10. Структуры мдпт На рис. 10.1 схематически показана типовая структура короткоканального п-канального мдп транзистора.

В такой структуре предусмотрены меры для обеспечения следующих характеристик: а) малая длины канала; б) малые паразитные сопротивления пассивных областей стока и истока; в) малые емкости затвор-исток, затвор-сток; г) малое сопротивления затвора; д) приемлемое значение коэффициента усиления по напряжению; е) приемлемое значение напряжения смыкания; ж) требуемое пороговое напряжение.

Основными особенностями структуры являются следующие.

1. Длина канала может быть уменьшена до 0,12 – 0,2 мкм в промышленных изделиях, а в лабораторных образцах — до величины порядка 15 нм.

Малая длина канала обеспечивается применением операций самосовмещения при изготовлении транзистора.

Для создания п⁺-областей стока и истока применяются операции ионного легирования. Малое боковое расширение этих областей в сторону канала обеспечивается их 2-слойной их структурой. Физическая длина канала определяется расстоянием между тонкими сильнолегированными п⁺-слоями (extended spaces), для легирования которых используются доноры с малым коэффициентом диффузии (обычно мышьяк – As). При операции легирования маской служит затвор, что обеспечивает высокую воспроизводимость топологических размеров канала. Для уменьшения бокового расширения тонких п⁺-слоев в сторону канала перед их формированием боковые поверхности затвора покрываются весьма тонкими защитными вертикальные слоями диоксида кремния SiO₂ — тонкими спейсерами (Thin Spacer).

2. Сопротивления пассивных областей стока и истока снижаются за счет использования сравнительно толстых сильнолегированных п⁺-областей, для легирования которых используются доноры с высоким коэффициентом диффузии (обычно фосфор – Р). Внутренние границы этих областей должны быть расположены как можно ближе к затвору. Это достигается использованием толстых вертикальные слоев SiO₂ (Thick Spacer), которые служат ограничивающими масками при создании п⁺-областей. Толщина этих слоев выбирается примерно равной толщине формируемых п⁺-областей. При этом внутренние границы п⁺-областей автоматически оказываются расположенными вблизи границы между тонкими и толстыми спейсерами (рис. 10.1).

3. Эти меры обеспечивают также минимальные значения емкостей затвор-исток, затвор-сток, поскольку технология самосовмещения до минимума снижает размеры областей перекрытия канала с электродами стока и истока.

4. Малая величина сопротивления затвора обеспечивается использованием в качестве материала затвора сильнолегированного поликремния, на который сверху нанесен металлический слой. Ток в электроде затвора (ток смещения через емкости затвор-исток, затвор-сток) протекает в поперечном направлении (по отношению к направлению тока в канале). Поэтому сопротивление затвора пропорционально отношению ширины канала к его длине — — и при малой длине канала может быть значительным. Транзисторы с большой шириной каналавыполняются в виде параллельно соединенных секций.

5. Коэффициент усиления по напряжению снижается при уменьшении длины канала. В разделе 6 показано, что для сохранения приемлемого значения коэффициента усиления необходимо уменьшать значение параметра (— толщина ОПЗ,— эффективная толщина подзатворного диэлектрика. Наиболее эффективным является уменьшение толщины диэлектрика. Минимальное значение толщины диэлектрика ограничено его диэлектрической прочностью, возможностью образования сквозных дефектов (пор), а также возможностью протекания туннельного тока.

До настоящего времени в качестве подзотвороного диэлектрика в основном используется диоксид кремния SiO₂, обладающий непревзойденными технологическими характеристиками (простота получения, высокая термостабильность и надежность, малые утечки, малый встроенный заряд, низкая плотность поверхностных состояний). Основным недостатком этого диэлектрика является низкая диэлектрическая проницаемость (). В последнее время исследуется возможность использования диэлектриков N/O, ZrO₂, HfO₂ и некоторых других, у которых значение диэлектрической проницаемости примерно на порядок выше.

В промышленных изделиях минимальная толщина диэлектрика (SiO₂) может составлять около 10 нм. В лабораторных образцах МДПТ с субмикронным каналом эффективная толщина диэлектрика составляет менее 1 нм. При этом рабочие напряжения не должны превышать 1,5…2 В.

Для уменьшения толщины ОПЗ следует повышать степень легирования подложки. Достаточно повышать степень легирования поверхностного слоя подложки.

6. Напряжение смыкания повышается при уменьшении толщины п⁺-областей стока и истока, примыкающих к каналу (см. раздел 9). Это достигается использованием мелких расширенных п⁺-областей стока и истока. На рис. 10.1 показана форма ОПЗ при напряжении V_DS = 0 (а) и напряжении V_DS, близком к напряжению смыкания V_pinch (б). Наличие мелких расширенных п⁺-областей приводит к току, что смыкание ОПЗ скока и истока происходит в толще полупроводника при существенно повышенном напряжении V_DS.

Напряжение смыкания увеличивается при уменьшении толщины ОПЗ под стоком и истоком. Последняя уменьшается при повышении концентрации примеси в подложке. Достаточно повысить степень легирования не во всей подложке, а лишь в тонком слое под каналом, как показано на рис. 10.2а. Такой р⁺- подслой со степенью легирования ~ 10¹⁸ см^-3 повышает емкость электродов стока и истока на подложку. Для снижения этой емкости р⁺-области могут создаваться не под всем каналом, а лишь в областях, непосредственно прилегающих к стоку и истоку (гало-областях — рис. 10.2б).

Структуры р-канальных МДПТ имеют такой же вид; в качестве подложки п-типа используются специально сформированные «карманы».

Современные субмикронные МДПТ имеют предельную частоту до 50…25 ГГц (п- и р-канал соответственно). В лабораторных образцах достигнуты значения более 150 ГГц (при рабочих напряжениях1,5 В).

Весьма перспективными являются МДПТ, выполненные по технологии «кремний на изоляторе» (КНИ или SOI). Структура и энергетическая диаграма такого транзистора показаны на рис. 10.3.

Главная цель эффект, достигаемый в такой структуре, состоит в снижении паразитных емкостей транзистора на подложку.

При малой толщине полупроводникового слоя (Si на рис. 10.2а) в рабочем режим он полностью перекрыт областью пространственного заряда.

При малой длине канала температура электронов при рабочих напряжениях сток-исток может быть более 3000 К (0,3 эВ). В этих условиях толщина канала оказывается сравнимой с толщиной диэлектрика. Таким образом,эффективная толщина диэлектрика увеличивается, что приводит к снижению крутизны ВАХ и коэффициента усиления по напряжению. Диэлектрический слой ограничивает толщину канала и нейтрализует отмеченный эффект.

27