Зависимости электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивных и технологических факторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Краснов, Александр Александрович

• Краснов, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Краснов, Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ, МОДЕЛИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ СОВРЕМЕННЫХ МОП ТРАНЗИСТОРОВ.

1.1 Современное состояние МОП технологии.

1.2 Методы моделирования транзисторов со структурой КНИ.

1.3 Технологии получения структур кремний на изоляторе.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОП ТРАНЗИСТОРОВ СО СТРУКТУРОЙ КНИ.

2.1 МОП транзисторы с длиной п- области Ь=500-1000А.

2.2 Вольт-амперные характеристики МОП КНИ транзисторов с несколькими затворами.

2.3 Вольт-амперные характеристики КНИ нано-МОП транзисторов с малой длиной п-области Ь=200-400 А и малым количеством доноров в п-слое.

2.4 Приближенный метод расчета вольт-амперных характеристик и крутизны в нано-МОП транзисторах с п-каналом и со структурой КНИ с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ВЛИЯНИЕ НА НЕГО КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ.

3.1 Пороговое напряжение в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ и длиной п-слоя Ь0=500-Ю00 А.

3.2 Влияние толщины сверхтонкого основания на пороговое напряжение в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

3.3 Влияние конструктивных параметров на пороговое напряжение в р-канальных нано-МОП транзисторах со структурой КНИ и сверхтонким основанием.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЕМКОСТЕЙ В НАНО-МОП ТРАНЗИСТОРАХ СО СТРУКТУРОЙ КНИ.

4.1 Методы расчета входной, проходной, выходной емкостей в нано

МОП транзисторах со структурой КНИ.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Зависимости электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивных и технологических факторов»

Актуальность темы. В современной полупроводниковой электронике одну из самых передовых и технологичных ниш занимают нано-МОП транзисторы с длиной канала меньше 300 А и структурой кремний-на-изоляторе (КНИ). Они используются в высокопроизводительных процессорах ведущих мировых производителей Intel и AMD. Этот тип транзисторов вытеснил биполярные и другие типы полевых транзисторов из процессорной электроники, несмотря на некоторый проигрыш в производительности относительно некоторых других типов полевых транзисторов, благодаря своей экономичности, высокой степени интеграции и дешевизне, а также из-за малых величин влияния на характеристики транзистора короткоканальных эффектов.

Стоит отметить, что в настоящее время в Российской Федерации освоена технология производства с технологической нормой 180 нм, закуплено и ожидает запуска оборудование с технологическими нормами 90 нм, в то время как на фабриках AMD в конце 2011 года было налажено серийное производство процессоров по технологической норме 28 нм (280 А). Основным сдерживающим фактором в развитии отечественного производства нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала меньше 300 А является отсутствие теоретических основ проектирования транзисторов данного класса и, как следствие этого, отсутствие какой-либо производственной базы. Нано-МОП транзисторы со структурой КНИ и длиной канала меньше 300 А - крайне сложное конструктивно-технологическое решение, и до настоящего времени в литературе отсутствуют сведения по аналитическим методам расчета параметров таких транзисторов. Несмотря на высокое развитие современных высокопроизводительных ЭВМ и программных комплексов для численного моделирования полупроводниковых приборов, невозможен быстрый инженерный расчет необходимых параметров транзисторов. Разработка простых инженерных аналитических методов расчета позволит рассчитывать электрические и технологические параметры транзисторов данного класса.

Данная работа проводилась в соответствии с планом ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет».

Цель работы - получение аналитических зависимостей основных электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивно-технологических факторов. Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Разработать аналитический метод расчета выходной вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А.

2. Разработать приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200-400

А.

3. Разработать аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А.

4. Исследовать влияние концентрации основных носителей в п- или р-слоях и их толщины на пороговое напряжение нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Разработать аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

6. Исследовать зависимости емкостей Сзи, СВЬ1Х и Сзс от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с учетом неоднородного распределения носителей заряда по длине канала.

Научная новизна исследований:

1. Разработан аналитический метод расчета переходных вольт-амперных характеристик и крутизны нано-МОП транзистора со структурой

КНИ и длиной канала 500-1000 А в приближении насыщения дрейфовой скорости электронов у5е или дырок у5ь в канале.

2. Разработан приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 200400 А с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала в 2 раза.

3. Разработан аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000

А.

4. Обнаружено, что крутизна наклона входных вольт-амперных характеристик Б зависит от концентрации донорных атомов в п-слое нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Обнаружено, что уменьшение толщины пленки р-81 в р+-р-р+ нано-МОП транзисторов ограничено величиной работы выхода из металла затвора.

6. Разработан аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

7. Впервые при расчете зависимостей емкостей Сзи, Свых и Сзс от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ учитывалось неоднородное распределение носителей заряда по длине канала.

Практическая значимость работы. Основные результаты исследования, а именно: аналитический метод расчета вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А, приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200-400 А, аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А, аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано

МОП транзисторах со структурой КНИ могут быть полезны для разработчиков нано-МОП транзисторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитический метод расчета вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 5001000 А в приближении насыщения дрейфовой скорости электронов у5е или дырок у5Ь в канале.

2. Приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200-400 А с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала в 2 раза.

3. Аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А.

4. Крутизна наклона Э кривой зависимости входной вольт-амперной характеристики зависит от концентрации донорных атомов в п-слое нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Уменьшение толщины пленки р-81 в р+-р-р+ нано-МОП транзисторов ограничено величиной работы выхода из металла затвора.

6. Аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

7. Расчет зависимостей емкостей Сзи, СВЬ1Х и Сзс от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с учетом неоднородного распределения носителей заряда по длине канала.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2012), международный научно-методический семинар «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2009, 2010).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 44 наименования. Объем диссертации составляет 103 страницы, включая 40 рисунков и 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Краснов, Александр Александрович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Впервые были получены аналитические выражения для зависимости тока стока 1с=А(Узи) и крутизны 8=8(УЗИ) от затворного напряжения для нано-МОП транзисторов с длиной канала Ьк=500-1000 А, при насыщении дрейфовой скорости электронов.

2. Установлено, что нано-МОП транзисторы со структурой КНИ с длиной п-области Ь=500-1000 А и концентрацией доноров в п-области Ыап=1018 у см" в зависимости от величины затворного напряжения(Узи>0) работают в 2х режимах: 1) Узи>УОТп~0,3.0,4 В уменьшение толщины обедненного слоя из доноров в п-слое, который образовался из-за наличия контактной разности потенциалов между металлом затвора и п-81 слоем (фкмз-п-э! < 0,5 В); 2) возникновение слоя накопления электронов на поверхности квазинейтрального п-слоя под затворным электродом.

3. В нано-МОП транзисторах с длиной п-области Ь=150-300 А и

17 малой концентрацией доноров 10 см" количество доноров в п-области оказывается пренебрежимо малым (1-2), причем п-область имеет собственную проводимость даже при фкМз-п-БрО. При Узи>ФкМз-п-81 образуется слой накопления электронов, и возникает отличное от нуля напряжение отпирания

ОТП

4. Двухзатворные нано-МОП транзисторы обоих типов имеют по сравнению с однозатворными в 2 раза больший ток стока 1с и крутизну 8. Трехзатворные МОП транзисторы не имеют преимуществ по сравнению с двухзатворными по величине тока 1с и крутизне 8, но технология изготовления двухзатворных транзисторов оказывается более сложна, так как требует дополнительной операции отдельного осаждения изолирующего толстого окисла.

5. Впервые предложен приближенный метод расчет тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ на сверхтонком основании для приборов с длиной канала 220 и 320 А с учетом переменной дрейфовой скорости электронов по длине канала.

6. Впервые получено аналитическое выражение (3.15) для расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длинои п- области 500-1000 А;

7. Для нано-МОП транзисторов со структурой КИИ впервые были получены аналитические выражения для количественной оценки зависимости порогового напряжения Упор от толщины сверхтонкого основания(хп<75 А) для различных концентраций доноров в подзатворной области.

8. Обнаружено, что уменьшение толщины пленки р-типа в р+-р-р+ нано-МОП транзисторов КНИ до размеров меньше 20 А приводит к технологическим проблемам подбора материала затвора с работой выхода большей, чем у известных сейчас металлов (фР1=5.65 эВ), что ограничивает минимальную толщину пленки р-81 20 А для обеспечения соответствующего порогового напряжения.

9. Обнаружено, что на пороговое напряжение оказывает влияние концентрация дырок в пленке кремния, увеличение концентрации акцепторов

1С 1 о ^

N3 от 10 до 10 см" приводит увеличению порогового напряжения на ~0.2 В.

10. Получены простые инженерные формулы для расчета входной Сзи, выходной СВых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ, впервые учитывалось линейное распределение по длине канала, концентрации подвижных носителей индуцированного затворным напряжением при приложении стокового напряжения. В результате емкость Сзи оказывается на 25% меньше, чем в приближении однородного распределения носителей заряда по длине канала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Краснов, Александр Александрович, 2012 год

1. Майская В. Будущие транзисторные структуры / В. Майская. // Электроника: НТБ. 2002. - №3. - С. 64-67.

2. Асеев А.Л. Перспективы применения структур кремний-на-изоляторе: в микро-, наноэлектронике и микросхемотехнике / А.Л. Асеев, В.П. Попов, В.П. Володин, В.Н. Марютин // -МСТ. -№9. -2002.

3. Мустафаев А.Г. Разработка структур кремний на изоляторе на основе пористого кремния / А.Г. Мустафаев, А.Г. Мустафаев // Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» -2008.

4. Попов В.П. Кремний-на-изоляторе: материал и приборные структуры /

5. B.П. Попов, ИВ. Антонова, A.A. Французов, О.В. Наумова, Н.В. Сапожникова // Нано- и микросистемная техника. -2001. -№ 10. -С. 8.

6. Суворов А.Л. Технологии и методы исследования структур КНИ: Монография / А.Л. Суворов, Б.Ю. Богданович, А.Г. Залужный, Графутин, В.И. Калугин В.В., A.B. Нестерович, Е.П. Прокопьев, С.П. Тимошенков, Ю.А. Чаплыгин //- М.: МИЭТ. -2003. -289 с.

7. Мустафаев А.Г. Влияние конструкции на характеристики субмикронных КНИ МОП-транзисторов / А.Г. Мустафаев, А.Г. Мустафаев, Г.А. Мустафаев // Нано и микросистемная техника. -№7. -2010. -С.8-13.

8. Суворов А.Л. Анализ преимуществ, перспектив применений и технологий производства структур КНИ: Препр. 27-00 / А.Л. Суворов, Ю.А. Чаплыгин,

9. C.П. Тимошенков и др. // -М.:ИТЭФ. -2000. -51 с.

10. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов / Г.Я. Красников // М.: Техносфера. - 2004. - ч.2.-536 с.

11. Таиг Y. CMOS scaling into the nanometer regime / Y. Taur, D. Buchanan, W. Chen, D. Frank. // Proc. IEEE, -1997. -vol. 85. -p. 486.

12. Майская В. Транзисторы компании Intel с тройным затвором / В. Майская. // Электроника: НТБ. 2002. - №3. - С. 50-52.

13. Орликовский А.А. Кремниевая транзисторная наноэлектроника / А.А. Орликовский // Известия вузов. Электроника. -2000. -№ 5. -С.35-44.

14. Макушин М. Системы литографии: перспективы и экономические аспекты развития / М. Макушин // Электроника: наука, технология, бизнес. -2010. -N3. С. 46-55

15. Зайцев Н.А. Роль границ раздела в наноразмерных МДП-транзисторах с многослойными high-K-диэлектриками / Н.А. Зайцев и др. // Нано- и микросистемная техника. М., 2011. - № 8. - С. 15-17.

16. Техническая информация компании Intel. Intel White Paper: Introducing the 45 nm Next-Generation Intel Core Microarchitecture. URL: http://www.intel.com/technology/intel64/index.htm

17. Palestri P. A comparison of advanced transport models for the computation of the drain current in nanoscale nMOSFETs/ P. Palestri, C. Alexander, A. Asenov etc. // Solid-State Electronics. -2009. -vol. 53. -pp. 1293-1302.

18. Lucci L. Multi-subband Monte-Carlo study of transport, quantization and electron gas degeneration in ultra-thin SOI n-MOSFETs / L. Lucci, P. Palestri, D. Esseni, L. Bergagnini, L. Selmi //IEEE Trans Electron Dev -2007. -vol.54(5) -pp.1156-64.

19. Ando T. Electronic properties of two-dimensional systems / T. Ando, A. Fowler, F. Stern // Rev Modern Phys -1982 -vol.54, -pp.437.

20. Lucci L. Analysis of transport properties of nanoscale SOI devices: full quantum versus semiclassical models / L. Lucci, M. Bescond, R. Clerc, P. Palestri, D. Esseni, L. Selmi // Proceedings EUROSOI; -2007. -p.43-44.

21. Esseni D. On the modeling of surface roughness limited mobility in SOI MOSFETs and its correlation to the transistor effective field / D. Esseni // IEEE Trans Electron Dev -2004. -vol.51(3) -pp.394-401.

22. Toniutti P. Revised analysis of the mobility and Ion degradation in high-k gate stacks: surface optical phonons vs. remote Coulomb scattering / P. Toniutti, P. Palestri, D. Esseni, L. Selmi // ESSDERC. -2008. -pp.246-249.

23. Palestri P. An improved semiclassical Monte-Carlo approach for nano-scale MOSFET simulation / P. Palestri, S. Eminente, D. Esseni, C. Fiegna, E. Sangiorgi, L. Selmi // Solid State Electron -2005. -vol.49, -pp.727-732.

24. Brugger S. Computation of semiconductor properties using moments of the inverse scattering operator of the Boltzmann equation / S. Brugger // Ser Microelectron. -2007. -pp. 166-172.

25. Bufler F. Efficient Monte Carlo device modeling / F. Bufler, A. Schenk, W. Fichtner // IEEE Trans Electron Dev. -2000. -vol.47(10) -pp. 1891-1897.

26. Ghetti A. 3D Monte Carlo device simulation of nanowire MOSFETs including quantum mechanical and strain effects / A. Ghetti, D. Rideau // Proceedings SISPAD. -2006. -p. 67.

27. Alexander CL. Increased intrinsic parameter fluctuations through ab initio Monte Carlo simulations in nano-scaled MOSFETs / CL. Alexander, G. Roy, A. Asenov // IEDM technical digest. -2006.

28. Riddet С. Convergence properties of density gradient quantum corrections in 3D ensemble Monte Carlo simulations / C. Riddet, A. Asenov // Proceedings simulation of semiconductor processes and devices. -2008. -pp.261-264.

29. Baccarani G. Theoretical foundations of the quantum drift-diffusion and density-gradient models / Baccarani G, Gnani E, Gnudi A, Reggiani S, Rudan M. // Solid State Electron. -2008. -vol.52(4) -pp.526-532.

30. Александров П.А. Применение ионной имплантации водорода в КНИ-технологии / П.А. Александров, Е.К. Баранова и др. // Известия вузов. Электроника. -2000. -№ 5. -С. 17-21.

31. Романов С. И. Исследование структуры типа "Кремний на пористом кремнии" и создание технологического процесса для серийного производства приборов на их основе (http://okb-nzpp.chat.ru/kni.htm).

32. Попов В.П. Свойства структур и приборов на кремний-на-изоляторе / В.П. Попов, И.В. Антонова, А.А. Французов и др. // Физика и техника полупроводников. -2001. -Т.35. -№9. -С. 1075-1082.

33. В.П. Попов, А.И. Антонова, JI.B. Миронова, В.Ф. Стась. Патент РФ № 99120527/28(021735) от 28.09.99 г.

34. Flandre D. Fully-Depleted SOI CMOS Technology for Low-Voltage Low-Power Mixed Digital/Analog/Microwave Circuits / D. Flandre, J.P. Collinge, J. Chen. // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 1999. - vol. 21, 3. - pp. 101109.

35. Петров Б.К. Переходные вольтамперные характеристики и крутизна нано-МОП транзисторов со сверхтонким основанием / Б.К. Петров, А.А. Краснов. // Вестник ВГУ, серия физика, математика. -2008. -№2. С. 43-47.

36. Петров Б.К. Расчет переходных вольтамперных характеристик и крутизны нано-МОП транзисторов со сверхтонким основанием с несколькими затворами / Б.К. Петров, А.А. Краснов. // Радиолокация, навигация, связь. -2009. -№2. С. 43-47.

37. Зи С. Физика полупроводниковых приборов / С. Зи. М.: Мир. - 1984. -Т.2.-456 с.

38. Горячев В. А. Физические характеристики КНИ-транзисторов для наноэлектроники / В.А. Горячев. // Успехи современной радиоэлектроники. -2008. №7-С. 54-73.

39. Schmidt M. Mobility extraction in SOI MOSFET with sub 1mm body thickness / M. Schmidt, M.C. Lemme, H.D.B. Gottlob, F. Driussi, L. Shelmi, H. Kurz // Solid-State Electronics. -2009. -vol.33, -pp. 1246-1251.

40. Park J.T. Multiple-Gate SOI MOSFETs: Device Design Guidelines / J.T. Park, J.P. Colinge // IEEE Transactions on Electron Devices. -2002. vol.49 - №. 12. -pp.2222-2228.

41. Драгунов В.П. Основы наноэлектроники / В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин. // М.: Логос. - 2006. - 496 с.

42. Шалимова К.В. Физика полупроводников / К.В. Шалимова // -М.: Энергоатомиздат, -1985. -392 с.

43. Ю П. Основы физики полупроводников / П. Ю, М. Кордона // 3-е изд. -М.: ФИЗМАТЛИТ, -2002. - 560с.

44. Игнатов А.Н. Классическая электроника и нано-электроника / А.Н. Игнатов. // М. .Флинта. - 2009. - 728 с.