Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
применений.
8.4. коротко канальные ЭФФЕКТЫ
С 1959 г., который можно считать "началом эры интегральных схем", до
настоящего времени характерный размер отдельного полупроводникового
прибора уменьшился по крайней мере на два порядка. Можно полагать, что
такое сокращение будет продолжаться и в обозримом будущем (рис. 1).
Однако по мере уменьшения длины канала МОП-транзистора свойства
последнего начинают резко отличаться от свойств обычных длинноканальных
приборов, рассмотренных в разд. 8.2. Эти отклонения - так называемые
короткоканальные эффекты - обусловлены существенно двумерным характером
распределения электрических полей в активной области и сравнительно
высокими абсолютными значениями напряженности полей.
Если при неизменной концентрации легирующей примеси в подложке сокращать
длину канала прибора, в конце концов она станет величиной порядка толщины
обедненных слоев р-п-переходов стока и истока. При этом распределение
потенциала в канале будет равным образом определяться поперечным полем
обусловленным напряжениями на затворе и подложке, и продольным полем ё'у,
инициированным напряжением смещения стока
48
Глава 8
транзистора. Иными словами, распределение потенциала в таком
короткоканальном приборе имеет двумерный характер, и для его описания уже
нельзя использовать приближение плавного канала, которое предполагает,
что <ВХ > &у. Двумерный характер распределения потенциала существенно
изменяет подпороговый участок характеристики прибора, обусловливает
нежелательную зависимость порогового напряжения от длины канала и
напряжений смещения на электродах, уменьшает выходное сопротивление,
препятствуя отсечке канала.
При повышенных значениях электрических полей, характерных для
короткоканальных приборов, становится важной полевая зависимость
подвижности, которая в конечном итоге приводит к насыщению дрейфовой
скорости (разд. 8.2). При еще больших полях в окрестности стокового
перехода начйнается ударная ионизация, становится существенной
дополнительная проводимость по подложке и происходит так называемое
включение паразитного биполярного транзистора. Высокие электрические поля
приводят также к разогреву носителей и соответствующей инжек-ции горячих
носителей в окисел. Такая зарядка окисла обусловливает сдвиг порога,
дрейф характеристик и ухудшение крутизны прибора.
Все перечисленные короткоканальные эффекты усложняют работу прибора и
ухудшают его рабочие характеристики. Следовательно, в практике
конструирования следует стремиться к устранению или минимизации этих
эффектов, чтобы "физически" короткоканальный прибор был "электрически"
подобен длинноканальному.
8.4.1. Подпороговые токи
На рис. 33 приведены экспериментальные передаточные (т. е. In ID от VG)
характеристики нескольких МОП-транзисторов, изготовленных по стандартной
n-канальной технологии на пластинах р-кремния с ориентацией (100). После
выращивания под-затворного окисла заданной толщины с помощью
рентгеновской литографии на пластинах формировались поликремниевые
затворы длиной от 1 до 10 мкм и одинаковой шириной 70 мкм. Переходы стока
и истока были получены имплантацией ионов мышьяка с последующим отжигом.
Глубина переходов варьировалась от 0,25 до 1,5 мкм в зависимости от
энергии имплантации и режима отжига. Для контактной металлизации был
использован алюминий.
В МОП-транзисторах, характеристики которых приведены на рис. 33, а,
толщина окисла составляла 130 А, концентрация легирующей примеси в
подложке 101й см-3, а глубина переходов 0,33 мкм. Прибор с каналом длиной
7 мкм демонстрирует типичное
МОП-транзисторы 49
Vs. В $
Рис. 33. Подпороговые характеристики МОП-транзисторов с различной длиной
канала.
а - NB = 1016 см-3; (r) " NB = юн см~а.
длинноканальное поведение. Его подпороговая характеристика не зависит от
напряжения стока, как и должно быть при VD > > 3kTlq согласно формуле
(40). В приборе с L = 3 мкм измене-ние0 немного сдвигает подпороговый
участок. Несколько больший сдвиг при изменении напряжения стока от VD =
0,5 до 1,0 В наблюдается в транзисторе с самым коротким (L =1,5 мкм)
каналом. Соответственно изменяются и пороговые напряжения VTr
50
Глава $
определенные здесь как точка (показанная на рис. 33 стрелками), в которой
/-V-зависимость начинает отклоняться от прямой линии. При увеличении VD
уменьшается также крутизна под-порогового участка (S увеличивается).
Иные характеристики имеют приборы с идентичными (за исключением
концентрации примеси в подложке NB =* 1014 см-8) параметрами (рис. 33,
б). Здесь небольшой сдвиг характеристик при изменении VD наблюдается уже
в приборе с L = 7 мкм. В МОП-транзисторе с каналом длиной 3 мкм
подпороговые токи и соответствующие 5 существенно увеличены. И наконец,
характеристики прибора с самым коротким каналом (L =1,5 мкм) кардинально
отличаются от характеристик обычных длинноканальных приборов (прибор "не
выключается"). Критерий, разграничивающий длинно- и короткоканальные
