MOSFET de Canal Corto

Introducción

Desde que comenzó la era de los CI, allá por 1959, los principales drivers (ejes directores) de la industria de los semiconductores fueron:

1. Alcanzar mayores velocidades de operación.
2. Alcanzar mayores escalas de integración (reducir el tamaño de los dispositivos).
3. Reducir el consumo de los dispositivos.

En este tiempo, la longitud de los dispositivos se ha reducido en dos órdenes de magnitud.
Pero en tanto las dimensiones de los MOSFET se reducen, se producen modificaciones en sus características de funcionamiento. Estos efectos conocidos como “efectos de canal corto” incluyen por ejemplo en un MOSFET de acumulación (canal inducido) la variación de la tensión de umbral (V_T) y el incremento de la corriente de subumbral. Resulta muy importante predecir con precisión en un transistor el valor de V_T para con ello definir los niveles lógicos, el margen de ruido y la velocidad y con la corriente de subumbral la disipación de potencia en estado “OFF” y los ciclos de refresco en memorias dinámicas.
Los efectos de canal corto son en general indeseables y deben ser eliminados o por lo menos minimizados para conservar el comportamiento de “canal largo” tanto como sea posible.
A medida que la longitud del canal se reduce los anchos de la zona de transición de la fuente y del drenaje se hacen comparables a la longitud del canal y se puede producir un efecto denominado “punch- through” entre drenaje y fuente que produce la existencia de corriente de drenaje aún en ausencia de canal o el incremento de la misma una vez que el canal está formado. Para evitar este fenómeno se requiere una mayor contaminación de de la zona del sustrato (que luego será canal) a efectos de reducir los anchos de zona de carga espacial de junturas de fuente y sustrato. Una mayor contaminación del canal incrementa la tensión de umbral y a efectos de mantener esta tensión en valores razonables se requiere una capa de óxido más delgada lo que a su vez produce efectos negativos en el funcionamiento y que más adelante serán tratados.
Como se puede ver, los parámetros constructivos del dispositivo están relacionados y se deben aplicar ciertas reglas de “escalado” (Scaling) para optimizar su funcionamiento a medida que su tamaño se reduce.
Aún cuando se apliquen las mejores o estrictas reglas de escalado, a medida que la longitud del canal se reduce la diferencia de comportamiento respecto del canal largo resulta inevitable.
En 1965 los MOSFET más pequeños tenían una longitud de canal (L) del orden de 25 micrómetros, en 2010 es 50/40 nanómetros.
El apartamiento en el comportamiento respecto de un dispositivo de canal largo se muestra en las siguientes figuras.
Se observa que la I_D no se satura y que existe corriente de drenaje aún cuando V_G < 0 (corriente de subumbral).

Como podemos ver en la siguiente figura, la tensión de umbral V_T disminuye a medida que disminuye la longitud del canal y aumenta V_D

Los “efectos de canal corto” surgen como resultado de una distribución en dos dimensiones del potencial eléctrico y de la aparición de intensos campos eléctricos en el canal. La distribución del potencial depende ahora de un campo eléctrico transversal Ex (controlado por las polarizaciones entre compuerta y sustrato) y un campo eléctrico longitudinal E y (controlado por la polarización de drenaje). En otras palabras la distribución de potencial en el canal es ahora en dos dimensiones (hay dos componentes de campo) y la aproximación de canal gradual (GCA) donde Ex es mucho mayor que E y ya no se cumple. Este efecto por diversos motivos resulta en un comportamiento eléctrico indeseable.
A medida que el campo eléctrico aumenta la movilidad de los electrones del canal se hace dependiente del campo y eventualmente ocurre la saturación de la velocidad (recordar que la velocidad de desplazamiento Vn es proporcional al campo eléctrico Ey , y la constante de proporcionalidad es precisamente la movilidad). Si el campo eléctrico aumenta aún más (tal como sucede en la zona de estrangulamiento del canal) se produce la multiplicación de portadores (avalancha) cerca del drenaje dirigiendo corriente hacia el sustrato y por ende un efecto parásito de transistor bipolar.
Los campos eléctricos elevados causan también inyección de portadores (denominados “hot carriers”) en el óxido, cargándolo, con la consecuente variación de la tensión de umbral y la degradación de la transconductancia.
Las consecuencias de los “efectos de canal corto” pueden ser resumidas de la siguiente manera:

1. La tensión de umbral (V_T) no es constante y se reduce con la longitud del canal L.
2. I_D no se satura con la tensión de polarización V_D.
3. I_D no es proporcional a 1/L.
4. Las características del dispositivo se degradan con el tiempo de operación.

Surge entonces una pregunta ¿Cuál es la mínima longitud de canal debajo de la cual se espera que aparezcan los efectos de canal corto?
La respuesta es que Lmín debe ser mayor que la suma de los anchos de las zonas de carga espacial (z.c.e.) asociadas a las junturas de drenaje y fuente, pudiendo precisarse estimativamente entre 0,1 y 1 micrómetro a través de la siguiente fórmula empírica:

Lmín = 0,4[rj.Xo.(W_S + W_D) ² ] ^1/3

Donde:
Xo = espesor del óxido en Amstrong
Lmín: en micrómetros
rj = profundidad de las zonas de drenaje y fuente en micrómetros
W_D = ancho de z.c.e. de la juntura de drenaje en micrómetros
W_S = ancho de z.c.e. de la juntura de la fuente en micrómetros

Se observa entonces que Lmín puede reducirse si se reduce la profundidad de las “islas” de fuente y drenaje, el espesor del dieléctrico y se aumenta la contaminación del sustrato para reducir W_S y W_D.

Principales efectos de canal corto

Modificación de la tensión de umbral (V_T)

En un MOSFET de enriquecimiento de canal corto la tensión de umbral (V_T) se reduce al reducirse la longitud del canal. Esto se explica ante el hecho de que antes de formarse el canal la región de sustrato lindante a la compuerta debe “vaciarse”(depleción). En el MOSFET de canal corto las regiones de fuente y drenaje colaboran con eso, es decir que parte de la carga es balanceada por la carga de las junturas de drenaje y fuente.

De esta manera se requiere menor carga (tensión de compuerta) para llegar a la inversión y eso hace que V_T decrezca. Cuanto menor es L mayor porcentaje de la carga es balanceada por las junturas P-N de fuente y drenaje y mayor es la reducción de V_T.
La variación de VT para canal corto es:

Si se examina la relación

los efectos de canal corto se minimizan si se reduce Xo (espesor del óxido), rj (profundidad de las zonas de drenaje y fuente) y se aumenta N_A.

Como se vio al principio, recordemos la figura que muestra la variación de V_T en función de la longitud del canal y de la tensión de drenaje (V_D). A mayor V_D y menor longitud de canal, la V_T es menor

Efecto parásito de Transistor Bipolar

“Punch through”

La región debajo del óxido de compuerta (subcompuerta) de un MOSFET es de contaminación opuesta al drenaje y fuente, dando como resultado una estructura similar a un transistor bipolar de juntura tipo NPN. Si la distancia entre fuente y drenaje es pequeña, tal como ocurre en los MOSFET de canal corto, resulta comparable al ancho de la base de un TBJ. En estos casos puede suceder que las zonas de transición de drenaje y fuente se solapen produciéndose el efecto de “punch through” o perforación resultando en una notable corriente entre fuente y drenaje que viaja bajo la superficie del sustrato. Esta corriente no está confinada a circular por el canal y la compuerta pierde el control de esta corriente profunda ya que sólo controla a la zona inmediatamente adyacente a la interfase Si/SiO2. Esta corriente que circula por las profundidades entre las zonas de transición aumenta en forma cuadrática con la tensión de drenaje (observar la curva I_D-V_D de la introducción).
El resultado es la existencia de corriente de drenaje aún en ausencia de canal o el incremento de la misma una vez que el canal está formado.

La forma de reducir este efecto es aumentar la contaminación de la región de subcompuerta. Se podría pensar en aumentar la contaminación de todo el sustrato pero ello llevaría al efecto adverso de aumentar las capacidades parásitas. Una práctica común constituye la implantación iónica selectiva en la región debajo de la compuerta que no influya en la contaminación de todo el sustrato.

Efecto avalancha

Un segundo efecto parásito de TBJ involucra el efecto avalancha en la región de drenaje asociado a los elevados campos eléctricos de la zona de depleción y la posterior realimentación positiva, efecto despreciable en los dispositivos de canal largo. Esto limita dramáticamente la máxima tensión de drenaje debido al incremento de la corriente.

El proceso se inicia por un electrón (portador mayoritario) de la corriente del canal, en adelante denominado “hot carrier”, que penetra en la zona de campo eléctrico elevado cerca del drenaje y produce efecto avalancha. Los electrones así generados formaran parte de la corriente de drenaje pero las lagunas se dirigen hacia el contacto de sustrato produciendo caída de tensión y con ello polarización directa de la juntura de fuente incrementando por consiguiente la corriente del canal, el efecto avalancha y así continúa el proceso que puede terminar con la destrucción del dispositivo.

Drain Induced Barrier Lowering (DIBL)

Es un efecto similar al Punch Through. En el DIBL efecto se origina en la reducción de la barrera energética cerca de la fuente por su cercanía con el drenaje. La influencia de la polarización del drenaje hace que se reduzca la barrera de potencial de la juntura de fuente inyectándose más portadores al canal y aumentando la corriente de drenaje tanto por encima como por debajo de la tensión de umbral.

Tenemos que considerar la barrera de potencial (para electrones en un canal n) en la superficie entre fuente y drenaje. Para condiciones de corte, este potencial de barrera (en región p adyacente) impide que los electrones fluyan hacia el drenaje. El potencial superficial esta controlado principalmente por V_G.

Cuando V_G < V_T sólo hay un número limitado de electrones que se inyectan desde la fuente sobre la barrera y que son recolectados por el drenaje (corriente de subumbral). En los MOSFETs de canal largo este potencial de barrera es plano para la mayor parte del dispositivo. Los campos de fuente y drenaje sólo afectan los extremos del canal.
Cuando la longitud del canal se acorta, los campos de fuente y drenaje penetran profundamente en la parte media del canal, con lo cual baja el potencial de barrera entre fuente y drenaje. Esto causa un incremento sustancial de la corriente de subumbral y la V_T disminuye respecto al valor que tiene en el dispositivo de canal largo.
Cuando se aplica una V_D elevada al MOSFET de canal corto, el tamaño de la barrera se reduce aún mas, lo que resulta en una reducción mayor de la V_T. A este efecto se lo conoce como como DIBL (drain – induced barrier lowering).

Efecto de los portadores altamente energizados (Hot Carriers)

Carga del óxido

Algunos portadores (electrones o lagunas) que atraviesan la zona de depleción de drenaje pueden ser acelerados alcanzando suficiente energía para superar la barrera de energía de la interface Si/SiO2 ( 3,1 eV). La carga que queda atrapada en la capa de óxido causa cambios significativos, generalmente el aumento, en la tensión de umbral y la degradación de la transconductancia (gm) debido a la reducción de la movilidad en el canal. Además como la carga del óxido es un efecto es un efecto acumulativo en el tiempo el fenómeno tiende a limitar la vida útil del dispositivo por lo que resulta imperativo minimizarlo.
En los MOSFETs de canal corto, el efecto de la carga en el óxido es mucho mas grave, porque se afecta un porcentaje mayor de la región controlada por la compuerta.
La influencia de la carga en el óxido en estos dispositivos se minimiza formando un drenaje levemente contaminado (ligthly doped drain – LDD) que reduce el campo eléctrico en la vecindad del drenaje y por lo tanto la inyección de portadores en el óxido.
Algunos de estos “hot carriers” (particularmente lagunas) que atraviesan la capa de óxido constituyen corriente de compuerta que debido a su valor despreciable frente a la corriente de drenaje no constituye en sí un problema grave. Lo importante es el daño que causan las cargas que se introducen en el óxido.
No debe confundirse esta corriente con la que se produce por efecto túnel.

Saturación de la velocidad

En el análisis de un MOSFET de canal largo no existía limitación alguna a la velocidad de los portadores mayoritarios a lo largo del canal. La velocidad de corrimiento de los portadores en Si a 300ºK se acerca a un máximo de aproximadamente 10⁷cm/s cuando el campo eléctrico excede 3.10⁴ v/cm para electrones y 10⁵ v/cm para lagunas.
En los MOSFETs de canal corto, hay limitación en la corriente de canal por la saturación de la velocidad. Esto tiene dos efectos principales sobre las curvas características:

1. La I_DSAT se reduce de manera significativa.
2. La I_DSAT exhibe una relación cuasi lineal respecto (V_G – V_T) en contraposición a la relación cuadrática que existe en el dispositivo de canal largo.

Modulación de la longitud del canal

Sabemos que cuando la longitud del canal es comparable al tamaño de la zona de estrangulamiento (ΔL≃L), se produce un aumento de la I_D de pos-estrangulamiento.
Los anchos de la zona de transición de drenaje y fuente (y_D e y_S) reducen la longitud efectiva del canal según la expresión:
Lef = L – y_S - y_D (ver referencias en el dibujo mas abajo)
Esto contribuye a la dependencia de la longitud del canal en función de la tensión de drenaje y provoca la no saturación de la corriente de drenaje en función de dicha tensión lo que produce una leve inclinación de las curvas características de salida.

Escalado (Scaling) de los Dispositivos

La regla ideal para evitar los efectos de canal corto sería simplemente reducir proporcionalmente todas las dimensiones y tensiones de un MOSFET de canal largo de manera de mantener constantes los campos eléctricos. Los principios de este escalado a campo constante se indican en la siguiente tabla:

Parámetro	Factor de escala: E constante	Actual factor de escala	Limitación
L	1/K	/	/
E	1	mayor 1	/
d	1/K	mayor 1/K	Efecto Túnel
rj	1/K	mayor 1/K	Resistencia
VT	1/K	mucho mayor 1/K	Corriente Off
VD	1/K	mucho mayor 1/K	VT del sistema
NA	K	mayor que K	Ruptura de la Juntura

Donde :

L = longitud del canal
E = Campo eléctrico
d = espesor del dieléctrico
rj = ancho de la zona de drenaje y fuente
V_T = tensión de umbral
V_D = Tensión de drenaje
N_A = contaminación del sustrato

Todas las dimensiones del dispositivo incluyendo la longitud y el ancho del canal, espesor del óxido y ancho y profundidad de la juntura son reducidos por el mismo factor de escala. El nivel de contaminación se multiplica por K y todas las tensiones se dividen por K conduciendo a una reducción del ancho de la zona de transición de la juntura de drenaje de aproximadamente K.
Desafortunadamente una norma de escalado tan sencilla se ve obstruida por otros factores que no pueden aumentarse o disminuirse de acuerdo al factor K. Por ejemplo el potencial de contacto sólo varía un 10% para un incremento de 10 veces en la contaminación. El rango de tensión de compuerta entre el vaciamiento y una fuerte inversión en el canal es de aproximadamente 0,5 volt.
Cuando el espesor del óxido de la compuerta se acerca a los nm (nanómetros) comienza a presentar defectos tecnológicos. Otra limitación importante es la aparición de efecto túnel a través del óxido lo que provoca la existencia de corriente de entrada y por lo tanto el incremento del consumo y de la disipación.
Las resistencias serie de fuente y drenaje aumentan cuando se reduce rj lo que es particularmente perjudicial cuando la corriente aumenta. La contaminación del sustrato (canal) no puede incrementarse indefinidamente debido a la ruptura de la juntura PN. La tensión de umbral no puede reducirse hasta valores tan bajos. La reducción en la tensión de alimentación ha sido un factor en el que se ha sido conservador ya que su reducción atenta contra la velocidad del sistema.
Estas limitaciones al escalado se resumen en la tabla y han conducido a los “factores actuales no ideales” que se muestran en comparación con los “factores a campo constante”.
Con estas limitaciones el campo ya no permanece constante y aumenta con longitudes de canal.
Debido a las limitaciones prácticas mencionadas han sido propuestas otras reglas de escalado tales como:

• Escalado a tensión constante.
• Escalado a tensión cuasi-constante.
• Escalado generalizado.

Se ha propuesto otra norma cuya única condición es mantener flexibilidad en los factores. Esto permite que los diversos parámetros del dispositivo se ajusten independientemente mientras se conserva el comportamiento general del dispositivo. Esto es que los parámetros del dispositivo no deben ser modificados por el mismo factor K. Recordemos que la expresión para la mínima longitud de canal con un comportamiento de canal largo es

Lmín = 0,4[rj.Xo.(W_S + W_D)²] ^1/3

Se han discutido algunas reglas de escalado pero podría decirse que se ha llegado a un amesetamiento en la reducción del tamaño de los dispositivos.

Como aspecto positivo puede mencionarse que se están desarrollando tecnologías que han de contribuir al escalado de los dispositivos.
En primer lugar MOSFET´s TriGate construídos en estructuras tridimensionales con cuerpo ultra delgado que prácticamente eliminaran el paso de conducción por efecto “punch-through” con lo que los requerimientos de incremento de contaminación del canal ya no son tan necesarios. (tienen L= 20 nanómetros)
En segundo lugar la investigación orientada a la búsqueda de aislantes de compuerta con mayores constantes dieléctricas ha sido intensa. Los dieléctricos de alto K como el Hafnio, hacen que se reduzca el efecto túnel debido a su pequeño espesor.
En tercer lugar el desarrollo de nuevos materiales, como el GRAFENO , que permitirán dispositivos mas pequeños, de menor consumo y más rápidos.