Структурные модификации короткоканальных МДПТ

Основным недостатком описанной типовой структуры является повышение емкостей С_м, C_bs р-п переходов между подложкой и контактными /г⁺-областями стока и истока (см. рис. III.6.1), вызванное стремлением уменьшить ширину ОПЗ / для соблюдения правил масштабирования и повышения напряжения смыкания. Компромиссное решение состоит в сильном легировании не всей подложки (или р- и /7-карманов на рис. Ш. 8.2), а только тонкого слоя под каналом, как это показано на рис. Ш. 8.3, а (//'-слой 14). Этот слой соприкасается только с торцевыми областями контактныхобластей, что создает возможность повысить степень его легирования до ~ 10¹⁸см~³ при снижении емкостей С_м, C_bs.

Рис. Ш. 8.3. Структуры МДПТ с р±слоем 14 (а) и ср±гало-областями 15 (б).

Остальные обозначения соответствуют рис. III.8.1.

Дальнейшее развитие этой идеи привело к замене р⁺- слоя тонкими цилиндрическим р⁺-областями, получившими название «гало» (области 15 на рис. Ш. 8.3, б). Гало-области не только снижают площадь контактных р-п переходов между подложкой и контактными /7⁺-областями стока и истока, но исключают большую часть емкости между подложкой и каналом, которая в эквивалентной схеме на рис. III.6.2 включена в емкости С_м, C_bs. Формирование гало-областей основано на различии коэффициентов диффузии примесей и произво;

дится одновременно с формированием мелких контактных областей. Этот прием позволяет уменьшить длину канала до размеров, находящихся за пределами возможностей фотолитографии.

Аналогично выглядят структуры /^-канальных МДПТ, для которых подложкой являются дополнительно сформированные /г-карманы.

Помимо высоких характеристик транзистора важное значение имеет плотность компоновки элементов БИС. В комплементарной структуре на рис. III.8.2 каждый транзистор занимает на кристалле сравнительно большую площадь, что обусловлено несколькими причинами. Дополнительную площадь занимают карманы с омическими контактами к ним. При формировании кармана ионы примеси диффундируют в боковом направлении примерно на такое же расстояние, как в глубину полупроводника, что также увеличивает размеры структуры. Расстояние между р-п переходом карман—подложка и р-п переходом исток (сток)—подложка ближайшего и-канального транзистора должно превышать суммарную ширину ОПЗ этих переходов, чтобы исключить замыкание п- и /С-областей. Так как подложка легирована слабо, толщина ОПЗ достаточно велика (~ 1—2 мкм). Кроме того, /7-канальные транзисторы должны быть достаточно удалены от края кармана во избежание тиристорного эффекта защелки (см. параграф IV.6.5).

Чрезвычайно высокая плотность компоновки и минимальные паразитные емкости достигаются в структурах «кремний на изоляторе» (КНИ или SOI — silicon on insulator). Структура и энергетическая диаграмма такого транзистора показаны на рис. Ш. 8.4. Технология изготовления КНИ описана в работах [20, 21] и др. Важным преимуществом структур КНИ является наличие потенциального барьера (диэлектрика) между активным полупроводниковым слоем (Si на рис. Ш. 8.4, а) и подложкой. При малой толщине активного слоя он полностью перекрыт областью пространственного заряда. Если длина капала достаточно мала, температура электронов при рабочих напряжениях сток—исток может превышать 3000 К (~ 0,3 эВ). В этих условиях толщина канала И (рис. Ш. 8.4, б) оказывается сравнимой с толщиной диэлектрика. Таким образом, эффективная толщина диэлектрика увеличивается, что приводит к снижению крутизны ВАХ и коэффициента усиления по напряжению (см. параграф Ш. 5.7). Диэлектрический слой нейтрачизует отмеченный эффект.

Рис. Ш. 8.4. МДПТ «кремний на изоляторе» (КНИ):

а — структура; 6 — энергетическая диаграмма;

16 — изолятор (Si0₂); 17 — подложка (Si*).

Остальные обозначения соответствуют рис. III.8.1, III.8.3, б На рис. Ш. 8.5 представлена структура комплементарной транзисторной пары на сапфировой подложке (кремний на сапфире — КНС). Полупроводниковые слои толщиной = 0,5 мкм формируются методами гетероэпитаксии, а изолирующие слои Si0₂ — сквозным локальным окислением. Благодаря диэлектрической подложке паразитные емкости р-п переходов образуются только с торцев стока и истока. Это позволяет выбирать достаточно большие концентрации примеси в островках полупроводника между стоком и истоком, что обеспечивает высокое напряжение смыкания. Пороговое напряжение необходимой величины обеспечивается подлегированием поверхности.

Рис. Ш. 8.5. Комплементарная транзисторная пара на сапфировой подложке Значительного повышения плотности компоновки можно добиться за счет расположения областей стока и истока в разных плоскостях — одного иод другим. В таких структурах канал проходит в вертикальном направлении, поэтому они называются вертикальными. Вертикальные структуры являются одной из разновидностей так называемых трехмерных интегральных схем (ТИС) — одним из перспективных направлений микроэлектроники [22].

Современные субмикронные МДПТ имеют предельную частоту до 50—25 ГГц (п- и p-канал, соответственно). В лабораторных образцах достигнуты значения f_T более 150 ГГц (при рабочих напряжениях < 1,5 В).