Элементы и приборы наноэлектроники

Нанотранзисторные структуры

Историческая справка Первые интегральные транзисторы появились в конце 1979 г. 19 апреля 1965 г., в журнале Electronics (vol. 39, № 8) в рубрике «Эксперты смотрят в будущее» вышла ныне всемирно знаменитая статья Гордона Мура «Cramming more components onto integrated circuits» («Объединение большого количества компонентов в интегральных схемах»). В этой статье Мур (будущий соосноватсль корпорации Intel) дал прогноз развития микроэлектроники на ближайшие 10 лет на основании анализа шестилетнего развития микроэлектроники. В соответствии с прогнозом количество элементов на кристаллах электронных микросхем будет и далее удваиваться каждый год. Эта эмпирическая закономерность получила название закона Мура и стала законом в сфере информационных технологий и полупроводниковой индустрии. Время внесло некоторые коррективы в закон. Ныне доктор Гордой Мур является почетным председателем совета директоров корпорации Intel.

Наноэлектроные транзисторные структуры возникли на базе микроэлектронных транзисторов, которые являются основой элементной базы микроэлектроники. Основной кремниевой транзисторной структурой, вошедшей в арсенал средств наноэлектроники, является кремниевая МД 11-структура. Если в качестве диэлектрика используется диоксид кремния, то такая структура называется МОИ (общепризнаное название МДП — металлдиэлектрик—полупроводник; МОП — металл — оксид — полупроводник). (Metal-Oxide — Semiconductor Field Effect Transistors, MOSFIT). Полевым или униполярным планарным транзистором называется транзистор, в котором управление происходит под действием электрического поля, перпендикулярного току носителей. Такие транзисторы называют также транзисторами с изолированным затвором.

В 1975 г. Г. Мур внес в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов на чипе происходит каждые два года. Удвоение числа транзисторов непосредственно связано со скейлингом параметров, другими словами, с масштабным уменьшением геометрических размеров транзистора. В настоящее время их размеры вписываются в нанометровый диапазон. Нанотрапзисторы являются наиболее востребованной продукцией нанотехнологии.

Проводящий слой, по которому протекает ток, называется каналом. Различают р- и «-канальные транзисторы. Каналы могут быть приповерхностными и объемными, горизонтальными и вертикальными.

Транзисторы с приповерхностным каналом имеют структуру МДП. Такие транзисторы принято называть МДП-транзисторами. Если диэлектриком является диоксид кремния Si0₂, то используется название МОП-транзисторы. В свою очередь приповерхностные каналы делятся на обогащенные или обедненные носителями заряда, либо инверсионные слои. Их формирует внешнее электрическое поле. Обедненные каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

Транзисторы МДП с индуцированным каналом имеют три электрода: исток, сток и затвор. Исток и сток формируются методом диффузии или методом ионной имплантации. Управляющим электродом является затвор металлический электрод, перекрывающий канал между истоком и стоком. Иногда исток напрямую замыкают на электрод подложки. Если на электроды подан нулевой потенциал, то вблизи я⁺-областей истока и стока имеются области объемного заряда, возникающие за счет разности работ выхода электронов из полупроводника с различными типами электропроводности. Между истоком и стоком при U_3H = 0 существует большое сопротивление, эквивалентное сопротивлению двух встречно включенных диодов при нулевом смещении. Поэтому при подаче напряжения U_CH во внешней цени ток будет мал. Если на затвор подать отрицательное напряжение,^[1]

Рис 5.1. Полевой транзистор с изолированным затвором:

а — конструкция (И — исток, С — сток, 3 — затвор, Д — диэлектрик, П — полупроводник, Пл — подложка); б — стоково-затворные вольт-амперные характеристики со встроенным (1) и индуцированным (2) каналом; в — семейство выходных ВАХ¹

го приповерхностный слой обогатится дырками. Это нс изменит тока во внешней цепи.

Если на затвор подать положительное напряжение 11_ш > 0, то под действием электрического ноля основные носители (дырки) отожмутся полем вглубь полупроводника (эффект поля). Эффектом поля в полупроводниках называется изменение концентрации свободных носителей заряда в приповерхностном слое под действием внешнего электрического поля, перпендикулярного каналу. Сначала образуется обедненный слой (объемный заряд акцепторов), куда устремляются неосновные носители — электроны. У самой поверхности, границы раздела «полупроводник — диэлектрик», электроны образуют инверсионный слой — проводящий канал. Это произойдет тогда, когда концентрация неосновных носителей (электронов) превысит концентрацию основных. В зависимости от величины приложенного к затвору потенциала меняется толщина инверсионного слоя. Такой тип канала называется индуцированным. Ток стока резко возрастает, и в дальнейшем зависит от напряжения U_cn.

Толщина индуцированного канала зависит от технологии производства транзисторов. Напряжение на затворе, при котором образуется канал и транзистор начинает работать, называется пороговым и обозначается U₀.

На рис. 5.1, б, в приведено семейство стоково-затворных вольт-амнерных характеристик МДП-транзисторов. Пороговое напряжение U₀ определяется удельной емкостью «затвор — канал», зонной диаграммой «металл — диэлектрик — полупроводник». Стоково-затворные характеристики транзистора зависят от режима его работы. При напряжении U_cn > 0 ток протекает по каналу, создавая распределение потенциала по длине канала от истока к стоку. Разность потенциалов между затвором и поверхностью в направлении стока уменьшается, одновременно уменьшаются напряженность поля в диэлектрике и удельный заряд электронов в канале.

В МДП-транзисторе технологическим путем можно создать канал, соединяющий исток со стоком. Такой транзистор получил название «транзистор со встроенным каналом». На стоково-затворной характеристике (см. рис. 5.1, б) видно, что при нулевом напряжении на затворе по его каналу течет ток, и транзистор способен усиливать сигнал. При подаче на затвор отрицательного напряжения ток в канале уменьшается из-за действия отрицательного поля затвора и при некотором напряжении U_OTC. Это объясняется тем, что при отрицательном напряжении на затворе канал обедняется носителями, и, следовательно, ток стока уменьшается. При увеличении напряжения канал обогащается неосновными носителями, и ток увеличивается. Выходная характеристика МДП-транзистора имеет участок насыщения (рис. 5.1, в).

В процессе уменьшения длины канала и соответственно длины затвора достигнуто значение порядка 100 нм, а толщина подзатворного оксида в схемах микропроцессоров ныне составляет 0,8 нм или три атомных слоя. Это позволило увеличить быстродействие микропроцессоров, снизить потребление энергии. Вместе с тем возросли токи утечки, в том числе за счет туннельного тока через слой оксида. Причем токи утечки весьма существенны даже для отключенного транзистора. В этой ситуации транзистор постоянно работает в цени. С уменьшением толщины областей истока-стока возрастает их сопротивление. В таком случае необходимо большее напряжение для переключения транзистора, при этом увеличивается плотность потребляемой мощности. С увеличением напряжения возрастает опасность пробоя слоя диэлектрика из трех атомных слоев. Круг замкнулся.

Дальнейшее уменьшение длины канала требует увеличения степени легирования в канале.

В последние годы широко используется конструкция МОП-транзистора получившая название LDD (Lightli Doped Drain), представленная на рис. 5.2. Эта структура содержит небольшие слаболегированные области, удлиняющие истоковую и стоковую области и уменьшающие длину канала.

Если концентрация примесей в истоковой и стоковой областях лежит в пределах 5−10¹⁹—10²⁰ см ³, то затем концентрация примесей плавно переходит к значению порядка 10¹⁸ см ³. Такой технологический прием позволяет снизить напряженность электрического поля в канале и уменьшить энергию горячих электронов, повысить напряжение инжекционного и лавинного пробоев транзистора, уменьшить эффект модуляции длины канала, избежать долговременной деградации параметров транзистора. Характерная глубина залегания областей истока и стока лежит в диапазоне значений 50—100 нм, а длина канала составляет порядка 250 им. Применение ореола вокруг областей истока и стока позволяет увеличить пороговое напряжение (пунктир на рис. 5.1). Как и карман, ореол создается примесыо того же типа проводимости методом ионного легирования.

Затвор из поликремния толщиной до 300 им должен перекрывать канал на величину порядка 15—20 нм. Контакты к областям истока, стока и к поликремниевому затвору выполняются с промежуточным формированием слоя TiSi₂ или CoSi₂ толщиной до 40 нм. Спейсер выполняет функцию разграничения транзисторных структур и изготавливается из Si₃N₄. Аналогичную функцию выполняет канавка, стенки которой окисляют и заполняют поликремнием. Эта технология заменила технологию изоляции локальным окислением (LOCOS). Для формирования транзисторов с каналами разного типа проводимости используют фосфор и бор.

Среди проблем, мешающих микроминиатюризации МОП-транзисторов, отметим эффект туннелирования через подзатворный диэлектрик, инжекцию горячих носителей в оксид, прокол между областями истока и стока, уменьшение подвижности носителей в канале и т. д. Следует учитывать, что с уменьшением размеров транзистора разброс параметров технологического процесса не должен снижать процент выхода годных чипов.

Рис. 5.2. Структура МОП-транзистора со слаболегированными LDD-областями:

И — исток; С — сток; 3 — затвор; Пл — подложка p-Si; К — канавки; Сп — спейсер Si_:iN₄

В настоящее время принято считать, что кремниевая технология нанометрового диапазона будет промышленной технологией на ближайшие полвека.

Инженерами-исследователями предложено несколько путей выхода из кризиса при масштабировании параметров:

• • КНИ-транзисторы (технология «кремний на изоляторе») с ультратонким основанием (Ultrathin Body — UTB);
• • приборы с управляемой проводимостью канала;
• • транзисторы с двойным и тройным затвором;
• • илавниковонодобный нолевой транзистор (Fin FET).

• [1] ВАХ — вольт-амперная характеристика.