книги / Элементы свербольших интегральных схем

у стокового конца канала. Она вызывается либо электронами, дви­ жущимися в канале при С73 > £ /пор, либо носителями, образующими предпороговый ток или ток прокола при U3 < Unор. Число носите­ лей, генерируемых вследствие ударной ионизации, пропорциональ­ но числу носителей, движущихся от истока к стоку, т. е. току ис­ тока. Ударная ионизация приводит к снижению потенциального ^барьера у истока и увеличению инжекции электронов из истока. Это в свою очередь вызывает усиление ударной ионизации и уве­ личение числа генерируемых носителей, в результате чего потен­ циальный барьер у истока еще сильнее понижается и т. д. Таким образом, возникает своеобразная положительная обратная связь между числом носителей, генерируемых за счет ударной иониза­ ции, и числом носителей, инжектируемых из истока. Это приво­ дит к резкому неуправляемому росту тока стока, т. е. к пробою.

Ударная ионизация около стока может приводить к увеличе­ нию тока инжекции из истока двумя способами. Первый заклю­ чается в том, что генерируемые около стока дырки выходят в под­ ложку и образуют ток подложки 1 (рис. 2.19). Так как подложка обычно имеет высокое удельное сопротивление, ток дырок созда­ ет на ней падение напряжения и повышается потенциал области подложки, граничащей с истоковым переходом. Это приводит к снижению потенциального барьера р-п перехода исток — подлож­ ка по всей его площади и инжекции электронов из истока в под­ ложку* (2). Так как расстояние между истоком и стоком мало, часть электронов, диффундирующих к стоку, захватывается полем •стокового р-п перехода. Этот процесс аналогичен пробою в бипо­ лярном транзисторе с общим эмиттером при большом сопротив­ лении в базовой цепи. Известно, что с увеличением этого сопро­ тивления и коэффициента усиления напряжение пробоя уменьша­ ется. Структура МДП-транзистор а аналогична структуре продоль­ ного биполярного транзистора, а короткий канал соответствует малой толщине базы, при которой коэффициент усиления может быть заметно больше единицы. Потенциальный барьер понижа-

Рис. 2.19. Токи при инжекционном пробое

Рис. 2.20. Зависимость напряжения пробоя (а) и тока подложки в предпробои- «ом режиме (б) от напряжения на затворе:

J) UJJ-O; 2) (поверхностный пробой); 3) 17д<0 (объемиый пробой)

41

ударной ионизации у стокового конца канала с ростом напряже­ ния на затворе. Если преобладает поверхностный механизм, то на участках II и III напряжение пробоя слабо зависит от напряже­ ния на подложке. Это объясняется слабой зависимостью порогово­ го напряжения от напряжения на подложке, характерной для транзисторов с коротким каналом (см. 2.1), и, значит, слабой за­ висимостью тока от напряжения на подложке. Если же преобла­ дает объемный механизм, то напряжение пробоя значительно силь­ нее возрастает при подаче напряжения на подложку. Потенциаль­ ный барьер на нижней поверхности истокового р-п перехода воз­ растает на величину, равную напряжению на подложке. На та­ кую же величину должно увеличиться падение напряжения на сопротивлении подложки за счет протекания тока через нее при пробое. Следовательно, ток подложки должен быть значительно выше (рис. 2.20,6), для чего необходимо подавать гораздо боль­ шее напряжение на сток. В реальных структурах осуществляются оба механизма; при повышении концентрации примесей в подлож­ ке или повышении напряжений на ней, очевидно, будет преобла­ дать поверхностный пробой.

На рис. 2.21,а приведены экспериментальные зависимости на­ пряжения пробоя от напряжения на затворе и длины канала. Кри­ вая 1 описывает напряжение пробоя для длинного канала (L = =48 мкм), определяемое механизмом лавинного умножения. При U3 > U „op инжекционный механизм снижает напряжение пробоя в два раза при длине канала 2,2 мкм. Экспериментальные зависи­ мости тока подложки от напряжения на стоке для разной длины канала (2.21,6) дают представление о величине тока. Напряже­ ние на затворе соответствовало максимальному току. Видно, что при L = l,4 мкм ток достигает значительной величины порядка 10-4 А при напряжении 8 В, близком к стандартному напряжению питания. При эффективном сопротивлении подложки (между р-п переходом стока и выводом подложки) порядка 1 кОм такой ток создает падение напряжения 0,1 В, что может заметно увеличить инжекцию из истока. Зависимость £/пР от напряжения на подлож­ ке в данном эксперименте оказалось слабой, что говорит о пре­ обладании поверхностного механизма пробоя. В других работах,

Рис, 2.21. Напряжение пробоя (а) и ток подложки (б) для разных напряжении и длин канала [25]

43

наоборот, считается, что преобладает объемный пробой [22]; при уменьшении длины канала до 1,2 мкм напряжение пробоя сни­ жается до 7 В. В р-канальных транзисторах инжекционный пробой отсутствует, что связано с меньшим коэффициентом ударной иони­ зации для дырок. -При этом ток подложки снижается на три по­ рядка по сравнению с током «-канальных транзисторов.

Ток подложки в предпробойной области, вызывающий инжект цию электронов из истока в подложку, крайне вреден для дина­ мических схем, так как инжектированные электроны, диффунди­ руя в область запоминающих конденсаторов, разряжают их, что приводит к потере информации. Поэтому напряжение на стоке транзисторов должно выбираться существенно меньше напряже­ ния пробоя, либо длина канала не должна быть слишком малой. Это является серьезным ограничением при снижении длины ка­ нала.

2.3.3. ИНЖЕКЦИЯ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ В ОКИСЕЛ

Сильные электрические поля, существующие в канале, могут вызвать инжекцию горячих электронов в диэлектрик вблизи стока [27, 28]. Это электроны, выходящие из области истока (существу­ ющие не только при U3> Unор, но и в предпороговой области, в ча­ стности, при U3= 0), а также электроны, возникающие вследствие тепловой генерации в обедненном слое под затвором вблизи стока. В сильном поле некоторые из них, имеющие большую длину сво­ бодного пробега, могут приобретать энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе кремний — оки­ сел, проникать в диэлектрик и захватываться ловушками, изменяя заряд в диэлектрике. Это приводит к изменению (увеличению) по­ рогового напряжения и его нестабильности. В [27] отмечается, что для предотвращения описанного эффекта необходимо, чтобы напряжение на стоке не превышало половины пробивного напря­ жения. В общем случае нестабильность, обусловленная инжекци­ ей горячих электронов в диэлектрик, зависит не только от напря­ жения на стоке, но и напряжений на затворе и подложке, тока стока, тока утечки р-п переходов, концентрации ловушек в окисле- и сечения захвата электронов ловушками, которое зависит от за­ ряда ловушки [28]. Электронно-лучевая и плазменная обработ­ ка пластин, характерная для технологии СБИС, может увеличи­ вать число ловушек в окисле.

Вопросам теоретического анализа генерации горячих электронов и их ин­ жекции в окисел посвящено большое число работ (см., например, [30]). Рас­ смотрение этой теории выходит за рамки данной книги. Укажем только, что инжекцию электронов в окисел можно рассматривать как термоэлектронную эмиссию нагретого электронного газа (с эффективной температурой Тв) черев потенциальный барьер на границе раздела кремний — окисел. Она происходит в режиме насыщения у стокового конца канала там, где максимальна напря­ женность электрического поля. Ток инжекции пропорционален току канала*

44

Рис. 2.25. Структура транзистора с коротким каналом

слаболегированной подложки, а для повышения напряжения про­ кола и ослабления зависимости Unop(Uc, L) под затвором созда­ ется слой 2 p-типа с повышенной концентрацией примесей. Ем­ кости р-п переходов при этом увеличиваются очень слабо. Толщи­ на слоя 2 не должна быть больше, чем толщина обедненного слоя под затвором, иначе возрастет влияние подложки на параметры транзисторов и емкость затвора. Ее нецелесообразно выбирать боль­ ше толщины областей /, так как это приведет к росту емкостей (за счет увеличения емкостей на нижних поверхностях областей /). С другой стороны, при очень тонком слое 2 возможен прокол в слаболегированной подложке. Оптимальная толщина слоя 2 со­ ответствует его полному обеднению, когда напряжение на затворе равно пороговому. Вопросы оптимизации толщины слоя 2, кон­ центрации примесей в нем, глубина залегания р-п переходов рас­ смотрены в [27]. Концентрация примесей в слое 2 определяет и по­ роговое напряжение транзистора. Однако трудно с помощью од­ ной операции ионного легирования получить и заданное порого­ вое напряжение, и максимальное напряжение прокола и минималь­ ные емкости. Поэтому лучший результат получают от двойного ионного легирования: одно, более глубокое легирование формиру­ ет слой 2 и дает оптимальную структуру с точки зрения прокола, ослабления зависимостей [/Пор(Х, С/с) и снижения емкостей, а дру­ гое, мелкое, — задает пороговое напряжение транзистора.

Для получения минимальной емкости перекрытия затвор — ис­ ток и затвор — сток необходимо применять поликремниевые самосовмещенные затворы. Относительно толстые и сильнолегирован­ ные области 3 обеспечивают малое сопротивление истока- и стока

ипозволяют выполнять контакты к ним.

Врассматриваемой структуре создание дополнительных обла­ стей 1 ведет к увеличению размеров, особенно, если для их вы­ полнения использовать дополнительную операцию фотолитогра­ фии. В этом случае длина областей 1 определяется разрешающей способностью фотолитографии и получается не менее, чем длина канала. Применяя методы самосовмещения, можно избежать до­ полнительной фотолитографии и сделать длину областей 1 значи­ тельно меньше длины канала. Для уменьшения размеров обла­ стей 3 целесообразно выполнять самосовмещенные контакты, ког-

48

защищенных мест и ионного внедрения мышьяка (£ = 5 0 кэВ„ Мл=6-1015 см-2) получают структуру рис. 2.26,6. Края ионнолеги­ рованных областей 9 совпадают с краями маски нитрида кремния 6, края поликремниевого затвора 6 не совпадают с краями маски из-за произведенного травления поликремния. При последующем

2.26,г), края которых определяются маской нитрида кремния 8 и окисла 7. Далее удаляют нитрид кремния, наносят алюминиевую металлизацию, формируют контакты и проводники и получают окончательную структуру (рис. 2.26,6).

Контакты получаются самосовмещенными — края контактных отверстий совпадают с краями областей 3. Длина областей 1 око­ ло 0,2 мкм и гораздо меньше разрешающей способности использу­ емой фотолитографии (2 мкм); эффективная длина канала поряд­ ка 1 мкм. Описанная технология позволяет получить транзистор малых размеров даже при относительно плохой разрешающей способности фотолитографии. Если она составляет 2 мкм, то воз­ можно создание однотранзисторного запоминающего элемента площадью 24 мкм2 (6 литографических квадратов) и СБИС ЗУПБ информационной емкостью 1 Мбит на кристалле размером 6X4 мм [п ].

В [11] также описана и исследована структура без самосовмещвнных кон­ тактов, имеющая следующие параметры: 6=4,5 нм, Xj=0,5 мкм в областях Зг

от длины канала (непрерывные линии) по сравнению с обычной структурой транзистора без областей 1 (штриховая линия). При L—1 мкм исследованная структура имеет напряжения пробоя и прокола выше 12 В и полностью работо­ способна при напряжении питания 5 В, тогда как обычная структура имеет напряжения прокола ниже 5 В и пробоя около 7 В. Из рис. 2.27,6 видно, что рассматриваемая структура обладает по оравнению с обычной (штриховые кри­ вые) значительно более слабой зависимостью порогового напряжения от длины

На рис. 2.28 показано увеличение напряжения пробоя по сравнению с нап­

напряжение пробоя растет, но при этом растет сопротивление областей /, что ведет к увеличению сопротивления областей истока и стока на несколько сотен ом, а также снижению крутизны транзистора. Для обеспечения достаточно малого сопротивления при невысокой максимальной концентрации примесей в слоях 1 необходимо, чтобы распределение доноров в них было близко к равно-

50