Пороговое напряжение узкоканальных транзисторов

Канал МОПТ 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, полученной по технологии с локальным окислением кремния (LOCOS) 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.4.23. Следует отметить, что переход не является резким, как это предполагалось при выводе классического выражения дляU_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 ростуU_пор. В этом случае говорят о нормальном эффекте узкого канала.

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 дляU_пор.

Рисунок 4.23 – Поперечное сечение по ширине МОПТ, на котором показаны реальная и идеальная формы обедненной области

Величина дополнительного заряда для каждой переходной области равна:

(4.59)

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

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

(4.60)

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

(4.61)

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

, a .

(4.62)

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 увеличиваетU_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.4.24, 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.4.24 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 значенияхU_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.

Рисунок 4.24 – Поперечное сечение по ширине МОПТ с полностью погруженным изолирующим окислом

Емкость затвораобычно рассчитывается в соответствии с идеальным приближением плоского конденсатора с параллельными обкладками. Для прибора, показанного на рис.4.24, 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:

(4.63)

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

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

(4.64)

гдеd_и.ok – толщина изолирующего окисла,

d_ok– толщина подзатворного окисла.

Поэтому суммарная емкость затвора может быть выражена как

или

(4.65)

где фактор F, учитывающий краевой эффект, равен .

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

(4.66)