С5.2.5 Контрлегирование канала
Возможно ли еще
больше уменьшить поле
и,
следовательно, пороговое напряжение,
сохранив величину
?
При масштабировании
КМОП приборов до длины канала 20нм и
меньше поле так высоко и квантовые
эффекты так сильны, что даже экстремально
ретроградный профиль не может обеспечить
с п+-
и р+-кремниевыми
затворами. Кроме нахождения новых
материалов затвора с работой выхода,
отличной от работ выхода п+-
и р+-кремния,
дальнейшее уменьшение
может быть выполнено, по крайней мере
в принципе, или контрлегированием
(перелегированием) канала, или прямым
смещением подложки. Прямое смещение
подложки помогает также улучшить ККЭ,
так как оно эффективно сокращает
контактную разность потенциалов
между стоком-истоком и подложкой р-типа
в
формуле для короткоканального сдвига
порогового напряжения (если имеется
смещение, то в формуле
заменяется на
):
.
Негативная сторона − это вызывает утечки перехода истока, увеличивает емкость сток-подложка и деградирует подпороговый размах и эффект подложки.
Вместо
математического анализа контрлегирования
предположим
для профиля на рис.С5.12. Поучительно
рассмотреть графическое представление
потенциала, поля и заряда обеднения с
помощью зависимости электрического
поля от глубины, как показано на рис.
С5.16.
Рис.5.16.
Графическая интерпретация профилей
однородного легирования, экстремально
ретроградного, или ground-plane легирования,
и контрлегирования. Поверхностный
потенциал (изгиб зон) равен площади под
,
которая равна
при пороге для всех трех случаев.
При
однородном легировании
− прямая линия с отрицательным наклоном,
величина которого пропорциональна
концентрации примеси в подложке
.
Пересечение с осью х,
где
,
дает толщину обедненного слоя. Пересечение
с осью у
дает поле на поверхности
,
которое по закону Гаусса пропорционально
общему заряду обеднения на единицу
площади. Так как
,
площадь треугольника под
равна поверхностному потенциалу, или
изгибу зон
.
Когда напряжение затвора возрастает,
и
увеличиваются до тех пор, пока
ни достигнет
.
С этой точки начинается инверсия
поверхности, и толщина обедненного слоя
достигает максимальной величины. Заряд
обеднения при пороговом напряжении,
,
пропорционален точке пересечения с
вертикальной осью, или полю на
поверхностности
,
когда
.
При
экстремально ретроградном легировании,
или ground-plane-легировании,
постоянно внутри нелегированной области,
,
где нет заряда обеднения. При пороге
площадь прямоугольника для случая
ground-plane приблизительно такая же, как
площадь треугольника под
для однородного легирования, так как
очень слабая функция
и может рассматриваться как константа.
Тогда ясно, что член с зарядом обеднения
в выражении для
,
или точка пересечения (поле
)
для случая ground-plane составляют половину
от случая однородного легирования.
При
контрлегировании канала
(рис.С5.15) наклон
имеет ту же самую величину, что и при
однородном легировании, но противоположную
полярность. Толщина обедненной области
(пересечение с осью х)
и изгиб зон (площадь под
)
те же самые, что и для двух предыдущих
случаев. Но пересечение с осью у
(
)
происходит в точке 0. Это
означает, что полный заряд в кремнии
равен нулю вследствие взаимного
уничтожения заряда контрлегирования
с зарядом обеднения на краю области
обеднения.
Это позволяет получить очень низкий
.
Дальнейшее контрлегирование привело
бы в результате к
,
или к МОПТ со скрытым каналом.
Зонные диаграммы всех этих трех случаев легирования при пороге показывает рис. С5.16. Толщина обедненного слоя и величина изгиба зон одинаковы во всех трех случаях. Но поле на поверхности очень разное (наклоны), приводя к поразительно разному падению потенциала на окисле затвора.
Рис.С5.16. Зонные
диаграммы случаев однородного
легирования, ground-plane и контрлегирования
при пороге.