книги / Элементы свербольших интегральных схем

Рис. 2.12. Стоковые характеристики для транзисторов с длинным (а) и корот­ ким каналами (б, в)

ток насыщения возрастает. Кроме того, ток стока может появить­ ся не только в результате повышения напряжения на затворе, но и напряжения на стоке. Например, если напряжение на затворе меньше порогового U3 <.U„ор(0), где £/пор(0)— пороговое напря­ жение для £/с=0, то при малых напряжениях на стоке транзис­ тор закрыт (нижняя кривая на рис. 2.12,6). С ростом Uс порого­ вое напряжение понижается: при £ /> £ /ci UПор<С^з и появляется ток. Таким образом, транзистор характеризуется напряжением от­ пирания по цепи стока, которое зависит от напряжения на за­ творе. Прокол в транзисторе с коротким каналом 'происходит при значительно меньшем напряжении на стоке и раньше, чем лавин­ ный пробой.

Если еще уменьшить длину канала, то прокол при низких на­ пряжениях на затворе может произойти до образования канала (рис. 2.12,в, нижняя кривая). В этом случае ток имеет другую фи­ зическую природу. Анализ показывает i[24], что его величина ог­ раничивается пространственным зарядом электронов, движущих­

ся затвором и напряжением на подлож­ ке. Это можно пояснить, рассмотрев распределение поверхностного потен­ циала между истоком и стоком. Кри­ вая 1 (рис. 2.13) соответствует U3 <С < £ /ПОр и малому напряжению на сто­ ке, когда нет прокола, т. е. обеднен­ ные слои р-п переходов истока и сто­ ка не смыкаются и между ними суще-

Рис. 2.13. Распределение поверхностного по­ тенциала в режиме лрокола

31

ствует участок с постоянным поверхностным потенциалом. С рос­ том напряжения на стоке обедненный слой'стока расширяется, смыкается с обедненным слоем истока, понижая его потенциаль­ ный барьер. Когда потенциальный барьер около истока Дсри ста­ нет достаточно малым (кривая 2), то начинается переход (инжек­ ция) электронов из истока под затвор. Для этого минимальный поверхностный потенциал должен превысить некоторое критичес­ кое значение. Очевидно, что оно должно приблизительно совпа­ дать с величиной фпор. Инжектируемые электроны сразу же попа­ дают в сильное электрическое поле обедненного слоя р-п перехода стока и быстро уносятся им. Если понизить потенциал затвора, то поверхностный потенциал между истоком и стоком также понижа­ ется (кривая 3 на рис. 2.13), высота потенциального барьера око­ ло истока увеличивается и ток прекращается. Если транзистор на­ ходится в режиме прокола (кривая 2 на рис. 2.13) и если при этом увеличить напряжение подложки при постоянном напряжении на затворе, то поверхностный потенциал в областях истока и стока

увеличится и ток прокола прекратится. Таким образом, подача от­ рицательного напряжения смещения на подложку увеличивает на­ пряжение прокола. При очень малой длине канала прокол может начаться при малых напряжениях на стоке Uс > 0 , тогда для за­ пирания транзистора необходимо подать отрицательное напряже­ ние на затвор. При больших напряжениях на затворе U3>*Un0p(0)' ток стока можно представить в виде суммы тока индуцированного канала, который зависит от напряжения (рис. 2.12,а), и тока про­ кола, причем при малых Uс преобладает первый из них, а при больших — второй. На результирующей характеристике практиче­ ски нельзя выделить крутого и пологого участка. В начальной части характеристика выпукла вверх, как и в транзисторе с длинным каналом. Таким образом, с уменьшением длины канала «пентодные» характеристики транзистора (рис. 2.12,а) постепенно пере­ ходят в «триодные» (рис. 2.12,в) , т. е. становятся подобны харак­ теристикам вакуумного триода.

Обычно прокол рассматривается как нежелательное явление. Хотя он и контролируется затвором, но увеличивает ток стока в закрытом транзисторе, т. е. является дополнительным током утечки, что сильно ухудшает параметры схем (в частности, динамических). Транзисторы с триодными характеристи­ ками имеют невысокую крутизну [24], обусловленную протеканием тока на

ния р-п переходов Xj—0,25 мкм, удельное сопротивление подложки 20 Ом*см, ионнолегированный слой p -типа под затвором (внедрение бора с энергией 20 кэВ, дозой 3-1011 см-2), толщину окисла 35 нм. При эффективной длине канала L = l,5 мкм наблюдались «пентодные» характеристики (см. рис. 2.12,а),

32

при L=0,5 мкм — характеристики, аналогичные представленным на рис. 2.12,5; при этом ток состоит из двух.составляющих — обычного тока индуцированного канала и тока прокола. Наконец, при L=0,2 мкм наблюдались триодные харак­ теристики, в которых практически весь ток обусловлен проколом. Отмечаете», что ток прокола может контролироваться затвором только при небольшой глубине залегания р-п переходов, когда он течет у поверхности.

Влияние длины канала на форму стоковых характеристик и переход «пен*

характеристики имеют «пентодный вид», а при Lfd^ 1 — «триодный». Однако при этом делалось большое число неоправданных допущений, а формулы для характеристик тем не менее получались громоздкими, мало точными и неприем­ лемыми для использования. Двумерное моделирование на ЭВМ показывает, что ток через транзистор в режиме прокола можно представить в виде суммы обычного тока индуцированного канала и тока прокола [24]. Ток прокола протекает на некотором расстоянии от поверхности и его зависимость от напря­ жения на стоке может быть аппроксимирована параболой [11, 25] без учета

параметр v характеризует влияние напряжения на затворе и по аналогии с ламповой техникой может быть назван статическим коэффициентом усиления.

2.2.5. ПРЕДПОРОГОВАЯ ОБЛАСТЬ

Характеристики транзистора в предпороговой области важны для ряда применений, где ток закрытого транзистора (ток утечки) сильно влияет на параметры схем, (например, запоминающие схемы динамического типа). Исследованию предпороговой облас­ ти посвящены работы [11, 25, 26]. Ограничимся наиболее важны­ ми выводами и приведем простейшие аппроксимации.

Эксперимент показывает, что для длинного канала предпороговая характеристика при отсутствии прокола хорошо аппрокси­

где /о, п\, « 2 — параметры аппроксимации. Экспоненциальная за­ висимость от напряжения на затворе обусловлена двумя причина­ ми. Во-первых, ток экспоненциально зависит от поверхностного потенциала; с увеличением поверхностного потенциала уменьша­ ется потенциальный барьер около истока, в результате чего воз­ растает инжекция электронов из истока. Во-вторых, в цредпороговой области поверхностный потенциал приблизительно линейно

I ... IV. Короткий начальный участок I до напряжений порядка ОД В соответствует установлению диффузионного тока и описы­ вается членом 1 — ехр(— £/с/лгфг) в (2.28). На участке II экспе­ риментальная зависимость связана с понижением порогового на­ пряжения и описывается членом exp у£/с. Из сравнения рис. 2.14,а и б видно, что для обоих длин канала ток изменяется приблизи­

напряжений на подложке и стоке исследована в [26]. При изме­ нении Uп от 0 до — 1 В ток на участке II снижался на четыре по­ рядка (L =2,l мкм), что согласуется с расчетным повышением по­

так как потенциальный барьер у истока снижается пропорцио­ нально напряжению на стоке. Зависимость тока от напряжения на затворе ослабевает (фактор П\ возрастает). Это объясняется тем, что ток прокола протекает на некотором расстоянии от по-, яерхности. Для отрицательных напряжений на затворе у поверх­ ности образуется обогащенный слой, а ток прокола протекает под ним на значительном удалении от поверхности, поэтому он прак­ тически не зависит от напряжения на затворе. В то же время на­ пряжение прокола, соответствующее переходу к участку III, силь­ но зависит от напряжения на затворе. При больших напряжени­ ях на стоке появляется неуправляемый затвором ток / 0, который не прекращается даже при больших отрицательных напряжениях на затворе, так как протекает далеко от поверхности (рис. 2.15 |[11]). При меньших напряжениях на стоке форма электрическо­ го поля изменяется, линии тока располагаются ближе к поверхно-

Рис. 2.15. Предпороговые характеристики в режиме прокола:

36

сти и ток по-прежнему экспоненциально уменьшается при пони­ жении напряжения на затворе. Напряжение на подложке сильно влияет на неуправляемый затвором ток прокола, например, при Un = —0,5 В ток снижается в 50 раз.

Для эффективного снижения неуправляемого тока прокола на­ до увеличивать концентрацию примесей на некотором расстоянии ют поверхности там, где проходят линии тока [11]. Увеличение концентрации примесей во всей подложке также снижает неуп­ равляемый ток, но при этом растут пороговое напряжение и ем­ кости р-п переходов.

При больших напряжениях на стоке в режиме прокола ток воз­ растает, наступает режим ограничения тока пространственным за­

рис. 2.14. Зависимость тока как от напряжения на затворе, так и •от напряжения на подложке слабая. Такой режим нехарактерен н недопустим для закрытого состояния транзистора. Во многих •структурах при таких же напряжениях может происходить лавин ;ный' пробой стокового перехода или так называемый «инжекционный пробой» (см. 2.3).

Таким образом, транзисторы с коротким каналом имеют зна­ чительно больший ток в предпороговом режиме, который растет ло мере уменьшения длины канала. Ток имеет две составляющие. Первая (поверхностная) экспоненциально зависит от напряжения на затворе и на стоке и может быть устранена при достаточно низком напряжении на затворе. Вторая протекает на некотором расстоянии от поверхности, обусловлена проколом и не может <5ыть полностью устранена понижением напряжения на затворе, но обращается в нуль при повышении отрицательного напряжения на подложке. Увеличение концентрации примесей в области про­ текания тока прокола за счет глубокого ионного легирования поз­ воляет устранить вторую составляющую и снижает предпороговый ток в 102 ... 105 раз.

Рассмотрим предпороговые характеристики транзисторов со структурой крем­ ний на сапфире (или кремний «а диэлектрике), созданных в тонких пленках •кремния, где происходит сквозное обеднение пленки в области канала. Тран­ зисторы имеют больший коэффициент tii, который может быть определен из (2.27). Однако с учетом дополнительной емкости быстрых состояний С'о.с на границе раздела кремний — сапфир [19]: Л1 = Н -(С 0в+Об.с+С/в.с)/Сд, где С'а.о — выражается через плотность состояний C'e.c^q^N'e.c* Так же, как и для при­ боров на кремнии, в случае длинного канала величины С/пор, « 1, л2 не зависят от напряжения на стоке, и ток стока стремится к постоянной величине (насы­

для приборов на сапфире с той же длиной канала ближе к единице, чем для •приборов на кремнии, зависимость tii(L, С/с) оказывается сильнее, так как к влияет на емкости С0в и С'в.о.

37

в [19] получены аналитические выражения для коэффициента k к величин tii и пг в зависимости от длины канала, напряжения на стоке и концентрации примесей, при аппроксимации боковых поверхностей р-л переходов цилиндри. ческими. Однако эти выражения слишком громоздки и неудобны для применения. Рассмотрим приведенные там же экспериментальные данные. На рис. 2.16 доказаны предпороговые характеристики р-канального транзистора для разной длины канала и зависимости фактора лi для приборов обоих типов от длины

»Г

снижением порогового напряжения. Коэффициент tii для р^анального тран­ зистора заметно уменьшается при L < 2 мкм; для л-канального транзистора зависимость ni от L практически отсутствует. В данной структуре это связано с неполным обеднением эпитаксиального слоя под затвором л-канального тран­ зистора, поэтому поверхностные состояния на границе раздела кремний — сап­ фир не влияют на величину tii. Для л-канального транзистора сильное влияние иа предпороговый ток оказывают краевые поверхности эпитаксиальной пленки,, ограничивающие ширину канала. Они имеют ориентацию <111> и значительно большую плотность поверхностных состояний, чем поверхность <100>, парал­ лельная плоскости пластины. Это эквивалентно параллельному включению дополнительного паразитного транзистора с меньшим пороговым напряжением и приводит к возникновению тока утечки вдоль этих поверхностей. Соответ­ ственно для л-канального транзистора емкость Сс.с оказывается больше, чем для р-канального. Именно поэтому фактор tii для л-канального транзистора получается таким же, как и для -р-канального, хотя влияние емкости С'б.с ис­ ключается. Это обусловливает также зависимость предпороговой характери­ стики и величины tii от ширины канала. При малой ширине канала величина tii

38

толщины. Так как пробивная напряженность поля в диэлектрике на порядок больше, чем в кремнии, то при относительно толстом! диэлектрике происходит пробой р-п перехода, но при уменьшении толщины диэлектрика преобладающим становится пробой диэлек­ трика.

На рис. 2.17 показана зависимость пробивного напряжения на.

ваемой структуре происходит при больших напряжениях (поряд­ ка 25 В), чем пробой р-п перехода. Это обусловлено ионнолеги­ рованным слоем с повышенной концентрацией акцепторов (Л^а= ; =4* 1016 см~3).

Напряжение лавинного пробоя не зависит от длины канала.. Для транзисторов, имеющих очень тонкий слой подзатворногаокисла, характерна деградация окисла со временем, приводящая к пробою, что сокращает срок службы и снижает надежность. На рис. 2.18 показана зависимость времени до пробоя от толщины: диэлектрика при Т—300° С и напряженности электрического поля в окисле Е=Ъ мВ/мкм [28]. Оно сильно зависит от типа затво­ ра. Для увеличения времени безотказной работы при очень ма­ лой толщине окисла (сотые доли микрометра) необходимо при­ менять поликремниевые затворы.

2.3.2. ИНЖЕКЦИОННЫЙ ПРОБОЙ

Эксперимент показывает, что для транзисторов с коротким ка­ налом напряжения пробоя оказывается меньше, чем это следу­ ет из механизма лавинного пробоя, и уменьшается с ростом на­ пряжения на затворе [25]. Кроме того, оно уменьшается при сниже­ нии длины канала. При повышении напряжения на стоке перед про­ боем был замечен рост тока истока (7 и > /с). Основной причиной пробоя является по-прежнему ударная ионизация в обедненном слое

Рис. 2.17. Напряжение пробоя диэлектрика (/) и стокового р-п перехода (2) & зависимости от толщины диэлектрика

Рис. 2.18. Среднее время безотказной работы в зависимости от толщины ди­ электрика для иоликремниевого (/) и алюминиевого (2) затворов

40