
- •Лекция 8 Многозатворные мопт
- •8.2 Структуры многозатворных моп-транзисторов
- •8.2.1 Двухзатворные кни моп-транзисторы
- •8.2.2 Трехзатворные кни моп-транзисторы
- •8.2.3 Кни моп-транзисторы с окружающим затвором (четырехзатворные)
- •8.2.4 Другие многозатворные моп-структуры
- •8.3 Физика многозатворного моп-транзистора
- •8.3.1 Характерная длина и короткоканальные эффекты
- •8.3.2 Рабочий ток
- •8.3.3 Угловой эффект
- •8.3.4 Квантовые эффекты и объемная инверсия
- •8.3.5 Эффекты подвижности
- •8.3.6 Пороговое напряжение
- •8.4 Заключение
- •Литература:
- •Задание для срс
- •Вопросы для самопроверки
Лекция 8 Многозатворные мопт
План лекции
8.1. Короткоканальные эффекты и электростатическое качество МОПТ
8.2 Структуры многозатворных МОП-транзисторов
8.2.1 Двухзатворные КНИ МОП-транзисторы
8.2.2 Трехзатворные КНИ МОП-транзисторы
8.2.3 КНИ МОП-транзисторы с окружающим затвором (четырехзатворные)
8.2.4 Другие многозатворные МОП-структуры
8.3 Физика многозатворного МОП-транзистора
8.3.1 Характерная длина и короткоканальные эффекты
8.3.2 Рабочий ток
8.3.3 Угловой эффект
8.3.4 Квантовые эффекты и объемная инверсия
8.3.5 Эффекты подвижности
8.3.6 Пороговое напряжение
8.4 Заключение
Литература
8.1. 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. 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 слишком 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.
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.
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 VDT (Voltage-Doping Transformation) моделью (смотри семинар №2), который позволяет преобразовать эффекты уменьшающихся параметров приборов, такие как длина затвора или напряжение стока, в электрические параметры. 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 факторомэлектростатического
качества.
Он зависит от геометрии прибора и
определяется электрическим полем,
направленным от стока и влияющего на
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 получаемDIBL
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 монолитном приборе; и 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.
VDT модель реализуется в пакете программ, называемым 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.
Рис.8.3. Типичные значения понижения барьера, индуцированного стоком, в объемном, полностью обедненном КНИ и двухзатворном МОП-транзисторах, вычисленные с помощью пакета программ MASTAR.
С помощью MASTAR была вычислена и опубликована в докладе ITRS 2005 года минимальная длина затвора с учетом 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.
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.
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).