Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции по НЭ (Парменов) / lect8_M4 Многозатворные структуры.doc
Скачиваний:
143
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
1.57 Mб
Скачать

8.3 Физика многозатворного моп-транзистора

8.3.1 Характерная длина и короткоканальные эффекты

Электростатические качества объемного транзистора, ПО КНИ МОП-транзистора и прибора с двойным затвором сравнивались на рис.8.2. Было показано, что электростатическое качество может быть улучшено путем уменьшения толщины подзатворного оксида и/или уменьшением толщины слоя кремния (глубина залегания перехода в случае объемного транзистора). Теперь продолжим анализ других типов многозатворных МОП-транзисторов.

Распределение потенциала в канале ПО многозатворного МОП-транзистора может быть получено решением трехмерного уравнения Пуассона в приближении полного обеднения:

. (8.7)

Уравнение может быть переписано в форме

. (8.8)

Рис.8.8. Система координат и компоненты электрического поля в многозатворном приборе.

Данное соотношение означает, что в любой точке (x, y, z) канала сумма вариаций компонентов электрического поля в направлении осей x, y и z равна константе. Таким образом, если одна из компонент электрического поля увеличивается, другие компоненты (или, что точнее, их сумма) должны уменьшаться. Компонента поля Ex соответствует воздействию поля стока на область канала, и, следовательно, ответственна за короткоканальные эффекты. Влияние Ex на малый элемент области канала, определяемого координатами (x, y, z) (рис. 8.8) может быть уменьшено путем увеличения длины канала L или увеличения контроля канала, приводимого в действие верхним/нижним затворами или боковыми затворами. Это может быть достигнуто уменьшением толщины слоя кремнияи/или ширины плавникаWSi. Кроме того, увеличение и, отсюда, лучшее управление каналом затворами и устранение ККЭ может быть получено путем увеличения числа затворов: может быть увеличено введением двух затворов (верхнего и нижнего) вместо одиночного затвора, аувеличивается за счет боковых затворов. Рис.8.8 иллюстрирует, как происходит управление каналом электрическим полем из затворов и стока.

В случае широкого одно- или двухзатворного (верхний и нижний затворы) транзистора мы имеем , и уравнение Пуассона принимает вид:

(8.9)

Упрощенный одномерный анализ ПО прибора дает параболическое распределение потенциала в слое кремния в направлении y (вертикальном) [5]. Предполагая подобное распределение в направлении y, для двухмерного анализа уравнения Пуассона можно записать:

(8.10)

Однозатворный КНИ МОП-транзистор

В случае однозатворного КНИ прибора в работе [6] показано, что уравнение Пуассона может быть записано в виде

, (8.11)

где

. (8.12)

Здесь − потенциал поверхности полупроводника;− напряжение на затвореминус напряжение плоских зон затвора,

− (8.13)

Данное уравнение имеет решение вида , где − параметр, который представляет распределение электрического потенциала в направленииx. (проникновение поля стока/истока в канал). Отметим, что отличается оттолько членом, не зависящим отx. Параметр называется «характерной (natural) длиной» прибора. Он зависит от толщины подзатворного оксида и толщины слоя кремния. Чем тоньше подзатворный оксид и/или слой кремния, тем меньше характерная длина, и, отсюда, влияние электрического поля стока на область канала. Численное моделирование показывает, что во избежание ККЭ эффективная длина канала МОП-транзистора должна быть больше чем в 5-10 раз характерной длины.

Двухзатворный КНИ МОП-транзистор

В случае двухзатворного прибора характерная длина может быть получена таким же путем, каким была получена в случае одного затвора, что дает:

(8.14)

Главное различие между этим выражением и выражением (8.13) состоит в том, что член был заменен на. Другими словами, это равносильно тому, что двухзатворный прибор был бы вдвое тоньше однозатворного транзистора.

Четырехзатворный КНИ МОП-транзистор

Решение может быть проведено и для четырехзатворных приборов с квадратным поперечным сечением, при этом в центре прибора, где влияние линий электрического поля стока на тело транзистора наибольшее. В этом случае уравнение Пуассона принимает вид:

(8.15)

и характерная длина равна:

(8.16)

Характерная длина в цилиндрическом приборе с окружающим затвором получена в [7]. Характерная длина, соответствующая приборам различной геометрии, обобщена в Таблице 2.

Таблица 2. Характерная длина в приборах с различной геометрией.

Один затвор

Двойной затвор

Четыре затвора

(квадратное поперечное канала)

Кольцевой затвор

(круглое поперечное сечение канала)

Может быть сделано следующее наблюдение: характерная длина (и, следовательно, ККЭ) может быть уменьшена путем уменьшения толщины подзатворного оксида, толщины слоя кремния и использования highk диэлектриков вместо SiO2 в качестве подзатворного диэлектрика. Кроме того, характерная длина уменьшается, когда увеличивается число затворов. В очень малых приборах уменьшение толщины оксида меньше 1,5нм приводит к проблемам тока туннелирования. Используя многозатворные структуры, возможно заменить утонение подзатворного оксида на утонение слоя кремния/плавника, так как пропорционально произведению.

Может быть введено понятие «эквивалентного числа затворов» (Equivalent Number of Gates − ENG). Оно по существу равно числу, на которое делится выражение в уравнении, определяющем характерную длину . Таким образом, мы имеем ENG = 1 для однозатворного ПО КНИ МОП-транзистора, ENG = 2 для двухзатворного прибора и ENG = 4 для четырехзатворного МОП-транзистора. ENG = 3 для трехзатворного прибора и ENG приблизительно равно  в П-затворном приборе. В -затворном приборе значение ENG находится в интервале между 3 и 4 в зависимости от протяженности затвора над плавником.

Рис. 8.9. Зависимость допустимой толщины слоя кремния и ширины прибора от длины затвора.

Характерную длину можно использовать для оценки предельно допустимой толщины слоя кремния и ширины прибора, при которых не будут наблюдаться короткоканальные эффекты. Рис.8.9 показывает предельно допустимую толщину кремниевого слоя (и ширину прибора в трехзатворном транзисторе с квадратным поперечным сечением). Толщина подзатворного оксида составляет 1,5нм. Рисунок показывает, что для длины затвора в 50нм, например, толщина слоя кремния в однозатворном ПО приборе должна быть меньше длины затвора в 3-5 раз. В случае двухзатворной структуры требования к толщине кремниевой пленки более слабые, слой должен быть утонен до половины длины затвора. Дальнейшее ослабление получается путем использования структуры с окружающим затвором, где толщина слоя кремния/ширина/диаметр может быть такая же большая как длина затвора. Требования по толщине слоя кремния для трехзатворного, П-затворного и -затворного приборов определяются усреднением требований для двухзатворного прибора и транзистора с окружающим затвором.

Соседние файлы в папке Лекции по НЭ (Парменов)