Конструктивные особенности субмикронных транзисторов LDD структуры и их влияние на эффекты короткого канала.

Наиболее распространённой конструкцией МДП-транзистора, используемой более 10 лет в полупроводниковой промышленности, является структура со слаболегированными областями стока и истока –LDD (Lightly Doped Drain) структура (рис. 21.1).

Её особенностью является наличие мелких слаболегированных областей, которые удлиняют области истока и стока в сторону канала. Концентрацию легирующей примеси в этих областях (фосфор и бор) и режим её разгонки выбирают таким образом, чтобы получить плавный n-р переход.

Контакты выполняют с помощью промежуточных слоёв силицида титана или силицида кобальта. Изоляцию между электродами выполняют с помощь т.н. спейсера из нитрида кремния.

В результате происходит снижение напряжённости электрического поля в канале на границе со стоком. Это уменьшает энергию горячих электронов, которые вызывают долговременную деградацию параметров транзистора. Слаболегированные LDD-области также повышают напряжение смыкания, инжекционного и лавинного пробоя транзистора, уменьшают эффект модуляции длины канала.

Переход металл-полупроводник. Энергетическая диаграмма перехода при различных соотношениях работы выхода электронов. Основные отличия перехода Шоттки от н-п-перехода. Использование выпрямляющего контакта металл-полупроводник для увеличения быстродействия биполярных транзисторов ИМС.

При идеальном контакте металла с полупроводником (т. е. при отсутствии каких-либо промежуточных слоев, отличающихся химическим составом, и без учета поверхностных состояний на границе раздела) происходит диффузия электронов преимуще­ственно из материала с меньшей работой выхода электронов в материал с большей работой выхода. Под работой выхода элек­тронов будем понимать энергию, необходимую для перевода электрона с уровня Ферми на потолок верхней свободной зоны (без удаления электрона в вакуум на бесконечное расстояние от поверхности полупроводника).

В результате диффузии электронов и перераспределения заря­дов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов

где Ам и Ап — соответственно работа выхода электронов из ме­талла и из полупроводника.

Переходный слой, в котором существует контактное (или диффузионное) электрическое поле и который образован в ре­зультате контакта между металлом и полупроводником, называ­ют переходом Шотки, по имени немецкого ученого В. Шотки, который первым получил основные математические соотношения для электрических характеристик переходов.

Контактное электрическое поле на переходе Шотки сосредо­точено практически только в полупроводнике, так как концентра­ция носителей заряда в металле значительно больше концентра­ции носителей заряда в полупроводнике. Перераспределение электронов в металле происходит в очень тонком слое, сравнимом с межатомным расстоянием.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и от соотношения работ выхода в полупроводнике может возникать обедненный, инверсный или обогащенный слой (рис. 2.15). Если работа выхода в металле меньше работы выхода в полупроводнике (АМ<АП), то электроны с большей вероятностью будут пере­ходить из металла в полупроводник. Это приводит к образованию в полупроводнике обедненного слоя, если полупроводник р-типа (рис. 2.15, а), или даже инверсного слоя, если АМ<<.АП (рис. 2.15, б). Если полупроводник n-типа, то образуется обогащенный слой (рис. 2.15, в).

При противоположном соотношении работ выхода (АМ>АП) в полупроводнике n-типа получается обедненный или инверсный слой, а в дырочном — обогащенный.

В обедненных слоях пространственный заряд формируется в результате нарушения компенсации заряда ионизированных при­месей основными носителями, а в обогащенных — из-за накопле­ния основных носителей заряда. Обогащенный слой обусловли­вает малое сопротивление приконтактной области полупроводни­ка по сравнению с сопротивлением объема полупроводника. По­этому такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. При наличии обедненного или инверсного слоя переход Шотки обладает выпрямляющими свойствами, так как внешнее напря­жение, падая в основном на высокоомном переходе, будет изме­нять высоту его потенциального барьера, изменяя условия про­хождения носителей заряда через переход.

Характерной особенностью выпрямляющего перехода Шотки в отличие от р-я-перехода является разная высота потенциаль­ных барьеров для электронов и дырок. В результате через пере­ход Шотки может не происходить инжекции неосновных носите­лей заряда в полупроводник. Рассмотрим рис. 2.16. При включе­нии такого перехода в прямом направлении (рис. 2.16, б) высота потенциального барьера для дырок (ПБД) в приконтактной области полу­проводника понижается, дырки будут переходить из полупроводника в ме­талл. Чем больше прямое напряжение, тем больше вероятность такого пере­хода дырок. Однако при этом высота потенциального барьера для электро­нов (ПБЭ), которые могут двигаться из металла в полупроводник, остается еще относительно большой. Поэтому поток электронов из металла в полу­проводник будет относительно малым, т. е. практически не будет инжекции неосновных носителей заряда в полу­проводник.

При другой полярности внешнего напряжения (при обратном напряже­нии) потенциальный барьер для дырок повышается (рис. 2.16, в) и их движе­ние через переход прекращается. Для неосновных носителей заряда (для

электронов в данном примере) поле в переходе оказывается ускоряющим. Поэтому, проходя через переход, неосновные носи­тели заряда образуют обратный ток, который будет мал из-за малой концентрации неосновных носителей в полупровод­нике.

Если разница в работах выхода велика, то в приконтактной области полупроводника образуется инверсный слой (см. рис. 2.15, б). В этом случае при малых прямых напряжениях через такой переход будет происходить инжекция неосновных носителей заряда из инверсного слоя в прилегающий объем полу­проводника. При больших прямых напряжениях инверсный слой может исчезнуть.

В омических переходах, образованных в результате контакта между металлом и полупроводником, может происходить накоп­ление неосновных носителей заряда из-за образования потенциальной ямы для неосновных носителей в приконтакной области полупроводника (рис. 2.17).

Диод Шоттки шунтирует коллекторный переход транзистора. В отличие от обычного транзистора здесь базовое контактное отверстие расширено в сторону коллекторной области n-типа. В результате алюминиевая металлизация обеспечивает контакт с p-областью базы и n-областью коллекторного слоя. Слой алюминия, расположенный на базовом слое p-типа, образует с ним омический контакт. Слой алюминия на границе с относительно высокоомной коллекторной областью обеспечивает выпрямляющий контакт – переход Шотки. Диод Шотки оказывается включенным параллельно коллекторному переходу транзистора. Известно, что скорость переключения транзисторов ИМС, работающих в ключевом режиме, ограничена временем рассасывания избыточного объемного заряда, накапливающегося в областях базы и коллектора. В обычном интегральном транзисторе в режиме насыщения при достаточно большом токе базы прямое напряжение на коллекторном n-p переходе почти равно (чуть меньше) прямому напряжению на эмиттерном n-p переходе.

Поэтому, наряду с инжекцией электронов из эмиттера в базу, происходит инжекция электронов в базу из коллектора и, что особенно важно, инжекция дырок из базы в коллектор, т. е. в относительно высокоомный эпитаксиальный слой n-типа. В результате в коллекторной области накапливается избыточный заряд дырок, составляющий большую часть всего избыточного заряда. На границе со скрытым слоем n+-типа концентрация инжектированных дырок резко уменьшается из-за влияния тормозящего поля n-n+ перехода и меньшего времени жизни дырок в скрытом слое.

Накопление избыточного заряда в относительно слаболегированной области коллектора приводит к появлению времени рассасывания, в течение которого при отсутствии импульса на входе транзистора на его выходе сохраняется низкий уровень сигнала. При выключении транзистора без ДШ время рассасывания в основном определяется эффективным временем жизни дырок в коллекторе. В этом случае время рассасывания составляет десятки наносекунд (для структуры, не легированной золотом). Для уменьшения этого времени в интегральных транзисторах используют транзисторы с диодом Шотки. Сравнение временных диаграмм, отражающих работу транзисторов в ключевом режиме показывает, что время рассасывания ключа на транзисторе с ДШ практически равно нулю.

Уменьшение времени рассасывания в транзисторе с диодом Шотки обусловлено снижением прямого напряжения на коллекторном переходе. В результате в режиме насыщения избыточный заряд появляется практически только вследствие инжекции электронов из эмиттера в активную область базы. Время рассасывания этого заряда определяется временем пролета электронов через базу и для транзисторов с достаточно тонкой базой (менее 1 мкм) составляет не более 1 нс.