ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Г.И. ЗЕБРЕВ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРЕМНИЕВОЙ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений
Москва 2008
УДК 121.382(075)+620.3(075) ББК 32.85я7 З - 47
Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: Учебное по-
собие. — М.: МИФИ, 2008. — 288 с.
Книга посвящена описанию основных физических принципов, структур и методов моделирования, а также тенденций развития современной и перспективной кремниевой наноэлектроники с технологическими нормами < 100 нм.
Предназначена для преподавателей и студентов, специализирующихся по направлениям микро- и наноэлектроники, электроники, электронных измерительных систем. Может быть использована в учебном процессе при подготовке учебных курсов «Физические основы наноэлектроники», «Наноэлектронные технологии», «Физика микроэлектронных структур».
Пособие подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы
Рецензент: д-р техн. наук, профессор О.Р. Мочалкина
ISBN 978-5-7262-0954-8
© Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2008
Предисловие
Данная книга предназначена, в первую очередь, для студентов, специализирующихся в области микро- и наноэлектроники. Для лучшего восприятия изложение ведется по возможности в замкнутом виде от простого к сложному. Тем не менее, предполагается наличие у читателей базовых знаний в размере курса общей физики и элементарных знаний физики полупроводников и полупроводниковых приборов.
Предметом данной книги является кремниевая наноэлектроника, которая понимается как электроника на основе наноразмерных МОП транзисторов, изготовленных на основе кремния. Даже в таком усеченном виде наноэлектроника представляет собой необъятную область. Поэтому отбор материала для относительно небольшой книги определяется интересами автора и его субъективными представлениями о том минимуме, который должен знать современный специалист в области микро- и наноэлектроники.
Книга организована следующим образом. В главе 1 кратко излагаются некоторые положения элементарные результаты физической кинетики и квантовой механики. В главе 2 описываются основные физические проблемы и принципы развития индустрии наноэлектроники. В главе 3 дается описание структур «металл- окисел-полупроводник». Четвертая глава посвящена уже физике работы МОП транзистора – основе современной наноэлектроники. В пятой главе рассказывается об физических и технологических эффектах, влияющих на характеристики МОП транзисторов. В главе 6 отдельно описываются эффекты, связанные с сильными электрическими полями в транзисторах. В главе 7 дается продвинутая физическая модель МОП транзистора, основанная на аналитическом решении уравнения непрерывности для плотности тока в канале. Восьмая глава посвящена описанию транзисторов на основе технологий «кремний-на-изоляторе» (КНИ) – наиболее быстроразвивающейся отрасли кремниевой наноэлектроники. Здесь нужно отметить, что на русском языке практически отсутствует учебная литература, посвященная КНИ технологиям. В главе 9 впервые подробно описываются модели КНИ транзисторов. Десятая глава посвящена фундаментальной технологической проблеме токов утечек в наноэлектронных структурах. Наконец, в главе 11 дается опи-
3
сание некоторых физических эффектов, возникающих в наноразмерных транзисторных структурах.
К сожалению, ограниченный объем книги и недостаток времени для подготовки текста привели к тому, что многие важные вопросы либо остались незатронутыми, либо упомянуты вскользь.
Пособие подготовлено на основе курса лекций «Физические основы наноэлектроники», читаемого автором на протяжении ряда лет для студентов кафедры микро- и наноэлектроники и Высшего физического колледжа Московского инженерно-физического института (государственного университета) (МИФИ). Некоторые подходы, описанные в книге, основаны на собственных результатах автора. Особенно это касается глав 7, 9 и, отчасти, 3 и 11. При подготовке текста автор опирался на стиль, обозначения и подбор материалов, принятые в современной литературе [П1-11]. Предполагается, что читатель может также воспользоваться более доступной хорошей литературой на русском языке более старых изданий
[П12-20].
Для каждой главы приведена небольшая библиография, которая не претендует на полноту, но может помочь потенциальному читателю сориентироваться в потоке современной литературы на эту тему.
Автор выражает благодарность и признательность В.С. Першенкову, Р.Г. Усейнову за внимание к работе, всем коллегам по кафедре микро- и наноэлектроники МИФИ за благожелательность, отдельно – О.Р. Мочалкиной – за то, что она взяла на себя труд прочесть книгу в рукописи и сделать неоценимые замечания, своим студентам и аспирантам – Максиму Горбунову, Валере Шункову, Мише Федоренко, Свете Белобородовой, Алексею Рубанцеву, и особенно, – Лизе Филипенковой, – за проявленный интерес и помощь в оформлении книги; П.Н. Осипенко из НИИСИ РАН и В.С. Анашину из НИИ КП – за сотрудничество и финансовую поддержку, а также своей семье, – Марине, Ане и Ивану Филипповичу – за терпение и чувство юмора.
4