2.5. Управление величиной порогового напряжения

Контроль порогового напряжения играет ключевую роль в разработке и изготовлении МОПТ. Пороговое напряжение для МОП транзисторов с разными типами подложек можно записать в форме

, (2.5.1)

где знак плюс соответствует подложке n -типа; минус − подложке p -типа. Повышение уровня легирования увеличивает пороговое напряжение для p -типа подложки и уменьшает для n -типа.

Из формулы (2.5.1) видно также, что подгонку порогового напряжения можно проводить технологически за счет контролируемого изменения:

• толщины подзатворного окисла (и удельной емкости С_O);

• уровня легирования подложки (добавление акцепторов в подложку увеличивает V_T, а добавление доноров уменьшает порог вне зависимости от типа подложки);

• изменения контактной разности потенциалов за счет подбора материала затворов.

В старых технологиях, в которых уровень легирования подложки был относительно низким, актуальной являлась задача увеличения порогового напряжения за счет более сильного в области канала и спадающего вглубь профиля легирования подложки. Увеличение степени легирования подложки вызывает негативные явления, а именно:

уменьшение подвижности носителей в канале;

усиление эффекта влияния подложки на пороговое напряжение.

По мере уменьшения технологической нормы и увеличения степени легирования подложки стал использоваться постоянный профиль легирования (рис. 2.4)

Рис. 2.4. Эволюция профилей легирования

Рис. 2.5. Идеализированный профиль ретроградного легирования

Когда появилась проблема понижения порогового напряжения, её стали решать с помощью повышающего профиля легирования или так называемого ретроградного легирования (рис. 2.5).

Для идеализированного профиля ретроградного легирования выражение для порогового напряжения имеет вид

. (2.5.2)

На практике ретроградное легирование в современных транзисторах реализуется с помощью создания относительно сильнолегированного слоя в относительно слаболегированной подложке. При этом, сильнолегированный р-слой экранирует р-п переход стока, уменьшая его толщину и улучшая электростатическое качество транзистора.

Если имплантированный сильнолегированный слой является достаточно узким, то в этом случае говорят о легировании дельта-слоем. Профиль концентрации легирующей примеси при имплантации можно аппроксимировать гауссовским распределением

, (2.5.3)

где N_I - полная поверхностная концентрация примеси в слое с характерной толщиной , находящемся на расстоянии х_с от границы раздела. Если этот слой тонкий ( << x_d), то гауссовскую функцию можно приближенно заменить дельта-функцией Дирака . Используя это значение, получаем выражение для порогового напряжения при дельта-легировании:

. (2.5.4)

Существенным преимуществом дельта-легирования является уменьшение нежелательного влияния обратного смещения на подложке на пороговое напряжение.

2.6. Емкость поверхностных состояний и емкость инверсионного слоя

Граничные ловушки (дефекты) расположены точно на границе раздела либо в окисле в пределах 1-2 нм от границы раздела. Эти дефекты способны перезаряжаться, обмениваясь носителями (электронами и дырками) с кремниевой подложкой. Если уровни ловушек E_t оказываются ниже уровня Ферми – они заполняются электронами, если выше – опустошаются.

Различают ловушки двух типов – акцепторные и донорные. Ловушки акцепторного типа в заполненном состоянии отрицательно заряжены (0/-), в незаполненном – нейтральны. Ловушки донорного типа положительно заряжены в пустом состоянии и нейтральны в заполненном (+/0). В любом случае при увеличении V_G уровень Ферми в кремнии опускается вниз, и ловушки начинают заполняться, т.е. они становятся более отрицательно заряженными.

Каждому потенциалу соответствует свой уровень Ферми на границе раздела и свое «равновесное» заполнение и соответствующая плотность условно положительного заряда Q_t( )= qN_t( ).

Для ловушек с малыми временами перезарядки быстро устанавливается равновесие с подложкой. Те ловушки, которые быстро обмениваются носителями с подложкой, называются «поверхностными состояниями» (interface traps, N_it). Те ловушки, которые не успевают обмениваться зарядом с подложкой за время измерения, называются «фиксированным зарядом в окисле» (oxide traps, N_ot). Граница между ними условна и определяется временем развертки и температурой.

Поскольку имеется зависимость плотности заряда в поверхностных состояниях от поверхностного потенциала, можно ввести емкость C_it :

(2.6.1)

В эту формулу входит выражение для заряда на всех ловушках (быстрых и медленных), но для конечных времен развертки t_s напряжения вклад в перезарядку дают только «поверхностные состояния» со временами перезарядки . Именно поэтому эту величину называют емкостью поверхностных состояний. Она характеризует темп уменьшения положительного заряда с ростом поверхностного потенциала и имеет размерность удельной емкости [Ф/см²]. С другой стороны, удельная емкость поверхностных состояний с точностью до размерного множителя есть просто энергетическая плотность поверхностных состояний D_it, т.е. имеет размерность [см^-2эВ^-1]. Действительно, поскольку

,

эти величины связаны соотношением

. (2.6.2)

Типичные емкости поверхностных состояний в современных транзисторах ~ .

Аналогично можно ввести удельную емкость инверсионного слоя

. (2.6.3)

Используя зависимость (2.4.1)

,

полученную в п. 2.4, находим

. (2.6.4)

Отметим, что емкость инверсионного слоя мала в подпороговой области (V_G < V_T), когда . Сравнивая выражения для n_S (2.4.2) и для (2.6.4), можно получить формулу для оценки емкости инверсионного слоя:

(2.6.5)

Для емкости инверсионного слоя в надпороговом и подпороговом режимах можно ввести аппроксимацию:

(2.6.6)

В надпороговом режиме (V_G >V_T) с учетом соотношения (2.2.10)

имеем следующее приближение для оценки удельной емкости инверсионного слоя:

. (2.6.7)