Полевой транзистор

Полевой транзистор

Реферат

 

Использование: полевые транзисторы с порогом Ферми. Сущность изобретения: усовершенствованный полевой транзистор Ферми с малыми диффузионной емкостью и емкостью затвора, в котором носители заряда могут перемещаться внутри канала на определенной глубине в подложке под затвором, при этом у поверхности полупроводника не требуется создавать инверсионный слой. Для создания полевого транзистора Ферми с малыми емкостями желательно воспользоваться карманом Ферми, имеющим определенную глубину, тип проводимости которого противоположен типу проводимости подложки и совпадает с типом проводимости областей диффузии для формирования стока и истока. Техническим результатом изобретения является создание усовершенствованного полевого транзистора с порогом Ферми с пониженными диффузионной емкостью и емкостью затвора. 11 з.п. ф-лы, 24 ил.

Область техники, к которой относится изобретение Данное изобретение относится к полевым транзисторам, а более конкретно оно касается полевых транзисторов с порогом Ферми с пониженными затвором и диффузионной емкостью.

Уровень техники В настоящее время полевые транзисторы (ПТ) стали основными активными приборами, применяемыми в микросхемах сверхвысокой (VLSI) и ультравысокой степени интеграции (ULSI), так как они в силу своей природы имеют высокий импеданс и обеспечивают высокую плотность упаковки и малую потребляемую мощность. Тем не менее усилия исследователей и разработчиков направлены на дальнейшее повышение их быстродействия и увеличение плотности упаковки, а также на уменьшение потребляемой ими мощности.

Известен высокоскоростной ПТ со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП), пороговое напряжение которого не зависит от толщины изоляционного слоя, длины канала, напряжения стока, легирования подложки и температуры, что позволило получить высокоскоростной полевой транзистор (см. патенты США NN 4984043 и 4990974, выданные на имя Albert W. Vinal под названием "Полевой транзистор с порогом Ферми"). Хотя созданный полевой транзистор с порогом Ферми значительно лучше типовых МОП-транзисторов, все же в структуре полевого транзистора с порогом Ферми желательно уменьшить емкость.

Известен также работающий в режиме обеднения полевой транзистор, у которого между областью истока и областью стока имеется область обеднения того же типа проводимости, а также между областью истока и областью стока имеются дополнительные полупроводниковые области того же типа проводимости, которые образуют с подложкой обычный p-n-переход (см. выложенную заявку ФРГ DE-A-3138747).

Сущность изобретения Достигаемым при осуществлении настоящего изобретения техническим результатом является создание усовершенствованного полевого транзистора с порогом Ферми с пониженными затвором и диффузионной емкостью.

Данная задача решается за счет того, что полевой транзистор, содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости с первой поверхностью, область кармана второго типа проводимости в подложке у первой поверхности, разнесенные области истока и стока второго типа проводимости в области кармана у первой поверхности, изоляционный слой затвора на подложке на первой поверхности между разнесенными областями истока и стока и контакты истока, стока и затвора для электрического контактирования с областями истока и стока и изоляционным слоем затвора соответственно, согласно настоящему изобретению дополнительно содержит канал второго типа проводимости в области кармана у первой поверхности между разнесенными областями истока и стока. Указанный канал проводимости проходит на первой определенной глубине от первой поверхности, а область кармана проходит на второй определенной глубине от канала. Область истока проходит на третьей определенной глубине от первой поверхности, причем третья глубина больше первой глубины и меньше суммы первой и второй глубин.

Возможно легирование истока примесью второго типа проводимости при концентрации легирующей примеси, уменьшающейся от первой поверхности до третьей определенной глубины. В данном случае предпочтительно, чтобы центр масс легирующей примеси находится на глубине, равной половине первой определенной глубины.

Целесообразно выбирать по меньшей мере одну из определенных первой и второй глубин так, что составляющая электрического поля, перпендикулярная первой поверхности, на первой определенной глубине была равна нулю.

Предпочтительно также, чтобы по меньшей мере одна из определенных первой и второй глубин дополнительно выбиралась так, что составляющая электрического поля, перпендикулярная первой поверхности, от первой определенной глубины до первой поверхности при приложении порогового напряжения к контакту затвора была равна нулю.

Вторая определенная глубина может выбираться для создания такого порогового напряжения у полевого транзистора, которое равно удвоенному потенциалу Ферми полупроводниковой подложки.

Возможен также выбор по меньшей мере одной из определенных первой и второй глубин такой, чтобы носители заряда второго типа проводимости могли течь из области истока к области стока по области канала, проходящей от первой определенной глубины к первой поверхности по приложении к контакту затвора напряжения, превышающего пороговое напряжение полевого транзистора.

По меньшей мере одна из определенных первой и второй глубин может выбираться такой, чтобы носители заряда второго типа проводимости могли перемещаться внутри области канала от области истока к области стока и под первой поверхностью без создания инверсионного слоя в канале.

Целесообразно также снабжать подложку электрическим контактом. В этом случае контакт затвора содержит слой поликристаллического кремния первого типа проводимости и затворный электрод на слое поликристаллического кремния против изоляционного слоя затвора, причем по меньшей мере одна из определенных первой и второй глубин выбирается для создания такого напряжения на первой поверхности, смежной с изоляционным слоем затвора, которое равно и противоположно по знаку сумме напряжений между контактом подложки и подложкой и между слоем поликристаллического кремния и электродом затвора.

Предпочтительно, чтобы подложка была снабжена электрическим контактом, при этом по меньшей мере одна из первой и второй определенных глубин выбирается для изменения порогового напряжения полевого транзистора менее чем на одну двадцатую вольта, когда напряжение, приложенное к контакту подложки, меняется на один вольт.

Предпочтительно также легирование подложки с концентрацией легирующей примеси N_s. В этом случае подложка имеет собственную концентрацию носителей заряда N_i при температуре T градусов Кельвина и диэлектрическую проницаемость e_s. Полевой транзистор содержит электрический контакт подложки, и канал в нем проходит на первой определенной глубине Y_f от первой поверхности, а область кармана проходит на второй определенной глубине Y_o от канала. При этом область канала легируется с такой концентрацией легирующей примеси, которая в раз отличается от N_s. Затворный контакт содержит слой поликристаллического кремния первого типа проводимости, легированный с концентрацией легирующей примеси N_p. При данном выполнении первая определенная глубина Y_f определяется из следующего соотношения: где q равняется 1,610^-19 Кулон, а K равен 1,3810^-23 Дж/К.

При легировании подложки согласно вышеуказанному варианту выполнения изобретения целесообразно также, чтобы вторая определенная глубина Y₀ была равна где ф_s равняется 2ф_f+ KT/q Ln , а ф_f - потенциал Ферми полупроводниковой подложки.

В соответствии с вышеизложенной сущностью настоящего изобретения технический результат достигается за счет создания структуры полевого транзистора с порогом Ферми, в котором носители заряда могут течь по каналу под затвором на заранее заданной глубине в подложке, при этом на поверхности полупроводника не надо создавать инверсионный слой, поддерживающий протекание носителей. Соответственно при расчете емкости затвора у средней глубины заряда в канале требуется учесть диэлектрическую постоянную подложки. Тем самым емкость затвора уменьшается.

Для создания полевого транзистора желательно использовать зону кармана Ферми заранее заданной глубины, тип проводимости которой противоположен типу проводимости подложки и совпадает с типом проводимости у областей диффузии для формирования стока и истока. Карман Ферми находится на заранее определенной глубине от поверхности подложки, при этом области диффузии для стока и истока формируются в кармане Ферми внутри его границ.

Соответственно зона канала Ферми с заранее глубиной Y_f и шириной Z проходит между областями диффузии для формирования стока и истока. Проводимость канала Ферми регулируется напряжением, прикладываемым к электроду затора. Поэтому емкость затвора в первую очередь определяется глубиной канала Ферми и распределением носителей заряда в канале, и эта емкость относительно не зависит от толщины оксидного слоя затвора. Диффузионная емкость обратно пропорциональна разности между суммой глубин кармана Ферми и обеднения Y_o в подложке и глубиной диффузий. В результате получается полевой транзистор Ферми с малой емкостью. Предпочтительная глубина кармана Ферми равна сумме глубин канала Ферми Y_f и обеднения Y_o.

Краткое описание чертежей Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее: на фиг. 1 графически изображено легирование подложки в функции длины канала для поддержания пробивного напряжения, равного 8 вольт; на фиг. 2 графически изображена емкость зоны обеднения при нулевом напряжении на стоке в функции длины канала, соответствующей концентрации легирования, изображенной на фиг. 1; на фиг. 3 - вид в поперечном сечении типового полевого транзистора структуры МОП с углубленным N-каналом; на фиг. 4 - вид в поперечном сечении полевого транзистора Ферми; на фиг. 5 - вид в поперечном сечении быстродействующего полевого транзистора Ферми согласно данному изобретению; на фиг. 6-10 - виды в поперечном сечении электрической проводимости канала в быстродействующем полевом транзисторе Ферми по фиг. 5 при увеличении напряжения затвора; на фиг. 11 графически изображен профиль инжекции избыточных носителей заряда в функции глубины канала Ферми; на фиг. 12а и 12б - графики тока стока для типового полевого транзистора структуры МОП с P-каналом быстродействующего полевого транзистора Ферми при идентичных размерах; на фиг. 13а и 13б графически показана емкость затвора у быстродействующего полевого транзистора Ферми с каналом P-типа и полевого транзистора структуры МОП с каналом P-типа соответственно; на фиг. 14 - график отношения емкости затвора у полевых транзисторов МОП и Ферми в функции толщины оксида; на фиг. 15 - распределение электрического поля в быстродействующем полевом транзисторе Ферми с каналом N-типа; на фиг. 16 графически изображена глубина канала Ферми в функции концентрации легирующих примесей; на фиг. 17 графически показана зависимость глубины кармана Ферми от концентрации легирующих примесей; на фиг. 18 графически показана зависимость порогового напряжения от концентрации легирующих примесей; на фиг. 19 графически показана зависимость дельты напряжений плоских зон от концентрации легирующих примесей; на фиг. 20 - вид в поперечном сечении зоны обеднения, окружающей диффузии, предусматриваемые карманом Ферми; на фиг. 21а-21г - графики, иллюстрирующие замеры влияния подложки и истока у типовых МОП-транзисторов и полевого транзистора Ферми; на фиг. 22 изображено распределение электрического поля в типовом МОП-транзисторе; на фиг. 23 и 24 - графики, изображающие зависимость порогового напряжения от напряжения подложки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Далее изобретение описывается более подробно со ссылками на поясняющие чертежи с изображением предпочтительного варианта выполнения изобретения. Вместе с тем данное изобретение может реализоваться в самых различных формах и потому представленный вариант изобретения не ограничивает его, он предназначен лишь для более полного и законченного описания изобретения, делая его более понятным для специалистов. Во всем описании одинаковые позиционные обозначения относятся к аналогичным элементам.

Далее рассмотрена усовершенствованная структура полевого транзистора Ферми, у которого величины диффузионной емкости и емкости затвора значительно меньше соответствующих величин, достигаемых в типовых МОП-транзисторах и полевых транзисторах Ферми, являющихся прототипами изобретения.

Предложенная новая структура полевого транзистора Ферми обеспечивает протекание носителей заряда в канале на заранее определенной глубине в подложке под затвором. Создание новой структуры является результатом теоретических и экспериментальных исследований типовых МОП-структур и известных полевых транзисторов Ферми (см. патенты США NN 4990974 и 4984043). В ходе исследований было сделано открытие о необходимости соблюдений некоторых электрических и физических условий для движения носителей заряда в зоне канала на существующей глубине в подложке под оксидным слоем затвора. В отличие от новых полевых транзисторов, в типовых МОП-приборах для движения носителей зарядов требуется создание инверсионного слоя у поверхности полупроводника. Обычно глубина инверсионного слоя составляет 200 ангстрем или меньше. При подобных условиях емкость затвора определяется диэлектрической проницаемостью изоляционного слоя затвора, деленной на его глубину. Иными словами, заряд в канале настолько близок к поверхности, что влиянием диэлектрических свойств подложки на емкость затвора можно пренебречь. Емкость затвора можно уменьшить лишь тогда, когда протекание носителей заряда ограничивается зоной канала под затвором, где средняя глубина заряда в канале для расчета емкости затвора требует учета диэлектрической постоянной подложки. В общем случае емкость затвора быстродействующего полевого транзистора Ферми описывается следующим уравнением: Коэффициент Y_f представляет глубину канала проводимости, называемого каналом Ферми, e_s является диэлектрической проницаемостью подложки, является коэффициентом, определяющим среднюю глубину заряда, текущего под поверхностью в канале Ферми. Коэффициент зависит от профиля распределения по глубине носителей заряда, инжектированных в канал из истока. В случае быстродействующего полевого транзистора Ферми 2. Параметр T_ox представляет толщину оксидного затворного слоя, а e_i представляет его диэлектрическую проницаемость.

В соответствии с уравнением (1) емкость затвора можно уменьшить в 2 раза одним лишь регулированием глубины Y_f канала Ферми и профиля инжекции истока, определяемого . В частности, емкость затвора быстродействующего транзистора Ферми составляет 1/2 величины МОП-транзистора e_i/T_ox, когда (2) Для выполнения этого условия глубина канала Ферми Y_f должна превышать определенную величину Обычно Y_f > 6T_ox для = 2. Условия, способствующие протеканию носителей заряда на значительных глубинах под поверхностью полупроводника, неочевидны. Для открытия этих условий потребовались значительные теоретические проработки, подкрепленные экспериментом. А именно, необходимо соблюдение двух основных условий.

1. Когда происходит протекание избыточных носителей заряда, в области канала не должно быть перпендикулярных составляющих электрического поля помимо той, что образуется самими избыточными носителями заряда.

2. Инжекционный барьерный потенциал KT/q Ln(N_dN_c/N²_i) должен уменьшаться до нуля у дна канала Ферми до того, как барьер дойдет до верха.

3. Концентрация легирующих примесей внутри области диффузии формирования истока в функции глубины должна уменьшаться с заранее определенной скоростью для поддержания правильного глубинного профиля для индуцированной инжекции носителей заряда в канал.

Динамическую емкость затвора можно измерить лишь на реальных транзисторных структурах, когда напряжение стока превышает ноль. Зона затвора ограничивается зоной между истоком и стоком. Обычная методика замера емкости затвора МОП-транзисторов не позволяет выявить действительную динамическую емкость затвора у быстродействующих полевых транзисторов Ферми по причине паразитных побочных зарядов и отсутствия инжекционного профиля. Измеряемая на реальных транзисторах емкость затвора является средством производственного контроля и используется как технологический замер.

Скорость работы цифровых микросхем напрямую зависит от диффузионной барьерной емкости. Малая диффузионная барьерная емкость несовместима с МОП-транзисторами с коротким каналом. Эта емкость в основном определяется как отношение диэлектрической проницаемости подложки к суммарной глубине зоны обеднения, окружающей области диффузии при формировании стока и истока. Диффузионная барьерная емкость состоит из двух основных компонентов, связанных с площадью и периметром. Компонент, связанный с площадью, отмечается у дна области диффузии. Компонент, связанный с периметром, известен под названием боковой емкости. В МОП-транзисторах преобладающим компонентом является боковая емкость из-за увеличения легирующих примесей в подложке близ областей диффузии для получения областей ограничения канала. В быстродействующем полевом транзисторе Ферми необходимость в областях ограничения отсутствует.

Боковая емкость определяется следующим выражением: C_dp = C^*_sw[2L_d + Z]X_d. (4a) Компонент емкости, связанный с площадью, определяется следующим выражением: C_da = C^*_aL_dZ , (4b) где Z - ширина канала; X_d - глубина диффузии; L_d - длина диффузии.

У быстродействующих полевых транзисторов Ферми где e_s представляет собой диэлектрическую проницаемость полупроводникового материала, Y_n + Y_p представляет суммарную глубину обеднения, окружающую область диффузии стока или истока, Y_tub представляет глубину кармана Ферми, Y_o + Y_p представляет глубину обеднения боковой стенки, X_d - глубину диффузии.

В МОП-транзисторах глубина обеднения обратно пропорциональна концентрации легирующих примесей в подложке N_s. К примеру, в МОП-транзисторах существует фундаментальное условие пробоя, называемого также проколом. Ниже приведено условие предупреждения прокола в виде концентрации легирующих примесей в подложке в функции длины канала и пробивного напряжения: Диффузионная емкость описывается следующим выражением: На фиг. 1 показан график легирования в функции длины канала для поддержания напряжения пробоя, равного 8 В.

На фиг. 2 показано, как меняется емкость области обеднения (Ф/см²) при нулевом напряжении на стоке в функции длины канала, которая соответствует изображенной на фиг. 1 концентрации легирования.

Требования по легированию подложки быстро растут с укорочением длины канала из-за необходимости совладать с механизмом пробоя. У МОП-приборов с длиной канала 0,8 мкм и меньше типичной является диффузионная емкость 0,5 10^-7 Ф/см². В новом быстродействующем полевом транзисторе Ферми указанная величина диффузионной емкости меньше приблизительно в 3 раза. Устранение пробоя достигается особым методом кармана Ферми, используемым при изготовлении быстродействующего полевого транзистора. В полевых приборах Ферми типичной для подложки является концентрация легирующих примесей 1E16.

В конструкции нового быстродействующего транзистора Ферми одновременно решены несколько фундаментальных проблем, присущих полевым транзисторам с коротким каналом, при этом найденное решение обеспечивает получение малой емкости затвора.

1. Исключен прокол.

2. Практически исключена зависимость порогового напряжения от толщины оксида.

3. Происходит существенное уменьшение компонентов емкости, связанных с площадью и периметром.

4. Конструкция кармана Ферми значительно упрощает изготовление приборов с каналом P-типа.

5. Наблюдается уменьшение тока насыщения при заданном напряжении затвора, несмотря на уменьшение заряда канала на единицу напряжения на затворе.

6. В приборах с каналами P- и N-типа действуют одинаковые конструктивные критерии.

7. Приборы эксплуатируются с источником питания 5 вольт.

8. Устранено явление уменьшения индуцированного барьера стока, обычно наблюдаемое на приборах с заглубленным каналом.

9. Устранен сдвиг порогового напряжения, вызываемый разностью напряжений плоских зон между контактами затвора и подложки.

10. Существенно устранена проблема горячих электронов.

11. Исключена необходимость в областях ограничения канала.

12. Возможно управление пороговым напряжением, 13. Обеспечивается чрезвычайно малый эффект подложки.

Обсуждение проблемы Скорость работы цифровых интегральных схем зависит от шести основных параметров транзисторов, а также от влияния паразитных емкостей, связанных с соединительными цепями. В конечном счете скорость интегральных микросхем ограничивается временем задержки в логических цепях. Можно показать, что время задержки в цепи из нескольких логических элементов определяется следующим уравнением: Временем логической задержки и, в конечном счете, скоростью работы системы управляют шесть основных транзисторных параметров.

1. Ток насыщения канала I^*_satn. Эта величина определяет ток стока, который течет в транзисторе с каналом N-типа, ширина которого равна длине, и к затвору приложено максимальное напряжение.

2. Длина канала L_o. Это эффективная длина проводящего канала.

3. Диффузионная емкость C^*_d , Фарад/см².

4. Емкость затвора C^*_g , Фарад/см².

5. Длина диффузии L_d.

6. Отношение тока насыщения канала N-типа к току насыщения канала P-типа.

Из уравнения (7) видно, что коэффициент задержки во времени зависит от квадрата длины канала L_o. Из коэффициента также прослеживается обратная пропорциональность тока насыщения канала в приборе с каналом N-типа в схемах на КМОП-транзисторах. В этот коэффициент входит и фактор . Он определяет отношение токов насыщения канала N-типа и P-типа. Указанный в уравнении (7) параметр введен из патента США N 5030853 (Кольцевой сегментный буфер), описание которого используется как ссылочный материал. Внутри выражения в скобках имеются три емкостных члена - это диффузионная емкость C^*_d , емкость затвора C^*_g и соединительная емкость C^*_c. Коэффициенты , и служат для учета различных логических функций в логической цепи, сюда к примеру входят коэффициенты объединения по входу и выходу.

Для уменьшения времени задержки в логической цепи можно применить различные средства. Обычно стараются уменьшить длину канала либо увеличить ток насыщения стока. Однако уменьшение размеров транзисторов с целью получить приборы с более коротким каналом приводит к нежелательному увеличению емкости затвора, а также барьерной емкости. Пример этого представлен на фиг. 2. Барьерная емкость увеличивается в результате увеличения плотности легирующих примесей в подложке с целью предотвратить прокол в приборах с коротким каналом. Емкость затвора увеличивается в результате пропорционального уменьшения толщины оксидного слоя затвора T_ox.

К примеру, в технологии изготовления интегральных микросхем из арсенида галлия для уменьшения задержки стараются увеличить нагрузочную способность по току. К сожалению, подвижность зарядов в канале из GaAs близ истока приближаются к значениям, присущим кремнию, поскольку длина канала становится менее 0,8 микрона. Значительное повышение потребляемой мощности постоянного тока для достижения скорости в приборах с каналом N-типа по сравнению с КМОП-транзисторами представляется непрактичным в свете применения кремниевых приборов на диодах Шоттки.

Вторым и более практичным подходом к повышению скорости работы интегральных микросхем является минимизация емкостных членов C^*_d, C^*_g и C^*_c . Их емкость выражена в фарадах на см². Если все эти емкостные члены будут равны нулю, то время задержки микросхемы также может быть равным нулю вне зависимости от длины канала L₀ или тока насыщения I^*_satn . Ключом к уменьшению диффузионной емкости является четкое понимание механизма прокола и его устранение. В конструкции быстродействующих полевых транзисторов Ферми устранено явление прокола и уменьшения индуцированного барьера стока за счет использования технологии кармана Ферми, окружающего области диффузии и определяющего область канала Ферми. Применение прибора с особой геометрией позволяет в 2,5 и более раз уменьшить емкость затвора и диффузионную емкость. Более подробно о том, как в быстродействующих полевых транзисторов Ферми уменьшается емкость затвора и диффузионная емкость, говорится в разделе "Конструкция быстродействующих полевых транзисторов Ферми".

Уменьшить соединительную емкость C^*_c можно за счет увеличения толщины оксидного слоя затвора. Во многих технологиях конструирования цифровых микросхем эту емкость можно считать равной приблизительно 10% полной нагрузочной емкости. Иными словами, если бы удалось исключить емкость затвора и диффузионную емкость, то скорость работы системы выросла бы в 10 или более раз.

Ключом к скоростным цифровым системам является предельное увеличение скорости нарастания выходного напряжения, отношения тока в канале к нагрузочной емкости наряду с минимизацией мощности. Минимизация емкостной нагрузки (в первую очередь затвора и барьера) при сохранении или даже увеличении тока возбуждения является единственным путем к достижению высоких рабочих скоростей при минимальном потреблении мощности. Принцип уменьшения емкости затвора при сохранении тока возбуждения тесно связан с влиянием, которое концентрация носителей заряда в канале оказывает на подвижность носителей. Поскольку в токе стока полевого транзистора учитывается произведение напряжения на затворе и емкости или заряда затвора, то технология быстродействия полевых транзисторов Ферми позволяет получить такую же или более высокую допустимую нагрузку потоку наряду со значительно меньшим полным зарядом, текущим по каналу, на единицу тока.

Конструкция быстродействующих полевых транзисторов Ферми Особенностью предлагаемой конструкции является фундаментальное дополнение к структуре полевых транзисторов Ферми, раскрытых в вышеуказанных патентах. В соответствии с данным изобретением это дополнение уменьшает емкость затвора и барьерную емкость. Более наглядное представление об этом изменении можно получить сравнением новой структуры по фиг. 5 с ранее известными структурами по фиг. 3 и 4.

На фиг. 3 изображено базовое техническое решение в виде МОП-транзистора с каналом P-типа. Такой структуре присущи два основных недостатка. Во-первых, из-за механизма прокола в ней происходит пробой напряжением. Во-вторых, наблюдается явление уменьшения индуцированного барьера стока, которое стремится перевести канал в проводящее состояние в случае приложения напряжения к стоку. Обе проблемы возникают в результате разделения индуцированного заряда в области обеднения подложки под заглубленным каналом. Чтобы минимизировать эти эффекты, приходится применять сильное легирование области подложки. Однако в результате происходит резкое увеличение диффузионной емкости. Мотивацией к созданию прибора с незначительно заглубленным каналом было, судя по всему, стремление улучшить ток насыщения при заданном напряжении на затворе.

На фиг. 4 изображена структура полевого транзистора Ферми, принятого за прототип. В этой конструкции устранены понижение индуцированного барьера стока и прокол, когда глубина канала Y_o равна глубине областей диффузии для формирования стока и истока. При такой конфигурации легирование подложки не должно быть очень высоким и потому можно уменьшить диффузионную емкость стока. Однако емкость затвора у такой структуры лишь немного меньше емкости в МОП-транзисторе, несмотря на глубину канала Ферми.

Когда первый полевой транзистор Ферми был запатентован, то были еще неизвестны условия, требуемые для управления распределением заряда в области канала в случае его проводимости. На фиг. 5 показана базовая структура быстродействующего полевого транзистора Ферми по данному изобретению.

Базовое физическое различие состоит в наличии области кармана Ферми, отмеченной на этой фигуре. Тип проводимости кармана Ферми совпадает с типом проводимости областей диффузии стока и истока, при этом глубина кармана равна сумме двух факторов, а именно глубине канала Ферми Y_f и глубине барьера Y_o. Указанные глубины подчиняются специфичным конструктивным критериям, более подробно рассмотренным ниже. Благодаря этому в новой конструкции канал Ферми Y_f может обеспечить протекание носителей заряда с особым профилем концентрации по всей своей глубине. Требуемый профиль концентрации можно достичь лишь с помощью структуры, изображенной на фиг. 5. Эта структура также удовлетворяет всем критическим конструктивным критериям, соблюдение которых требуется для получения малой емкости затвора. Как видно из фиг. 5, глубина областей диффузии X_d должна быть больше или равна глубине канала Ферми Y_f, но не должна превышать суммы Y_f + Y_o. Глубина обеднения подложки на фиг. 5 обозначена как Y_p. Когда напряжение на затворе меньше порогового напряжения, в канале Ферми Y_f нет носителей заряда. В этих обстоятельствах емкость затвора весьма мала и имеет следующую величину: Диффузионная емкость на единицу площади также мала и равняется Зависимость проводимости канала от напряжения на затворе На фиг. 6 - 10 представлен процесс моделирования проводимости канала с увеличением напряжения на затворе. На всех чертежах изображен канал N-типа. Приборы с каналом P-типа выполняются аналогично путем замены материала проводимости N-типа на материал с проводимостью P-типа и наоборот. На фиг.6 показан канала Ферми, где совершенно нет носителей заряда. На фиг.7 - 9 показаны ионизированные доноры, нейтрализуемые со дна канала, в результате чего проводимость канала Ферми начинается со дна. При большем напряжении на затворе избыточные носители заряда инжектируются у истока и имеют распределение, изображенное на фиг. 10.

Профиль инжекции в канале Ферми В любом полевом транзисторе носители заряда, текущие в области канала, инжектируются туда из истока в случае приложения напряжения к истоку. Распределение избыточных носителей заряда по профилю глубины канала подчиняется механизму инжекции. Инжекция основных носителей заряда является следствием существования электрического поля между электродом затвора и поверхностью области диффузии истока, обращенной к каналу. Носители заряда, инжектируемые из стока в торец канала, не должны испытывать ограничения со стороны поверхности. Инжекция должна равномерно распределяться в направлении глубины канала Ферми. Весьма важно, чтобы профиль легирования в области диффузии истока был неравномерным, а предпочтительней таким, чтобы концентрация примесей составляла приблизительно 2E19 у поверхности, спадая с глубиной по меньшей мере на одну декаду между верхом канала Ферми и его дном. Именно такой градиент требуется, чтобы достичь полезного распределения инжекции избыточных носителей заряда по всей глубине канала Ферми, обеспечивая тем самым значительное уменьшение емкости затвора. В идеале желательно, чтобы центр массы избыточных носителей заряда лежал на половине глубины канала Ферми. Когда центр заряда лежит на половине глубины канала Ферми, емкость затвора у быстродействующего полевого транзистора Ферми становится равной Типовой профиль инжекции избыточных носителей заряда в функции глубины канала Ферми изображен на фиг. 11.

Концентрация легирующей примеси наверху области диффузии равна 2E19, а у дна канала она равна 5E17. Обратим внимание на точку перегиба в кривой профиля. Среднее положение заряда при таком профиле находится приблизительно на половине глубины канала Ферми.

Ток стока Была проделана значительная теоретическая и экспериментальная работа с целью доказать, что в быстродействующих полевых приборах Ферми не происходит ухудшения тока стока в сравнении с МОП-транзистором, несмотря на значительное уменьшение заряда в канале на единицу тока. Причина состоит в том, что подвижность носителей заряда растет пропорционально суммарному уменьшению заряда. Иными словами, концентрация носителей уменьшается соответственно увеличению их подвижности. Энергия в канале у полевого транзистора Ферми 1/2C_gV²_g уменьшается пропорционально уменьшению емкости затвора вместе с коммутационной мощностью 1/2C_gV²_gf на частоте f.

На фиг. 12а и 12б представлены графики тока стока для МОП-транзистора с P-каналом и полевого транзистора Ферми, имеющих идентичные размеры, L = Z = 0,8 мкм, и идентичную толщину оксидного слоя 165A. Легирование подложки для МОП-транзистора равно 1E17 на см³ и 1E16 для быстродействующего полевого транзистора Ферми. Обратим внимание, что транзистор Ферми при заданном напряжении на затворе и стоке пропускает больше тока, чем МОП-транзистор, несмотря на то, что емкость затвора и барьерная емкость составляют соответственно 47% и 30% от значений емкостей у МОП-транзистора. В результате скорость переключения логических схем, выполненных на быстродействующих полевых транзисторах Ферми, приблизительно в 2,5 раза выше, чем у таких же схем, выполненных на МОП-транзисторах при такой же рабочей мощности.

Замер емкости затвора В литературе приводится масса информации по замеру емкостей в МОП-транзисторах. Однако какой-либо информации по замеру емкости затвора с использованием реальных транзисторных структур нет. Причина этого вероятно заключается в том, что у МОП-транзисторов заряд в канале очень близок к поверхности и находится в области приблизительно 200 ангстрем и менее. Однако эта причина не действует для быстродействующих транзисторов Ферми, поскольку у них профиль инжекции регулируется для получения больших глубин инжекции. Методы замера емкостей в МОП-транзисторах не позволяют выявить емкость затвора у быстродействующих транзисторов Ферми. У МОП-транзисторов инжекция в ионизированную область под инверсионный слой незначительна вследствие высоты барьера между источником диффузии и ионизированной областью, обращенной к участку диффузии. Инжекция происходит ближе к поверхности, где барьер, вследствие процесса инверсии, опускается.

Замеры емкости затвора для быстродействующих транзисторов Ферми проводятся на реальных транзисторных структурах. Для устранения емкости, создаваемой контактными площадками, пр