5.2. Моделирование максимальных электрических полей в канале

Максимальное поле в районе стока приводит к нежелательным эффектам ударной ионизации, зарядке окисла и образованию горячих носителей.

Используя (5.1.9) и (5.1.10), получаем выражение для электрического поля в области отсечки

(5.2.1)

. (5.2.2)

Из уравнения (5.2.1) следует, что в области отсечки поле в канале растет почти экспоненциально по направлению к стоку. Отсюда можно получить формулу для максимального электрического поля в конце канала Е_т:

. (5.2.3)

Если выполняется условие , то соотношение (5.2.3) записывается в совсем простой форме

, (5.2.4)

то есть напряженность поля определяется падением напряжения на области отсечки.

Характерная длина задачи в районе отсечки l путем численного моделирования уточнена следующим образом:

,

где выражены в см.

5.3. Горячие носители

В сильных электрических полях каналов n-канальных МОПТ небольшая часть электронов может набрать достаточно большую энергию (~ 1….3 эВ). Неравновесные электроны с большой энергией − горячие носители − могут быть источником дефектообразования на границе раздела Si-SiO₂ (при энергиях 2 - 2,5эВ). Заряженные дефекты на границе раздела, образованные горячими носителями, приводят к деградации параметров транзисторов, а именно: (а) сдвигам порогового напряжения из-за зарядки окисла отрицательным зарядом; (б) уменьшению подвижности и соответственно быстродействия за счет образования поверхностных состояний.

Другими эффектами горячих носителей являются процессы ударной ионизации и размножения носителей. Пороговая энергия ударной ионизации составляет 1,5E_G. В конечном итоге эффект ударной ионизации приводит (а) к появлению заметного тока в подложку (рис. 5.2); (б) инжекции электронов в подзатворный окисел и увеличению тока затвора.

Рис. 5.2. Схема образования паразитного тока подложки при ударной ионизации в районе стока n-МОПТ для КМОП объемной технологии

Кроме того, паразитный дырочный ток в подложку может приводить к нежелательному включению паразитной биполярной структуры.

5.4. Методы борьбы с горячими носителями

Деградация прибора, вызванная горячими носителями, приводит к уменьшению срока службы транзистора. Уменьшение электрического поля в канале в районе стока увеличивает надежность прибора. Для этой цели используются слаболегированные стоки (Lightly Doped Drain − LDD). Целью использования слабого легирования стока является уменьшение пика электрического поля в районе стока. Заметим, что, как указывалось ранее, LDD используется и для подавления короткоканальных эффектов.

Сильное электрическое поле канала практически не проникает в сильнолегированную (> 10²⁰ см^-3) область стока и резко спадает на очень малых длинах экранирования (~1нм). Если в районе стока внедрить небольшую слаболегированную область (~2×10¹⁵ см^-3), то поле начнет спадать не так резко, увеличивая эффективную длину канала и, соответственно, уменьшая свои пиковые значения в конце канала (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схема распределения электрического поля вдоль канала, иллюстрирующая уменьшение пикового значения электрического поля в слаболегированном стоке

Эмпирически эффект снижения максимального электрического поля в конце канала при использовании слаболегированного участка стока можно описать модифицированной формулой (5.2.4)

. (5.4.1)

Как упоминалось выше, тонкие расширения стока улучшают также электростатические характеристики транзистора. Конструктивно возможно создание МОПТ с полным (Fully Overlapped Lightly Doped Drain − FOLD) или частичным (POLD) перекрытием затвором LDD областей. Расчеты показывают, что оптимальной структурой, с точки зрения минимизации электрических полей, является расположение LDD областей под затвором (структура FOLD). Недостатком использования LDD является некоторое увеличение последовательного сопротивления стока и истока, что снижает нагрузочную способность приборов.

Другим эффективным методом борьбы с горячими носителями является понижение напряжение питания в духе общих идей масштабирования. Нужно отметить, что негативные эффекты от горячих носителей существенно снизились (но не исчезли), когда напряжение питания стало меньше барьера между краями зоны проводимости в окисле и кремнии (~ 3,1 эВ).

Наконец, еще одним методом повышения устойчивости приборов к воздействию горячих носителей является использование в качестве подзатворных изоляторов более устойчивых к дефектообразованию материалов (например, оксинитридов кремния SiO_xN_2-x).