32

10. Эффекты малых размеров

Закон масштабирования:

Характеристики МДПТ не изменяются при одновременном уменьшении топологических размеров (L, Z) и вертикальных размеров (d_ef, l, x_j).

Если не изменять рабочие напряжения, размеры ОПЗ (d_ef, l, x_j) могут быть пропорционально уменьшены только при квадратичном увеличении концентрации легирующей примеси в подложке, что невозможно.

Поэтому параметры МДПТ изменяются при уменьшении размеров.

3 группы эффектов малых размеров:

1) увеличение продольного поля ;

2) краевые эффекты в ОПЗ;

3) эффект близости ОПЗ под стоком и истоком.

Эффекты 1-й группы рассмотрены.

Краевые эффекты в ОПЗ изменяют эффективное значение поверхностного заряда ОПЗ под затвором. Как следствие изменяется пороговое напряжение.

Влияние длины канала

; .

,

где — толщина ОПЗ под истоком;

— толщина ОПЗ под стоком;

Эффект ослабляется при уменьшении .

Следствия:

1). Зависимость . 2). Зависимость .

n-канал

р-канал

V_GS

I_D

Штриховые линии —

уменьшение L, увеличение V_DS

Влияние ширины канала

n-канал

р-канал

V_GS

I_D

Штриховые линии —

уменьшение Z

Смыкание ОПЗ стока и истока

Для понимания эффекта рассмотрим протекание тока в диэлектрике при инжекции в него носителей заряда.

Пусть в образец прямоугольного сечения длиной , инжектированы избыточные электроны. При напряжении протекает ток плотностью .

; .

Отсюда: . (1)

а) Случай слабого поля: , _n = const1. Из (1):

.

Интегрируя по y от 0 до y, при получим:

;

;

.

Отсюда: .

б) Случай сильного поля: , v_n = v_s = const. Из (1):

.

Интегрируя по y от 0 до y, при получим:

,

.

Отсюда: .

В МДП транзисторах с малой длиной канала близость ОПЗ стока и истока приводит к их смыканию при увеличении до

l_S

l_D

y

I_D

n⁺

n⁺

Е

x_j

l_S

р

l_D

х

а)

E_c (0, у)

V_DS

V_pinch

в)

V_pinch

а – форма ОПЗ; б – зависимость Е_с(0, у);

в - выходная ВАХ.

V_DS

y

б)

0 L

В режиме смыкания () электроны, инжектированные из истока, подхватываются полем в ОПЗ стока, которая является для них потенциальной ямой. К основному току канала добавляется ток инжектированных в подложку носителей , ограниченный пространственным зарядом.

где — торцевая площадь n⁺- истока (рис. 9.6а). В общем случае

.

Ток стока резко возрастает при .

Условие смыкания:

. ;

;

.

Для повышения напряжения смыкания следует уменьшать толщину п⁺-областей и увеличивать концентрацию примеси в подложке N.

11. Структуры МДПТ

предусмотрены меры для обеспечения следующих характеристик:

1) малая длины канала;

2) малые паразитные сопротивления пассивных областей стока и истока;

3) малые емкости затвор-исток, затвор-сток;

4) малое сопротивления затвора;

5) приемлемое значение коэффициента усиления по напряжению;

6) приемлемое значение напряжения смыкания;

7) требуемое пороговое напряжение.

1. Длина канала: 0,12 – 0,2 мкм в промышленных изделиях,

15 нм а в лабораторных образцах.

Обеспечивается операциями самосовмещения.

п⁺-области стока и истока — ионное легирование. Малое боковое расширение этих областей в сторону канала обеспечивается их 2-слойной структурой.

L определяется расстоянием между тонкими п⁺-слоями (extended spaces). Доноры с малым коэффициентом диффузии (As). Маска — затвор.

Для уменьшения бокового расширения тонких п⁺-слоев в сторону канала перед их формированием боковые поверхности затвора покрываются тонкими защитными вертикальные SiO₂ — Thin Spacer.

2. Сопротивления пассивных областей стока и истока снижаются за счет использования толстых п⁺-областей . Доноры с высоким коэффициентом диффузии (Р). Внутренние границы этих областей должны быть расположены как можно ближе к затвору. Это достигается использованием толстых вертикальные слоев SiO₂ (Thick Spacer) — ограничивающие маски при создании п⁺-областей. Их толщина примерно равна толщине п⁺-областей. При этом внутренние границы п⁺-областей автоматически расположенны вблизи границы между тонкими и толстыми спейсерами.

3. Эти меры обеспечивают также минимальные значения емкостей затвор-исток, затвор-сток, поскольку технология самосовмещения до минимума снижает размеры областей перекрытия канала с электродами стока и истока.

4. Малая величина сопротивления затвора обеспечивается использованием в качестве материала затвора сильнолегированного поликремния, на который сверху нанесен металлический слой. Ток в электроде затвора (ток смещения через емкости затвор-исток, затвор-сток) протекает в поперечном направлении. Поэтому — при малой длине канала может быть значительным. Транзисторы с большой шириной канала выполняются в виде параллельно соединенных секций.

5. Для повышения коэффициента усиления по напряжению необходимо уменьшать значение . Минимальное значение d ограничено его диэлектрической прочностью, возможностью образования сквозных дефектов (пор), а также возможностью протекания туннельного тока.

Оновной диэлектрик — SiO₂ (простота получения, высокая термостабильность и надежность, малые утечки, малый встроенный заряд, низкая плотность поверхностных состояний). Исследуется возможность использования N/O, ZrO₂, HfO₂ ( на порядок выше).

В промышленных изделиях d > 10 нм.

В лабораторных образцах d ~ 1 нм.

При этом рабочие напряжения не должны превышать 1,5…2 В.

Для уменьшения толщины ОПЗ следует повышать степень легирования подложки. Достаточно повышать степень легирования поверхностного слоя подложки.

6. Напряжение смыкания повышается при уменьшении толщины п⁺-областей стока и истока, примыкающих к каналу. Это достигается использованием мелких расширенных п⁺-областей стока и истока. При этом смыкание ОПЗ скока и истока происходит в толще полупроводника при существенно повышенном напряжении V_DS.

Напряжение смыкания увеличивается при уменьшении толщины ОПЗ под стоком и истоком, т.е. при повышении концентрации примеси в подложке. Достаточно повысить степень легирования в тонком слое под каналом (рис. а). Такой р⁺- подслой повышает емкости . Лучше создавать р⁺-области лишь в областях, прилегающих к стоку и истоку (гало, рис. б).

а) б)

Структуры р-канальных МДПТ имеют такой же вид; в качестве подложки п-типа используются специально сформированные «карманы».

Современные субмикронные МДПТ имеют предельную частоту до 50…25 ГГц (п- и р-канал соответственно). В лабораторных образцах достигнуты значения более 150 ГГц (при рабочих напряжениях 1,5 В).

Весьма перспективны МДПТ «кремний на изоляторе» (КНИ, SOI).

Главная цель —снижение паразитных емкостей на подложку.

При малой толщине полупроводникового слоя (Si на рис. а) в рабочем режиме он полностью перекрыт ОПЗ.

При малой длине канала температура электронов при рабочих напряжениях сток-исток может быть более 3000 К (0,3 эВ). В этих условиях толщина канала сравнима с толщиной диэлектрика. Эффективная толщина диэлектрика увеличивается, что снижает крутизну ВАХ и коэффициент усиления по напряжению. Диэлектрический слой ограничивает толщину канала и нейтрализует этот эффект.