Особенности расчета U пор в узкоканальных МОП транзисторах.

КаналМОПТ считается узким, если ширина канала (расстояние между областями изолирующего окисла) имеет тот же порядок величины, что и толщина обедненной области, которую затвор индуцирует под каналом. Для типичного распределения легирующей примеси узкой может считаться ширина менее 4 мкм. Малая ширина канала может существенным образом сказываться на поведении прибора.

Прямое влияние малой ширины выражается в увеличении порогового напряжения по мере уменьшения ширины канала. В случае структуры с непогруженным изолирующим окислом увеличение порогового напряжения, происходящее по мере уменьшения ширины, может быть объяснено следующим образом. Когда край обедненной области приближается к краю прибора, происходит переход от глубокого обеднения под затвором к обедненной области под толстым окислом, имеющей малую глубину. Эта переходная область показана на рис.7. Следует отметить, что переход не является резким, как это предполагалось при выводе классического выражения для U _пор. В переходной области имеются дополнительные заряды, на которых заканчивается подзатворное поле. В случае большой ширины суммарная величина этих зарядов по отношению к заряду в остальном объеме невелика, и ею можно пренебречь. Но по мере уменьшения ширины относительная роль этих зарядов возрастает и становится существенной. Эти дополнительные заряды увеличивают суммарный заряд в объеме и приводят к росту U _пор. Кроме того, электрическая ширина канала в структурах с непогруженным изолирующим окислом может быть больше ширины, определяемой окислом, так как канал в этих структурах может заходить под защитный окисел.

В окончательном виде выражение, учитывающее влияние малой ширины, может быть получено путем добавления этого суммарного дополнительного заряда к величине объемного заряда обедненного слоя в классическое выражение для U _пор.

Рис.7 – Поперечное сечение по ширине МОПТ, на котором показаны реальная и идеальная формы обедненной области

 

Величина дополнительного заряда для каждой переходной области равна:

 

, (13)

где δ – это подгоночный параметр, учитывающий форму переходной области.

 

Учет дополнительного заряда с обеих сторон канала дает дополнительный вклад в пороговое напряжение, равный:

 

. (14)

 

Поэтому для МОПТ с узким каналом и однородным легированием пороговое напряжение равно:

 

. (15)

 

Полагая эту кривую часть области пространственного заряда цилиндрической, для полного заряда области обеднения будем иметь:

 

, a .(16)

 

Для того чтобы дополнительно увеличить пороговое напряжение в областях под толстым слоем защитного окисла, создается сильнолегированная область, называемая ограничителем канала. Во время проведения высокотемпературных технологических операций примеси, легирующие эту область, будут проникать в канал, еще больше увеличивая плотность объемного заряда в обедненных областях у боковых сторон канала. В том же направлении, что и это проникновение легирующих примесей, действуют некоторые технологические операции, приводящие к образованию клина на границе между тонким и толстым окислом. Этот клин приводит к появлению структуры, напоминающей птичий клюв и известной под этим названием. Дополнительный заряд, накопленный под этой клиновидной частью окисла, еще больше увеличивает U _пор. Кроме того, следует отметить, что «птичий клюв» увеличивает то минимальное расстояние, которое необходимо иметь между приборами, и поэтому приводит к дополнительным потерям площади кристалла.

Чтобы избавиться от потерь площади между приборами, были разработаны приборы с новой структурой изолирующего окисла. Эта структура, показанная на рис.8, называется структурой с полностью погруженным изолирующим окислом. Она не только позволяет добиться очень высокой плотности упаковки, но и по своим электрическим характеристикам отличается от структур с непогруженным и частично погруженным изолирующим окислом. На рис.8 изображены также силовые линии электрического поля под затвором. Электрод затвора перекрывает область канала и заходит за ее края. Поэтому имеет место краевой эффект: силовые линии поля в толстом окисле не идут вглубь, а заканчиваются на боковых стенках окисла. Это увеличивает концентрацию силовых линий у краев и приводит к тому, что обеднение боковых областей происходит при меньших значениях U _зи, чем в середине канала. Таким образом, в боковых участках канал возникает при меньшем напряжении затвора и, следовательно, пороговое напряжение заметно уменьшается. Это снижение U _пор, сопровождающее уменьшение ширины, получило название обратного влияния малой ширины.

 

Рис.8 – Поперечное сечение по ширине МОПТ с полностью погруженным изолирующим окислом

 

Емкость затвора обычно рассчитывается в соответствии с идеальным приближением плоского конденсатора с параллельными обкладками. Для прибора, показанного на рис.8, концентрация поля у краев, которой пренебрегают при рассмотрении идеального конденсатора, играет существенную роль и должна быть учтена при расчете емкости затвора. Моделируя суммарную емкость затвора C₃ как емкость плоской части затвора, параллельно с которой включены две емкости боковых стенок, обычно считают, что заряд на границе раздела с кремнием как тонкого, так и защитного окисла считается однородным и постоянным. Поэтому суммарная емкость затвора равна:

 

, (17)

где C_f – это емкость, связанная с полем, сконцентрированным на боковых стенках.

 

Для МОПТ с длинным и узким каналом можно показать, что:

 

, (18)

где d _и.ok – толщина изолирующего окисла,

d _ok– толщина подзатворного окисла.

 

Поэтому суммарная емкость затвора может быть выражена как

 

или (19)

 

 

где фактор F, учитывающий краевой эффект, равен

.

 

Таким образом, пороговое напряжение для n -канального МОПТ с данным узким каналом равно:

 

(20)

 

 

Образование емкости плавного, резкого и сверхрезкого p-n переходов