При этом, сильнолегированный p-слой экранирует pn-переход стока, уменьшая его толщину и улучшая электростатическое качество транзистора.

3.17. Легирование дельта-слоем

Если имплантированный сильнолегированный слой является достаточно узким, то в этом случае говорят о легировании дельтаслоем. Профиль концентрации легирующей примеси при имплантации можно аппроксимировать гауссовским распределением

где NI – полная поверхностная концентрация примеси в слое с характерной толщиной σ , находящейся на расстоянии xc от грани-

цы раздела. Если это слой тонкий (σ << xd), то гауссовскую функцию можно приближенно заменить дельта-функцией Дирака Nδ (x) NI δ(x − xc ). Тогда поверхностный потенциал приближен-

но выражается формулой

где N A – уровень легирования слаболегированной толщи подложки. Отсюда получаем толщину обедненной области в точке порога

Эта формула справедлива только для случая xc > xd (2ϕF ). При достаточно сильном легировании подложки и/или большом значении глубины залегании дельта-слоя xc электрическое поле затвора

и обедненная область не достигает дельта-слоя, и мы имеем случай однородного легирования.

87

Более интересным является случай, когда легированием подложки можно пренебречь. Электрическое поле в подложке при этом почти постоянно и все его силовые линии оканчиваются на примесях дельта-слоя (рис. 3.12). Высоколегированный слой при этом играет роль второго затвора.

изолятор Si

EC = -qϕ(x)

xC

Рис. 3.12. Профиль потенциальной энергии при дельта-легировании

Существенным преимуществом дельта-легирования является уменьшение нежелательного влияния обратного смещения на подложке на пороговое напряжение (глава 4)

Рис. 3.13. Зависимость порогового напряжения от величины обратного смещения на подложке

Равномерное увеличение уровня легирования подложки увеличивает влияние подложки, а использование дельта-легирования подавляет этот эффект (рис. 3.13).

3.18. Заряженные ловушки на и вблизи границы раздела

Граничные ловушки (дефекты) расположены точно на границе раздела либо в окисле в пределах 1-2 нм от границы раздела. Эти

88

дефекты имеют разные зарядовые состояния и способны перезаряжаться, обмениваясь носителями (электронами и дырками) с кремниевой подложкой.

Рис. 3.14. Механизмы обмена носителей:

(a) заполнение, (б) опустошение

Эти перезаряжаемые дефекты (или ловушки) «чувствуют» положение уровня Ферми в кремнии. Если уровни ловушек Et оказываются выше уровня Ферми – они заполняются электронами, если ниже – опустошаются (рис. 3.14).

Различают ловушки двух типов – акцепторные и донорные. Ловушки акцепторного типа в заполненном состоянии отрицательны (0/-), в незаполненном – нейтральны. Ловушки донорного типа положительно заряжены в пустом состоянии и нейтральны в заполненном (+/0). В любом случае при увеличении VG уровень Ферми в

кремнии опускается вниз, и ловушки начинают заполняться, т.е. они становятся более отрицательно заряженными (рис. 3.15).

Каждому потенциалу соответствует свой уровень Ферми на границе раздела и свое «равновесное» заполнение и соответствующая плотность условно положительного заряда Qt(ϕS)= q Nt(ϕS).

Для ловушек с малыми временами перезарядки быстро устанавливается равновесие с подложкой. Те ловушки, которые быстро обмениваются носителями с подложкой, называются «поверхностными состояниями» (interface traps, Nit). Те ловушки, которые не успевают обмениваться зарядом с подложкой за время измерения,

89

называются «фиксированным зарядом в окисле» (oxide traps, Not). Граница между ними условна и определяется временем развертки и температурой измерения.

VG(ϕS)

EC

ϕS

EF

EV

Nt

VFB

Рис. 3.15. Зонная диаграмма границы раздела Si-SiO2

Когда имеется зависимость плотности заряда от потенциала, всегда можно ввести соответствующую емкость Cit :

В эту формулу входит выражение для заряда на всех ловушках (быстрых и медленных), но для конечных времен развертки ts напряжения вклад в перезарядку дают только «поверхностные состояния» со временами перезарядки τr < ts . Именно поэтому эту

величину называют емкостью поверхностных состояний. Она характеризует темп уменьшения положительного заряда с ростом поверхностного потенциала и имеет размерность удельной емкости Ф/cм2. С другой стороны, удельная емкость поверхностных состояний с точностью до размерного множителя есть просто энергетическая плотность поверхностных состояний Dit , т.е. имеет раз-

мерность cм-2 эВ-1. Легко убедиться, что эти величины связаны соотношением

Типичные емкости поверхностных состояний в современных транзисторах ~1011 см-2 × эВ-2. При воздействии горячих носителей

и ионизирующих излучений плотность поверхностных состояний может вырасти до значений ~ 1012 см-2 эВ-2.

90