Величина порогового напряжения и пути ее регулирования

Напряжение плоских зон МОП-структуры с алюминиевым и поликремниевым -типа затворами вне зависимости от типа и степени легированности полупроводника имеет отрицательное значение. Для полупроводника (подложки) р-типа инверсный n-канал на поверхности может возникнуть даже при нулевом потенциале на металлическом полевом электроде (затворе) при малой концентрации акцепторной примеси N_a в подложке и при большой величине положительного встроенного заряда в окисле. Поэтому целесообразно рассмотреть ситуации, возникающие при подаче напряжения на затвор МОП-структуры с полупроводником n-типа до пороговой величины при которой на поверхности образуется проводящий канал р-типа (рис.4.4).

Рис.4.4иллюстрирует процесс включения (создание инверсного проводящего канала) р-канального МОПТ работающего в режиме обогащения. Если к затвору не прикладывается напряжение (рис.4.4, а), то искривление энергетических зон полупроводника обусловлено зарядом накопленных электронов , вызванным разностью работы выхода металл - полупроводник и положительным зарядом в окисле . Следовательно, для достижения условия плоских зон на затворе нужно подать отрицательный заряд такой плотности, которая сможет нейтрализовать положительный заряд в окисле (рис.4.4, б), а величина напряжения плоских зон будет определяться выражением(4.13)(4.12). При дальнейшем увеличении плотности отрицательного заряда на затворе он сможет скомпенсировать положительный заряд ионизированных доноров у поверхности, оттолкнув нейтрализовавшие его электроны в глубь полупроводника (рис.4.4, в). Для реализации этой ситуации плотность отрицательного заряда на затворе должна возрасти на величину плотности заряда обедненного слоя , которая в случае равномерного легирования подложки равна

,

(4.14)

где N_n — концентрация примеси в подложке; — ширина обедненного слоя.

Проводящий канал на поверхности полупроводниковой подложки будем считать созданным, когда проводимость поверхностного слоя будет такой же, как в объеме, но обратной электропроводности. Таким образом, плотность отрицательного заряда на затворе должна увеличиться на плотность заряда канала . Заряд такой плотности сможет удерживать дырки инверсного слоя на поверхности (рис.4.4, г), обеспечивая проводимость в канале такой же, как в объеме.

Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал инверсной электропроводности с проводимостью такой же, как в объеме, называется пороговым U_пop.

Воспользовавшись законом Гаусса, величину U_пop для длинноканальных транзисторов (длина канала много больше, чем толщина обедненных областей переходов стока или истока) можно выразить через плотности зарядов, участвующих в создании инверсного канала:

,

(4.15)

где — удельная емкость затвора.

Знак "+" соответствует величине U_пop для n-канального транзистора, знак "–" — для р-канального. Раскрывая значения плотностей зарядов, входящих в выражение(4.14), и удельной емкости , величину выразим как

,

(4.16)

где — плотность поверхностных состояний, .

Выражая в (4.15) ширину обедненного слоя и подставляя вместо , получим

(4.17)

Пороговое напряжение является очень важным параметром МОП-транзисторов, поскольку с его величиной связаны скорость переключения и подпороговый ток утечки. Величина зависит от материала затвора, плотности заряда на границе раздела , толщины подзатворного окисного слоя и концентрации примеси в полупроводнике. Изменяя эти параметры, можно управлять режимом работы МОПТ.

Для р-канальных МОПТ все слагаемые правой части выражения для U_пop(4.17) берем сознаком "–" (исключение составляет при использовании - поли-кремниевого затвора), а, следовательно, получаем достаточно большую отрицательную величину порогового напряжения. Чтобы уменьшить эту величину, нужно подбирать соответствующие материалы, входящие в МОП-cтруктуру, их геометрические размеры и использовать технологические приемы, позволяющие понизить положительный заряд в окисле (применение ФСС, низкотемпературный отжиг и т.д.), а также приемы позволяющие получить бездефектный тонкий окисел .

Важную роль для подгонки порогового напряжения в производстве МОП ИС играет ионное легирование примесными атомами. Атомы примеси внедряются в область канала через затворный окисел (или с большой дозой в периферийные области кристалла ИС), изменяя величину порогового напряжения. Для типовых значений параметров (Q_пси N_a) n-канальных МОП ИС величина порогового напряжения близка к нулю, что снижает надежность работы приборов. При ионном легировании пороговое напряжение n-канального транзистора повышается в основном за счет присутствия в выражении для U_пop величины , где — удельная плотность атомов, проникающих в кремний. Эта величина входит в выражение для U_пop как прямая добавка к члену, отражающему влияние заряда в окисле. С учетом ее выражение для напряжения плоских зон (4.12)можно записать:

.

(4.18)