WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 1 КНИ-нанотранзисторы с двумя независимо управляемыми затворами © О.В. Наумова¶, М.А. Ильницкий, Л.Н. Сафронов, В.П. Попов Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 5 мая 2006 г. Принята к печати 19 мая 2006 г.) Приводятся результаты численного моделирования затворных характеристик КНИ-МОП-нанотранзисторов с двумя независимо управляемыми затворами. Рассматривался случай с заземленной и плавающей базой как без, так и с учетом поверхностной рекомбинации носителей заряда. Показано, что при заданных конструктивных параметрах (длине затвора 50-100 нм, толщине кремния 25-30 нм) путем изменения напряжения на дополнительном затворе можно варьировать пороговое напряжение транзистора в диапазоне 0.45 В, уменьшать ток транзистора в закрытом состоянии до 7 порядков, подпороговый наклон затворных характеристик — до 60 мВ/дек. Подавление короткоканальных эффектов в таких транзисторах зависит от ряда параметров (перечисленных по степени убывания воздействия): материала затвора, времени жизни носителей заряда (плавающая или заземленная база), толщины отсеченного слоя Si, напряжения на дополнительном затворе, длины канала.

PACS: 73.40.Qv, 73.50.–h, 85.30.De, 85.30.Tv 1. Введение зисторах на основе КНИ появляется возможность более эффективного управления зарядом в базе транзистора Структуры кремний-на-изоляторе (КНИ), изначаль- в первую очередь за счет конструктивных параметров но предназначенные для изготовления радиационно- слоя или полоски кремния, выполняющего роль базовой стойких приборов, в настоящее время получили призна- области транзистора.

ние как базовый материал для развития наноэлектрони- Чтобы эффективно использовать площадь, занимаеки на кремнии. Действительно, переход от объемного мую КНИ-транзистором, канал может быть индуцирован кремния к структурам КНИ позволяет решить одну не только с планарной стороны, но, в идеале, — со всех из ключевых проблем, возникающих при изготовлении 4 сторон полоски кремния-на-изоляторе. Поэтому полунанотранзисторов — подавление короткоканальных эф- чили развитие следующие конструкции многозатворных фектов.

КНИ-транзисторов:

К короткоканальным эффектам относят: смыкание об- 1) с двойным затвором, когда дополнительный затвор ластей cток–исток, понижение потенциального барьера расположен между скрытым окислом и отсеченным на истоке за счет проникновения поля стока (drain слоем кремния;

induced barrier lowering, DIBL-эффект), уменьшение порогового напряжения Vth, увеличение тока транзистора в закрытом состоянии Ioff, подпорогового наклона характеристик сток–затвор (S) и т. д. [1,2]. Основная причина возникновения короткоканальных эффектов связана с тем, что при уменьшении длины канала классического МОП транзистора планарный затвор контролирует меньший заряд в подложке. Это хорошо иллюстрируется на рис. 1.

Часть общего заряда обеднения в МОП транзисторе ( Q в заштрихованных областях на рис. 1) f контролируется напряжением на истоке и стоке [1].

С уменьшением длины канала доля Q возрастает, f а доля заряда Qb, контролируемого планарным затвором, уменьшается. Чтобы уменьшить заряд в области обеднения стока–истока Q, используют сильное леf гирование подложки. Однако при этом уменьшается подвижность носителей заряда в канале транзистора.

Переход от объемного кремния к слоям кремния-наизоляторе (с толщиной отсеченного слоя Si TSi < Wd, Рис. 1. Модель разделения зарядов для случая короткоканальрис. 1) означает сокращение Q без необходимости f ного МОП транзистора на объемном Si [1] (a) и на структуре повышения уровня легирования. Таким образом, в транКНИ (b) при достижении порога (начала) инверсии. Заряд в ¶ E-mail: naumova@isp.nsc.ru заштрихованных областях контролируется истоком и стоком.

КНИ-нанотранзисторы с двумя независимо управляемыми затворами 2) „вертикальный“ вариант конструкции КНИ-МОП- затворами, чтобы, во-первых, определить параметры, транзисторов с двойным затвором (так называемый наиболее критичные для подавления короткоканальных двухзатворный транзистор FinFET), когда пластинчатое эффектов, и, во-вторых, понять, насколько эффективно тело транзистора (fin — плавник) лежит не в горизон- с помощью напряжения на дополнительном затворе тальной плоскости, а как бы поставлено на ребро. Ка- можно управлять такими параметрами транзистора, как налы при этом индуцируются напряжением на затворах Vth, S, Ioff.

вдоль обеих сторон такой пластины;

Рассмaтривался „вертикальный“ вариант конструкции 3) с трехмерным затвором;

КНИ-МОП-транзисторов с двумя сторонними затворами 4) с трехмерным, углубленным в окисел затвором с заземленной и с плавающей базой как без, так и с (Pi-gate-транзистор);

учетом поверхностной рекомбинации носителей заряда 5) c круговым затвором [2].

по механизму Шокли–Рида–Холла (ШРХ).

В настоящее время достаточно много работ посвящено моделированию и изготовлению многозатворных кон2. Моделирование струкций, в которых, как правило, затворы управляются одним и тем же напряжением. Показано, в частности, Моделирование затворных характеристик транзистора что для подавления короткоканальных эффектов необхопроводилось в программе DESSIS пакета ISE TCAD.

дим переход от поликремниевых затворов к затворам с Для моделирования использовалась двумерная струкработой выхода, близкой к середине запрещенной зоны тура транзистора, изображенная на рис. 2. Транзистор кремния [3]. Вработе [3] были определены оптимальные представляет собой полоску кремния высотой HSi, толсоотношения между длиной затвора LG и тощиной щиной TSi, расположенную на SiO2, с двумя сторонними отсеченного слоя кремния (LG/TSi). В нанотранзисторах затворами G1 и G2. Толщина пластинчатого тела транзиразличных конструкций эти соотношения составляют:

стора (TSi) варьировалась в диапазоне 25-50 нм, длина 1/4 — для КНИ-нанотранзистора классической конзатворов транзистора (LG) — в диапазоне 50-100 нм.

струкции (с одним планарным затвором); 1/2 — для Поскольку каналы проводимости индуцируются вдоль двухзатворного; 1 — для трехзатворного транзистора боковых граней, для вертикальной конструкции высопри условии, что высота пластинчатого тела Wfin и та кремниевой пластинки HSi является шириной базотолщина TSi равны TSi = Wfin, и 2 — для транзистора с вой области транзистора W. В расчетах принималось круговым затвором [4,5].

Кроме увеличения эффективной площади канала (ко- W = HSi = 1 мкм. Отметим, что для результатов расчета торый индуцируется со стороны каждого из затворов при тех же размерах транзистора), к преимуществам таких конструкций, как уже отмечалось выше, следует отнести возможность использования слабого уровня легирования базовой области нанотранзистора. При этом слой кремния становится полностью обедняемым, а границы раздела Si/SiO2 электрически взаимосвязанными.

Это определяет и один из недостатков многозатворных конструкций — высокую чувствительность к флуктуациям заряда в подзатворных окислах [6], что особенно важно при радиационном воздействии.

С другой стороны, многозатворные конструкции позволяют использовать независимое управление напряжением на разных затворах. При этом появляются возможности:

1) дополнительно контролировать потенциал в базе транзистора с помощью напряжения со стороны одного из затворов для подавления короткоканальных эффектов, 2) получить транзистор с управляемым („настраиваемым“) пороговым напряжением, 3) использовать режимы, в частности, для двухзатворных конструкций, при которых параметры транзистора (Vth, S) не зависят от флуктуаций заряда в одном из подзатворных диэлектриков [7].

Поэтому в данной работе приводятся результаты численного моделирования затворных характеристик КНИ- Рис. 2. Схематическое изображение КНИ-МОП-транзистора с нанотранзисторов с двумя независимо управляемыми двойным затвором: a — сечение, b — вид сверху.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 106 О.В. Наумова, М.А. Ильницкий, Л.Н. Сафронов, В.П. Попов не существенно, „вертикальный“ или „горизонтальный“ (планарный) вариант затворов имеет конструкция.

Затворные характеристики строились в зависимости от напряжения на G1 (VG1), напряжение на затворе G2 (VG2) являлось параметром. Для удобства затвор Gназывался дополнительным. При всех расчетах считалось, что на исток подается напряжение 0 В, на сток — тянущее напряжение Vds = 0.1 В. На базу транзистора подается напряжение Vb = 0B (контакт к базе указан на рис. 1), либо рассматривается транзистор с плавающей базой. В базовой области транзистора учитывается рекомбинация по механизму ШРХ со временем жизни носителей заряда 10 мкс. Для транзисторов с плавающей базой также рассматривались два варианта: без учета и с учетом поверхностной рекомбинации по механизму ШРХ со скоростью S0 = 103 cм/с.

База считалась однородно легированной бором или фосфором для n- или p-канальных транзисторов соответственно. Концентрация легирующей примеси в базе принималась равной 6 · 1016 cм-3. Концентрация примеси в областях стока, истока — 1020 см-3. Рассматривались поликремниевые затворы, легированные бором (p+-затвор) либо фосфором (n+-затвор) до концентрации 1021 см-3.

Из сток-затворных характеристик Ids-IG1 извлекались такие параметры транзистора, как пороговое напряжение Vth, подпороговый наклон S, ток транзистора в закрытом состоянии Ioff.

3. Результаты расчетов Рис. 3. Сток–затворные характеристики n-канальных тран3.1. Транзисторы с плавающей базой зисторов с поликремниевыми n+-затворами при различном напряжении на затворе G2 в линейном (a) и полулогарифНа рис. 3 приведены затворные характеристики мическом (b) масштабах. Параметры расчетов: TSi = 25 нм, n-канальных транзисторов с поликремниевым n+-затвоVds = 0.1 B, толщина SiO2 dox = 5 нм. Длина канала LG, нм:

ром и плавающей базой при различном напряжении на 1–5 — 100, 6–10 — 50. Напряжение на затворе G2 VG2, B:

дополнительном затворе G2. Длина канала LG состав1, 6 —0; 2, 7 — (-0.5); 3, 8 — (-1); 4, 9 — (-1.5);

ляла 100 и 50 нм, TSi = 25 нм. Видно, что при VG1 = 0 5, 10 — (-2).

транзисторы открыты. Ток транзистора Ids уменьшается (до 7 порядков) при подаче отрицательного напряжения на G1 и G2, проходя через минимум при уменьшается с уменьшением VG2 (рис. 4, b), причем при -1.5B < VG1 < -1B.

наличии поверхностной рекомбинации (зависимости 1, На рис. 4 приведены полученные из затворных харакна рис. 4, b) значение S слабо зависит от длины затвора теристик транзисторов зависимости порогового напряи стремится к минимально возможному (60 мВ/дек).

жения Vth и подпорогового наклона S от напряжения нa затворе G2 для двух случаев: когда расчет проводился без учета и с учетом поверхностной рекомбинации 3.2. Транзисторы с заземленной базой носителей заряда. Видно, что пороговое напряжение На рис. 5 приведены сток–затворные характеристики транзисторов, в которых учитывается поверхностная рекомбинация по абсолютной величине, на 0.25 В ни- n-канальных транзисторов с поликремниевыми n+- и p+-затворами при нулевом напряжении на G2. Из риже, чем в случае, когда поверхностная рекомбинация сунка видно, что при одних и тех же конструктивных отсутствует. При VG2 = 0 значения Vth меньше нуля (транзисторы открыты). Подача отрицательного напря- параметрах замена поликремниевого n+-затвора на p+жения на G2 позволяет увеличивать пороговое напря- затвор приводит к параллельному сдвигу характеристик жение и варьировать его в диапазоне Vth = 0.23 B в (сдвигу порогового напряжения Vth) на 1.1B, что транзисторах с LG = 50 нм и в диапазоне Vth = 0.47 B обусловлено разницей работ выхода электронов для в транзисторах с LG = 100 нм. Подпороговый наклон S различных систем Si/n-затвор, Si/n = 3.97 эВ и Si/pФизика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. КНИ-нанотранзисторы с двумя независимо управляемыми затворами зависимости 1, 2 и зависимости 4, 5 на рис. 6, a для транзисторов с поликремниевыми p+- и n+-затворами соответственно). В p-канальных транзисторах (рис. 7, a) изменение Vth при варьировании LG выражено более явно и составляет 0.2 B при TSi = 25 нм. Как и для nканальных транзисторов, пороговое напряжение в большей степени зависит от толщины пластинки Si, чем от длины канала.

Подача напряжения на дополнительный затвор G2 (отрицательного либо положительного для n- и p-канальных транзисторов соответственно) позволяет увеличивать абсолютное значение порогового напряжения (на 0.15 B при TSi = 25 нм). Таким образом, в n-канальных транзисторах с заземленной базой в отличие от транзисторов с плавающей базой: во-первых, пороговое напряжение всегда положительно, во-вторых, изменяется в меньшем диапазоне значений Vth при варьировании напряжения VG2.

Рис. 4. Зависимости от напряжения на затворе G2: a —порогового напряжения Vth, b — подпорогового наклона затворных характеристик S. 1, 2 — расчет с учетом поверхностной рекомбинации; 3, 4 — без учета. Транзисторы n-канальные, с поликремниевыми n+-затворами, с плавающей базой. TSi = 25 нм, LG, нм: 1, 3 — 100; 2, 4 — 50.

затвор, Si/p = 5.1 эВ. Результатом является уменьшение тока транзистора в закрытом состоянии Ioff при VG1 = на 7 порядков. При одной и той же длине затвора LG уменьшение рабочего слоя Si с 50 до 25 нм приводит к параллельному сдвигу характеристик на 0.6 B (росту порогового напряжения) и изменению Ioff на 3-4 порядка, так что транзистор с конструктивными параметрами TSi = 25 нм, LG 50 нм и W = 1 мкм остается работоспособным (Ioff 5 · 10-9 А/мкм, Ion/Ioff = 104) даже при использовании поликремниевых затворов, легированных фосфором.

На рис. 6 и 7 приведены полученные из затворных характеристик зависимости порогового напряжения Рис. 5. Сток–затворные характеристики n-канальных Vth, подпорогового наклона характеристик S и тока транзисторов с n+- (1–3) и p+- (5, 6) затворами при VG2 = Ioff (при VG1 = 0) от напряжения на затворе G2 для в линейном (a) и полулогарифмическом (b) масштабах.

n- и p-канальных транзисторов соответственно. Видно 1, 4 — TSi = 50 нм, LG = 50 нм; 2, 5 — TSi = 25 нм, LG = 50 нм;

(рис. 6, a), что в n-канальных транзисторах порого3, 6 — TSi = 25 нм, LG = 100 нм. Vds = 0.1B, VS = Vb = 0, вое напряжение слабо зависит от длины затвора (см. dox = 5 нм. Транзисторы с заземленной базой.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.