16

Методические указания

к проведению практических занятий по дисциплине

«Физика наноразмерных полупроводниковых структур»

Семинар 3

С3. Масштабирование МОПТ

План семинара

С3.1 Масштабирование МОПТ

С3.1.1 Масштабирование с постоянным полем

С3.1.1.1 Правила масштабирования с постоянным полем

С3.1.1.2 Влияние масштабирования на параметры схем

С3.1.1.3 Пороговое напряжение

С3.1.2. Обобщенное масштабирование

С3.1.2.1 Правила обобщенного масштабирования

С3.1.2.2 Масштабирование с постоянным напряжением

С3.1.3 Немасштабируемые явления

С3.1.3.1 Основные немасштабируемые факторы

С3.1.3.2 Вторичные немасштабируемые факторы

С3.1.3.3 Другие немасштабируемые факторы

Литература

Задание на СРС

С3.1 Масштабирование МОПТ

Это практическое занятие посвящено подробному обзору концепций масштабирования МОПТ.

Эволюция КМОП технологии в последние 40 лет происходила путем масштабирования для увеличения степени интеграции, быстродействия и уменьшения потребляемой мощности. Масштабирование МОПТ происходило за счет быстрого прогресса в технике литографии для получения тонких линий 1мкм ширины и меньше. В лекциях мы обсуждали, что уменьшение расстояния между стоком и истоком, то есть длины канала, приводит к короткоканальным эффектам (ККЭ). Для цифровых приложений наиболее нежелательным ККЭ является уменьшение порогового напряжения, особенно при высоких напряжениях стока. Поэтому необходимы разработки новых методов проектирования приборов, технологий и структур, которые могли бы быть оптимизированы так, чтобы держать ККЭ под контролем при очень малых размерах. Необходимое совершенствование технологии для масштабирования прибора – ионная имплантация, которая не только позволяет создавать очень мелкие области стока и истока, но также способна к точному созданию резких профилей примеси, низких концентрацией атомов для оптимизации проектирования профиля канала.

С3.1.1 Масштабирование с постоянным полем

При масштабировании с постоянным полем (Dennard et al., 1974) предполагалось, что можно сохранить ККЭ под контролем путем уменьшения вертикальных размеров (толщины подзатворного окисла, глубины переходов и т.д.) в соответствии с уменьшением горизонтальных размеров, в то время как пропорционально уменьшаются приложенные напряжения и увеличивается концентрация примеси в подложке (уменьшение толщины области обеднения). Это схематически показано на рис.С3.1. Принцип масштабирования с постоянным полем заключается в масштабировании напряжений прибора и размеров прибора (горизонтальных и вертикальных) с тем же самым коэффициентом (>1), так что электрическое поле остается неизменным. Это обеспечивает, что надежность масштабированного прибора будет не хуже, чем у оригинала.

С3.1.1.1 Правила масштабирования с постоянным полем

В таблице С3.1 приведены правила масштабирования различных параметров прибора и характеристик схем. Концентрация примеси должна возрастать с коэффициентом для того, чтобы сохранить уравнение Пуассона инвариантным относительно масштабирования. Максимальная ширина обеднения на стоке

(С3.1)

(при ) уменьшается приблизительно с коэффициентом при условии, что напряжение питания много больше контактной разности потенциалов . Все емкости (включая емкости линий нагрузки) масштабируются с коэффициентом , так как они пропорциональны площади А и обратно пропорциональны толщине. Заряд на каждом приборе () масштабируется как , в то время как плотность заряда инверсионного слоя (на единицу площади), . остается неизменной после масштабирования.

Рис.С3.1 Принцип масштабирования с постоянным полем

Так как электрическое поле в любой данной точке не изменилось, скорость носителей () в данной точке также не изменилась (подвижность та же самая при том же вертикальном поле). Следовательно, эффекты насыщения скорости будут одинаковы в оригинальном и масштабированном приборах.

Дрейфовый ток на единицу ширины канала тогда

, (С3.2)

и не изменяется при масштабировании. Это означает, что дрейфовый ток масштабируется с коэффициентом согласовано с поведением тока в крутой области и тока насыщения. Ключевое неявное предположение состоит в том, что пороговое напряжение также уменьшается в раз. Заметим, что ток при скорости насыщения, выражение (3.9.7), масштабируется тем же способом, так как и − константы и не зависят от масштабирования. Однако, диффузионный ток на единицу ширины МОПТ, даваемый выражением

, (С3.3)

масштабируется как , так как обратно пропорционально длине канала. Следовательно, диффузионный ток не масштабируется так же, как дрейфовый ток. Это имеет значительные последствия для немасштабируемости подпороговых токов, как будет обсуждаться далее.

Таблица С3.1 Масштабированные параметры МОПТ и схемы

	Параметры прибора и схемы МОПТ	Коэффициент масштабирования
Предположения масштабирования с постоянным полем	Размеры прибора ()	1/
	Концентрация примеси ()
	Напряжение (V)	1/
Параметры прибора после масштабирования	Электрическое поле (Е)	1
	Скорость носителей (v)	1
	Толщина обедненной области (Wd)	1/
	Емкость ()	1/
	Плотность инверсного заряда (Qi)	1
	Дрейфовый ток (I)	1/
	Сопротивление канала (Rch)	1
Параметры схемы после масштабирования	Задержка схемы ()	1/
	Мощность рассеяния на схему ()	1/
	Произведение мощности на задержку ()	1/
	Плотность интеграции ()
	Плотность мощности ()	1