5.9. Эффекты узкого канала и общая характеристика геометрических эффектов порога
Эффекты узкого канала определяются способами боковой изоляции транзисторов. Основными технологиями боковой изоляции являются локальное окисление кремния (LOCOS) и изоляция мелки-
ми канавками (shallow trench isolation, STI) (рис. 5.8). Технология
STI является более современной (одновременно и более сложной, и дорогой) и практически доминирует при нормах проектирования менее 250 нм.
(а) |
(б) |
Рис. 5.8. Основные виды боковой изоляции современных транзисторов: (а) LOCOS, (б) STI
Эти технологии могут иметь противоположные зависимости величины порогового напряжения от ширины канала. Для технологии LOCOS характерен т.н. «птичий клюв» (рис. 5.9). Поэтому на краях полевого окисла образуется паразитные области обеднения. Это приводит к увеличению порогового напряжения с уменьшением ширины канала W. В этом случае говорят о «нормальном» эффекте узкого канала.
138
Рис. 5.9. Идеальная и реальная область контроля зарядом затвора в боковой изоляции типа LOCOS
Для боковой изоляции мелкими канавками скорее характерен «обратный» эффект узкого канала – уменьшение порогового напряжения с уменьшением ширины канала (рис. 5.10).
Рис. 5.10. Типичные зависимости порогового напряжения от ширины канала для технологий боковой изоляции LOCOS и STI
Следует «обратный» эффект узкого канала, который определяется особенностями профиля толщины изоляции на границе тонкого подзатворного и толстого окисла в STI канавке. Поэтому он не является универсальным, и для некоторых STI технологий имеет место «нормальный» эффект узкого канала.
139
5.10. Индуцированное стоком понижение барьера (DIBL)
При приложении напряжения на сток часть силовых линий от заряда в стоке оканчиваются в области канала и индуцируют дополнительный заряд в канале. Это влияние напряжения на стоке VDS на эффективное значение порогового напряжения называется
DIBL (Drain Induced Barrier Lowering). Этот эффект эквивалентен тому, что потенциальный барьер между стоком и истоком контролируется не только затвором, но и стоком (рис. 5.11).
Рис. 5.11. Понижение барьера между стоком и истоком, индуцированное напряжением на стоке (DIBL)
Чем больше VDS , тем больше положительный заряд в стоке ин-
дуцирует отрицательный заряд в канале, тем меньше пороговое напряжение. Поле стока начинает понижать барьер между стоком и истоком (DIBL). Сток начинает играть роль паразитного затвора. Эффект DIBL становится заметным при длине канала L < 0.5 мкм.
Зависимость порогового напряжения от напряжения на стоке
V (V |
DS |
) V (V |
DS |
= 0)− V DIBL (L,V |
DS |
)) |
(5.10.1) |
T |
T |
T |
|
|
определяется еще и обратным смещением на подложке, и изменение порогового напряжения из-за DIBL-эффекта можно оценить по эмпирической формуле
V DIBL (L,V |
DS |
) a |
V |
const (2ϕ |
F |
+V )1/ 2V |
DS |
, (5.10.2) |
T |
|
DIBL DS |
L2 |
SB |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
где эмпирическая константа зависит от технологии.
Главным следствием эффекта DIBL является то, что токи в подпороговой области также начинают сильно зависеть от напряжения
140
на стоке. Соответственно, статические токи утечки через закрытый транзистор Ioff становятся нестабильными (возрастают).
Рис. 5.12. Влияние DIBL для выходных (слева) и передаточных (справа) характеристик МОПТ
Технологические способы подавления DIBL реализуются через: уменьшение толщины rj-переходов стока и истока;
уменьшение толщины подзатворного окисла dox, что улучшает электростатический контроль затвором; увеличение уровня легирования подложки.
Таким образом, DIBL подавляется, а электростатическое качество МОПТ улучшается, если уменьшается отношение толщины подзатворного окисла к длине канала dox 
L и глубина залегания pn-
перехода стока и истока rj , а также увеличивается уровень легирования подложки NA.
5.11. Паразитные токовые эффекты короткого канала
Эффекты прокола: при недостаточном легировании кремниевой подложки и малой длине канала обедненные области стока и истока при случайной локальной флуктуации количества легирующей примеси могут смыкаться, сильно понижая тем самым потенциальный барьер между стоком и истоком (рис. 5.13).
Через участки смыкания между стоком и истоком начинает течь большой ток, и этот эффект носит название прокола (punchthrough).
141
Рис. 5.13. Эффект смыкания областей пространственного заряда истока и стока
Естественный метод борьбы с проколом состоит в увеличении уровня легирования подложки, которое уменьшает толщину обедненных областей.
Эффект паразитного биполярного транзистора: структура МОП транзистора (исток – подложка (барьер) – сток) имеет большое сходство со структурой биполярного транзистора (эмиттер – база (барьер) – коллектор). Для получения биполярного эффекта в МОП транзисторе не хватает только внешнего дырочного тока в p- подложку, играющего роль тока базы.
Одним из механизмов, способных обеспечить внешний «базовый» ток и вызвать биполярный эффект в МОПТ, является ударная ионизация. В районе стока в канале образуется сильное электрическое поле, которое приводит к процессу ударной ионизации, выражающейся в генерации электронно-дырочных пар. Электроны уходят в сток, а дырки текут в контакт подложки, и за счет падения напряжения на подложке стоковый переход оказывается прямосмещенным. Потенциал подложки за счет избыточных дырок оказывается более положительным, что вызывает инжекцию электронов из истока, которые попадают в сток не через канал, а через объем подложки. Более подробно этот вопрос рассмотрен в главе 6.
142