24

Методические указания

к проведению практических занятий по дисциплине

«Физика наноразмерных полупроводниковых структур»

Семинар 5

С5. Пороговое напряжение и профиль канала

План семинара

С5.1 Влияние работы выхода затвора

С5.2 Требования и тенденции профиля канала

С5.2.1 Неравномерное легирование

С5.2.2 Выбор порогового напряжения

С5.2.3 Дельта-легирование на поверхности ()

С5.2.4 Дельта-легирование с

С5.2.5 Контрлегирование канала

С5.2.6 Латерально неоднородное легирование канала

Литература

Задание на СРС

С5.1 Влияние работы выхода затвора

Чтобы реализовать желательное пороговое напряжение, определяемое целями проектирования, важно использовать материал затвора с подходящей работой выхода. Работа выхода затвора, , сильно влияет на пороговое напряжение МОПТ, так как она определяет напряжение плоских зон (рис.С5.1).

Для пМОПТ при заряде в окисле напряжение плоских зон и пороговое напряжение определяются выражениями

(С5.1)

(С5.2)

Для пМОПТ величина и , так что несомненно больше, чем 1В, пока не сильно отрицательно. Чтобы достичь низкого порогового напряжения (менее 1В), используется п+-поликремниевый

Рис.С5.1 Энергетическая диаграмма МДП структуры в равновесном состоянии: а – полупроводник п-типа, в – полупроводник р-типа

затвор для пМОПТ, так что . Этот результат близок к взаимному уничтожению первого и второго членов выражения (С5.2). Тогда в значительной степени определяется третьим членом, пропорциональным плотности заряда обеднения при условии . Как должен быть спроектирован профиль примеси, чтобы достичь желаемой плотности заряда обеднения и, следовательно, , обсуждается в следующих разделах.

В 1мкм и 0,5мкм поколениях технологии рМОПТ также использовался п+-поликремниевый затвор. Для рМОПТ с п+-поликремниевым затвором

.

Это означает, что − малое отрицательное число ( для кремния п-типа) и первые два члена выражения (второй член для рМОПТ) в сумме дают <(−1В) для рМОПТ. Чтобы сделать менее отрицательным, третий член в выражении должен быть положительным, что означает р-тип легирования канала для рМОПТ. Это достигается достаточно сильным легированием поверхности бором, так что тип её проводимости становится противоположен типу проводимости подложки (контрлегирование канала). Если этот поверхностный слой не полностью обеднен, возникает некоторая нейтральная область р-типа – скрытый канал, соединяющий области стока и истока (рис.С5.2). Такой прибор называется МОПТ со скрытым каналом. Напряжение затвора может изменять толщину поверхностного обедненного слоя, контролируя толщину канала и протекающий через него ток. При достаточно большом отрицательном смещении канал полностью открыт, и может возникнуть дополнительный инверсный слой (поверхностный канал), так что два канала включаются параллельно.

Рис.С5.2. Структура рМОПТ со скрытым каналом

Подвижность носителей в скрытом канале на примерно 15% выше, чем у поверхности, и, следовательно, прибор со скрытым каналом имеет несколько больший рабочий ток по сравнению с МОПТ с поверхностным каналом. Однако это преимущество перевешивается некоторыми недостатками МОПТ со скрытым каналом. Во-первых, прибор со скрытым каналом более чувствителен к ККЭ, чем прибор с поверхностным каналом. Это есть следствие контрлегирования (особенно бором) на поверхности, создающее тенденцию диффузии бора глубоко в кремний во время последующих термических циклов процесса. При масштабировании требуется меньшая величина порогового напряжения. Это требует более сильного контрлегирования канала, что неизбежно приводит к более широкому обедненному слою затвора и усугублению ККЭ. Во-вторых, раз носители в канале находятся дальше от поверхности, то они хуже контролируются напряжением затвора. Поэтому для достижения того же рабочего тока требуется большее напряжение затвора, чем в случае поверхностного канала. И наоборот, чтобы достигнуть той же самой степени выключения МОПТ требуется меньшее напряжение затвора, чем в случае поверхностного канала. Следовательно, характеристики выключения будут менее резкими, что означает, что подпороговый размах S будет больше. Большая величина S означает большой ток в закрытом состоянии, особенно при высоких напряжениях стока. Поэтому МОПТ со скрытым каналом в современных технологиях не используются. Для КМОП логических технологий с длиной канала 0,25мкм и меньше используются дуальные поликремниевые затворы (п+-поликремниевый затвор для пМОПТ и р+-поликремниевый затвор для рМОПТ), так что оба типа приборов имеют поверхностный канал.

Проводились многочисленные исследовательские работы по использованию металлических затворов с работой выхода, отсчитываемой от середины запрещенной зоны кремния (midgap work function). Преимущества: высокая проводимость затвора, отсутствие эффекта обеднения поликремния и простота использования одного и того же материала для п- и рМОПТ. Затвор с midgap-работой выхода создает симметрию напряжений плоских зон (р-тип) для пМОПТ и (п-тип) для рМОПТ. В результате величины порогового напряжения находятся в диапазоне 0,5-1,0В. Это соответствует требованиям для 1мкм и 0,5мкм технологий КМОП на рис.С4.7 (семинар 4). Добавочная выгода в том, что требуется намного меньше заряда обеднения [третий член в выражении (С5.1)], чтобы достигнуть тех же самых величин с midgap-затвором, чем с п+-поликремниевым затвором для пМОПТ. Меньший заряд обеднения означает меньшие поверхностные поля и, следовательно, более высокую подвижность. В действительности, однако, никакой материал для midgap-затвора не используется в продукции СБИС вследствие технологических проблем совместимости материала затвора с тонким подзатворным окислом. Как только КМОП технология масштабировалась до 0,25 мкм и ниже, потребовалась величина (рис.С4.7), которую трудно достичь с midgap-затвором.

С5.2 Требования и тенденции профиля канала

Как обсуждалось выше, для пМОПТ с п+-поликремниевым затвором (и р+-поликремниевым затвором для рМОПТ) первый и второй члены в выражении (С5.1) по существу взаимно уничтожаются, и в основном определяется членом с зарядом обеднения. Для равномерно легированного канала при условии максимальная толщина обедненного слоя

(С5.3)

и член с зарядом обеднения в выражении для порогового напряжения

, (С5.4)

связаны через параметр и, следовательно, не могут изменяться независимо (для данной толщины окисла ). Ранее мы обсуждали, что для того, чтобы контролировать ККЭ, величина должна быть порядка . Концентрация примеси, которая соответствует этому требованию, и одновременно обеспечивает желаемое пороговое напряжение, удовлетворяющее требования подзатворного и рабочего токов, не может быть реализована на практике. Действительно, полагая величину =1нм, , при m =1,4, получаем из (С5.3):

.

Для данного необходимо использовать неравномерный профиль легирования, чтобы создать плотность заряда обеднения, требуемую для получения желаемого . Неравномерный профиль легирования дает проектировщикам прибора дополнительную степень свободы для подгонки профиля, соединяющего требования ККЭ и порога. Такая оптимизация возможна с помощью технологии ионного легирования.

С5.2.1 Неравномерное легирование

Математически поверхностный потенциал, электрическое поле и пороговое напряжение для случая неравномерного легирования могут быть найдены из решения уравнения Пуассона в предположении полного обеднения. Для неравномерно легированного профиля примеси р-типа с осью х, направленной нормально к поверхности и началом координат на поверхности, электрическое поле получается интегрированием уравнения Пуассона (пренебрегая зарядом подвижных носителей в обедненной области):

, (С5.5)

где − толщина обедненного слоя. Интегрируя ещё раз, получаем поверхностный потенциал

. (С5.6)

Интегрируя по частям, получаем

(С5.7)

Интеграл от равен центру масс функции внутри интервала (0,W_d) интеграла от .

Максимальная толщина обедненного слоя (длинный канал) определяется условием , когда :

− (С5.8)

интеграл, управляющий величиной порогового напряжения, и

− (С5.9)

интеграл, управляющий величиной .

Таким образом, пороговое напряжение неравномерно легированного МОПТ определяется двумя интегралами: плотность заряда обеднения (С5.8) и центр масс функции внутри интервала (0,W_d) (С5.9).

С5.2.2 Выбор порогового напряжения

Рис. С5.3. Проходная характеристика МОПТ

Выбор порогового напряжения определяется:

1. Наибольшим допустимым подпороговым током

2. Наименьшим рабочим током , обеспечивающим системные требования.

3. Наименьшим напряжением питания , обеспечивающим необходимую величину

Соотношение между и определяется типом схемы. Например, для быстродействующих схем (high-performance logic – HP) ITRS 2008 устанавливала следующие параметры прибора:

1. Физическая длина затвора 22нм,

2. Эквивалентная электрическая толщина окисла 1,21 нм,

3. Напряжение питания ,

4. Подпороговый ток ,

5. Рабочий ток

6. Пороговое напряжение

.

Для маломощных схем (low standby logic – LSP):

1. Физическая длина затвора 37нм,

2. Эквивалентная электрическая толщина окисла 1,93 нм,

3. Напряжение питания ,

4. Подпороговый ток ,

5. Рабочий ток

6. Пороговое напряжение

.

Рассмотрим, каким образом профиль легирования канала влияет на пороговое напряжение. Начнем с рассмотрения равномерного профиля со ступенчатым изменением концентрации примеси (рис. С5.4).

Из решения уравнения Пуассона

при пороговом напряжении на затворе следует

, , и .

,

Рис. С5.4 Распределение плотности заряда (а) и электрического поля (б) для двух равномерных профилей примеси в подложке.

Таким образом, при равномерном профиле легирования:

1) Концентрация примеси определяет и .

2) При уменьшении концентрации примеси растет и уменьшается .

3) практически нечувствительно к .

Как было установлено на семинаре 4, величина контролирует ККЭ. Необходимо, чтобы

.

Величина контролирует пороговое напряжение. Для пМОПТ:

,

где

Обе величины, и , определяются концентрацией примеси:

,

Выводы:

1. Высокая концентрация дает малую величину и хороший контроль ККЭ, но пороговое напряжение может быть слишком велико.

2. Желательно управлять и независимо.

3. Решение – неоднородное легирование.