ослабляет поле упругих напряжений дислокаций после электрического воздействия на ПР, что приводит к росту подвижности и уменьшению сопротивления.

На основании экспериментально полученных концентрационных и температурных зависимостей низкочастотного шума ПР установлено, что уменьшение шума с .ростом концентрации вплоть до

iq

10 -см ^ происходит резче, чем по известной модем термоемис-сии, для низких концентраций шум связан с термоемиссионными и туннельными процессами переноса через га, для высоких концентраций - с рассеянием носителей на дефектах ГЯ.

В четвертой главе изложены результаты реализации твердотельных ИС линий задержки серии КР1563 на основе явления изменения сопротивления ПР под действием тока, рассмотрены программные средства измерения и регулйровки динамических параметров ИС линий задержки и метод измерения временных задержек наносекундного диапазона, проведено сравнение параметров ИС серии КРI563 с аналогами мирового уровня.

На основе представленных в настоящей работе схемотехнических, технологических и физических принципов в Особом конструкторском бюро "Элмис" разработаны и серийно освоены твердотельные ИС линий задержки- КР1563, главным конструктором которых был автор настоящей диссертации. ИО Серии КР15^3 представляет собой микросхемы усовершенствованной ТТ.Ш-логики, по выуоммчм и входным сигналам соответствуют серии логических ИС, КР ¡5?I

(ЧНЯЛОР Зарубежной серии и обнсггыцикнют ЗиДепжку НЯ

100-1^0 не С отводами змдо;<жки череч >0-30 не.

Измерение ДИННМИЧеокИК 'тт,."»тр'М* ЙС оирии Ь*р К^З и И К П**-гулирмнка для кммцнн''М|!ии .••••«/лоч-ний параметров те и-лногцчео-КП|'о процесса И обеспечения Точности задержки Осу шесч'НЛ.яеЧ'ОИ на пластине Непосредственно перед сборкой криеч'нмлок И КОрИуса. ПрОГРЯММа рмали-'оняич на КОНЧ'роЛЬНО-ИЗМерИТеЛЬНОМ комплексе "ИЗМИР", написана ни языке "СОФИЗМ" и рноочитчнч на ручной режим измерений и регулировки (работа оператора) и автоматический режим. Для И0 КР1?«>ЗРРЗВ точность мчл^лкки при регулировке в ручном режиме не хуже +?%. Пом автоматической регулировке точность задержки не хуже или +?но, чч'о ооот-ветстнует точности задержки для серии Л5 1000 и болынинотнм выпускаемых .зарубежных серий гибридных ИС линий задержки. Дня повышения точности измерений в программе реализован онецииль-ннй программно-аппаратный метод измерений задержек, позьолям-щий обеспечить точность +0,2 но.

В сравнении с серией 1)51000 разработанные твердотельные ИС линий задержки серии К.Р1563 имеют более высокую нагрузочную способность в стач'ичееком режиме, а по динамическим параметрам имеют в 2 раза меньшую минимальную длительность входного импульса, в 4 раза большую рабочую частоту и меньшую зависимость задержки от температуры для плюсового диапазона.

Таким образом, твердотельные ИО линий задержки серии Ь'Р 1?г>3 по своим параметрам находятся на уровне лучших мировых изделий микроэлектроники данного классу а их. изготовление трибуеч1 меньших материальных затрат.

ВЫВОДЫ ПО РА60ТЕ 1. Предложена концепция схемотехнического проектирования лЗ ,на основе заряда двух раздельных времязадающих цепей, позв.мяю-щая повысить точность задержки ЛЗ, уменьшить минимальную длительность входного импульса и увеличить рабочую частоту. Разработанные и серийно изготавливаемые в соответствии с предложенной концепцией конструкции МО линий задержки имеют расширевные (функциональные нозможносч'И, обменечинакиг высокую степень интеграции, улучшенные Параметры И характеризуются минимальными зач'рач'ами на ИЗГОТОВЛЕНИИ.

2. Предложено использование явления изменения сопротивления ПР иод действием тока для конструирования хлегулируемого элемента задержки твердотельной ИС линии задержки и проектирования переменной твердотельной .«Я. ПромыШЛеННО освоена Сирия твердотельных ИГ. линий задержки КР

3. Установлено, что явление прецизионного изменения сопротивления ПР под действием тока имеи>|< Оо.мее широкий диапазон Появления, чем нто считалось (м^^и, и обнаруживается в диапазоне концентраций легирующей примеси порядка 10 'см-1 -ю'^ом \ При уменьшении сопротивления ТКО резисторов увеличивается и переходим' из об.имсм/ отрицательных янячений Через ноль В область ПОЛОЖИТе.МЬНИУ '•'ВяненИЙ.

4. Предложена физическая модель инмеч-мич сопротивлении ПР под действием тока, учитывающая для низких концентраций легирующей примеси изменение заселенности ловушек в области потенциального барьера на .ГЗ носителями заряда, изменение их электрического состояния и електрпстимулированную диффузию заряженных ловушек из области ГЗ, что приводит к уменьшению потенциального барьера на ГЗ и уменьшению сопротивления ПР. для высоких концентраций дегирунцей примеси электростимули-рованная диффузия примеси В Области механического разулбря-дочения на ГЗ приводит к уменьшению рассеяния на дефектах в области ГЗ и уменьшению сопроти-влечин ПР.

5. Установлено, что для концентрации легирующей примеси поряд-

14

ка 10 -ом - происходит увеличение сопротивления ПР под действием тока, соироеож,дающееся уменьшением ТКС резисторов.

6. Установлено, что низкочастотный шум ПР уменьшается с ростом концентрации легирующей примеси. Для низких концентраций шум ПР связан с термовмиссионными и туннельными процессами переноса через ГЗ, для высоких концентраций - с рассеянием на дефектах ГЗ.

Основные результаты диссертации изложены в двух научно-технических отчетах и следующих публикациях:

1. Мелентьев Н.Г. Новые подходы в конструировании и технологии изготовлении интегральных схем линий задержки//Электронная техника. Сер.З. Микровлектроника.- Вып.4(143). "1991.-

1Я

2. Мелентьев Н.Г., Остренко Д.В. Способ регулирования температурного коэффициента сопротивления поликремниевых резисторов// Электронная техника. Сер. Радиодетали и радаоком-поненты.-1990.-Вып.4(81).-С.39-40.

3. A.c. СССР кл. Н03К 5/13 N 1707746. Перестраиваемая линия задержки/ Гаращенко Н.П., Мелентьев Н.Г., Мурый Ю.Ф. -23.01.1992.

4. Положительное решение по заявке N 5033518/21 от 23.03.92. Перестраиваемая линия задержки/Мелентьев Н.Г.

5. Мелентьев Н.Г. Бескорпуеная интегральная схема для гибридной линии задеркки//Электронная промышленность.-1989.-N8. -С.68.

6. Мелентьев Н.Г.Бескорпусные интегральные схемы КБ1563БР1А-4 и КБ1563БР1Б-4 для гибридных активных линий задержки//Эле-ктронная промышленность.-1991.-N4.-С.89-90.

7. A.c. СССР кл. Н03К 5/13 N 1793535. Устройство задержки/Мелентьев Н.Г.-07.02.1993.

8. A.c. СССР кл. Н03К 5/13 N 1757091. Линия задержки/Мелентьев Н.Г., Казаринов 0.Г.-23.08.1992.

9. A.c. СССР кл. Н03К 5/13 N 1750039. Линия задержки/Мелентьев Н.Г., Казаринов 0.Г.-23.07.1992.

10. A.c. СССР кл. НОЗК 5/13 N 1750038. Генератор задержанных импульсов/Мелентьев Н.Г.-23.07.1992.

11. A.c. СССР кл. НОЗК 5/13 N 1750037. Генератор задержанных импульсов/Мелентьев Н.Г.-23.07.1992.

12. A.c. СССР кл. НОЗК 5/13 N 1751839. Линия задержки/ Мелентьев Н.Г., Гаращенко Н.П.-30.07.1992.

13. Положительное решение по заявке N 4858563/22 от 8.08.90. Линия задержки с регулируемыми параметрами/Мелентьев Н.Г., Остренко Д.В., Ткаченко H.H., Снапиро И.В., Коломоец Г.П.

14. Мелентьев Н.Г. Монолитная линия задержки//&шктронная промышленность. -1991.-N1.-С.100.

15. Мелентьев Н.Г., Порада С.А., Ткаченко H.H. Эффект памяти в поликристаллическом кремнии//Тез. докл. XLV Всесоюзная научная сессия, посвященная Дню радио.-М.: Радио и связь,

• 1990.-С.71.

16. Коломоец Г.П., Мелентьев Н.Г., Ткаченко H.H. Токовый шум поликремниевых резисторов//Тез. докл. н.-т. семинара "Шу-

мовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" .- Черноголовка.-1990.-С.21-22.

17. Положительное решение по заявке N 4845656 от 2.07.90. Способ подгонки величины сопротивления поликристаллического резистора/ Мелентьев Н.Г., Остренко Д.В., Ткаченко Н.Н., Снапиро И.Б., Коломоец Г.П.

18. Ткаченко Н.Н., Коломоец Г.П., Мелентьев Н.Г. Токовые флуктуации в поликристаллических пленках кремния// Тез. докл. н.-т. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах".- Москва, МЭИ, 1993.

19. Tkaohenko N.N., Kolomoets G.P., Melentjev N.G. Polyorys-talline resistors with current-induced tuning о1 electrical parameters//Proo. oi Int. Conf. "Microelectronics'92", 21-23 September, 1992, Warsaw, Poland. Published by SPIE, USA.-1992.-V.1783.-P.223-243.

20. Мелентьев Н.Г., Пономарев А.А. Монолитные интегральные схемы линий задержки// Электронная промышленность. -1992.-N3.-С.56-58.

21. Положительное решение по заявке N 5017615 от 18.12.91. Линия задержки/Мелентьев Н.Г.