Вплив концентрацій домішок на параметри короткоканального

Редько С.О., к.т.н. Короткий Є.В.

МОН транзистори набули дуже широкого застосування у електроніці ще в 70-х роках ХХ століття. Вже тоді така корпорація як Intel у своїх процесорах серії 8080 і компанія Motorola у процесорах серії 6800 використовували МОН транзистори. Звісно, зараз технології ще більше ринули вперед, але основою багатьох пристроїв цифрової електроніки як і 30 років тому залишаються все ті ж напівпровідникові пристрої.

Сьогодні даний вид транзисторів найчастіше виготовляється з Кремнію (Si-у періодичній таблиці хімічних елементів), цей матеріал прийшов на зміну Германію. Навіть не зважаючи на те, що германій по всім показникам виступає кращим провідником, ніж Кремній (більша рухливість носіїв заряду, ширина забороненої зони менша тощо), але саме другий матеріал сьогодні використовується. Виробники при виборі матеріалу керуються не тільки економічними перевагами кремнію, а й тим, що пристрої, що побудовані на базі кремнію, можуть працювати при значно вищій температурі, ніж германієві пристрої (150 ̊ С проти 85 ̊ С).

У дослідженні проведеному мною буде розглядатись структура n-МОН-транзистора з коротким каналом.

Коротким називається канал довжина якого може бути порівняна з шириною p-n переходів підкладка-стік, підкладка-витік. Може бути порівняна - не означає рівна. Але канал в цьому випадку дійсно буде дуже короткий, а при певній досить низькій напрузі на стоці, p-n переходи взагалі можуть замикатися. У польових транзисторах з короткими каналами виникає ряд негативних побічних ефектів.

Основні негативні ефекти - це:

1) поява гарячих електронів;

2) сильне зниження порогової напруги відкривання.

Обидва ефекти обумовлені саме коротким каналом. Чим менше довжина каналу, тим сильніше напруженість поля в ньому при одній і тій же зовнішній напрузі. У коротких каналах через значну напруженість електричного поля електрони розганяються до дуже великої швидкості і набувають дуже велику енергію. Такі електрони називають гарячими. З одного боку, це дуже добре, тому, що збільшується струм стоку і швидше перезаряджається ємність навантаження, а значить збільшується максимальна можлива частота перемикань. З іншого боку, електрони летять не тільки уздовж каналу. Там є ще хаотична складова і тому такі гарячі, розігнані електрони можуть ударятись об підзатворний діелектрик або йти вглиб підкладки. При зіткненні з підзатворним діелектриком, енергії гарячого електрона достатньо для тунелювання крізь нього. Це збільшує струм затвора і зменшує вхідний опір. Так само це призводить до поступового руйнування структури діелеткрика. Попадання гарячих електронів в підкладку також призводить до поступового руйнування її структури. В цілому, гарячі електрони знижують надійність і час роботи транзистора, тому намагаються уникати їх появи в каналі. Так само за наявності короткого каналу, поля сусідніх p-n переходів починають потрапляти в канал і впливати на носії в ньому. Для n-канального транзистора поля його p-n переходів додатково витягають електрони з підкладки, що знижує порогову напругу. Обидві проблеми можна послабити якщо зменшити ширину p-n переходів підкладка-стік, підкладка-витік (саме ту частину ширини переходів, яка знаходиться в підкладці). Якщо просто підвищити концентрацію домішок у всій підкладці, це погіршить характеристики транзисторів (сильно збільшить порогову напругу). Тому концентрацію домішок підкладки збільшують тільки біля витоку і стоку. Для цього використовують додатковий етап іонної імплантації. Це і є HALO імплантація. LDD - Low Dopant Drain - зниження концентрації донорних домішок витоку і стоку біля кордонів каналу. Спочатку роблять області LDD, потім окремим етапом додатково легують витік і стік.

Тепер послідовно з високоле-гованим стоком включена область LDD у якої нижче концентрація домішок ніж в стоці, а значить вище опір. І на цьому додатковому опорі виділяється частина напруги стік-витік, напруженість поля в каналі знижується і гарячі електрони утворюються не так інтенсивно. Більше того, якщо зменшити концентрацію домішок в одній з областей p-n переходу, ширина p-n переходу в цій області збільшиться, а в протилежній -меншиться. Так як концентрація донорних домішок у LDD менше ніж у стоці, p-n перехід буде більше поширюватися в LDD, ніж в підкладку (в порівнянні з випадком, коли LDD б не було і підкладка напряму контактувала б з високолегованим сто-ком).

Як було сказано вище, для зменшення впливу ефектів, пов'язаних з гарячими носіями, і ефектів короткого каналу в МОН транзисторах використовуються допоміжні з'єднувальні області стоку-витоку (LDD). Ці області зменшують напруженість електричного поля в підзатворній області з боку стоку, що знижує кількість гарячих носіїв, що генеруються в цій області, і зменшують розширення області просторового заряду стоку в сторону області просторового заряду витоку при збільшенні напруги на стоці, що збільшує пробивну напругу транзисторів. Особливо актуальною ці проблеми стає для транзисторів з субмікронними розмірами. Тому режим формування LDD областей є дуже важливим етапом технологічного маршруту, за допомогою якого можна оптимізувати параметри МОН приладів. При дослідженні проводилось двомірне моделювання технологічного маршруту формування n-МОП з довжиною затвора 0.18 мкм, товщиною підзатворного діелектрика 13 нм, глибиною р-п переходів стік-кишеня і витік-кишеня - 0.18 мкм, товщиною спейсера - 0.2 мкм. В якості домішки для легування LDD області використовувався фосфор. Розрахунок електричних параметрів МОН транзисторів проводився з урахуванням впливу концентрації домішки, температури, ширини забороненої зони і електричного поля на власну концентрацію носіїв, рухливість і процеси генерації-рекомбінації. При розрахунку електричних характеристик дуже важливо правильно визначити модель перенесення носіїв. Стандартна дрейфово-дифузійна модель, яка вирішує тільки рівняння Пуассона і два рівняння безперервності для електронів і дірок, не може врахувати перенесення гарячих носіїв. Тому для моделювання МОН приладів з субмікронними розмірами необхідно використовувати квазігідродинамічну модель, яка доповнює традиційну модель трьома диференціальними рівняннями збереження енергії для електронів, дірок і решітки.На рис.1 приведена залежність струму стоку від напруги на стоці для напруг на затворі 1В, 3В і 5В.

Рис.1

Наявність слаболегованних сполучних областей стоку-витоку двояко діє на параметри МОН приладу. З одного боку вони зменшують напруженість електричного поля, а з іншого - збільшують паразитний послідовний опір стоку-витоку. Тому дуже важливо правильно підібрати дозу легування LDD областей. На рис.2 наведена залежність струму стоку від напруги на стоці при напрузі на затворі 5 В для n-МОН з різної дозою легування (1-D=5•10¹²см^-2; 2- D=1•10¹³см^-2; 3-D=5•10¹³ см^-2; 4 -1•10¹⁴ см^-2). З малюнка видно, що при збільшенні дози легування сполучних областей збільшується нахил в крутій області вольт-амперної характеристики (ВАХ), що свідчить про зменшення послідовного опору стік-витік, і зменшення пробивної напруги.

Рис.2

Що стосується пологої частини ВАХ, то збільшення струму зі збільшенням дози легування LDD пов'язане зі зменшенням довжини каналу через збільшення бічної дифузії LDD. Залежності струму підкладки від напруги на стоці при напрузі на затворі 5 В для транзисторів з різною дозою легування сполучних областей стоків- витоків наведені на рис.3(1-D=5•10¹²см^-2; 2- D=1•10¹³см^-2; 3- D=5•10¹³ см^-2; 4 -D=1•10¹⁴см^-2). З малюнка видно, що струм підкладки збільшується при збільшенні концентрації в LDD області, що свідчить про збільшення кількості гарячих носіїв при однакових режимах роботи.

Рис. 3

Оскільки описаний вид транзисторів набув дуже широкого застосування у електроніці і ринок програмного забезпечення, що дозволяє промоделювати роботу напів-провідникових пристроїв багатий, то при розробці МОН-транзистора можливо підібрати оптимальну дозу легування підзатворних областей для того, щоб забезпечити щонайкраще функціо-нування і час роботи створеного напівпровідникового пристрою.