2.8. Учет влияния падения напряжения в затворе и инверсионном слое

В большинстве современных технологий в качестве материала затвора используется поликристаллический кремний п+- или р+-типа. До сих пор мы предполагали, что этот сильно легированный материал почти подобен металлу. Однако невозможно легировать поликремниевый затвор до произвольно высокой концентрации. Реально концентрация примеси в затворе не превышает . Поэтому необходимо рассматривать затвор как полупроводник, который может находиться в режимах обеднения, обогащения и инверсии, так же как подложка. Типично используют затвор п-типа в пМОПТ и р-типа в рМОПТ. Затвор обедняется тогда, когда формируется инверсный слой в канале. Например, в пМОПТ при инверсии отрицательный заряд в подложке отгоняет электроны в поликремнии, создавая обедненный слой в этом материале вблизи окисла. Это явление принято называть «обеднением поликремния». Энергетические зоны в поликремнии изгибаются, так что дополнительное падение потенциала в таком затворе может достигать значения десятков милливольт. Это изменяет детальный баланс зарядов в транзисторе и таким образом влияет на характеристики транзистора. Этот эффект, как видим, увеличивает расстояние между зарядом инверсного слоя и управляющим подвижным зарядом затвора. То есть, он увеличивает эффективную толщину окисла. Это особенно важно, когда слой окисла тонок. Хотя металлические затворы избегают этого эффекта, многие технологии в настоящее время используют поликремний, поэтому этот эффект все еще имеет важное значение.

Падение потенциала в однородно-легированном поликремниевом затворе V_poly оценивается по известной формуле (2.1.4) через толщину обедненной области в затворе x_poly и уровень легирования затвора N_poly:

. (2.8.1)

Распределение падений напряжений (2.7.2) модифицируется следующим образом:

. (2.8.2)

Тогда выражение для полной удельной емкости МОП структуры (2.7.5) приобретает вид:

. (2.8.3)

Учет падения потенциала в затворе приводит к появлению дополнительной емкости, включенной последовательно с емкостью окисла (рис. 2.6б). В режиме сильной инверсии (когда ) эффективная емкость всей МОП структуры определяется формулой:

. (2.8.4)

Таким образом, падение потенциала в материале затвора эквивалентно тому, что изолятор становится толще. ITRS рекомендует в этом случае говорить об эквивалентной электрической толщине окисла (equivalent oxide thickness electrical, EOT_el):

.

Если уровень легирования затвора ~ 10²⁰ см^-3, то толщина обедненного слоя в материале затвора оказывается ~ 0,4..1,0 нм.

C учетом отношения диэлектрических проницаемостей эффективная толщина увеличивается на 0,15...0,3нм. Это существенно, поскольку современные подзатворные изоляторы имеют толщину, сопоставимую с 1нм. Уменьшение эффективной емкости подзатворного окисла крайне нежелательно и, поэтому, разрабатываются методы борьбы с эффектом затворного обеднения:

− использование металлического затвора, который сложнее поликремниевого с технологической точки зрения;

− увеличение степени легирования затвора, например, за счет дополнительной ионной имплантации, что также приводит к усложнению и удорожанию технологии.

Отметим также, что обеднении поликремния изменяет вольтфарадную характеристику МОП-структуры. Как следует из (2.8.2), вследствие падения потенциала в поликремнии при данном уменьшается изгиб зон в подложке, то есть поверхностный потенциал, поэтому величина инверсного заряда уменьшается, и для достижения сильной инверсии необходимо увеличить напряжение на затворе. Падение потенциала растет с ростом ; поэтому сокращение величины (по сравнению с ситуацией отсутствия обеднения поликремния) зависит от . В транзисторе это уменьшает ток стока. Заметим также, что емкость области обеднения затвора теперь включена последовательно с емкостью окисла, а емкость подложки последовательно к ним. Это уменьшает общую емкость затвора по сравнению с той, что ожидалась в отсутствии обеднения поликремния, как показано на рис 5.23. Заметим, что когда увеличивается, обеднение поликремния возрастает, и емкость обеднения уменьшается. Этот эффект противодействует росту емкости инверсного слоя, так что на вольтфарадной кривой наблюдается максимум, как показано на рис.5.23.. Наконец, при больших значениях область обеднения поликремния становится такой глубокой, а падение потенциала столь большим, что область затвора, прилегающая к окислу, инвертируется; тогда много дырок оказывается в эффективном слое выше окисла (эффективном, то есть при низкой частоте) и емкость растет к значению, ожидаемому в отсутствии обеднения поликремния (не показано на рис.5.23).

Рис.5.23. C-V характеристики МОП структуры с обеднением поликремния (сплошная линия) и без обеднения (пунктир). =1,5нм, N_A=3 10¹⁷ cм-3, N_poly=5 10¹⁹cм^-3, W=L=10мкм [6].