Наноэлектроника лит-ра / dragunov

16.Wang H.C., Wang Y.P., Chen S.J. et al. Substrate-strained silicon technology: Process integration // IEDM Tech .Dig. – Dec. – 2003. – P. 61–64.

17.Rim K., Chan K., Shi L. et al. Fabrication and mobility characteristics of ultra thin strained – Si directly on insulator (SSDOI) MOSFETs // IEDM. Tech. Dig. – Dec. – 2003. – P. 49–52.

18.Семенова О.И. и др. Состав, свойства и механические напряжения

пленок Si3Nx:H, полученных в плазме ВЧ-разряда // Поверхность. Физика,

химия, механика.– 1992. – Вып. 10–11. – С. 102–110.

19.Ito S. et al. Mechanical stress effect of etch –stop nitride and its impact on deep submicron transistor design. // IEDM Tech. Dig. – Dec. – 2000. – P. 247–250.

20.Yang H.S., Malik R., Narasimha S. et al. Dual stress liner for high performance sub-45 nm gate length SOI CMOS manufacturing // IEDM Tech. Dig. – Dec. – 2004. – P. 1075–1078.

21.Shimizu A., Hachimine K., Ohki N. et al. Local mechanical-stress control (LMC): A new technique for CMOS-performance enhancemen // IEDM Tech. Dig. –Dec. 2001. – P. 433–436.

22.Ota K. et al. Novel LocallyStrained Technique for Performanxe 55nm CMOS. // IEDM Tech. Dig. – Dec. 2002. – P. 27–30.

23.Chan A. C.-K., Yuen K.-H., Man T.-Y., Chan M. Multi-Bit MONOS Nonvolatile Memory Based on Double-Gate Technology // 2004 7th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology Proceedings. – P. 691–694, Beijing, China, Oct. 18–21, 2004.

24.Khamankar R. et al. VLSI Simpos. – June, 2004. – Р. 162–163.

25.Ghani T. et al. A 90 nm High Volume Manufacturing Logic Technology Featuring Novel 45nm Gate Length Strained Silicon CMOS Transistor // IEDM Tech. Dig. – Dec. 2003, P. 978–980.

26.Mistry K. et al. Delaying Forever: Uniaxial Strained Silicon Transistors in a 90nm CMOS Technology. // Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers. VLSI Simposium Tech. Dig., June, 2004, P. 50–51.

27.Bai P. et al. A 65nm Logic Technology Featuring 35nm Gate Lengths, Enhanced Channel Strain, 8 Cu Interconnect Layers, Low-k ILD and 0.57 µm2 SRAM Cell // International Electron Devices Meeting Technical Digest, IEDM Tech. Dig. – Dec. 2004. – P.657–660.

28.Yang M. et al. High Performance CMOS Fabricated on Hybrid Substrate With Different Cristal Orientations // IEDM Tech. Dig. Dec. 2003. – P. 453–456.

29.Yang M., Li J., Webb K.J. Functional waveguide mode transformers. // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. – Jan., 2004. – Vol. 52. – No. 1. – P. 161– 169.

30.Chang L. et al. CMOS Circuit Performance Enhancement by Surface Orientation Optimization // Trans. Elec. Dev. – V. 51. – Oct. 2004. – P. 1621–1627.

31.Sato T., Takeishi Y., Hara H. et al. Mobility Anisotropy of Electrons in Inversion Layers on Oxidized Silicon Surfaces // Phys. Rev. B. Condens. – Mat. 1971. – V. 4. – P. 1950–1960.

41

32.Chan V. et al. Strain for CMOS performance Improvement // IEEE 2005 Custom Integrated Circuits conference.

33.Lauwers A. et al. CMOS Integration of Dual Work Function Phase Controlled Ni FUSI With Simultaneous Silicidation of NMOS (NiSi) and PMOS (NiRich Silicide) Gates on HfSiON // IEDM-2005. – P. 661.

34.Tsuchiya Y. et al. Practical Worc Function Tuning Based on Physical and chemical Nature of Interfacial Impurity in Ni-FUSI/SiON and HfSiON Systems // IEDM-2006. – Rep.9.1

35.Horstmann M. et al. Integration and Optimization of Embedded – SiGe, Compressive and Tensile Stressed Liner Films, and Stress Memorization in Advanced SOI CMOS Technologies // IEDM Tech. Dig. – Dec. 2005. – P. 243.

36.Washington L. et al. P-MOSFET With 200% Mobility Enhancement Induced by Multiple Stressors // IEEE Electron Dev, Lett. – V. 27. – № 6. – June, 2006.

37.Singer P. No more technology nodes in new ITRS // Semic. Intern. Jan. 2006. – P. 13–14.

38.Peters L. Roadmapping 2006 to the Post-CMOS Era // Semic. Intern. March. – 2006. – P. 17–18.

39.James D. Strained silicon to high – k and metal gate // Sol. St. Tech. – Nov.

2007.

40.Takagi S. et al. Carrier-Transport-Enchanced Channel CMOS for Improved Power Consumption and Performance // IEEE Trans. Electron Dev. – V. 55. – No 1. – Jan. 2008. – P.21–39.

41.Skotnicki T. et al. Innovative materials, devices, and CMOS technologies for low-power mobile multimedia // IEEE Trans. Electron Dev. – V. 55. – No 1, – Jan. 2008. – P.96–130.

42

Г л а в а 2

Фотоприемники на основе структур металл–диэлектрик–полупроводник – приборов с зарядовой связью

В настоящее время широко распространены цифровые фотоаппараты, телевизионные камеры и другие устройства, воспринимающие изображение окружающего мира и преобразующие его в электрический сигнал, а затем и в изображение на дисплее. Это преобразование осуществляется в основном с помощью матричных устройств на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). С каждым годом количество элементов в матрице стремительно растет, а размер каждого чувствительного элемента также быстро уменьшается. Количество пикселей в цифровых фотоаппаратах уже достигает десятков мегапикселей, а размер их составляет всего сотни и даже десятки нанометров. Понятно, что это стало возможно только в связи с развитием технологий наноэлектроники.

Более того, и дальнейшая обработка полученного сигнала («оцифровывание», хранение информации и ее воспроизведение) в небольших по размеру бытовых, профессиональных и специальных устройствах также стала возможна только благодаря развитию кремниевой наноэлектроники. Причем использование этой технологии распространяется не только на традиционные структуры металл – диэлектрик – полупроводник (МДП), но и позволяет создавать элементы флэш-памяти большой емкости и быстродействия, а также различного типа (жидкокристаллические, плазменные) малогабаритные дисплеи.

Кроме создания наноразмерных приборов в плоскости (планар) устройства, необходимо прецизионно формировать подповерхностное пространство на глубине тех же нанометров, а это опять элемент НАНОТЕХНОЛОГИИ.

43

В настоящей главе описаны физические основы работы ПЗС, устройство матрицы, системы считывания и обработки сигнала, способы получения цветного изображения и средства отображения полученной информации.

2.1. Физические основы работы ПЗС-структур

2.1.1.Неравновесное обеднение полупроводника

вМДП-структуре

Состояние неравновесного обеднения возникает в легированном полупроводнике МДП-структуры при подаче на металлический электрод импульса напряжения Vg с крутым фронтом и достаточно большой амплитудой с полярностью, соответствующей выведению из полупроводника основных носителей заряда. При этом за время зарядки конденсатора вблизи поверхности полупроводника формируется обедненный слой такой толщины, что полный заряд неподвижных доноров в нем практически равен отрицательному заряду на металлическом электроде. Начальное состояние идеальной МДП-структуры изображено на рис. 2.1, а, а сформированный обедненный слой – на рис. 2.1, б. В этом случае возникает необычное распределение напряжения поданного на МДП-структуру. На полупроводнике падает большая часть приложенного напряжения, и изгиб зон может в десятки раз превышать ширину запрещенной зоны полупроводника.

Вольт-фарадная характеристика (ВФХ) при достаточно быстром изменении смещающего напряжения в этом случае будет иметь вид, приведенный на рис. 2.2. Спадающая часть ВФХ соответствует формированию случая, показанного на рис. 2.1, б. Затем после остановки напряжения на некотором значении V0 начинает возрастать дифференциальная емкость полупроводника Сs до некоторого стационарного значения С∞, определяемого толщиной равновесного слоя обеднения. Как видно из рис. 2.2, амплитуда импульса напряжения Vg считается большой, если ее достаточно для создания равновесного инверсионного слоя на поверхности полупроводника. Другими словами, должно

выполняться неравенство │Vg│ │Vгр│, где Vгр – уровень напряжения,

которому соответствует начало образования равновесного инверсионного слоя при значении поверхностного потенциала Ys = 2 ln λ.

44

Рис. 2.1. Энергетическая диаграмма идеальной МДП-структуры

всостоянии неравновесного обеднения:

а– до приложения напряжения; б – в момент t = 0 (сразу после зарядки конденсатора); в – после достижения равновесия. Штриховая линия – середина

запрещенной зоны; штрихпунктирная – уровень Ферми в равновесии (η0) и квазиуровни Ферми электронов (ηn) и дырок (ηp); 1 – дырки, 2 – доноры,

3 – электроны

45

Неравновесное обеднение приводит, прежде всего, к резкому разбалансу процессов тепловой генерации и рекомбинации. В общем случае неосновные носители заряда, которые необходимы для формирования равновесного инверсионного слоя, поступают в приповерхностную область из нескольких источников. Во-первых, благодаря генерации через поверхностные (рекомбинационные) состояния, через объемные состояния в области обеднения и благодаря диффузии из нейтрального объема. Во-вторых, при больших полях могут возникать дополнительные «полевые» механизмы генерации неосновных носителей заряда, такие как ударная генерация ОПЗ или термополевая эмиссия типа Пула-Френкеля. По мере накопления дырок в ОПЗ все большая часть отрицательного заряда на металлическом электроде экранируется подвижными дырками. Изгиб зон Y и толщина обеднен-

менилось: большая часть его теперь падает на диэлектрике. Подчеркнем еще раз, что физическая суть рассмотренного эффекта

состоит в следующем. Ввиду сильного неравенства τM << τген (τM – время диэлектрической (максвелловской) релаксации), вначале из полупроводника выводятся все основные носители заряда (да и он становится фактически «заряженным диэлектриком», а затем постепенно

Рис. 2.2. Равновесная (C∞) и полностью неравновесная С(0) ВФХ МДП структуры n-типа. Релаксация емкости из а в б наблюдается после приложения ступеньки напря-

жения V0

46

по мере генерации электронно-дырочных пар формируется инверсионный слой. Толщина слоя обеднения при этом сокращается, стремясь к равновесной для данного напряжения величине.

Время установления равновесного распределения носителей заряда много больше аналогичных времен создания слоев обогащения или равновесного обеднения. В кремнии при комнатной температуре время перехода к равновесному инверсионному состоянию может достигать десятков секунд.

В случае подачи на металлический электрод пилообразного напряжения той же полярности, начиная с│Vg │≥│Vгр│, ветвь высокочастотной ВФХ лежит (в зависимости от скорости изменения напряжения dVg/dt) между значениями равновесной емкости C∞(V) и существенно неравновесной емкости С(0) = f(V), где С(0) равно значению емкости МДП-структуры в момент t = 0 после подачи импульса напряжения Vg

(рис. 2.2).

2.1.2. Устройство и принцип работы ПЗС

Из предыдущего изложения ясно, что если к полевому электроду МДП структуры электронного полупроводника приложить достаточно большой импульс отрицательного напряжения, то в приповерхностном слое образуется потенциальная яма для дырок. Если структура сформирована так, что времена заполнения этой ямы с помощью тепловой генерации достаточно велики, то в эту яму может быть помещен информационный дырочный заряд, возникающий, в частности, при генерации носителей заряда светом. Для простоты рассуждений и наглядности процесс формирования глубины потенциальной ямы, ее заполнения, а в дальнейшем и передачу заряда в соседнюю яму рассматривают на основе жидкостной модели. Потенциальную яму представляют как сосуд с сечением, равным полевому электроду, поверхностный потенциал–глубина этого сосуда, а количество находящихся в ней неосновных носителей – количество жидкости, частично его заполняющей (рис. 2.3).

При этом емкость пустого сосуда (глубина ямы) определяется величиной поверхностного потенциала, которая однозначно связана с глубиной обеднения. Присутствие заряда неосновных носителей на границе раздела будет соответствовать уменьшению значения поверхностного потенциала и изображаться новым положением глубины обеднения. Заштрихованная область между этими двумя линиями дает

47

Рис. 2.3. Вид потенциальной ямы под электродом

ивеличина поверхностного заряда для случая частично накопленного заряда (а) и без него (б)

наглядное представление о величине заряда в потенциальной яме, как о количестве жидкости в сосуде. Хотя на самом деле заряд находится на границе раздела полупроводник–диэлектрик, расположение его на приведенной схеме на дне потенциальной ямы весьма наглядно и полезно для качественного и иллюстративно-количественного объяснения принципов работы ПЗС и ПЗИ. Эту так называемую «гидродинамическую модель» в полупроводниковой электронике с успехом используют уже более 30 лет.

В терминах электронных параметров МДП-структуры – дифференциальной емкости также все предельно ясно. Как было показано, емкость обеднения, которая определяет величину емкости МДП, равна емкости плоского конденсатора, заполненного диэлектриком с ε = εS – диэлектрической проницаемости полупроводника. Так как эта емкость Cоб обратно пропорциональна толщине области обеднения, то при наибольшей толщине об емкость минимальна. По мере накопления заряда из-за тепловой генерации или при введении информационного заряда емкость уменьшается до момента «схлопывания» ямы. Если не существует других источников генерации кроме тепловой, то время от момента создания ямы до ее полного заполнения составляет для кремния при комнатной температуре от единиц до десятка секунд. Это означает, что в течение этого времени МДП-конденсатор может служить прибором, хранящим зарядовую информацию. Эта информация определяется величиной заряда в потенциальной яме. Таким образом, можно сказать, что ПЗС является по своей природе аналоговым устройством, число носителей в зарядовом пакете которого характеризует величину сигнала в определенный момент времени. При этом, так как

48

генерация носителей может возникнуть и в результате воздействия света, можно воспринимать и преобразовывать в электрический сигнал и световую информацию.

Для понимания работы ПЗС необходимо также усвоить основной принцип передачи заряда из одной потенциальной ямы в другую. Если два МДП-конденсатора расположены достаточно близко друг от друга, то области обеднения между ними при соответствующих потенциалах на затворах могут перекрываться. Или, как принято говорить, эти ямы будут «связываться». При этом если в одной из ям находится заряд неосновных носителей, то он будет скатываться в яму с большей глубиной, определяемой большей величиной поверхностного потенциала. Если снова перейти к жидкостной аналогии, то это будет точная аналогия эффекта сообщающихся сосудов. Используя жидкостную модель, можно сказать, что заряд стечет в более глубокую часть потенциальной ямы. Заряд в яме может образоваться либо в результате тепловой генерации, либо, например, при генерации светом.

На рис. 2.4 приведена схема генерации электронно-дырочных пар для полупроводника электронного типа. Видно, что пары, генерируемые в области обеднения, разделяются приповерхностным полем. Электроны идут к поверхности, формируя в инверсионном слое информационный заряд, а дырки уходят в объем кристалла, а затем во внешнюю цепь.

Созданный таким образом заряд под любым электродом на поверхности, на который было подано соответствующей величины обедняющее напряжение, может быть передан под соседний электрод. Для этого

Рис. 2.4. Схема генерации электронно-дырочных пар в поверхностном слое полупроводника n-типа

49

на соседний электрод должно быть подано большее обедняющее напряжение, чем на первый.

Рассмотрим простейшую схему такого переноса, приведенную на рис. 2.5.

Цепочка электродов соединена по три управляющими шинами Р1, Р2 и Р3. Предположим, что на шину Р2 было подано обедняющее напряжение и она каким-то образом была заполнена зарядом. Можно

Р2

Р2

Р1

t2

t2+

t3

t3+

t4

t4+

t5 = t2

P1

P2

P3

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t

Рис. 2.5. Диаграммы переноса заряда (вверху) и зависимость амплитуды напряжений на управляющих шинах от времени (внизу)

50