3.3. Некоторые конструктивно-технологические проблемы субмикронных мдп - структур

Основной тенденцией развития конструктивно-технологических решений ИМС в ближайшем будущем является микроминиатюризация интегральных МДП – приборов. Уменьшение размеров элементов МДП-ИМС вызывает пропорциональное улучшение всех их основных параметров – теория пропорциональной микроминиатюризации.

Эволюция основных параметров МДП-ИМС при масштабировании с 1995 г. до 2012 г. представлены в табл. 3.1 /8/.

Таблица 3.1

Эволюция основных параметров МДП-ИМС

Год появления первых кристаллов	1995	1997	1999	2001	2003	2006	2009	2012
1. ДОЗУ (бит/кристалл)	64М	256М	1Г	-	4Г	16Г	64Г	256Г
2. ДОЗУ, площадь кр-ла, мм2	190	280	400	445	560	790	1120	1580
3. МП, транзисторов/см2		3,7М	6,2М	10М	18М	39М	84М	180М
4. МП, площадь кр-ла, мм2	250	300	340	385	430	520	620	750
5. Минимальный литографический размер топологии, мкм	0,35	0,25	0,18	0,15	0,13	0,10	0,07	0,05
6. Минимальный литографический размер затвора, мкм	0,28	0,20	0,14	0,12	0,10	0,07	0,05	0,035
7. Толщина подзатворного окисного слоя, нм	7-12	4-5	3-4	2,4-3,2	2-3	1,5-2	<1,5	<1,0
8. Напряжение питания, В	3,3	1,8-2,5	1,5-1,8	1,2-1,5	1,2-1,5	0,9-1,2	0,6-0,9	0,5-0,6
9. Разброс , мВ	60	60	50	45	40	40	40	40
10. Тактовая частота, МГц	300	750	1200	1400	1600	2000	2500	3000

Наблюдаемое в последние годы значительное, более чем на порядок, уменьшение размеров элементов физической структуры транзистора как в плане, так и в сечении, кривело к определяющему влиянию сильных электрических полей на характеристики и надежность МДП - транзисторов.

Основная особенность субмикронного МДПТ заключается в том, что он работает в экстремальных условиях воздействия эффектов короткого канала и сильных электрических полей. При описании работы субмикронных транзисторов основное внимание уделяется универсальной зависимости эффективной подвижности носителей от эффективной напряженности поперечного электрического поля. Каждый из конструктивных элементов транзистора и параметров технологического процесса изготовления прибора в той или иной мере влияет на эту зависимость.

Уменьшение размеров МДПТ при масштабировании вызывает эффекты, которые связаны с изменением параметров физической структуры. Так, повышение концентрации легирующей примеси в перекрытом затвором участке стоковой области приводит к увеличению тока утечки стокового p-n-перехода, индуцированного напряжением на затворе, при напряжении, меньшем, чем напряжение пробоя p-n-перехода. При уменьшении длины канала возможно возникновение так называемого обратного короткоканального эффекта, обусловленного неправильным выбором технологии реализации структуры. Он проявляется в увеличении порогового напряжения V_t и эффективной длины канала. Актуальна в настоящее время проблема выбора конструкции Р - канальных МДПТ. Конструктивно-технологические особенности транзисторов как с поверхностным, так и со скрытым каналом требуют компромиссного решения с учетом обеспечения технологичности изготовления и необходимости увеличения тока стока при приемлемых короткоканальных характеристиках.

В глубокосубмикронных МДПТ (с длиной канала мкм) проявляются качественно новые закономерности переноса носителей в канале. Это вызвано значительным возрастанием напряженности как поперечного, так и продольного электрического поля. В первом случае это приводит к ретроградному распределению плотности носителей в канале из-за квантования энергии носителей под воздействием сильного поля в направлении, перпендикулярном поверхности канала. Следствием этого эффекта является увеличение эффективной толщины подзатворного окисла. Во втором случае из-за значительного увеличения как напряженности, так и градиента электрического ноля энергия электронов не успевает релаксировать при взаимодействии с решеткой, в связи с чем она не соответствует значению напряженности электрического поля в данной точке канала. Такая нелокальная зависимость энергии электронов от напряженности электрического поля приводит к так называемому "перегреву" электронов, иначе говоря, к превышению скорости носителей ее равновесного значения, соответствующего напряженности поля в данной точке (горячие электроны).

Несмотря на снижение напряжения питания до 2,5 В, деградация параметров МДПТ вызываемая горячими носителями, остается серьезной проблемой. Результаты расчетов распределения напряженности электрического поля вблизи стока для МДПТ с полным и частичным перекрытием стока затвором показывают, что положение и величина максимума напряженности электрического поля при высоком и низком напряжении на стоке могут изменяться, вследствие чего в некоторых случаях определение срока службы приборов методом ускоренных испытаний может быть ошибочным.