Влияние отрицательносмещенной полупроводниковой подложки

Кроме электромагнитного взаимодействия между соседними проводниками существует еще одно явление, ограничивающее ми­нимальное расстояние между элементами микросхемы. Характери­стики ПТШ зависят от состояния на границе раздела активного n-слоя и полуизолирующей подложки. При подаче отрицательного напряжения смещения на подложку может наблюдаться времен­ной дрейф и уменьшение тока стока транзистора. В микросхемах повышенной степени интеграции этот эффект приводит к взаимо­действию расположенных близко друг от друга элементов и вно­сит дополнительные ограничения на плотность их размещения на поверхности кристалла.

Приложение напряжения к подложке модулирует область пространственноrо заряда под каналом. При этом изменяется глубина канала и уменьшается ток стока. Влияние соседних проводников на характеристики транзистора обычно определяют по деградации тока насыщения стока при по­даче отрицательного смещения на металлический электрод, пред­ставляющий собой омический контакт, к n-слою. Электрод распо­лагают рядом (на расстоянии 5…15 мкм) с границей активного n-слоя транзистора параллельно или перпендикулярно затвору (рис. 4).

Типичные зависимости изменения тока насыщения сто­ка ПТШ на основе GaAs от напряжения на дополнительном элек­троде приведены на рис.5.

Рис. 4. Топология тестовой структуры для исследования влияния напряжения смещения соседних элементов на характеристики ПТШ:

Э - металлический электрод

Рис. 5. 3ависимости изменения тока насыщения стока от напряжения U_и.э между истоком и дополнительным электродом при различных способах

изоляции ионноимплантированных n-слоев (L_э = 5 мкм):

1− Селективная ионная имплантация в легированную хромом подложку (или травление меза-областей); 2 − протонная бомбардировка n-слоя на легированной хромом

подложке; 3 − протонная бомбардировка (подложка без примесей хрома)

Деградация тока зависит от технологии изготовления транзисторов и изоляции между элемен­тами. Лучшие результаты достигнуты при изоляции за счет про­тонной бомбардировки n-слоя. Во всех случаях изменение тока сто­ка происходит линейно с увеличением отрицательного смещения. Существует напряжение, ниже которого это изменение пренебре­жимо мало. При селективной ионной имплантации в слаболеги­рованную хромом (концентрация менее 1∙10¹⁵ см^-3) подложку GaAs такое пороговое напряжение приблизительно равно −2,5 В. Поэтому в ИС с напряжениями питания более 5 В деградация то­ка стока может превышать 30% от значения тока для отдельного транзистора при нулевом напряжении на подложке.

Временные зависимости тока стока при скачкообразном изме­нении напряжения смещения на дополнительном электроде изоб­ражены на рис. 6. Сначала происходит резкое уменьшение тока, а затем медленное его увеличение для приборов, полученных ионной имплан­тацией непосредственно в высококачествен­ный однородный собственный полупровод­ник, и плавное снижение тока для приборов, изготовленных на легированных хромом подложках. Использование буферных слоев не меняет вида зависимостей.

Рис. 6. Временные зависимости тока стока:

1 - однородная подложка без примеси хрома; 2- легиро­ванная хромом

подложка

Изменение характеристик ПТШ при подаче отрицательного напряжения смещения на расположенный рядом электрод объясня­ется следующим образом. В полуизолирующей подложке сущест­вует определенная концентрация дефектов и примесей, которые могут захватывать электроны или производить эмиссию дырок, тем самым создавая фиксированный отрицательный заряд вблизи границы раздела подложка-активный n-слой. Этот отрицательй заряд в подложке уравновешивается положительным прост­ранственным зарядом в канале. Отрицательное напряжение, при­ложенное к подложке, расширяет обедненную область под актив­ным каналом и уменьшает ток стока. За резким изменением ши­рины обедненной области следует эмиссия электронов или дырок из глубоких уровней и восстановление равновесного состояния. В легированных хромом подложкак GaAs происходит эмиссия ды­рок из глубоких уровней Cr, что приводит к плавному уменьшению тoxa стока за счет увеличения отрицательного заряда в подлож­ке вблизи границы раздела. В однородных подложкак из полу­проводника без примесей хрома происходит эмиссия электронов в зону проводимости и постепенное увеличение тока стока до зна­чения, соответствующего равновесному состоянию.

Уменьшить влияние отрицательно смещенной подложки (при фиксированном напряжении смещения) можно, либо увеличивая расстояние между элементами, либо технологическими методами, улучшающими изоляцию активных приборов, например протонной бомбардировкой. Протонная бомбардировка n-слоя не уменьша­ет концентрацию ловушек под каналом, а увеличивает сопротив­ление между транзистором и дополнительным электродом. Это при­водит к уменьшению падения напряжения в обедненной области и, следовательно, к меньшей зависимости тока стока от напряже­ния смещения.