Короткоканальные эффекты и электростатическое качество МОПТ

Лекция 8 Многозатворные МОПТ

План лекции

Короткоканальные эффекты и электростатическое качество МОПТ

Структуры многозатворных МОП-транзисторов

Двухзатворные КНИ МОП-транзисторы

Трехзатворные КНИ МОП-транзисторы

КНИ МОП-транзисторы с окружающим затвором (четырехзатворные)

Другие многозатворные МОП-структуры

Физика многозатворного МОП-транзистора

Характерная длина и короткоканальные эффекты

Рабочий ток

Угловой эффект

Квантовые эффекты и объемная инверсия

Эффекты подвижности

Пороговое напряжение

Заключение

Литература

 

Короткоканальные эффекты и электростатическое качество МОПТ

Технология КНИ является естественным шагом для перехода от чисто планарного принципа интеграции к объемной (3D) интеграции. Одна из главных целей объемной интеграции – подавление геометрических короткоканальных эффектов – реализуется в технологиях многозатворных МОПТ [1,2,3].

Короткоканальные эффекты (ККЭ) возникают, когда на контролируемую затвором область канала начинают влиять линии электрического поля от истока и стока. Эти линии поля показаны на рис. 8.1.

Рис.8.1. Воздействие линий электрического поля от истока и стока на область канала в различных типах МОП-транзисторов: А − объемный МОП-транзистор; B − полностью обедненный КНИ МОП-транзистор; C − полностью обедненный КНИ МОП-транзистор с тонким скрытым оксидом и заземленной подложкой; D − МОП-транзистор с двойным затвором.

 

В объемном приборе (рис.8.1А), линии поля распространяются через обедненные области, связанные с переходами. Влияние ККЭ может быть уменьшено увеличением концентрации примеси в области канала. В очень малых приборах, к сожалению, концентрация примеси становится неприемлемо высокой (~10¹⁹см^-3) для надлежащей работы прибора.

В полностью обедненной КНИ структуре (FDSOI), большинство линий поля распространяются через скрытый оксид (BOX) прежде чем достичь области канала (рис.8.1В). Короткоканальные эффекты в FDSOI приборах могут влиять сильней или слабей, чем в МОП-транзисторах в объемной подложке, в зависимости от толщины слоя кремния, толщины скрытого оксида и концентраций примеси. Они могут быть уменьшены в полностью обедненных КНИ МОП-транзисторах путем использования тонкого скрытого слоя и расположенной внизу заземленной подложки (ground plane). В этом случае большинство линий электрического поля из истока и стока заканчивается на скрытом заземленном слое вместо области канала (рис.8.1С). Однако этот подход имеет недостаток, связанный с увеличением емкости перехода и влиянием тела подложки.

Намного более эффективная конфигурация прибора получена с использованием транзисторной структуры с двойным затвором. Данная структура была впервые предложена в 1984 году, чтобы уменьшить спад порогового напряжения в короткоканальных приборах. В устройствах с двойным затвором оба затвора соединены вместе. Линии электрического поля от истока и стока внизу прибора заканчиваются на нижнем электроде затвора и не могут, следовательно, достигнуть области канала (Рис.8.1D). Только линии поля, которые распространяются через слой кремния, могут влиять на область канала и ухудшать короткоканальные характеристики. Это воздействие может быть сокращено уменьшением толщины кремниевого слоя.

Существует простой метод, называемый методом трансформации (VDT - Voltage-Doping Transformation) моделью (смотри семинар №2), который позволяет численно оценить электростатическое качество структуры транзистора (способность противостоять короткоканальным эффектам) через длину канала, толщину подзатворного оксида, глубину стокового перехода, толщину обедненной области под затвором и напряжение стока. В частности, в случае короткоканального эффекта (SCE-эффект) и индуцированного стоком понижения барьера (DIBL-эффект), из VDT модели могут быть получены следующие выражения:

, (8.1)

, (8.2)

, (8.3)

где − электрическая (эффективная) длина канала, − контактная разность потенциалов истокового или стокового перехода, − толщина подзатворного оксида, − глубина истокового или стокового перехода и − глубина проникновения поля в область канала, которая равна толщине обедненной области под затвором в объемном МОП-транзисторе. Параметр называется фактором электростатического качества. Он зависит от геометрии прибора и определяется электрическим полем, направленным от стока в область канала, таким образом, порождая SCE и DIBL эффекты. Основываясь на вышеуказанных выражениях, пороговое напряжение МОП-транзистора с заданной длиной канала может быть рассчитано по следующему соотношению:

, (8.4)

где − пороговое напряжение длинноканального прибора. Уменьшение порогового напряжения с уменьшением длины канала – хорошо известный короткоканальный эффект, называемый «спад порогового напряжения» (roll-off).

Как можно видеть, короткоканальные эффекты могут быть минимизированы путем уменьшения глубины залегания стока и толщины подзатворного оксида. Они также могут быть минимизированы уменьшением толщины обедненной области путем увеличения концентрации примеси. В течение многих лет разработчики эмпирически получали правила, которые обеспечивали производство приборов без короткоканальных эффектов. Например, используя соотношения , и мы получаем DIBL 29мВ при В. В современных приборах, тем не менее, cуществующие ограничения на масштабирование глубины перехода и толщины подзатворного оксида ведут к значительному увеличению короткоканальных эффектов, а, следовательно, могут быть быстро достигнуты чрезмерно большие значения DIBL.

Соответствующий параметр может быть получен и для полностью обедненного КНИ прибора (FDSOI), заметив, что глубина перехода равна толщине слоя кремния и что поле в области канала полностью проникает в обедненный слой кремния и простирается на некоторую глубину в скрытый оксид:

. (8.5)

В приборе с двойным затвором глубина залегания перехода и эффективное проникновение поля для каждого затвора равны , что дает:

. (8.6)

Выражения для электростатического качества и поперечное сечение соответствующего прибора обобщены на рис.8.2. Из уравнений (8.1) и (8.2) ясно, что для того, чтобы уменьшить влияние короткоканальных эффектов, необходимо минимизировать EI-фактор в приборе. Это может быть достигнуто путем уменьшения толщины прибора, а также уменьшения глубины залегания перехода и глубины обедненной области в объемном приборе; и путем уменьшения толщины слоя кремния и скрытого оксида в полностью обедненном КНИ приборе; или уменьшения толщины слоя кремния в МОП-транзисторе с двойным затвором. С точки зрения электростатического качества транзистор с двойным затвором вдвое превосходит аналогичный FD SOI транзистор.

Рис.8.2.Электростатическое качество: A: объемный транзистор; B: полностью обедненный КНИ транзистор; C: МОП-транзистор с двойным затвором.

Рис.8.3.Типичные значения понижения барьера, индуцированного стоком (DIBL), в объемном, полностью обедненном КНИ и двухзатворном МОП-транзисторах, вычисленные с помощью пакета программ MASTAR.

 

VDT модель реализуется в пакете программ, называемом MASTAR (смотри семинар №2). Рис. 8.3 показывает типичные значения DIBL для объемной, полностью обедненной КНИ и двухзатворной конструкций МОП-транзистора в функции от длины затвора, вычисленные с помощью пакета программ MASTAR. Так как тонкопленочные КНИ приборы имеют лучшее электростатическое качество, они могут выполняться с меньшей длиной канала, пока соблюдаются приемлемые значения DIBL (например, до 100 мВ). Использование приборов с двойным затвором позволяет еще больше уменьшить длину затвора.

С помощью MASTAR была вычислена и опубликована в докладе ITRS 2005 года минимальная длина затвора с учетом эффектов короткого канала и DIBL, которая может быть достигнута с различными технологиями. Результаты этих вычислений показаны на рис.8.4 для трех различных видов КМОП схем: быстродействующих схем (HP), схем с малой рабочей мощностью (LOP) и схем с малой мощностью в режиме ожидания (LSTP). Быстродействующие схемы оптимизированы для высокой скорости и отличаются наименьшей длиной затвора, в то время как LSTP приборы делают упор на малые токи утечки, что вынуждает использовать приборы с более длинным каналом.

Рис.8.4.Эволюция длины затвора по прогнозам ITRS 2005 года для цифровых схем: быстродействующих (HP), с малой рабочей мощностью (LOP) и с малой мощностью в режиме ожидания (LSTP).

Из представленных на рис. 8.4 данных можно сделать важный вывод: возможности объемных транзисторов иссякают при длине затвора 15-20 нм. FDSOI можно использовать до 10 нм, но еще меньшие длины затворов могут быть достигнуты только с помощью структуры с двойным затвором.