книги / Математические модели элементов интегральной электроники

зочные МДП-транзисторы имеют встроенный канал) и комплементарные МДП ИС со сверхнизкими (порядка 0,5 В) пороговыми напряжениями.

Технология изготовления ИЛ МДП-транзисторов по­ мимо стандартных операций включает бомбардировку ионами примеси активной области канала сразу после выращивания диэлектрика затвора. Пройдя сквозь тон­

кий диэлектрик, ионы легируют полупроводник на глу-

о

бииу от 500 до 4000 А. В зависимости от дозы легирова­ ние поверхности приводит либо к снижению порогового напряжения, либо к инверсии поверхности и образова­ нию поверхностного канала. Энергии ионов, применяе­ мые в технологии ИЛ МДП ИС, лежат в интервале 25— 100 кэВ. Энергия ионов Э и полная доза внедренной примеси D являются хорошо контролируемыми параме­ трами; это и обусловливает высокую воспроизводимость МПД-транзисторов [2].

Профиль внедренной примесиN&(x) в приповерхност­ ной области полупроводника после легирования хорошо описывается функцией распределения Гаусса (рис. 5.1)

(обычно А/ам>Мд)} где А^ам — максимальное значение концентрации внедренной примеси, которое связано с дозой D следующим соотношением:

энергией ионов Э. Таблицы и графики для определения с(Э) и о(Э) для кремния приведены в работе [3]. На­ пример, для значений Э 30, 35, 40, 50, 60 кэВ координа­ та центра распределения с равна 1070, 1290, 1413, 1750,

2075 А, а отклонение а — 365, 406, 445, 540, 560 А.

Доза электрически активной примеси, которая про­ ходит сквозь диэлектрик и влияет на характеристики ИЛ МДП-транзистора (при полной активации внедрен­

ХА

Приборы, рассмотренные в первом случае, относятся к МДП-транзисторам с индуцированным каналом (с обогащением). Ионное легирование при создании таких МДП-транзисторов используется для снижения порогового напряжения; доза легирующей примеси /У~'(2—5) • 1011 см“2. МДП^транзисторы, имеющие про­ водящий канал при СУ3= 0, относятся к приборам со

Рис. 5.4. Зонная диаграмма по­ верхности ИЛ МДП-транзистора с обеднением при U3 = 0.

встроенным каналом (с обеднением). Доза внедренной примеси при изготовлении этих приборов больше и со­ ставляет (1—2) - Ю12 см-2.

Определим первую граничную удельную дозу Di следующим образом:

Величина Di есть минимальная доза, при которой в ре­ жиме плоских зон обедненная область р—м-перехода «целиком помещается» в полупроводнике. При D>D\ в указанном режиме у поверхности существует прово­ дящий р-слой (рис. 5.2). Для Nji=НО15 см-3 величина Di^lO11 см-2. В реальных приборах типовые дозы пре­ вышают Di и поэтому в режиме плоских зон существует проводящий ИЛ слой p-типа с удельной концентрацией подвижных носителей, равной

=qD'lСд.

Втакой структуре режим плоских зон имеет место при напряжении на затворе С/з^С/дз р+С/, причем

Дальнейшее увеличение напряжения на затворе приво­ дит к образованию у поверхности слоя, обогащенного дырками, с удельным зарядом

AQP= Сд (С/3— С/„ 8'р - U - Д ?)]^ Сд (С/3- Unap- U ) . (5.11)

В слоях обогащения величина Д<р не превышает не­ скольких фт и ею можно пренебречь. Толщина слоев

даже при сильном обогащении не превышает 0,5/,д. При

о

типовом значении УУа= 5 ’101в см-3 £д=200 А; следова-

о

тельно, толщина этого слоя не превышает .100 А, что значительно меньше глубины ИЛ слоя. Поэтому поле затвора, наводящее заряд AQP, практически не влияет

на подвижные носители /7-слоя, концентрация которых равна Qp0. Из (5.9), (5.11) следует, что суммарная удельная плотность носителей в канале

QP — Q p o A Qp— Сл (С/д — Воспj/^piT-j-C/) -\-С д (С/3 — -С /пзр-С /)== -С д[С /3-С /'о ~

обедненная область (рис. 5.5), удельный заряд которой

Из условия электронейтральности можно также полу­ чить соотношение, связывающее Qoc, С/3 и U:

Отсечка канала происходит при смыкании припо­ верхностной обедненной области с обедненной областью р—л-перехода, т. е. при Qoc—Qpo- Используя (5.9), (5.14), (5.15), получаем следующее выражение, связы-

256

вающее U3 с напряжением t/= t/0тс, при котором проис­ ходит отсечка канала:

где Воеp = Vr2eneo^Ata/CA— коэффициент влияния ионно­ легированного p-слоя. При £/Отс= 0 из |(5.'16) получается выражение для порогового напряжения U0lu определяе­ мого как напряжение на затворе, при котором проводи­ мость канала равна нулю:

Вычитая из (5.17) выражение для порогового напряже­ ния обычного /7-канального МДП-транзистора с обога­ щением (4.22), получаем величину сдвига порогового напряжения в результате ионного легирования

ния между дозой D' и напряжением плоских зон С/ПЗр ИЛ МДП-транзистор может быть либо с обогащением, либо с обеднением. Однако при некоторых дозах порог вообще может отсутствовать [5], так как при заданной концентрации JV'a величина изгиба зон At/oc при t/ = О не может превышать значения, равного двум уровням Ферми 2cpFp в ИЛ слое p-типа. Дальнейший изгиб бло­ кируется образованием у поверхности Инверсионного слоя я-типа. Удельный приповерхностный заряд обедне­ ния в предельном случае (при U = 0) равен

Максимальному порогу при заданном N'a соответст­

при N'а=1017 см“3 А^/омакс=5,9 В, А>=1Д*Ю12 см~2. Если доза превышает D2, то смыкание обедненных обла­ стей (приповерхностной и р—л-перехода) вообще не произойдет ни при каких напряжениях затвора. Таким образом, получается ИЛ МДП-транзистор с неперекрываемым при 0 = 0 каналом. Именно в таком режиме ра­ ботают нагрузочные ИЛ МДП-транзисторы с обеднени­ ем, используемые в цифровых схемах;[1 ].

Прежде чем перейти к выводу уравнений вольтамперных характеристик ИЛ МДП-траизистора, опре­ делим напряжение отсечки канала Uorc. Напомним, что под Uотс понимается такое напряжение в данной точке (по координате у) канала, при котором проводимость канала в этой точке становится равной нулю. Условие отсечки определяет напряжение запирания прибора по

водника, обогащенную дырками, то в этом случае при­

Такой случай имеет место при выполнении условия U> >UoTct, где напряжение U0TCi определяется соотношени­ ем (5.9) при Qp= 0 и равно

Соответствующее этому напряжению граничное зна­ чение напряжения на затворе U3i может быть получено из (5.12)

При U3<U3i отсечка канала наступает в процессе смы­ кания приповерхностной обедненной области с обеднен-

258