Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

ми современной литографии пока слишком сложно, можно попробовать

использовать более технологичные решения и работать с массивами нанокристаллов приблизительно одинакового размера и формы (см.

подробнее [198]). В частности, для создания таких массивов нано- кристаллов для экспериментальных образцов запоминающих устройств использовались технология выращивания островков кремния на по-

Для увеличения плотности записи информации в флэшпамяти фирма Intel в 1998 г. реализовала предложенную в патенте [201] идею записывать в каждую ячейку памяти сразу несколько битов информации, кодируя кодовые комбинации (00, 01, 10 и 11 в случае одновременной записи двух битов) разной величиной заряда на плавающем затворе и затем считывая эту информацию путем измерения тока насыщения открытого транзистора. Эта технология хранения получила название MLC (multi-level cell) и широко используется в настоящее время фирмами Intel, Toshiba, Samsung, Hynix, Micron в производстве флэш-памяти [196]. Примером таких микросхем может служить флэш-память StrataFlash фирмы Intel. Другим подходом, также позволяющим удвоить объем флэш-памяти, является создание двух ячеек памяти под одним затвором около истока и стока транзистора; этот подход развивается фирмами AMD (конструкция MirrorBit) и Infineon (конструкция TwinFlash).

Для микросхем с логикой NAND достаточно характерным видом ошибок является искажение отдельных битов данных. Характерная частота этих ошибок составляет 10~9 для ячеек с двумя уровнями логических сигналов и 10~6 для ячеек MLC с четырьмя уровнями. Для борьбы с этими ошибками при записи каждого блока данных в микросхему одновременно записывается несколько байтов ЕСС (кода, исправляющего ошибки); при чтении данных этот код используется для проверки правильности считанной информации и при необходимости искаженные биты исправляются. Если число ошибок в блоке становится слишком большим, то блок может быть помечен как дефектный и заменен резервным блоком. Микросхемы с ячейками памяти MLC выдерживают 104 циклов перепрограммирования, что примерно на порядок меньше, чем для микросхем с обычными ячейками.

В 2005 году максимальная емкость однокристалльных микросхем флэш-памяти, выпускаемых в промышленном масштабе, составляла: с логикой NOR — 512 Мбит (S29GL512N фирмы

Spansion), с логикой NAND - 4 Гбит (K9K4G08U0M фирмы Samsung). Минимальный топологический размер при производстве микросхем NAND в настоящее время составляет 55 нм.

МНОП-структуры. Полевые транзисторы с двухслойным диэлектриком, исследование которых было начато в 1967 г. [202], также используются для создания постоянных запоминающих устройств с электрической перезаписью информации. Наиболее распространенными среди них являются транзисторы со структурой МНОП (металл-нитрид-окисел-полупроводник)1 ).

В отличие от МОП-транзисторов с плавающим затвором, в МНОП-структурах заряд, кодирующий логическую информацию, хранится на глубоких ловушках в примыкающем к окислу слое нитрида кремния. Типичная толщина окисла в МНОПструктурах составляет 20-100 А, толщина слоя Si3N4 — 1001000 А. Как и в рассмотренной выше структуре ЭППЗУ, для перемещения заряда на уровни ловушек достаточно приложить к затвору транзистора высокое напряжение, и за счет туннелирования ловушки начинают заполняться или опустошаться (в зависимости от полярности приложенного напряжения). Характерное

вероятность туннельной утечки электронов с ловушек в подложку достаточно высока, что ограничивает время хранения, а в структурах с толщиной окисла более 50 А работа ячеек памяти осложняется тем, что при записи логической 1 электроны туннелируют по механизму Фаулера-Нордгейма и сначала попадают в зону проводимости SiC>2, а затем, пробретя высокую энергию за счет разрыва зон на гетерогранице Si02~Si3N4 и став горячими, уходят от границы раздела далеко в глубь нитрида. Поэтому последующее удаление этого заряда с ловушек при записи логического 0 происходит с большим трудом.

В работе [203] было предложено решение этой проблемы, состоявшее в преднамеренном легировании границы двух диэлектриков примесями, создающими уровни глубоких ловушек. В качестве примесей были успешно использованы W и 1г с по-

') Вместо нитрида кремния в подобных структурах может также использоваться AI2O3, ТагОй или Т[Ог [14]. Общим свойством этих диэлектриков

является высокая концентрация присутствующих в них глубоких ловушек. Так, в Si3N4 их концентрация превышает 1019 см- 3 .

ивремя программирования. Примером отечественных микросхем

сМНОП-структурой могут служить микросхемы серии К558.

Впоследнее время большое распространение получила разновидность МНОП-структуры, называемая SONOS (silicon—oxide— nitride—oxide—silicon), в которой слой Si3N4 с глубокими ловушками отделен от кремниевой подложки и затвора из поликристаллического кремния тонкими (20-50 А) слоями из SiC>2. Структура SONOS, в частности, используется в качестве запоминающей среды в некоторых типах флэш-памяти.

4 . 3 . П о л е в ы е т р а н з и с т о р ы с у п р а в л я ю щ и м р - п - п е р е х о д о м и б а р ь е р о м Ш о т т к и

Теория такого транзистора была развита в 1952 г. Шокли [204], а первый транзистор был изготовлен Дейки и Россом [171] в 1953 году. Схематически устройство полевого транзистора с управляющим p-n-переходом показано на рис. 4.26. На боковых гранях бруска из

полупроводника толщины 2а и ширины W диффузией создаются Обе диффузионные области соединяются между собой и образуют вывод затвора; истоком и стоком транзистора

служат омические контакты, изготовленные на торцевых гранях образца. Работа этого прибора основана на изменении толщины проводящего канала в середине бруска за счет изменения толщины обедненных слоев р-п-переходов при подаче на затвор

использовать синтезированные в это время новые полупроводниковые материалы с более высокой подвижностью и скоростью

а также высокая плотность поверхностных состояний на границе полупроводника с собственным окислом и другими диэлектриками (1013 с м - 2 в случае GaAs и 10й см"2 в случае InP (141]) не позволяли получить на основе этих полупроводников хорошие МОП-транзисторы.

Чтобы сохранить основные преимущества полевых транзисторов (работа на основных носителях заряда) и использовать новые, более перспективные материалы, была предложена другая конструкция полевого транзистора — полевой транзистор с барьером Шоттки. Работоспособность такого транзистора из GaAs была продемонстрирована Мидом [172], а первый прибор из GaAs, в котором крутизна вольт-амперной характеристики была в 5 раз выше, чем в приборе из Si идентичной геометрии, был создан в 1967 году [205]. В настоящее время именно такую конструкцию имеют СВЧ полевые транзисторы из GaAs.

возникающей в обедненном слое. Эти условия позволяют пренебречь эффектами двумерности в распределении электрического поля в приборе и свести задачу к одномерной, то есть рассматривать ее в уже известном нам приближении плавного канала.

Границу обедненной области будем считать резкой. Кроме того, будем считать, что напряженность продольного электрического поля невелика, так что зависимостью подвижности электронов Рп от напряженности поля можно пренебречь.

В соответствии с формулой (1.102), локальная толщина обедненного слоя в барьере Шоттки в приближении плавного канала равна

(4.24)

нетрудно найти распределение электрического поля в канале:

и перегруппировывая сомножители, приходим к следующему дифференциальному уравнению:

ЦЬ) = yJ{e!2*qNd) [Vc 4- VH - VJ,

в итоге получаем вольт-амперную характеристику полевого транзистора с барьером Шоттки:

з ъ

F

а о

Рис. 4,28. Поперечное сечение (а) и энергетическая диаграмма (б) транзистора с высокой подвижностью электронов

Рассмотрим один из вариантов конструкции НЕМТтранзистора, в котором используется гетеропереход GaAs- AlsGai-zAs (см. рис. 4.28). На полуизолирующей подложке из GaAs(Cr) методами молекулярно-лучевой эпитаксии или MOCVD сначала выращивается тонкий (1-2 мкм) эпитак-

сверхтонкий (30-60 А) слой нелегированного твердого раствора i-Alo,3Gao.7As («спейсер»), а затем более толстый (500-700 А) слой того же твердого раствора, легированного кремнием (Arj ~ « 2 • 1018 см"3 ). На поверхности структуры затем создается затвор (барьер Шоттки из А1). Далее, используя затвор в качестве маски, с помощью ионной имплантации формируются

Alz Ga]_x As ионизуются, а электроны с них переходят в квантовую яму с треугольным профилем, образованную в GaAs вблизи гетерограницы. Пространственное разнесение с помощью слоя спейсера канала, в котором движутся электроны, и области, в которой остались ионизованные атомы доноров, резко ослабляет рассеяние электронов ионизованными примесями и увеличивает подвижность электронов в канале до значений, характерных для нелегироваиного материала (~9000 см2 /В • с при 300 К). Это значение почти вдвое выше характерной подвижности электронов в канале полевого транзистора из

кремниевого МОП-транзистора. Особенно разительное различие

двух взаимодействующих областей пространственного заряда — области, создаваемой барьером Шоттки к n-AlxGai-zAs, и области, создаваемой анизотипным гетеропереходом. Уровни легирования и толщины слоев в транзисторе, энергетическая диа-

от источника питания одной полярности, удобнее использовать транзисторы, работающие в режиме обогащения (то есть когда при V3H = 0 транзистор закрыт), а для СВЧ ИС — транзисторы, работающие в режиме обеднения. Взаимодействие двух областей

характеристиками транзистора со стороны затвора (электроны экранируют электрическое поле затвора). Оба эффекта приводят

кослаблению зависимости тока стока от напряжения на затворе

иуменьшению крутизны вольт-амперной характеристики (см.

рис. 4.29).

Расчеты показывают, что в НЕМТ-транзисторах с коротким каналом крутизна вольт-амперной характеристики в области насыщения определяется скоростью насыщения vs и почти не зависит от подвижности электронов в слабом электрическом поле. Поэтому может показаться, что большого смысла бороться за увеличение подвижности нет. Однако это не так: увеличение подвижности немного увеличивает значение vs и приводит к заметному уменьшению сопротивлений областей истока и стока (эти сопротивления, как мы отмечали на с. 258, оказывают негативное влияние на крутизну вольт-амперной характеристики). Поэтому стремление создавать все более высокочастотные приборы с неизбежностью приводит к поиску полупроводников с

в открытом состоянии транзистора был как можно выше. Чтобы добиться этого, необходима высокая поверхностная плотность электронов ns в канале. К сожалению, описанный выше эффект перетекания электронов в широкозонную часть структуры

из-за возникновения в нем глубоких донорных уровней. Поэтому разработчики НЕМТ-транзисторов обратились к поиску других гетеропереходных пар с большим значением АЕС. Так были получены НЕМТ-транзисторы на основе структуры InP -

Alo,48lno,52As - Ino,53Gao,47As - Alo,48lno,52As, с о г л а с о в а н н о й по п а -

раметру решетки. Однако решением проблемы стал полный отказ от согласованных по параметру решетки гетеропереходных пар и