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半導体用語集

チャネル電界

英語表記：channel field

　MOSトランジスタでは素子寸法が縮小されるとチャネル電界が増加してホットキャリア注入による素子特性の劣化やドレイン耐圧の低下が大きな問題となる。MOSトランジスタのチャネル電界はチャネルに平行な方向と垂直な方向に分けて考えることができる。ホットキャリア注入による素子特性の劣化やドレイン耐圧の低下にはチャネルに平行なチャネル方向電界が大きな影響をもっている。チャネル方向電界は線形領域動作でも飽和領域動作でも、ソースからドレインに向かうに従って増加する。飽和領域動作ではドレイン端にチャネルのない狭いピンチオフ領域が形成され、この狭いピンチオフ領域にドレイン電圧の大部分が印加されるので、チャネル方向電界の増加は特に著しい。そのため、飽和領域動作におけるチャネル方向電界はソースからドレインに向かって指数関数的に増加するようになる。不純物濃度の高いドレイン内部では電界が急激に減少するので、結果としてチャネル方向電界はドレイン端で最大となる。一方、チャネルに垂直方向の電界はゲート酸化膜とシリコン基板界面で最大となる（通常の表面チャネル型の場合)。線形領域動作ではこの電界の最大値はソースからドレインに向かうにつれて減少する。また、飽和領城動作では、ソースからドレインに向かうにつれて減少するだけでなく、チャネルが消失するピンチオフ点近傍でその方向が逆転して再び増加するようになる。すなわち、ピンチオフ点を境にしてソース側ではチャネルの垂直方向電界はゲートからチャネルに向かう方向となっているが、ピンチオフ点よりもドレイン側では垂直方向電界がピンチオフ領域やドレイン側からゲートヘ向かう方向となっている。このピンチオフ点近傍やドレイン近傍の垂直方向電界がドレイン近傍で発生したホットキャリアのゲート酸化膜中への注入に大きな影響を及ぼす。
チャネルが形成されている部分の垂直方向電界はキャリアの移動度を介して電流駆動能力にも影響を与える。キャリア移動度はフォノン散乱や表面ラフネス散乱の影響を受けて、垂直方向電界が強くなると急激に減少する。垂直方向電界はゲート電圧を高くすると増加するが、ゲート酸化膜厚を薄くしても、また、チャネル部の不純物濃度を高くしても増加する。したがって、短チャネル効果を抑制するためにゲート酸化膜厚を薄くし、チャネル領域の不純物濃度を高くしなければならない微細MOSトランジスタでは垂直方向電界の増加によるキャリア移動度の減少がより顕著となる。

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