10.5. Токи утечки через pn-переход стока
Если подложка легирована слабо, то при обратном смещении в pn-переходе сток-подложка течет обратный ток. Для того чтобы уменьшить обратный ток pn-перехода сток-подложка, нужно увеличивать легирование подложки. В этом случае обе стороны pn- перехода сток-подложка становятся сильнолегированными и при приложении на переход обратного смещения создаются условия для прямого туннелирования между валентной зоной стока и зоной проводимости p-подложки, как это имеет место в диоде Зенера
(рис. 10.7).
Рис. 10.7. Зонная диаграмма, иллюстрирующая происхождение туннельного тока зона-зона в обратносмещенном переходе сток-подложка
Выражение для плотности туннельного тока зона-зона имеет вид
|
2mq3 |
|
Emax Vapp |
|
|
4 2m E3 / 2 |
|
(10.5.1) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
Jb−b = 4π h2 |
|
E1/ 2 |
exp |
− |
3q h |
|
E |
max |
, |
||
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
где Vbi – встроенный потенциал pn-перехода, Emax – максимальное значение электрического поля в pn-переходе, которое для резкого pn-перехода с уровнями легирования по обе стороны N A и ND имеет вид
Emax = |
2qN A ND (Vapp +Vbi ) |
, |
(10.5.2) |
|
εS (N A + ND ) |
||||
|
|
|
где Vapp – приложенное обратное смещение между стоком и подложкой (здесь Vapp =VDS ).
234
Туннельный ток утечки через обратносмещенный pn-переход стока ставит верхний предел легирования подложки ~ 1018 см-3.
10.6. Токи утечки стока, индуцированные затвором (GIDL)
Эффективная туннельная проницаемость подзатворного окисла сильно зависит от величины электрического поля в окисле. Максимальное электрическое поле в окисле сосредоточено в области между затвором и стоком, поскольку в этой области максимальна разность потенциалов между двумя электродами.
Рассмотрим случай сильного смещения на стоке VDS(~VDD) >> VT и смещения на затворе меньше порогового VGS(~0)< VT. При этом между затвором и стоком появляется большая (порядка напряжения питания VDD ) разность потенциала, соответствующая аккумуляции основных носителей. На границе раздела образуется обогащенный дырками слой, что эквивалентно тонкой сильнолегированной p-области. Поэтому обедненный слой на поверхности сильно утончается, электрическое поле в этом месте увеличивается, что создает условия для туннелирования электронов из валентной зоны у края канала в зону проводимости стока, что эквивалентно случаю, рассмотренному в предыдущем пунк-
те (рис. 10.8).
Поскольку туннельный ток зона-зона сильно зависит от максимального электрического поля, которое определяется затворным смещением, то этот механизм часто называют утечками, вызван-
ными затворным смещением (gate induced leakage current, GIDL).
235
Рис. 10.8. Зонная диаграмма, иллюстрирующая туннелирование между двумя зонами (в т.ч. с участием примесных уровней в запрещенной зоне кремния), приводящее к образованию туннельных токов утечек, индуцированных затвором (GIDL)
Ток GIDL – это межзонный ток в обратносмещенном эффективном диоде в районе стока. Одна сторона диода – n+-область стока, а p+-область формирует индуцированная затвором область обогащения в канале. Эффективный диод обратно смещен напряжением, приложенным между стоком и истоком VDS. Поэтому GIDL заметен только когда VGS <VT и большое VDS (рис. 10.9).
Рис. 10.9. Передаточные логарифмические ВАХ n-МОПТ для малых (нижняя кривая) и больших (верхняя кривая) электрических смещениях сток-исток VDS . На кривых хорошо видны GIDL и DIBL эффекты
Этот механизм также очень чувствителен к флуктуациям толщины окисла и становится особенно важным для так называемых скрытых (заглубленных) каналов.
236
10.7. Использование «high-K» диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью
Как указывалось выше, туннельный ток утечки через окисел очень сильно растет с уменьшением его толщины (см. пп. 10.3, 10.4). В качестве допустимого уровня плотности туннельного тока через подзатворный изолятор часто считается довольно большая величина 1 A/см2. Если выбрать в качестве критерия допустимости (IG(off)/ID(off) < 0.1), то минимальной возможной физической толщиной подзатворного окисла оказывается величина ~ 1.1 нм.
Экспериментально установлено, что в n-МОПТ (LG = 45 нм) ток
воткрытом состоянии начинает деградировать при толщине окисла
~1.3 нм, в то время как в p-МОПТ подобный эффект наблюдается
при dox ~ 1.2 нм. Уменьшение неоднородности по толщине подзатворного окисла и использование нитридированного окисла может уменьшить эту его толщину еще на 0.1-0.2 нм, т.е. незначительно. Толщина окисла в 90 нм технологии Intel составляет 1.2 нм – это всего 4 атомных слоя решетки окисла кремния.
Сдругой стороны, быстродействие транзистора пропорционально максимальному рабочему току (drive current) и емкости подзатворного окисла (см. главу 2)
fmax Imax Cgate εi dox . |
(10. 7.1) |
Таким образом, увеличивая быстродействие за счет уменьшения толщины подзатворного изолятора, мы неминуемо увеличиваем туннельные токи утечки.
Решение состоит в использовании в качестве подзатворных изоляторов диэлектриков с большими значениями диэлектрической проницаемости окисла кремния εi > εi (SiO2) 4. Класс диэлек-
триков с высоким значением диэлектрической проницаемости для краткости будем именовать международным термином «high-K диэлектрики». Идея состоит в том, что при равной удельной емкости high-K диэлектрики гораздо толще и, соответственно, имеют существенно более низкие уровни туннельных токов утечки. Для характеризации диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью часто рассматривают “электрически эквивалентную толщину” в противоположность физической толщине изолятора dox (см. (3.21.4))
237