4.5. Короткоканальные эффекты в моп транзисторах и электростатическое качество

В идеале конфигурация МОПТ должна обеспечивать полный контроль заряда в канале зарядом на затворе. В значительной степени это определяется геометрической конфигурацией транзистора. Для того чтобы охарактеризовать степень идеальности транзистора, часто используют понятие электростатического качества (electrostatic integrity). Электростатическое качество выражается в степени выполнения двух следующих требований:

1) каждый заряд на затворе индуцирует заряд в канале;

2) заряд в стоке не должен влиять на заряд в канале.

В реальных транзисторах с любой технологической нормой эти требования не выполняются в полной мере. Этому мешают следующие факторы:

1) Заряд в обедненной области и на поверхностных состояниях. Для транзисторов, изготовленных по объемной технологии, заряд обедненного слоя устранить невозможно, поскольку он является фактором, обеспечивающим необходимую электростатику;

2) Геометрический фактор. Для коротких и узких каналов существенную роль начинают играть краевые эффекты. Часть силовых линий от затвора уходит на края и/или на другие электроды. В этом случае количество заряда в канале и, соответственно, пороговое напряжение становятся глобальной характеристикой всего транзистора и зависит, в частности, от длины канала и конфигурации стока. Особенно существенны такие эффекты в современных наноразмерных транзисторах, в которых все более значительной становится роль краевых эффектов.

Геометрические эффекты порогового напряжения (короткоканальный и узкоканальный эффекты), эффект прокола, а также эффект влияния напряжения на стоке V_DS на эффективное значение порогового напряжения (DIBL-эффект), достаточно полно описаны в литературе (см., например, [1]). Отметим здесь только наиболее важные результаты.

Пороговое напряжение уменьшается с уменьшением длины канала. Способы борьбы с эффектом спада порога состоят, во-первых, в формировании более тонких слоев pn-перехода (уменьшения r_j); во-вторых, в уменьшении толщины обедненной области x_d. И то, и другое достигается за счет увеличения концентрации легирующей примеси в подложке в районе канала или у стока (истока). Заметим однако, что при уменьшении длины канала пороговое напряжение может и возрастать вследствие обратного короткоканального эффекта (Reverse Short-Channel Effect − RSCE), вызываемого перераспределением примеси в области канала из-за нестационарной ускоренной диффузии примеси.

Эффекты узкого канала определяются способами боковой изоляции транзисторов. Основными технологиями боковой изоляции являются локальное окисление кремния (LOCOS) и изоляция мелкими канавками (STI). Технология STI является более современной (одновременно и более сложной, и дорогой) и практически доминирует при нормах проектирования менее 250нм. Эти технологии могут иметь противоположные зависимости величины порогового напряжения от ширины канала. Для технологии LOCOS характерен так называемый «птичий клюв». Поэтому на краях полевого окисла образуются паразитные области обеднения. Это приводит к увеличению порогового напряжения с уменьшением ширины канала W. В этом случае говорят о «нормальном» эффекте узкого канала. Для боковой изоляции мелкими канавками скорее характерен «обратный» эффект узкого канала – уменьшение порогового напряжения с уменьшением ширины канала (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Типичные зависимости порогового напряжения от ширины канала для технологий боковой изоляции LOCOS и STI

В этом случае вследствие двумерности электрических полей, окантовывающих затвор, формирование инверсионного слоя на краях затвора происходит при более низких напряжениях затвора, чем в его центре. В результате пороговое напряжение транзистора снижается.

Индуцированное стоком понижение барьера (DIBL) обусловлено тем, что при приложении напряжения на сток часть силовых линий от заряда в стоке оканчивается в области канала и индуцирует дополнительный заряд в канале. Этот эффект эквивалентен тому, что потенциальный барьер между стоком и истоком управляется не только затвором, но и стоком. Сток начинает играть роль паразитного затвора. Эффект DIBL становится заметным при длине канала L < 0,5 мкм.

Главным следствием DIBL-эффекта является то, что токи в подпороговой области начинают сильно зависеть от напряжения на стоке. Соответственно, статические токи утечки через закрытый транзистор становятся нестабильными (возрастают). Для приборов, работающих в режиме насыщения, DIBL-эффект определяет выходное сопротивление. DIBL-эффект подавляется, а электростатическое качество МОПТ улучшается, если уменьшается отношение толщины подзатворного окисла к длине канала d_ox/L и глубина залегания рп-перехода стока и истока , а также увеличивается уровень легирования подложки N_A.

Среди эффектов короткого канала отметим также эффект паразитного биполярного транзистора. Структура МОП транзистора (исток – подложка– сток) имеет большое сходство со структурой биполярного транзистора (эмиттер – база – 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. 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. Кроме того, увеличение потенциала подложки эквивалентно подаче положительного смещения подложка-исток и приводит к уменьшению порогового напряжения. Это увеличивает ток стока, размножение носителей и дырочный ток в подложку и т.д.