МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 4, с. 263-268
= ПРИБОРЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ =
УДК 621.382+ 621.396.6
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СУБМИКРОННЫХ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ С ПЕРИОДИЧЕСКИМ ЛЕГИРОВАНИЕМ КАНАЛА ДЛЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ
© 2015 г. А. А. Краснюк1, 3, О. М. Орлов2, Э. Ф. Имаметдинов3, Е. В. Марьина3
Нияумифи
2ОАО "НИИМЭ и Микрон" 3Научно-исследовательский институт системных исследований Российской АН
E-mail: bodlero@mail.ru Поступила в редакцию 18.12.2014 г.
Метод периодически легированного канала первоначально рассматривался как приложение для транзисторных структур на органических полупроводниках. Однако возможности модуляции проводимости канала в КМОП-транзисторах также представляют значительный интерес и для высокотемпературной микроэлектроники. Для получения высокой проводимости нанообластей, обеспечивающих уменьшение общей эффективной длины канала за счет геометрического фактора а, необходимо иметь высокую концентрацию примеси в них. При этом боковой уход примеси может привести к смыканию легированных нанообластей и ухудшению подпороговых характеристик транзистора. С этой целью в качестве легирующей примеси (канала N МОП-транзистора) целесообразно использовать мышьяк с последующей его активацией быстрым термическим отжигом (RTA). Реализованная приборно-технологическая модель PDCFET на основе программ технологического моделирования позволяет решать вопросы технологической реализации и характеризации для транзисторов, изготавливаемых по нормам 0.18—0.5 мкм формированием подзатворных областей на основе наномасок для высокотемпературных приложений.
DOI: 10.7868/S0544126915040080
1. ВВЕДЕНИЕ
Высокотемпературная электроника (High Temperature Electronics) является одним из наиболее востребованных направлений развития современных технологий микроэлектроники, обусловленных потребностями промышленной электроники, геологоразведки, автомобиле- и авиастроения, ракетно-космической техники, а также задачами физического эксперимента. Одной из наиболее востребованных задач является разработка запоминающих устройств, способных функционировать в диапазонах температур от —60 до +200°С и выше при наличии критичных для работы уровней электромагнитных полей и радиационных факторов.
Фундаментальной научной проблемой является определение физико-технологических и конструктивно-схемотехнических решений и методов проектирования для обеспечения функциональной работоспособности интегральных элементов памяти и сверхбольших интегральных схем на их основе при экстремально высоких уровнях температур и внешних деструктивных факторов. Повышенные температуры для элементов памяти, как правило, связаны с существенным снижением уровня сбоеустойчивости, асимметрией плеч ячеек памяти, повышенными токами утечки, сниже-
нием подвижности носителей, ростом напряжений на контактах и рп-переходах. Требуется определение новых конструктивно технологических решений, способных реализовать потенциальные возможности современных КМОП-технологий для этих целей. Российские КМОП СБИС по технологическим нормам 0.18—0.5 мкм позволяют создавать высоконадежную и сбоеустойчивую электронную компонентную базу для основных индустриальных и авиакосмических приложений. Однако температурные характеристики данных микросхем, как правило, существенно уступают специализированным THE изделиям. Представляются актуальными задачи совершенствования конструкции субмикронных транзисторов, которые бы позволили улучшить предельные характеристики КМОП и КНИ КМОП СБИС при сохранении высоких характеристик надежности, долговечности и сбое-устойчивости.
Одним из возможных путей решения данной задачи является разработка и применение в стойких схемах МДП-транзисторов с периодически легированным каналом [1—4]. МДП-транзисторы с периодически легированным каналом (PDCFET) в первом приближении могут рассматриваться как N короткоканальных транзисторов, имею-
Рис. 1. Секционированный канал МДП, состоящий из N секций (N — субтранзисторов).
щих общий затвор. Благодаря высокой проводимости областей легирования в канале общая эффективная длина канала уменьшается за счет геометрического фактора
d
a = —,
L
определяемом как отношение шага легирования й к расстоянию между легированными областями Д (рис. 1). Это и позволяет предположить, что усилительные и высокочастотные свойства транзистора могут быть пропорционально улучшены. Данный подход известен для НЕМТ транзисторов [3], однако его применение для КМОП-структур имеет существенные отличия по сложности формирования периодически легированного канала.
2. МОДЕЛИ И ОПИСАНИЕ РЭСБЕТ ТРАНЗИСТОРОВ
Как показано на рис. 1 [1], при моделировании предполагалось рассмотрение канала транзистора как совокупность N секций. Предположим, что выполняются следующие традиционные для МДП-транзисторов приближения:
— приближение плавного канала;
— приближение полного обеднения (концентрация носителей мала по сравнению с концентрацией примеси в большей части области обеднения);
— приближение малости объемного заряда в сравнении с зарядом носителей в инверсионном слое.
В этом случае система из N уравнений для последовательности п субтранзисторов сводится к выражению
= (у * - ^
(La)
где ц — подвижность, С — удельная емкость затвора, W — ширина канала, Li — длина канала i-суб-транзистора, L — длина канала исходного транзистора, D — период секционированного канала, a — геометрический фактор.
Следовательно V* = Vg — Vt , где Vg и Vt — напряжения на затворе и пороговое напряжение соответственно (все субтранзисторы одинаковы по физической структуре — используем это приближение). Результаты физического моделирования показывают, что данное приближение допустимо лишь для малых токов. На рис. 2 приведены моделируемые структуры в программе ATHENA фирмы Silvaco. На рисунке приведены температурный профиль для внешней температуры 553 K в транзисторных структурах. Данная модель соответствует структуре объемного КМОП-транзистора с топологическими нормами 0.18 и 0.25 мкм. Распределение потенциала определяется решением уравнения Пуассона.
С помощью разработанной модели могут быть смоделированы основные характеристики транзисторных структур, обеспечивающие синтез SPICE
Рис. 2. Моделируемые структуры: (а) — референсный МДП-транзистор; (б) — транзистор с разрезным затвором и островком легирования в канале.
параметров, необходимых при оценке быстродействия основных библиотечных элементов. На рис. 3 приведены результаты синтеза ВАХ при прочих равных условиях для МДП-структуры и структуры с разбиением канала. Геометрический фактор а
Рис. 3. Моделирование ВАХ тестовых структур.
вполне соответствует упрощенной модели для области малых токов.
На рис. 4 приведен характер изменения ВАХ при различных а. Уменьшение эффективной длины канала за счет увеличения размеров островка
Рис. 4. ВАХ модели РВСБЕТ для различных геометрических факторов а.
Ток стока, мкА
Рис. 5. Температурная зависимость тока стока для экстремальных при напряжении на затворе 2.5 В; а — ре-ференсный МДП-транзистор; б — транзистор с островком легирования в канале; с — транзистор с разрезным затвором.
легирования в подзатворной области не является эффективным средством улучшения характеристик за счет геометрического фактора. Кроме того, при увеличении параметра а для РЭСББТ расстояние между легированными областями Д уменьшается (близко к режиму "смыкания" легированных областей со стороны стока в большей степени) и, соответственно, возможен эффект уменьшения порогового напряжения. В данном случае он уменьшается при а = 6 с 0.5 до 0.25 В (пороговое напряжение определяется при токе стока, близком к 0). Пороговые напряжения МДП и РЭСББТ с параметром а близким к 2 примерно соответствуют 0.5 В, что говорит, скорее всего, об отсутствии "смыкания" легированных областей в РЭСББТ и возможно неплохих подпороговых характеристиках моделируемого транзистора. При наличии технологических возможностей больший интерес представляет увеличение количества островков при фиксированном а.
В качестве параметра для оценки быстродействия транзисторной структуры возьмем время переноса заряда от островка к островку:
= I-
Л ц Е'
где ц — подвижность, а Е — напряженность электрического поля:
Е = ^ = .
Используя приближения, приведенные на рис. 1, можно показать, что
? =
па V ¥в
где Ув — напряжение на стоке транзистора, п — количество субтранзисторов. Выигрыш в быстродействии РЭСББТ транзистора и референсного МДП-транзистора пропорционален отношению:
tn = х/(П) = а .
Для модели, приведенной на рис. 2, выигрыш в быстродействии РЭСББТ транзистора по сравнению с референсным МДП-транзистором возможен от 1.5 до 2-х раз. На рис. 5 приведены сравнительные величины тока стока при напряжении на затворе 2.5 В, которые показывают, что транзисторы с разрезным затвором обладают наихудшими характеристиками для предельных температурных режимов, а транзисторы с периодическим легированием канала обладают лучшими на 15— 20% характеристиками, чем референсный МДП-транзистор при одинаковых технологических нормах и общем уменьшении подвижности в канале.
Ь
г
0
3. САМОФОРМИРОВАНИЕ ПОДЗАВТОРНЫХ ОБЛАСТЕЙ
Применение РЭСБЕТ транзисторов ограничивается возможностями соответствующих технологических процессов. Актуальной задачей является разработка и отработка технологических операций и технологического маршрута, непосредственное изготовление МОП-транзистора с периодически легированным каналом (МОП ПЛК) [6—10].
Одним из подходов формирования МОП ПЛК является использование наномаски на основе волнообразного нанорельефа (ВНР), при этом нано-маска для периодического легирования является основным элементом. Для создания наномаски использованы самоформирующиеся структуры в виде волнообразной топографии, возникающие в процессе распыления поверхности потоками ионов с энергией 1—10 кэВ при углах бомбардировки отличных от нормали. Анизотропный периодический микрорельеф, образующийся на аморфных или аморфизованных ионным воздействием поверхностях, представляет собой волнообразную структуру периодическую в плоскости падения ионного пучка с ориент
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.