МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 1, с. 57-64
- СХЕМОТЕХНИКА
УДК
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХЗАТВОРНЫХ суб-20 нм КНИ КМОП ТРАНЗИСТОРОВ С АРХИТЕКТУРОЙ "БЕЗ ПЕРЕКРЫТИЯ"
© 2012 г. Н. В. Масальский
Научно-исследовательский институт системных исследований Российской АН
E-mail: volkov@niisi.ras.ru Поступила в редакцию 22.01.2011 г.
Обсуждается один из возможных подходов оптимального выбора топологических параметров двух затворных суб-20 нм КМОП-транзисторов со структурой кремний на изоляторе и архитектурой "без перекрытия" затвор — вытянутые области сток/исток для минимизации коротко-канальных эффектов. В диапазоне напряжения питания от 0.4 В до 1 В численно исследованы характеристики инверторов на транзисторах с длиной канала 16 нм для высокоскоростных применений и применений с низким уровнем статической мощности.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из перспективных кандидатов для создания сверхбольших интегральных схем (СБИС), выполненных по технологии с топологическими нормами 22 нм можно рассматривать двухзатворные короткоканальные КНИ ("кремний на изоляторе") транзисторы с тонкой нелегированной рабочей областью с перспективной архитектурой "без перекрытия" затвор — вытянутые области сток/исток [1]. Рассматриваемая транзисторная структура схематично представлена на рис. 1.
Концепция "без перекрытия" базируется на оптимальном выборе градиента концентрации легирования (£) областей стока/истока и про-
дольного зазора (Ь5) между максимальным уровнем концентрации легирующей примеси в области стока или истока и краем затвора. Подавление короткоканальных эффектов (ККЭ) в таких транзисторах достигается соответствующим выбором топологических и технологических параметров. Небольшие вариации значений градиента и зазора модулируют эффективную длину канала (Ь^), что является основной предпосылкой для минимизации ККЭ, а также непосредственным образом будет отражаться на характеристиках транзисторов и схем. Отметим, что эффективная длина канала в отличие от классических представлений значительно превышает длину затвора.
Рис. 1. Схема двухзатворного КНИ транзистора: 1 — сток; 2 — исток; 3 — рабочая область; 4 — фронтальный затвор; 5 — позатворный окисел; 6 — обратный затвор; 7 — погруженный окисел. Пунктирными линиями показаны профили концентрации легирования стока/истока, причем g1 < £2.
Таблица 1.
g, нм/дек. Г| Дг| ЬеР нм АЬф нм
3 0.86—1.53 0.67 22.02—36.64 14.62
4 0.65—1.15 0.5 15.3—24.48 9.18
5 0.52—0.92 0.4 11.14—17.12 6.0
В рассматриваемой архитектуре профиль легирования проектируется так, что у границы затвор—сток/исток уровень легирования будет ниже, чем пиковая концентрация примеси. Тогда канал и область сток/исток смыкаются при низком уровне легирования, что положительным образом влияет как на увеличение подвижности носителей в канале, так и на уровень тока насыщения (/оп), а также исключается возможность пробоя стока/истока, когда эти области высоко легированы для минимизации их сопротивления [2-4].
Для определения области допустимых значений (ОДЗ) топологических параметров необходимо удовлетворить ряду критериев, которые вытекают из технологических требований [3, 5-7]: (1) > 2, где I — характеристическая длина; (2)
> Ь&, — длина затвора; (3) 6 нм < а < 8 нм, где
а = .\2nLgg
1
1п 10
— параметр, определяющий крутизну профиля примеси в продольном направлении (вдоль канала), где введен параметр масштабирования п в виде п = Ц/Ь^ (4) g> 3 нм/дес.; (5) ^ > 6 нм; ^ — толщина рабочей области, (6) Ц > 1 нм, Ц — толщина подзатворного окисла фронтального затвора.
Переход на топологические нормы 22 нм требует определить последовательность выбора топологических параметров транзисторов, которые с одной стороны минимизировали влияние ККЭ, с другой отвечали требованиям, предъявляемым к ним при реализации проектов создания нано-транзисторных СБИС. Для двух затворных транзисторов, сформированных по технологическим нормам 22 нм, имеет особую важность исследование не только оптимального выбора их параметров транзисторов, но и как это проявится на характеристиках логических схем, например, инвертора.
Одним из способов решения поставленной задачи является предварительный аналитический анализ для определения при фиксированной длине затвора диапазонов значений толщин пленок
рабочей области и фронтального затвора, градиента легирования стока-истока и зазора затвор-сток/исток для минимизации ККЭ, и последующее моделирование электро-физических характеристик транзисторов для определения их применимости при реализации схемотехнических решений.
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Рассмотрим в качестве прототипа транзисторы с длиной канала 16 нм, отвечающий выше заявленным технологическим нормам. Следуя методике, подробно рассмотренной в [5], с учетом того, что максимальный уровень легирования стока/истока составляет 5 х 1020 см—3, определим область допустимых значений Ьер которая удовлетворяет вышеприведенным условиям. В табл. 1 приведены граничные значения п, при которых параметр крутизны профиля отвечает условию 3, и соответствующие значения Ье^ для разных значений градиентов. Левое значение соответствует а = 6 нм, правое — а = 8 нм.
Из приведенных данных следует, что диапазон допустимых значений п сдвигается в сторону меньших значений с ростом g и его величина уменьшается. Эффективная длина и диапазон ее допустимых значений с ростом g уменьшается нелинейным образом. Как видно из полученных результатов в области минимальных значений Ь^ (на левой границе) условие Ье^ > Ь& не выполняется для g = 4 нм/дес. и 5 нм/дес. В соответствии с этим условием минимальное значение п = 0.764. Тогда допустимые значения находятся в области, ограниченной следующими кривыми. Левая граница Ье^ = 16—22.02 нм при п = 0.764—0.86. Правая граница Ье^ = 16—36.64 нм при п = 0.84— 1.53. Нижняя граница Ье^ = 16 нм при п = 0.764— 0.84. Верхняя граница Ье^ = 22.02—36.64 нм при п = 0.86—1.53.
Полученную область значений Ье^ необходимо скорректировать по условию Ье^/1 > 2. Одним
к\, м 7 3.20е+01 3.10е+01 3.00е+01 2.90е+01 2.80е+01 2.70е+01 2.60е+01 2.50е+01 2.40е+01 2.30е+01
2.20е+01
5.00е+00
(а)
. 1.----
7.00е+00 9.00е+00 1.10е+01
нм
кь норм. 1.05е+00 1.00е+00 9.50е+01 9.00е+01 8.50е+01 8.00е+01 7.50е+01 7.00е+01 6.50е+01 6.00е+01 5.50е+01 5.00е+01 4.50е+0.1
;(б)
1
1 ■
V ;
V
\
■
1
1
1.00е+00 3.00е+00 5.00е+00
2.00е+00 4.00е+00 6.10е+01
нм
Рис. 2. Зависимость корня к^ от топологических параметров: а — к^^) от толщины кремниевой пленки ^ для толщины подзатворного окисла ф = 1 нм; б — к^ф) от толщины подзатворного окисла для толщин кремниевой пленки ^ в диапазоне от 5 нм до 10 нм.
из способов определения характеристической длины I является метод разделения потенциала в рабочей области транзистора [5, 7]. Тогда па-
раметр I подчиняется выражению I = — [7], где к —
К
собственное значение (корень) характеристического уравнения:
2_ (г К 2 -у С2'
где sSi, еох — диэлектрическая проницаемость кремния и окиси кремния, С^ = б ох^ — емкость фронтального затвора, параметр у501 — безразмерный коэффициент, примерно равный отношению толщин подзатворных окислов: у301 = tf/tь, где Ц — толщина погруженного окисла обратного затвора. Значение у501 всегда и, как правило, много меньше 1. Отметим что, собственные значения и характеристическая длина существенным образом определяются толщинами рабочей области и подзатворным окислом фронтального затвора и практически не зависят от значения толщины окисла обратного затвора.
Собственные значения в диапазоне указанных ограничений по толщинам рабочей области и подзатворного окисла починяются характеристическим кривым, которые приведены на рис. 2.
По двум данным зависимостям (рис. 2) можно определить собственное значение для любой комбинации tf из области допустимых значений. Так, исходя из заданного значения по зависимости кх(^) (рис. 2а) определяем предвари-
тельное значение корня. Затем из зависимости к^ф) (рис. 2б) по заданной величине ф определяем нормирующий коэффициент. Для получения окончательной величины собственного значения необходимо перемножить два выбранных параметра. Например, для комбинации ф равным 7 нм и 2 нм, соответственно, по кривой кх(^) предварительное значение составляет 26.93 м-7, а нормирующий коэффициент равен 0.75, следовательно собственное значение к1 = 26.93 х 0.75 = = 20.1975 м-7. Соответствующее значение характеристической длины будет составлять 15.55 нм.
Суммируя полученные результаты и данные работ [4-6, 8], определим диапазон изменения толщины рабочей области от 6 нм до 10 нм и толщины подзатворного диэлектрика фронтального затвора от 1.05 нм до 3 нм. Тогда для параметров ^ = 6 нм и tf = 1.05 нм значение характеристической длины I равно 10.97 нм, что является минимальным значением в рассматриваемом случае. Данный результат существенно ограничивает область допустимых значений Ьф Ниже, на рис. 3
Leff, нм 4.00e+01
3.50e+01
3.00e+01
2.50e+01
2.00e+01
1.50e+01
1.00е+01
4.00е—01 8.00е—01 1.20е-00 1.60е-00
П
Рис. 3. Зависимость Ьф от п для двухзатворного КНИ транзистора с длиной канала Ь = 16 нм, где кривая 1 — g = = 3 нм/дес.; 2 — g = 4 нм/дес.; 3 — g = 5 нм/дес.; 4 — граница Ь^ = Ьефпри Птш = 0.764; 5 — граница Ьеф= /тт —
минимальное значение характеристической длины для ^ = 6 нм, ф = 1.05 нм; 6 — граница Ьеф = 2/т1п(^81), /тщ — минимальное значение характеристической длины для ^ = 7 нм, ф = 1.05 нм; 7 (сплошная)— правая граница области допустимых значений Ьф с учетом Ьф//тщ > 2; 8 (пунктирная) правая граница области допустимых значений Ьф без учета Ьв}ф//т\п > 2.
к большему сокращению области допустимых значений Ьф, т.е. прямая Ьф-=2/т^(^) будет проходит выше (см рис. 3). В табл. 2 приведены минимальные значения ^тт для разных толщин рабочей области при ф = 1.05 нм, начиная с которых выполняется условие Ьф// > 2. В той же таблице приведены максимальные значения окисной толщины, до которых выполняетс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.