Узкоканальный эффект (narrow channel effect – NCE)

    Когда ширина канала W становится сравнимой с толщиной обедненной области вблизи стока, пороговое напряжение начинает зависеть от W. При малой ширине канала W на величину порогового напряжения оказывают влияние краевые поля на боковой границе затвора, индуцирующие дополнительный заряд обедненной области  (рис.10.16). Так как дополнительный заряд требует дополнительного напряжения на затворе, чтобы обеспечить условие инверсии в канале, то это вызывает увеличение порогового напряжения на величину . В длинноканальных МОПТ заряд  много меньше общего заряда обеднения, поэтому он не влияет на величину порогового напряжения. В короткоканальных МОПТ заряд  оказывается существенной частью общего заряда обеднения, поэтому уменьшение ширины канала увеличивает пороговое напряжение короткоканальных МОПТ (рис. 10.17).

    Простая геометрическая модель (рис. 10.16), объясняющая УКЭ, сильно отличается от реальной картины. На практике влияние УКЭ сильно зависит от метода изоляции МОПТ. На рис.10.18 представлено сечение МОПТ с изоляцией типа LOCOS (LOCal Оxidation of Silicon) и противоканальной охранной областью (channel-stop) под ней. Поскольку окисление кремния происходит в вертикальном и горизонтальном направлениях, это приводит к проникновению изолирующего окисла в активную область под затвором и возникновению так называемого «птичьего клюва», в котором толщина окисла меняется от толщины подзатворного окисла до толщины полевой изоляции. Противоканальная охранная область создается для увеличения порогового

напряжения в LOCOS-области путем дополнительной имплантации примеси того же типа, что и в подложке. Так как это обычно происходит на ранних стадиях маршрута, последующие термические процессы могут вызвать диффузию примеси к поверхности и привести к её проникновению на границы канала, локально увеличивая пороговое напряжения в этих областях. В результате пороговое напряжение увеличивается от центра канала к его краям как из-за увеличения концентрации примеси, так и за счет плавного увеличения толщины окисла. Поскольку пороговое напряжение увеличивается, инверсный слой вначале формируется в центре канала и плавно распространяется к краям, увеличивая эффективную ширину канала. При малых величинах W это приводит к увеличению порогового напряжения МОПТ. Количественный анализ УКЭ, учитывающий изменение толщины окисла и продольный профиль примеси вблизи края канала требует двумерных и трехмерных решений.

    Изоляция типа LOCOS широко использовалась при создании МОПТ с размерами канала более ~ 0,6мкм. При переходе к глубоко субмикронным и нанометровым размерам эта изоляция стала неэффективной и ей на смену пришла изоляция канавками, известная как мелкая щелевая изоляция (Shallow-Trench Isolation − STI). Эта изоляция исключает птичий клюв и улучшает планарность структуры. Однако недостатком STI является уменьшение порогового напряжения при уменьшении ширины канала, обозначаемое как обратный узкоканальный эффект (Reverse Narrow Channel Effect − RNCE).

Для объяснения этого эффекта сравним две структуры: с незаглубленной изоляцией и с полностью заглубленной (рис.10.19). В структуре с незаглубленной изоляцией (рис.10.19а) двумерные краевые поля создают дополнительный заряд на краях канала, приводя к увеличению порогового напряжения. Это «нормальный» узкоканальный эффект. В структуре с STI вследствие двумерности краевых электрических полей, окантовывающих затвор, формирование инверсионного слоя на краях затвора происходит при более низких напряжениях затвора, чем в его центре. Поэтому пороговое напряжение снижается от центра к краям канала. Эффект усугубляется другими механизмами, которые вносят вклад в обеднение канала вблизи краев. Такими механизмами являются: уменьшение концентрации примеси вблизи углов STI и заряд в поверхностных состояниях на границе канал-STI. В результате пороговое напряжение транзистора снижается (рис.10.20).

В заключение следует сказать, что эффекты малых размеров, включающие ККЭ и УКЭ эффекты, трехмерны по своей природе. Для упрощения обычно рассматривают эти эффекты отдельно. Однако когда оба размера канала сокращаются, становится очевидным, что оба эффекта сцеплены при регулировании толщины обедненной области, так что для улучшения точности требуются трехмерные модели.

    Отметим также, что при уменьшении размеров МОПТ увеличиваются флуктуации примеси в канале. Следуя традиционной стратегии масштабирования, концентрация примеси в канале должна увеличиваться при уменьшении длины канала. Для почти равномерного профиля примеси концентрация примеси в канале фактически увеличивалась от примерно 10¹⁶см^-3 в микронных МОПТ до более чем 10¹⁸см^-3 в глубоко субмикронных и наноМОПТ. Сокращение размеров транзистора, сопровождаемое увеличением концентрации примеси может вызвать значительные флуктуации порогового напряжения вследствие статистической вариации концентрации примеси. Этот вопрос будет рассмотрен отдельно.