Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Зависимости электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивных и технологических факторов

Диссертация: Зависимости электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивных и технологических факторов
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В современной полупроводниковой электронике одну из самых передовых и технологичных ниш занимают нано-МОП транзисторы с длиной канала меньше 300 А и структурой кремний-на-изоляторе (КНИ). Они используются в высокопроизводительных процессорах ведущих мировых производителей Intel и AMD. Этот тип транзисторов вытеснил биполярные и другие типы полевых транзисторов из процессорной электроники… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ, МОДЕЛИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ СОВРЕМЕННЫХ МОП ТРАНЗИСТОРОВ
    • 1. 1. Современное состояние МОП технологии
    • 1. 2. Методы моделирования транзисторов со структурой КНИ
    • 1. 3. Технологии получения структур кремний на изоляторе
  • ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1
  • ГЛАВА 2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОП ТРАНЗИСТОРОВ СО СТРУКТУРОЙ КНИ
    • 2. 1. МОП транзисторы с длиной п- области Ь=500−1000А
    • 2. 2. Вольт-амперные характеристики МОП КНИ транзисторов с несколькими затворами
    • 2. 3. Вольт-амперные характеристики КНИ нано-МОП транзисторов с малой длиной п-области Ь=200−400 А и малым количеством доноров в п-слое
    • 2. 4. Приближенный метод расчета вольт-амперных характеристик и крутизны в нано-МОП транзисторах с п-каналом и со структурой КНИ с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала
  • ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2
  • ГЛАВА 3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ВЛИЯНИЕ НА НЕГО КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
    • 3. 1. Пороговое напряжение в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ и длиной п-слоя Ь0=500-Ю00 А
    • 3. 2. Влияние толщины сверхтонкого основания на пороговое напряжение в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ
    • 3. 3. Влияние конструктивных параметров на пороговое напряжение в р-канальных нано-МОП транзисторах со структурой КНИ и сверхтонким основанием
  • ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3
  • ГЛАВА 4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЕМКОСТЕЙ В НАНО-МОП ТРАНЗИСТОРАХ СО СТРУКТУРОЙ КНИ
    • 4. 1. Методы расчета входной, проходной, выходной емкостей в нано
  • МОП транзисторах со структурой КНИ
  • ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4

Зависимости электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивных и технологических факторов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность темы

В современной полупроводниковой электронике одну из самых передовых и технологичных ниш занимают нано-МОП транзисторы с длиной канала меньше 300 А и структурой кремний-на-изоляторе (КНИ). Они используются в высокопроизводительных процессорах ведущих мировых производителей Intel и AMD. Этот тип транзисторов вытеснил биполярные и другие типы полевых транзисторов из процессорной электроники, несмотря на некоторый проигрыш в производительности относительно некоторых других типов полевых транзисторов, благодаря своей экономичности, высокой степени интеграции и дешевизне, а также из-за малых величин влияния на характеристики транзистора короткоканальных эффектов.

Стоит отметить, что в настоящее время в Российской Федерации освоена технология производства с технологической нормой 180 нм, закуплено и ожидает запуска оборудование с технологическими нормами 90 нм, в то время как на фабриках AMD в конце 2011 года было налажено серийное производство процессоров по технологической норме 28 нм (280 А). Основным сдерживающим фактором в развитии отечественного производства нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала меньше 300 А является отсутствие теоретических основ проектирования транзисторов данного класса и, как следствие этого, отсутствие какой-либо производственной базы. Нано-МОП транзисторы со структурой КНИ и длиной канала меньше 300 А — крайне сложное конструктивно-технологическое решение, и до настоящего времени в литературе отсутствуют сведения по аналитическим методам расчета параметров таких транзисторов. Несмотря на высокое развитие современных высокопроизводительных ЭВМ и программных комплексов для численного моделирования полупроводниковых приборов, невозможен быстрый инженерный расчет необходимых параметров транзисторов. Разработка простых инженерных аналитических методов расчета позволит рассчитывать электрические и технологические параметры транзисторов данного класса.

Данная работа проводилась в соответствии с планом ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет».

Цель работы — получение аналитических зависимостей основных электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивно-технологических факторов. Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Разработать аналитический метод расчета выходной вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 500−1000 А.

2. Разработать приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200−400.

А.

3. Разработать аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500−1000 А.

4. Исследовать влияние концентрации основных носителей в пили р-слоях и их толщины на пороговое напряжение нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Разработать аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

6. Исследовать зависимости емкостей Сзи, СВЬ1Х и Сзс от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с учетом неоднородного распределения носителей заряда по длине канала.

Научная новизна исследований:

1. Разработан аналитический метод расчета переходных вольт-амперных характеристик и крутизны нано-МОП транзистора со структурой.

КНИ и длиной канала 500−1000 А в приближении насыщения дрейфовой скорости электронов у5е или дырок у5ь в канале.

2. Разработан приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 200 400 А с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала в 2 раза.

3. Разработан аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500−1000.

А.

4. Обнаружено, что крутизна наклона входных вольт-амперных характеристик Б зависит от концентрации донорных атомов в п-слое нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Обнаружено, что уменьшение толщины пленки р-81 в р±р-р+ нано-МОП транзисторов ограничено величиной работы выхода из металла затвора.

6. Разработан аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

7. Впервые при расчете зависимостей емкостей Сзи, Свых и Сзс от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ учитывалось неоднородное распределение носителей заряда по длине канала.

Практическая значимость работы. Основные результаты исследования, а именно: аналитический метод расчета вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 500−1000 А, приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200−400 А, аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500−1000 А, аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано.

МОП транзисторах со структурой КНИ могут быть полезны для разработчиков нано-МОП транзисторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитический метод расчета вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 5 001 000 А в приближении насыщения дрейфовой скорости электронов у5е или дырок у5Ь в канале.

2. Приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200−400 А с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала в 2 раза.

3. Аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500−1000 А.

4. Крутизна наклона Э кривой зависимости входной вольт-амперной характеристики зависит от концентрации донорных атомов в п-слое нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Уменьшение толщины пленки р-81 в р±р-р+ нано-МОП транзисторов ограничено величиной работы выхода из металла затвора.

6. Аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

7. Расчет зависимостей емкостей Сзи, СВЬ1Х и Сзс от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с учетом неоднородного распределения носителей заряда по длине канала.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2012), международный научно-методический семинар «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2009, 2010).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 44 наименования. Объем диссертации составляет 103 страницы, включая 40 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Впервые были получены аналитические выражения для зависимости тока стока 1с=А (Узи) и крутизны 8=8(УЗИ) от затворного напряжения для нано-МОП транзисторов с длиной канала Ьк=500−1000 А, при насыщении дрейфовой скорости электронов.

2. Установлено, что нано-МОП транзисторы со структурой КНИ с длиной п-области Ь=500−1000 А и концентрацией доноров в п-области Ыап=1018 у см" в зависимости от величины затворного напряжения (Узи>0) работают в 2х режимах: 1) Узи>УОТп~0,3.0,4 В уменьшение толщины обедненного слоя из доноров в п-слое, который образовался из-за наличия контактной разности потенциалов между металлом затвора и п-81 слоем (фкмз-п-э! < 0,5 В) — 2) возникновение слоя накопления электронов на поверхности квазинейтрального п-слоя под затворным электродом.

3. В нано-МОП транзисторах с длиной п-области Ь=150−300 А и.

17 малой концентрацией доноров 10 см" количество доноров в п-области оказывается пренебрежимо малым (1−2), причем п-область имеет собственную проводимость даже при фкМз-п-БрО. При Узи>ФкМз-п-81 образуется слой накопления электронов, и возникает отличное от нуля напряжение отпирания.

ОТП.

4. Двухзатворные нано-МОП транзисторы обоих типов имеют по сравнению с однозатворными в 2 раза больший ток стока 1с и крутизну 8. Трехзатворные МОП транзисторы не имеют преимуществ по сравнению с двухзатворными по величине тока 1с и крутизне 8, но технология изготовления двухзатворных транзисторов оказывается более сложна, так как требует дополнительной операции отдельного осаждения изолирующего толстого окисла.

5. Впервые предложен приближенный метод расчет тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ на сверхтонком основании для приборов с длиной канала 220 и 320 А с учетом переменной дрейфовой скорости электронов по длине канала.

6. Впервые получено аналитическое выражение (3.15) для расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длинои побласти 500−1000 А;

7. Для нано-МОП транзисторов со структурой КИИ впервые были получены аналитические выражения для количественной оценки зависимости порогового напряжения Упор от толщины сверхтонкого основания (хп<75 А) для различных концентраций доноров в подзатворной области.

8. Обнаружено, что уменьшение толщины пленки р-типа в р±р-р+ нано-МОП транзисторов КНИ до размеров меньше 20 А приводит к технологическим проблемам подбора материала затвора с работой выхода большей, чем у известных сейчас металлов (фР1=5.65 эВ), что ограничивает минимальную толщину пленки р-81 20 А для обеспечения соответствующего порогового напряжения.

9. Обнаружено, что на пороговое напряжение оказывает влияние концентрация дырок в пленке кремния, увеличение концентрации акцепторов.

1С 1 о ^.

N3 от 10 до 10 см" приводит увеличению порогового напряжения на ~0.2 В.

10. Получены простые инженерные формулы для расчета входной Сзи, выходной СВых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ, впервые учитывалось линейное распределение по длине канала, концентрации подвижных носителей индуцированного затворным напряжением при приложении стокового напряжения. В результате емкость Сзи оказывается на 25% меньше, чем в приближении однородного распределения носителей заряда по длине канала.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В. Будущие транзисторные структуры / В. Майская. // Электроника: НТБ. 2002. — № 3. — С. 64−67.
  2. А.Л. Перспективы применения структур кремний-на-изоляторе: в микро-, наноэлектронике и микросхемотехнике / А. Л. Асеев, В. П. Попов, В. П. Володин, В. Н. Марютин // -МСТ. -№ 9. -2002.
  3. А.Г. Разработка структур кремний на изоляторе на основе пористого кремния / А. Г. Мустафаев, А. Г. Мустафаев // Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» -2008.
  4. В.П. Кремний-на-изоляторе: материал и приборные структуры /
  5. B.П. Попов, ИВ. Антонова, A.A. Французов, О. В. Наумова, Н. В. Сапожникова // Нано- и микросистемная техника. -2001. -№ 10. -С. 8.
  6. А.Л. Технологии и методы исследования структур КНИ: Монография / А. Л. Суворов, Б. Ю. Богданович, А. Г. Залужный, Графутин, В. И. Калугин В.В., A.B. Нестерович, Е. П. Прокопьев, С. П. Тимошенков, Ю. А. Чаплыгин //- М.: МИЭТ. -2003. -289 с.
  7. А.Г. Влияние конструкции на характеристики субмикронных КНИ МОП-транзисторов / А. Г. Мустафаев, А. Г. Мустафаев, Г. А. Мустафаев // Нано и микросистемная техника. -№ 7. -2010. -С.8−13.
  8. А.Л. Анализ преимуществ, перспектив применений и технологий производства структур КНИ: Препр. 27−00 / А. Л. Суворов, Ю. А. Чаплыгин,
  9. C.П. Тимошенков и др. // -М.:ИТЭФ. -2000. -51 с.
  10. Г. Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов / Г. Я. Красников // М.: Техносфера. — 2004. — ч.2.-536 с.
  11. Таиг Y. CMOS scaling into the nanometer regime / Y. Taur, D. Buchanan, W. Chen, D. Frank. // Proc. IEEE, -1997. -vol. 85. -p. 486.
  12. В. Транзисторы компании Intel с тройным затвором / В. Майская. // Электроника: НТБ. 2002. — № 3. — С. 50−52.
  13. А.А. Кремниевая транзисторная наноэлектроника / А. А. Орликовский // Известия вузов. Электроника. -2000. -№ 5. -С.35−44.
  14. М. Системы литографии: перспективы и экономические аспекты развития / М. Макушин // Электроника: наука, технология, бизнес. -2010. -N3. С. 46−55
  15. Н.А. Роль границ раздела в наноразмерных МДП-транзисторах с многослойными high-K-диэлектриками / Н. А. Зайцев и др. // Нано- и микросистемная техника. М., 2011. — № 8. — С. 15−17.
  16. Техническая информация компании Intel. Intel White Paper: Introducing the 45 nm Next-Generation Intel Core Microarchitecture. URL: http://www.intel.com/technology/intel64/index.htm
  17. Palestri P. A comparison of advanced transport models for the computation of the drain current in nanoscale nMOSFETs/ P. Palestri, C. Alexander, A. Asenov etc. // Solid-State Electronics. -2009. -vol. 53. -pp. 1293−1302.
  18. Lucci L. Multi-subband Monte-Carlo study of transport, quantization and electron gas degeneration in ultra-thin SOI n-MOSFETs / L. Lucci, P. Palestri, D. Esseni, L. Bergagnini, L. Selmi //IEEE Trans Electron Dev -2007. -vol.54(5) -pp.1156−64.
  19. Ando T. Electronic properties of two-dimensional systems / T. Ando, A. Fowler, F. Stern // Rev Modern Phys -1982 -vol.54, -pp.437.
  20. Lucci L. Analysis of transport properties of nanoscale SOI devices: full quantum versus semiclassical models / L. Lucci, M. Bescond, R. Clerc, P. Palestri, D. Esseni, L. Selmi // Proceedings EUROSOI- -2007. -p.43−44.
  21. Esseni D. On the modeling of surface roughness limited mobility in SOI MOSFETs and its correlation to the transistor effective field / D. Esseni // IEEE Trans Electron Dev -2004. -vol.51(3) -pp.394−401.
  22. Toniutti P. Revised analysis of the mobility and Ion degradation in high-k gate stacks: surface optical phonons vs. remote Coulomb scattering / P. Toniutti, P. Palestri, D. Esseni, L. Selmi // ESSDERC. -2008. -pp.246−249.
  23. Palestri P. An improved semiclassical Monte-Carlo approach for nano-scale MOSFET simulation / P. Palestri, S. Eminente, D. Esseni, C. Fiegna, E. Sangiorgi, L. Selmi // Solid State Electron -2005. -vol.49, -pp.727−732.
  24. Brugger S. Computation of semiconductor properties using moments of the inverse scattering operator of the Boltzmann equation / S. Brugger // Ser Microelectron. -2007. -pp. 166−172.
  25. Bufler F. Efficient Monte Carlo device modeling / F. Bufler, A. Schenk, W. Fichtner // IEEE Trans Electron Dev. -2000. -vol.47(10) -pp. 1891−1897.
  26. A. 3D Monte Carlo device simulation of nanowire MOSFETs including quantum mechanical and strain effects / A. Ghetti, D. Rideau // Proceedings SISPAD. -2006. -p. 67.
  27. Alexander CL. Increased intrinsic parameter fluctuations through ab initio Monte Carlo simulations in nano-scaled MOSFETs / CL. Alexander, G. Roy, A. Asenov // IEDM technical digest. -2006.
  28. Riddet С. Convergence properties of density gradient quantum corrections in 3D ensemble Monte Carlo simulations / C. Riddet, A. Asenov // Proceedings simulation of semiconductor processes and devices. -2008. -pp.261−264.
  29. Baccarani G. Theoretical foundations of the quantum drift-diffusion and density-gradient models / Baccarani G, Gnani E, Gnudi A, Reggiani S, Rudan M. // Solid State Electron. -2008. -vol.52(4) -pp.526−532.
  30. П.А. Применение ионной имплантации водорода в КНИ-технологии / П. А. Александров, Е. К. Баранова и др. // Известия вузов. Электроника. -2000. -№ 5. -С. 17−21.
  31. С. И. Исследование структуры типа «Кремний на пористом кремнии» и создание технологического процесса для серийного производства приборов на их основе (http://okb-nzpp.chat.ru/kni.htm).
  32. В.П. Свойства структур и приборов на кремний-на-изоляторе / В. П. Попов, И. В. Антонова, А. А. Французов и др. // Физика и техника полупроводников. -2001. -Т.35. -№ 9. -С. 1075−1082.
  33. В.П. Попов, А. И. Антонова, JI.B. Миронова, В. Ф. Стась. Патент РФ № 99 120 527/28(21 735) от 28.09.99 г.
  34. Flandre D. Fully-Depleted SOI CMOS Technology for Low-Voltage Low-Power Mixed Digital/Analog/Microwave Circuits / D. Flandre, J.P. Collinge, J. Chen. // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 1999. — vol. 21, 3. — pp. 101 109.
  35. .К. Переходные вольтамперные характеристики и крутизна нано-МОП транзисторов со сверхтонким основанием / Б. К. Петров, А. А. Краснов. // Вестник ВГУ, серия физика, математика. -2008. -№ 2. С. 43−47.
  36. .К. Расчет переходных вольтамперных характеристик и крутизны нано-МОП транзисторов со сверхтонким основанием с несколькими затворами / Б. К. Петров, А. А. Краснов. // Радиолокация, навигация, связь. -2009. -№ 2. С. 43−47.
  37. Зи С. Физика полупроводниковых приборов / С. Зи. М.: Мир. — 1984. -Т.2.-456 с.
  38. В. А. Физические характеристики КНИ-транзисторов для наноэлектроники / В. А. Горячев. // Успехи современной радиоэлектроники. -2008. № 7-С. 54−73.
  39. Schmidt M. Mobility extraction in SOI MOSFET with sub 1 mm body thickness / M. Schmidt, M.C. Lemme, H.D.B. Gottlob, F. Driussi, L. Shelmi, H. Kurz // Solid-State Electronics. -2009. -vol.33, -pp. 1246−1251.
  40. Park J.T. Multiple-Gate SOI MOSFETs: Device Design Guidelines / J.T. Park, J.P. Colinge // IEEE Transactions on Electron Devices. -2002. vol.49 — №. 12. -pp.2222−2228.
  41. В.П. Основы наноэлектроники / В. П. Драгунов, И. Г. Неизвестный, В. А. Гридчин. // М.: Логос. — 2006. — 496 с.
  42. К.В. Физика полупроводников / К. В. Шалимова // -М.: Энергоатомиздат, -1985. -392 с.
  43. Ю П. Основы физики полупроводников / П. Ю, М. Кордона // 3-е изд. -М.: ФИЗМАТЛИТ, -2002. — 560с.
  44. А.Н. Классическая электроника и нано-электроника / А. Н. Игнатов. // М. .Флинта. — 2009. — 728 с.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?