Ранее мы предполагали, что на затворе есть заряд, но нет падения потенциала. Строго говоря, это справедливо только для металлических затворов, концентрация электронов в которых ~1022 см-3. В современной микроэлектронике в качестве затвора используют не металл, а сильнолегированный поликристаллический кремний с концентрацией примеси не более . Энергетические зоны в поликремнии изгибаются, так что дополнительное падение потенциала в таком затворе может достигать значения десятков милливольт.
Падение потенциала в однородно-легированном поликремниевом затворе Vpoly оценивается по известной формуле (2.1.4) через толщину обедненной области в затворе xdG и уровень легирования затвора Npoly:
. (2.8.1)
Распределение падений напряжений (2.7.2) модифицируется следующим образом:
. (2.8.2)
Тогда выражение для полной удельной емкости МОП структуры (2.7.5) приобретает вид:
. (2.8.3)
Учет падения потенциала в затворе приводит к появлению дополнительной емкости, включенной последовательно с емкостью окисла (рис. 2.6б). В режиме сильной инверсии (когда) эффективная емкость всей МОП структуры определяется формулой:
|
|
. (2.8.4)
Таким образом, падение потенциала в материале затвора эквивалентно тому, что изолятор становится толще. ITRS рекомендует в этом случае говорить об эквивалентной электрической толщине окисла (equivalent oxide thickness electrical, EOT el):
.
Если уровень легирования затвора ~ 1020 см-3, то толщина обедненного слоя в материале затвора оказывается ~ 0,4..1,0 нм.
С учетом отношения диэлектрических проницаемостей эффективная толщина увеличивается на 0,15...0,3нм. Это существенно, поскольку современные подзатворные изоляторы имеют толщину, сопоставимую с 1 нм. Уменьшение эффективной емкости подзатворного окисла крайне нежелательно и, поэтому, разрабатываются методы борьбы с эффектом затворного обеднения:
− использование металлического затвора, который сложнее поликремниевого с технологической точки зрения;
− увеличение степени легирования затвора, например, за счет дополнительной ионной имплантации, что также приводит к усложнению и удорожанию технологии.
Литература:
1. Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектрники, М.: БИНОМ, 201, с. 54-83.
2. Парменов Ю.А. Элементы твердотельной наноэлектроники. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2011, гл. 2.
3. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. Ч.1, М., Техносфера, 2002, с. 9-128.
4. Sze S.M., Ng К.К., Physics of Semiconductor Devices, Wiley, 2007, р. 197-227.
5. Taur Y., Ning T.H., Fundamentals of Modern VLSI Device, 2009, p. 72-106.