0,1 Мкм и менее

МОП-транзисторы с ультра тонкими подзатворными окислами

Тонкий подзатворный окисел позволяет улучшить управление над током стока затворного напряжения за счет снижения доли этого напряжения, расходуемого на формирование зарядов обедненных областей истока и стока. Это позволит стабилизировать дрейф порогового напряжения и сохранение транзистором своих переключающих свойств (с “1” на “0” и обратно). Однако с уменьшением толщины окисла заметно возрастают токи утечки, вызванные процессами туннелирования электронов через его толщину непосредственно из канала на затвор. На рис. 7 приведены зависимости плотности тока утечки через подзатворный окисел. С учетом того, что , для стабильной работы МОП-транзистора предельной толщиной окисла принято значение d_ox = 2,4 нм.

Рис. 7. Плотность тока утечки через подзатворный оксид кремния

Тщательные экспериментальные исследования показали, что для транзисторов с параметрами L_ch = 0,07 мкм (70 нм), d_j = 0,02 мкм (20 нм) и N_A = 10²⁴ м^–3 для сохранения требуемого управления электрическим током необходимо создавать окисел (SiO₂) толщиной не более 1,5 нм, который согласно рисунку 7 имеет недопустимо высокий ток утечки. Преодолеть данное затруднение можно путем использования других диэлектриков вместо SiO₂, которые имеют заметно более высокое значение диэлектрической проницаемости. Эти диэлектрики получили название κ-диэлектриков. В таблице приведены ключевые физические данные, соответствующие важнейшим из них.

При использовании вместо SiO₂ κ-диэлектриков такое же как и для SiO₂ управление инверсным зарядом при κ-диэлектрике будет поддерживаться при уже заметно бóльшей толщине диэлектрика. Это означает, что V_G одинаково управляет ВАХ транзистора и при , и при , которые соотносятся друг с другом как

.

Например, вместо SiO₂ с = 1 нм с тем же управлением по току можно использовать Ta₂O₅ с = 6,4 нм. А при толщине подзатворного диэлектрика равным 6,4 нм ток утечки по сравнению с толщиной 1 нм будет меньше более чем на 10 порядков величины (в десятки миллиардов раз).

Таблица – Параметры подзатворных диэлектриков

Диэлектрик	Диэлектрическая постоянная, ε	Ширина запрещенной зоны, EG, эВ	Потенциальный барьер на границе с кремнием, Eb, эВ
Al3O2	9	8,7	2,8
TiO2	В зависимости от технологического процесса получения 4÷86	3,5	1,2
Ta2O5	26	4,5	1,5
HfO2	25	5,7	1,4
ZrO2	25	7,8	1,5
La2O3	30	4,3	2,3
Y2O3	15	5,6	2,3
Er2O3	14,4	7,5	3,5
PrO2	25	3	1,0
SiO2	3,9	8,9	3,2

Однако применение κ-диэлектриков помимо серьезных технологических проблем, связанных с их нанесением на кремниевую подложку, имеет еще один существенный недостаток. Наиболее перспективные κ-диэлектрики — TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂ — имеют очень малую высоту потенциального барьера E_b (четвертая колонка таблицы) для горячих электронов (от 1,2 эВ до 1,5 эВ), что недопустимо, так как приводит к сильной деградации транзисторов вследствие эффектов горячих электронов. Преодоление этой проблемы связано с формированием между κ-диэлектриком и Si буферного слоя SiO₂. Данный слой, имея E_b = 3,2 эВ, не допускает, точнее, сдерживает инжекцию горячих электронов в подзатворный окисел (см. рис. 8 и 9).

Слой κ-диэлектрика позволяет увеличить толщину подзатворного диэлектрика без потери в управлении током стока. Это управление определяется так называемой эквивалентной толщиной диэлектрика , равной .

Рис. 8. Однослойный подзатворный диэлектрик		Рис. 9. Двухслойный подзатворный диэлектрик

Эта величина определяет удельную емкость подзатворного диэлектрика , которая определяет концентрацию инверсного заряда в канале транзистора: . В то же время ток утечки через подзатворный диэлектрик будет определяться физической толщиной этого двухслойного диэлектрика, которая равна . Например, структура с одним слоем SiO₂ толщиной = 2 нм однотипна по свойству управления подвижным зарядом в канале двухслойной структуре, в частности, со слоем Ta₂O₅ толщиной = 6,4 нм и буферным слоем SiO₂ толщиной = 1 нм, т.е. подзатворному диэлектрику общей толщиной в 7,4 нм.

Обычно технология создания таких диэлектриков построена на формировании на поверхности кремния обычным окислением тонкого окисла SiO₂, а потом напылении на этом слое SiO₂ слоя κ-диэлектрика.

МОП-транзисторы с S⁴D –областями истока и стока.

На рис. 10 приведена геометрическая схема его структуры.

Рис. 10. Структура S⁴D-МОП-транзистора

В этом транзисторе горячие электроны отделены от затвора двумя диэлектриками — подзатворным SiO₂ толщиной порядка 4 нм и спейсером Si₃N₄ толщиной порядка 20нм. В канале их, как правило, очень мало и они слабо инжектируют в подзатворный окисел, и потому почти не вызывают деградацию порогового напряжения. Подавляющее же их большинство (также как и в стандартной LATID–конструкции) образуется в подлегированной области. Но эта область расположена уже под спейсером толщиной 20 нм, а не под тонким окислом. В результате горячие электроны как бы изолируются, изымаясь из процессов, определяющих надежную работу МОП-транзистора.

Во-первых, проникнуть через толстый спейсер и вызвать ток утечки затвора они практически не в состоянии.

Во-вторых, их проникновение в этот спейсер и оседание в нем на ловушках фактически никак не влияет на пороговое напряжение, так как для последнего главное — чистота от горячих электронов подзатворного SiO₂, а не спейсера Si₃N₄.

И, в-третьих, создаваемые в LATID-области горячие электроны из-за близости пленки силицида титана, образующего сток, почти мгновенно уходят на нее, не производя лавинного умножения носителей заряда и не вызывая таким образом деградации тока стока. Ввиду того, что в этом токе заметно увеличивается доля горячих электронов, величина его в S⁴D-МОП-транзисторе должна быть заметно выше по сравнению с другими типами МОП-транзисторов и при этом ток стока должен быть более устойчивым к деградационным процессам, вызванным горячими электронами.

Таким образом, спейсер-слои это действенный технологический приём, позволяющий исключить влияние корококанальных эффектов и эффекта горячих электронов. S⁴D-МОП-транзисторы могут рассматриваться сегодня как одни из самых перспективных МОП-конструкций для транзисторов с длиной канала порядка 0,1мкм.

Литература:

1. Белорусский государственный университет «Краткий курс лекций Электронные процессы в приборных структурах металл-окисел-полупроводник» Жевняк Олег Григорьевич, электронное пособие 2010 г. – 109 с.

2. http://catalog.gaw.ru/index.php?page=document&id=1142

3. Физическая электроника и электронные приборы В.И. Светцов, В.И. Холодков, учебное пособие 2008 г. - 494 с.

4. Полупроводниковые сверхрешетки М. Херман, М., Мир 1989. – 240 с.