6.3. Различные конфигурации кни мопт

Толщина кремниевой базы КНИ МОПТ может быть различной. Различают КНИ структуры с толстым слоем кремния (d_S > 1мкм), которые используются в мощных приборах, и тонкопленочные структуры (d_S 0,2...0,3мкм), используемые в интегральных схемах высокой степени интеграции.

Среди тонкопленочных МОПТ выделяют приборы двух типов: полностью обедненные (ПО) и частично обедненные (ЧО). Подобная классификация основана на сравнении толщины кремниевой базы d_S и толщины слоя обеднения x_d. Толщина слоя кремния полностью обедненной КНИ МОПТ структуры (международный термин fully depleted SOI, FD SOI MOSFET) обычно не превосходит 50 нм с типичным значением ~ 30 нм. В частично обедненных (ЧО) КНИ структурах (partially depleted SOI, PD SOI) d_S > 50 нм с типичными значениями ~ 150...200 нм. Естественным условием полного обеднения является то, что толщина обедненной области больше толщины базы x_d > d_S. Ясно, что выполнение этого условия зависит от уровня легирования базы. Однако в короткоканальных транзисторах условие полного обеднения зависит еще и от длины канала. Это связано с тем, что боковые обедненные области рп-переходов сток-подложка и исток-подложка увеличивают обеднение базы, существенно облегчая этот процесс. Это эквивалентно уменьшению эффективного легирования базы, которое позволяет обедненной области распространяться глубже. Чтобы эта глубина соответствовала толщине пленки, требуется увеличить концентрацию примеси в базе.

Критерием, по которому можно различать полностью и частично обедненные КНИ транзисторы, является сравнение максимальной толщины обедненной области в районе истока и врайоне стока с толщиной слоя кремния внутренней подложки d_S. При выполнении условий x_d (L) < d_S и x_d (L) > x_d (0) > d_S имеем соответственно частично (PD) и полностью обедненные (FD) случаи. В промежуточном случае, когда x_d(L) > d_S > x_d(0), говорят о тaк называемом динамическом обеднении.

Рис. 6.2. Схематические структуры возможных конструкций КНИ МОПТ: (a) полностью обеденные, (б) транзистор с сильнолегированным дельта-слоем (pulsed doping) в кремниевой пленке, (в) с полевой обкладкой (field plate), (г) с заземленной основой (ground plane, GP), (д) динамический порог, (е) транзистор с двойным затвором.

Существуют различные варианты конфигураций КНИ МОП транзисторов (рис. 6.2), включающие в себя возможность управления напряжением как с верхнего затвора (front gate), так и со стороны подложки (нижнего затвора, back gate).

Для улучшения электростатики и повышения электростатической целостности прибора в структуру прибора можно внедрять сильнолегированные высокопроводящие слои. Они могут быть расположены непосредственно над скрытым окислом либо под ним и играть роль дополнительного управляющего затвора.

6.4. Частично обедненные кни мопт

В настоящее время наиболее широко распространены КНИ транзисторы с частичным обеднением (ЧО КНИ МОПТ) (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Сечение частично обедненного КНИ МОПТ

Это означает, что толщина обедненного слоя x_d < d_S оказывается меньше толщины кремниевой базы (тела). В этом смысле частично обедненный КНИ МОПТ очень похож на транзистор, изготовленный по объемной технологии, что обеспечивает преемственность и эволюционность технологии.

Главной особенностью, определяющей качественное отличие КНИ технологий, является изолированность кремниевой базы от контакта подложки, характерная для большинства коммерческих ЧО КНИ технологий. Эта особенность обусловливает то, что потенциал внутренней подложки в КНИ ЧО МОПТ не фиксирован и является плавающим, что может приводить к многочисленным, часто нежелательным эффектам плавающей базы (floating body effects, FBE). Эти эффекты обусловлены зарядом, приходящим и уходящим из базы за счет различных, часто случайных и неконтролируемых механизмов, таких как ионизация пролетающей одиночной частицей, ударная ионизация в сильном электрическом поле вблизи стока, эффекты GIDL, туннелирование через тонкий подзатворный окисел.

База частично обедненного КНИ МОПТ емкостным образом связана со всеми выводами транзистора, что означает увеличение (уменьшение) потенциала базы при увеличении (уменьшении) потенциалов каждого из электродов. Чаще всего база оказывается в прямосмещенном относительно истока режиме, что обусловливает уменьшение эффективного порогового напряжения.

Вследствие FBE текущее значение потенциала базы становится функцией предыдущего электрического состояния прибора. На схемном уровне это приводит к переходным эффектам различного рода и нежелательному разбросу времен распространения сигнала в цепях в зависимости от электрической «предыстории» конкретной цепи. Эффекты предыстории зависят от многих параметров, таких как времена нарастания и спада входного сигнала, нагрузочной емкости, деталей конфигурации и т.п. Разброс времен задержки в одном транзисторе из-за эффектов электрической предыстории может составлять до 8 %.

Эффекты плавающего тела приводят также к нестационарным нестабильностям и гистерезисам выходных и передаточных ВАХ частично обедненных КНИ МОПТ. Для борьбы с нежелательными эффектами плавающей базы иногда используют дополнительный контакт базы, который, как правило, соединяет базу с контактом истока (body tie) и фиксирует ее потенциал. Такая процедура усложняет процесс изготовления и увеличивает эффективные геометрические размеры транзистора.

В частично обедненных КНИ МОПТ, как и в КМОПТ объемных технологий, наблюдаются кинк-эффект и паразитный биполярный эффект.