Области истока, стока и контакты к «карманам»

Для снижения эффектов ударной ионизации и разогрева носителей в канале МОП - транзистора применяют сложные профили легирования истока - стока. Снижение поля в канале и смещение максимума горизонтального поля от границы в подложку достигается введением в сток-исток расширенной слаболегированной области с заглубленным максимумом концентраци, (см. рис.12.1). В английском языке область SDE – Source-Drain Extension. Контактные области стока-истока отодвинуты от затвора. В английском языке область CSD – Contact Source-Drain. Глубина металлургической границы p–n- перехода в области SDE – от 20 до 30 % длины затвора. Концентрация выбирается минимальной при условии, что поле в промежутке затвор-сток не обедняет SDE-область. Глубина металлургической границы p–n- перехода в области CDE – от 40 до 70 % длины затвора. Легируется область CSD до предела растворимости.

Для уменьшения глубины p–n - переходов при имплантации в n ⁺- области часто используется мышьяк; при имплантации в p ⁺- области применяются молекулярные ионы BF₂⁺. Молекулы BF₂ диссоциируют в кремнии, а бор активируется в кристаллической решетке. Атомы фтора в кремнии расположены в междоузлиях и электрически неактивны. Однако при проникновении фтора в окисел кремния его маскирующие свойства резко ухудшаются. В частности коэффициент диффузии бора может возрастать в 100 раз. Фтор замещает кислород в окисле кремния. Свободный кислород диффундирует к границе окисла с кремнием и вступает в реакцию. Толщина диэлектрика при этом возрастает. Для того чтобы минимизировать размеры области SDE, используется процесс двойного самосовмещения стока-истока с затвором. На первом этапе легирования стока-истока маской для легирования области SDE служат затвор и боковая окисная изоляция. Область SDE проникает под край затвора на 10¸15 % от его длины. Далее на боковых стенках затвора формируется разделительный слой окисла – спейсер. Для этого на рельеф структуры изотропно осаждается слой окисла толщиной равной толщине поликремния на затворе. Дальнейшее травление окисла ведется анизотропно до поверхности поликремния. На боковых стенках затвора остается разделительный окисел толщиной 50¸70 % от толщины затвора. Этот окисел совместно с затвором и боковой изоляцией служит маской для второго этапа легирования CSD - областей. Толщина спейсера и глубина CSD - области рассчитаны так, чтобы область с максимальной концентрацией примеси не проникала под затвор.

Термический отжиг дефектов структуры и активация примеси во всех легированных слоях проводится один раз для того, чтобы сохранить профили, полученные после имплантации.

Подзатворный диэлектрик

Подзатворный диэлектрик – самый тонкий слой транзисторной структуры. Толщина диэлектрика уменьшается в соответствии с принципом пропорциональной миниатюризации. Технически возможно формирование окисных слоев толщиной 1,5 нм. Однако практически допустимая минимальная толщина термического окисла составляет около 3,5 нм. Ниже этого предела плотность дефектов окисла возрастает до 1,0 см^-2 и более. Окисел тоньше 3,5 нм получают в комбинированном процессе: окисление, осаждение, термическое уплотнение. В комбинированном процессе дефекты в подложке не влияют на дефектность окисла. Минимальная физическая толщина комбинированного окисла – 1,6 нм. При этом эффективная толщина окисла составит 2,3 нм. Увеличение эффективной толщины окисла происходит за счет влияния обеднения носителями поликремниевого затвора и квантовомеханического эффекта распределения носителей в канале МОП - транзистора. Для эффективной толщины окисла 2,3 нм плотность туннельного тока затвора не превышает 0,5 мкА/см². Дальнейшее уменьшение толщины окисла приводит к экспоненциальному росту туннельного тока затвора. Эффективная длина затвора для окисла 1,6 нм должна быть не менее 60 нм, а физическая длина не менее – 100 нм.

Дальнейшее развитие КМОП - технологии связано с применением подзатворных диэлектриков с более высоким, чем у окисла кремния, значением диэлектрической проницаемости. Это позволяет еще уменьшить длину канала без уменьшения физической толщины диэлектрика и увеличения туннельных токов. Наиболее изученным является композитный слой SiO₂ – Si₃N₄. Тонкий термический слой SiO₂ создает качественную границу с кремнием, слой Si₃N₄, осажденный при низком давлении, снижает дефектность, туннельные токи и коэффициент диффузии бора. Диэлектрическая проницаемость нитрида кремния   (e = 7,8) позволяет при толщине композитного слоя 2 нм получить лучшие характеристики МОП - транзисторов, чем с окислом 1,6 нм. Проводятся исследования по применению других диэлектриков с большой величиной диэлектрической проницаемости.

Еще одна проблема ограничивает применение тонких окисных слоев – это достаточно высокий коэффициент диффузии бора в окисле кремния. Применение окисных слоев толщиной менее 5 нм сопровождается проникновением примеси бора из поликремния затвора сквозь диэлектрик в канал PМОП - транзистора. Диффузия бора происходит в процессе отжига дефектов и активации примеси после имплантации. Проникновение бора в канал PМОП - транзистора приводит к неконтролируемому изменению порогового напряжения и росту подпороговых токов. Снижение коэффициента диффузии бора обеспечивается нитрированием тонких окисных слоев. Термообработка слоев SiO₂ в атмосфере NH₃, N₂O или NO приводит к превращению окисного слоя в оксинитридный. Физическая толщина диэлектрика при этом возрастает на 1¸2 нм, а эффективная – на величину менее  1 нм за счет увеличения диэлектрической проницаемости.