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 WL (рис. 8.10). Пусть планарный МОП-транзистор сделан на кремнии с ориентацией (100), и поверхностная подвижность равна µ_top. Также допустим, что многозатворный транзистор выполнен на кремнии с ориентацией (100), и поверхностная подвижность равна µ_top. 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 µ_side.

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 элементне 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 I_D(V_G) 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 составляюти, соответственно. Толщина подзатворного оксида 2нм, анм. 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]. Максимумыкривой 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.