3.3.5. Формирование области канала

Снижение толщины подзатворного окисла T_вх и глубины залегания pn-переходов сток - истоковых областей X_j - эффективный путь подавления короткоканальных эффектов при масштабировании МДПТ. Третий, и последний, метод улучшения короткоканальных характеристик МДПТ связан с оптимизацией распределения примеси в области канала, целью которой является минимизация тока утечки МДПТ в закрытом состоянии при одновременном увеличении тока стока как в крутой, так и в пологой области выходных характеристик. Иначе говоря, при уменьшении длины затвора МДПТ можно, управляя распределением примеси в области канала, уменьшить сдвиг порогового напряжения ΔV_t(L_g) и длинноканальное пороговое напряжение V_t.

В полной мере одновременное выполнение указанных требований для МДПТ с однородным распределением примеси в области канала невозможно. Действительно, для снижения сдвига порогового напряжения ΔV_t(L_g) (при заданной толщине подзатворного окисла T_вх) необходимо уменьшить ширину области обеднения канала, для чего следует увеличить среднюю концентрацию примеси в области канала. Однако это приводит к росту плотности объемного заряда и напряженности поперечного электрического поля в обедненном слое, вследствие чего увеличивается пороговое напряжение V_t и снижается ток стока.

Обычно для обеспечения требуемых короткоканальных характеристик МДПТ область канала легируют методом ионной имплантации, причем толщина легированного слоя должна быть меньше ширины области обеднения, а плотность атомов электрически активной примеси должна соответствовать требуемой величине порогового напряжения (технологическая операция «подгонка V_t»). Кроме того, в этой же области ионной имплантацией создают более глубокий слой, назначение которого - предотвращать смыкание ОПЗ сток - истоковых областей в объеме (слой PTS - Punchthrough stop, рис. 3.54 /8/. Слой, создаваемый операцией «подгонка V_t», как указывалось, должен быть тоньше ширины области обеднения, так как только в этом случае обеспечивается нужная величина порогового напряжения без увеличения емкости pn-переходов. Пик концентрации PTS-области должен располагаться на глубине, не превышающей глубину залегания сток - истоковых pn-переходов X_j. В результате достигается ограничение бокового распространения области обеднения стока без существенного влияния на значение порогового напряжения.

В Р-МДПТ короткоканальные эффекты и эффект смыкания проявляются сильнее, чем в N-МДПТ. Это связано с отсутствием акцепторной примеси, используемой для легирования сток - истоковых областей с меньшим, чем у бора, коэффициентом диффузии, с высокой максимальной растворимостью в кремнии и мелкозалегающим примесным уровнем в запрещенной зоне. Использование же бора всегда приводит к меньшей длине канала Р-МДПТ, чем у N-МДПТ при одинаковых длине затвора и термическом бюджете. Формирование PTS-области Р-МОТП осуществляется ионной имплантацией мышьяка и фосфора. Следует отметить, что применение имплантации относительно легких ионов фосфора для формирования PTS-области субмикронных Р-МДПТ становится недопустимым в связи с высоким коэффициентом диффузии фосфора в сравнении с мышьяком. Так, для Р-МДПТ с n⁺-затвором и длиной канала 0,8 мкм при имплантации ионов фосфора с энергией 120 кэВ (пик концентрации на глубине 150 нм) напряжение смыкания более 5В обеспечивается при дозе не ниже D=1,2·10¹² см^-2; при этом повышается концентрация фосфора в области канала, что приводит к возрастанию порогового напряжения до -2 В и, как следствие, к снижению тока стока. Одновременно из-за диффузии фосфора глубже залегания pn-переходов увеличиваются паразитные емкости МДПТ.

Рис. 3.52. а) Структура N-МДПТ после ионной имплантации бора для «подгонки» порогового напряжения; b) Структура N-МДПТ после ионной имплантации бора для предотвращения смыкания области обеднения истока и стока

Для уменьшения порогового напряжения Р-МДПТ используют материал затвора с большой работой выхода – p⁺-поликремний. Однако при изготовлении Р-МДПТ с длиной затвора L_R=0,5 мкм обычно используют поликремниевый затвор с проводимостью n⁺-типа и областью канала со встроенным легированным слоем p-типа. Это обусловлено стремлением упростить технологический процесс изготовления комплементарных МДПТ благодаря легированию поликремния, как N, так и Р - канальных приборов, с использованием POCl₃. Применение же затвора n⁺-типа для Р-МДПТ из-за меньшей работы выхода требует формирования скрытого канала (см. рис. 3.37).

Типичное распределение концентрации примеси и потенциала в области канала подобной структуры представлено на рис. 3.53 при напряжении на затворе V_g, равном пороговому напряжению V_t. В скрытом канале формируются две области обеднения: первая образуется вблизи pn-перехода (скрытый канал - подложка), вторая создается в приповерхностной области скрытого каната и обусловлена электрическим полем затвора. При нулевом напряжении на затворе V_g=0 обедненные слои (приповерхностный и pn-перехода) сомкнуты. Вследствие того, что минимум потенциала располагается ниже поверхности кремния, открытие канала происходит в глубине скрытого легированного слоя. При увеличении напряжения на стоке (при фиксированном напряжении на затворе V_g>V_t) вследствие падения напряжения вдоль проводящего канала происходит расширение областей обеднения (см. рис. 3.53, а). При достижении определенного напряжения на стоке V_d,sat эти области смыкаются, что приводит к насыщению тока стока. В связи с тем, что носители в проводящем канале не испытывают рассеяния на поверхности, подвижность носителей в МДПТ со скрытым каналом выше, чем в МДПТ с поверхностным каналом. Однако крутизна транзистора со скрытым каналом может быть ниже из-за уменьшения емкостной связи затвора и канала, т.к. последовательно с емкостью подзатворного окисла включается емкость слоя обеднения между проводящим каналом и границей Si/SiO₂. По этой же причине структура со скрытым каналом очень чувствительна к коротко-канальным эффектам, причем чем сильнее легирован скрытый канал, тем больше величина сдвига порогового напряжения при уменьшении длины канала.

Рис. 3.53. а) МДПТ со скрытым каналом p-типа;

b) Распределение концентрации примеси в области канала;

с) распределение потенциала в скрытом канале по глубине при условии V_g=V_t

Короткоканальные характеристики P-МДПТ со скрытым каналом могут быть улучшены уменьшением глубины залегания pn-перехода X_j этого канала. Кроме того, снижение X_j может быть достигнуто благодаря увеличению концентрации примеси в PTS-области под скрытым каналом. Помимо уменьшения глубины залегания pn-перехода скрытого канала, это приводит к формированию более резкого pn-перехода, что способствует подавлению DIBL-эффекта. Данный метод реализуется ионной имплантацией фосфора либо имплантацией мышьяка непосредственно после имплантации бора в область канала. В последнем случае увеличения емкости сток – истоковых pn-переходов не происходит. При сокращении длины затвора до величины менее 0,5 мкм относительно высокое пороговое напряжение Р-МДПТ со скрытым каналом не соответствует требованиям, предъявляемым к приборам по напряжению питания и току стока. Один из способов снижения порогового напряжения Р-МДПТ - использование материала затвора с более высоким значением работы выхода, например поликремния с проводимостью p-типа. Однако введение p⁺-поликремниевого затвора в технологический процесс изготовления КМДП СБИС осложняется следующими проблемами. Во-первых, необходимо не допустить проникновения бора из p⁺-затвора через подзатворный окисел в область канала, чтобы предотвратить возможную невоспроизводимость порогового напряжения. При этом, снижая с целью ограничения проникновения бора в окисел уровень легирования поликремниевого затвора, необходимо не допустить обеднения его носителями в режиме сильной инверсии, приводящего к увеличению эффективной толщины подзатворного диэлектрика. Во-вторых, следует обеспечить формирование омического контакта между n⁺ и p⁺-областями поликремниевой разводки СБИС. И наконец, при проектировании схемы требуется учитывать, что p⁺-поликремний имеет более высокое сопротивление, чем n⁺-поликремний. Поэтому, учитывая необходимость уменьшения числа операций фотолитографии, и, благодаря разработке новых методов создания ультрамелких легированных слоев при изготовлении глубокосубмикронных ИС, вновь стали использовать Р-МДПТ с затвором n⁺-типа.

Поскольку ширина области обеднения в канале W_d наряду с толщиной подзатворного окисла T_ox и глубиной залегания сток - истоковых pn-переходов X_j определяют короткоканальные характеристики МДПТ, то величина порогового напряжения V_t и степень проявления короткоканальных эффектов жестко связаны друг с другом. Разорвать эту взаимозависимость можно, используя неоднородное распределение примеси в области канала в вертикальном или латеральном направлении.

Вертикально-неоднородное легирование области канала с более высокой концентрацией примеси в приповерхностной области и более низкой на уровне ≥X_j реализуется при традиционной технологии изготовления МДПТ. В этом случае концентрационный профиль создается ионной имплантацией для формирования PTS-слоя с последующей ионной имплантацией для «подгонки V_t». При другом типе вертикально-неоднородного легирования области канала с низкой поверхностной концентрацией и высокой концентрацией на глубине ≈X_j/3 формируется так называемое ретроградное распределение примеси. Случай с однородным распределением примеси в области канала является промежуточным между ними.

МДПТ, изготовленные по традиционной технологии, при заданном пороговом напряжении характеризуются более широкой областью обеднения в канале W_d чем МДПТ с однородным распределением примеси, в то время как МДПТ с ретроградным коцентрационным профилем имеют наименьшую ширину области обеднения. Большая ширина области обеднения при заданной величине порогового напряжения обусловливает усиление короткоканальных эффектов, наоборот, малая ширина области обеднения W_d улучшает короткоканальные характеристики МДПТ, но приводит к возрастанию коэффициента влияния подложки γ. Ретроградное распределение примеси в области канала целесообразно использовать при изготовлении МДПТ с длиной затвора L_g=0,35 мкм. При таких размерах для обеспечения короткоканальных характеристик поверхностная концентрация примеси в области канала транзистора с однородным распределением достигает 3·10¹⁷ см³ и выше. Это приводит к чрезмерному повышению порогового напряжения или к необходимости использования более тонкого подзатворного окисла. При условии пропорционального масштабирования структуры транзистора (т.е. при линейной зависимости T_ox от L_g) ток стока MДПТ с ретроградным распределением ниже, чем ток стока МДПТ с однородным распределением. Однако МДПТ с ретроградным распределением превосходит по току стока МДПТ с однородным распределением, если используется более толстый подзатворный окисел, чем рекомендуется при пропорциональном масштабировании. Указанное преимущество МДПТ с ретроградным распределением примеси объясняется более высокой подвижностью носителей в канале и лучшими короткоканальными характеристиками. В этом случае применение ретроградного распределения полезно еще и в связи со снижением остроты проблем технологии формирования тонкого подзатворного окисла и обеспечения надежности. Кроме того, характеристики МДПТ с ретроградным распределением примеси более устойчивы к отклонениям длины канала от номинального значения.

Значительное улучшение короткоканальных характеристик МДПТ достигается при латерально неоднородном легировании области канала с повышенной концентрацией примеси вблизи сток - истоковых pn-переходов. Подобная структура области канала (Pocket, Halo) создается наклонной ионной имплантацией после формирования затворов или мелкозалегающих сток - истоковых слоев. Она эффективно ограничивает проникновение в канал областей обеднения сток – истоковых pn-переходов. В центральной части области канала Pocket-МДПТ концентрация примеси относительно низкая, вследствие чего плотность объемного заряда в области обеднения канала и, соответственно, пороговое напряжение снижается. Фундаментальным ограничением данного метода для улучшения короткоканальных характеристик МДПТ является возрастание туннельного тока pn-переходов.