
- •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
8.3.2 Рабочий ток
В многозатворном МОП-транзисторе рабочий ток равняется сумме токов, протекающих вдоль всех поверхностей, покрытых электродом затвора. Следовательно, этот ток равен току в однозатворном транзисторе, помноженному на эквивалентное число затворов (предполагается квадратное поперечное сечение), если носители имеют одинаковую подвижность на каждой поверхности. Например, рабочий ток двухзатворного прибора в два раза больше рабочего тока однозатворного транзистора с аналогичными длиной затвора и шириной.
Для того чтобы транзисторы выдерживали большие токи, используют многоплавниковые структуры. Рабочий ток многоплавникового МОП-транзистора равен току отдельного плавника, помноженному на число плавников. Сравним рабочие токи однозатворного планарного МОП-транзистора и многоплавникового многозатворного транзистора, имеющего такую же площадь затвора WL (рис. 8.10). Пусть планарный МОП-транзистор сделан на кремнии с ориентацией (100), и поверхностная подвижность равна µtop. Также допустим, что многозатворный транзистор выполнен на кремнии с ориентацией (100), и поверхностная подвижность равна µtop. Поверхностная подвижность у боковой стенки может отличаться от подвижности у верхней поверхности, в зависимости от кристаллографической ориентации боковой стенки (обычно (100) или (110)), и равна µside.
Рис.8.10. A: схема однозатворного планарного МОП-транзистора; В: схема многопальцевого многозатворного полевого транзистора.
Принимая во внимание шаг P для плавников, ток в многозатворном приборе равен:
(8.17)
где
−
ток в однозатворном планарном приборе,
−
ширина каждого плавника,
−
толщина слоя кремния (рис.8.11);
в трехзатворном приборе, где проводимость
осуществляется вдоль трех поверхностей
и
в FinFET,
где каналы формируются только на
поверхностях боковых стенок.
Рис.8.11. А: Поперечное сечение многоплавникового многозатворного МОП-транзистора; В: РЭМ рисунок плавников.
Многозатворный
прибор может обеспечивать значительно
больший ток, чем однозатворный планарный
транзистор при достаточно малом шаге
плавников.
Рабочий ток может быть увеличен путем
увеличения высоты плавника
,
но использование высоких плавников
часто увеличивает помехи во время работы
прибора. Важно отметить, что емкость
затвора увеличивается с эффективным
числом затворов (ENG). В результате задержка
на элемент
не улучшается, когда увеличивается ENG.
Наоборот задержка увеличивается с
числом ENG
и, следовательно, больше в GAA, чем в
трехзатворных транзисторах, а в
двухзатворных она больше, чем в
однозатворном приборе.
8.3.3 Угловой эффект
Приборы с трех-, четырех-, П- и -затворной структурой представляют собой непланарную поверхность раздела кремний/подзатворный оксид с углами. Известно, что в углах КНИ структур может сформироваться преждевременная инверсия по причине перераспределения заряда между двумя соседними затворами. В частности, может наблюдаться наличие двух различных пороговых напряжений (в углу и на верхней или боковой границе раздела Si-SiO2), а также изгиб в подпороговой ID(VG) характеристике. Наличие углов может ухудшать подпороговые характеристики прибора. Во избежание этой проблемы наверху плавника в FinFET транзисторах имеется твердая маска. Осложняет дело то, что радиус кривизны углов оказывает значительное влияние на электрические характеристики прибора и может иметь решающее значение, будет ли измеренное пороговое напряжение различаться в углах и на плоской поверхности прибора.
В классических однозатворных КНИ МОП-транзисторах угловые эффекты исключительно паразитные. Они не являются частью присущей транзисторной структуры, и обычно могут быть устранены увеличением концентрации примеси в углах. В то же время в многозатворном приборе углы являются частью, свойственной транзисторной структуре. Таким образом, важно понимание взаимосвязи и взаимодействия между угловыми токами и токами в плоской поверхности прибора.
Чтобы
проиллюстрировать угловой эффект, был
использован -затворный
прибор, показанный на рис.8.12. Толщина и
ширина прибора
и
,
радиус кривизны углов вверху и внизу
составляют
и
,
соответственно. Толщина подзатворного
оксида 2нм, а
нм.
Так как материал затвора – N+-поликремний,
использовались высокие концентрации
примеси в канале для достижения
необходимых значений порогового
напряжения (N-канальный
прибор).
Рис.
8.12. Поперечное
сечение -затворного
транзистора. A:
;
В:
.
Рис.8.13
представляет смоделированные
(
-
крутизна) характеристики прибора при
=0,1В
для различных концентраций примеси и
радиусов кривизны верхнего и нижнего
угла (1 или 5нм).
характеристики были использованы
некоторыми авторами для определения
различия пороговых напряжений одно-
или двухзатворных КНИ приборов [8].
Максимумы
кривой соответствуют образованию
каналов в приборе (то есть они соответствуют
пороговым напряжениям).
Когда радиус кривизны угла равен 1нм, приборы с меньшими концентрациями примеси имеют одиночный максимум, показывающий, что угловые и граничные каналы сформировались в одно время. Приборы с сильнолегированными каналами имеют два максимума. Первый из этих двух максимумов соответствует инверсии в верхних углах, а второй – формированию канала на верхних и боковых границах.
Рис.
8.13.
характеристика в-затворном
МОП-транзисторе с рис. 16. Затвор из
N+-поликремния.
А:
нм;
В:
нм.
Когда радиус кривизны угла равен 5нм, одиночный пик получается для всех концентраций примеси, это показывает, что преждевременная угловая инверсия устранена. В этом случае все приборы достигают подпорогового размаха 60мВ/декаду в значительном диапазоне их подпорогового тока. Угловой эффект может быть устранен использованием низкой концентрации примеси в канале или применением углов с достаточно большим радиусом кривизны. Главным направлением производства является использование нелегированных каналов в совокупности с металлическими затворами, уровень Ферми в которых находится в середине запрещенной зоны кремния, и тогда угловой эффект не представляется проблемой в MuGFET технологии.