
- •План лекции
- •7.2. Прямое туннелирование через подзатворный окисел (компонент тока i3)
- •7.3. Механизм Фаулера-Нордгейма (компонент тока i3)
- •7.4. Ток утечки через pn-переход стока i1
- •7.5 Подпороговый ток i2
- •7.6. Токи утечки стока, индуцированные затвором (gidl)
- •7.7. Использование high-k диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью
- •7.8. Проблемы использования high-k диэлектриков
- •Литература:
- •Задание для срс
- •Вопросы для самопроверки
7.6. 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 потенциалов и возникает сильное
электрическое поле в окисле. Это приводит
к тому, что в области перекрытия стока
затвором реализуется режим глубокого
обеднения (рис.7.9). Если изгиб зон на
поверхности
превысит величину ≈1,2эВ, равную ширине
запрещенной зоны кремния, возникает
режим инверсии и появляется возможность
прямого туннелирования электронов из
валентной зоны в зону проводимости
(рис.7.10).
Переход электронов из валентной зоны в зону проводимости означает генерацию электронно-дырочных пар. При этом электроны движутся к электроду стока, а дырки уходят в подложку. Рассмотренный механизм возникновения тока утечки, индуцированный напряжением на затворе, называется GIDL – эффектом (Gate Induced Leakage Current). Поскольку все дырки, генерируемые межзонным туннелированием, уходят в подложку вследствие сильного латерального поля, обогащения поверхности дырками не происходит, и сохраняется режим глубокого обеднения.
С целью решения проблемы тока утечки были изучены транзисторы с различными структурами (рис. 7.11). В структуре SD отсутствует LDD область, в структуре ТOPS затвор полностью перекрывает LDD область, в структуре LDD − частично.
Типичные подпороговые характеристики трех рассматриваемых структур представлены на рис 7.12. Наибольший интерес представляют токи при Vg = 0 (при этом Vdg = 5В). Как следует из рисунка, структура с неполным перекрытием LDD области характеризуется очень низким GIDL-током, в то время как SD структура имеет ток утечки на 3 порядка больше.
Рис.7.12 Подпороговые
ВАХ для приборных структур SD, TOPS и LDD.
Vd
= 5В, dox
=8,5нм.
Причины различия подпороговых характеристик трех рассматриваемых структур можно понять, рассмотрев квазидвумерную модель GIDL-тока.
Плотность туннельного тока, обусловленного туннелированием зона-зона очень сильно зависит от электрического поля (механизм Фаулера-Нордгейма (см. (7.3.3)). Электрическое поле ЕТ определяется векторной суммой вертикального ЕV (по оси x) и латерального ЕL (по оси y) полей:
. (7.6.1)
Вертикальное
электрическое поле в полупроводнике
на границе раздела оксид-кремний в точке
y
находится из закона Гаусса:
,
гдеQd−
заряд в обедненной области полупроводника,
y
− текущая координата в горизонтальном
направлении, отсчитываемая от края
затвора. Предполагая условие полного
обеднения, находим в точке y:
, (7.6.2)
то
есть вертикальная
составляющая электрического поля
пропорциональна
.
Из
условия равенства электрических индукций
на границе раздела окисел-кремний
находим:
, (7.6.3)
где Vox − напряжение на окисле, VFB − напряжение плоских зон, dox − толщина окисла.
Приравнивая (7.6.2) и (7.6.3), получаем:
,
(7.6.5)
где
,
,
− удельная емкость окисла.
Латеральное электрическое поле находится дифференцированием (7.6.5) по у:
.
(7.6.6)
Следовательно,
латеральное
электрическое поле пропорционально
произведению величины поверхностного
потенциала и относительного градиента
распределения легирующей примеси
в каждой точкеу
в области перекрытия стока затвором.
Из
выражений (7.6.2) и (7.6.6) следует, что (при
заданных толщине окисла и напряжения
Vdg)
на величину
электрического поля оказывают главное
влияние два фактора: концентрация
примеси в стоке и ее градиент. При
уменьшении концентрации примеси убывает
вертикальное электрическое поле. В то
же время при её увеличении существует
некоторая критическая концентрация,
при которой изгиб зон у поверхности
становится недостаточным для туннелирования
электронов (
).
Поэтому туннелирование происходит в
очень узком диапазоне концентраций
примеси.
Анализ показывает, что наименьшая величина результирующего электрического поля и наименьший GIDL-ток наблюдается в LDD структуре. Таким образом, использование LDD структуры с частичным перекрытием способно практически подавить GIDL-эффект. Однако не следует забывать, что LDD-область предназначена и для других целей, а именно подавления короткоканальных эффектов и борьбы с горячими носителями. Поэтому при оптимизации физической структуры наноэлектронных МОПТ с LDD проблемы GIDL-тока, надежность, обусловленная горячими носителями, нагрузочная способность по току, короткоканальные эффекты, а также паразитные компоненты (RS и Cgd) должны рассматриваться совместно.