ФИЗИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ДЛИНЫ КАНАЛА В НАНОРАЗМЕРНЫХ МОП ТРАНЗИСТОРАХ. <...> Пример расчета зависимости порогового напряжения от ширины канала . <...> ТОК СТОКА НАНОМОП НАНОТРАНЗИСТОРОВ В РЕЖИМЕ СМЫКАНИЯ ИСТОКОВОГО И СТОКОВОГО ПЕРЕХОДОВ. <...> ТУННЕЛЬНЫЙ ТОК ЧЕРЕЗ СТОКОВЫЙ P-N-ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ СМЕЩЕНИИ. <...> ТУННЕЛЬНЫЙ ТОК ЧЕРЕЗ ЗАТВОРНЫЙ ДИЭЛЕКТРИК В НАНОМОП ТРАНЗИСТОРАХ. <...> Считается, что в приборах с малыми размерами начинают проявляться новые электрические свойства, связанные с квантованием энергетических уровней. <...> В настоящее время основными активными приборами, применяемыми в вычислительной технике, являются МОП транзисторы. <...> В то же время по ряду параметров МОП транзисторы подошли вплотную к теоретически возможным пределам. <...> Тепловое расширение маски и пластины В ходе процесса экспонирования может произойти изменение температуры как маски, так и полупроводниковой пластины. <...> Поэтому минимально допустимый ток в ИС тоже определяется флуктуациями тока [3]: I qn= , где n – число электронов, τ – длительность импульса тока. <...> Следовательно, nканальный транзистор T1 заперт, а р-канальный транзистор Т2 открыт (считаем, что Uпит > |Uотп2|, UсиТ2 ≈ 0). <...> В 2004 г. минимальные технологические размеры достигли 0,09 мкм, а длина канала 495 Е, количество транзисторов составило 125 000 000, тактовая частота 2,4 – 3,8 ГГц. <...> Области истока и стока достаточно мелкие для подавления короткоканальных эффектов. n+-полиSi n + SiO2 TiSi2 p + р-канал n - карман SiO2 р+-полиSi p + спейсер Si3N4 15 3. <...> ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ДЛИНЫ КАНАЛА Рассмотрим для конкретности МОП транзистор с индуцированным nканалом на p+-подложке с концентрацией акцепторов Nа = (1ч5)·1018 см-3 и исток V=0 О n++-Si C La об.сл r0 A D ΔQaи L′ p+-Si x Рис. <...> Конфигурация заряженных слоев в структуре МОП транзистора с индуцированным n-каналом диффузионными сильнолегированными n++-областями (Ndи= Ndс >1·1020 см-3) истока и стока (рис. <...> Считаем, что на электрод затвора подается положительное напряжение относительно электрода <...>
Электрические_параметры_нано-МОП_транзисторов_(1).pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
НАНО-МОП ТРАНЗИСТОРОВ
Учебное пособие для вузов
Составители:
Б.К. Петров,
В.В. Воробьев
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2012
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................... 4
1. ОГРАНИЧЕНИЯ МИНИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ...............................................................................................5
1.1. Ограничения в технологии производства.........................................................5
1.1.1. Нечеткость границы тени от фотошаблона ...........................................5
1.1.2. Тепловое расширение маски и пластины...............................................6
1.1.3. Влияние флуктуаций примеси.................................................................7
1.1.4. Статистическая воспроизводимость технологических
процессов.............................................................................................................7
1.2. Физические ограничения..................................................................................8
1.2.1. Минимальная толщина пленки металла ................................................8
1.2.2. Минимальное напряжение источника питания.....................................8
1.2.3. Минимально допустимый ток в ИС.......................................................9
1.2.4. Задержка и искажение импульсов на связях ...................................... 11
1.2.5. Ограничения размеров элементов памяти...........................................12
1.3. Ограничения интеграции элементов ..............................................................12
2. ФИЗИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ДЛИНЫ
КАНАЛА В НАНОРАЗМЕРНЫХ МОП ТРАНЗИСТОРАХ....................................13
2.1. Инвертор на КМОП транзисторах .................................................................13
2.2. Конструкция КМОП транзисторов................................................................15
3. ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ДЛИНЫ
КАНАЛА........................................................................................................................16
3.1. Длинноканальный транзистор........................................................................17
3.2. Короткоканальный транзистор.......................................................................19
3.3. Пример расчета порогового напряжения ......................................................21
4. ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ШИРИНЫ
КАНАЛА........................................................................................................................21
4.1. Пример расчета зависимости порогового напряжения от ширины
канала ...................................................................................................................23
5. ТОК СТОКА НАНОМОП НАНОТРАНЗИСТОРОВ В РЕЖИМЕ
СМЫКАНИЯ ИСТОКОВОГО И СТОКОВОГО ПЕРЕХОДОВ....................24
6. РАСЧЕТ ПОДПОРОГОВЫХ ТОКОВ В НАНОМОП
ТРАНЗИСТОРАХ ...............................................................................................29
7. ТУННЕЛЬНЫЙ ТОК ЧЕРЕЗ СТОКОВЫЙ P-N-ПЕРЕХОД ПРИ
ОБРАТНОМ СМЕЩЕНИИ................................................................................33
8. ТУННЕЛЬНЫЙ ТОК ЧЕРЕЗ ЗАТВОРНЫЙ ДИЭЛЕКТРИК
В НАНОМОП ТРАНЗИСТОРАХ......................................................................40
9. РАСЧЕТ НАНО-МОП ТРАНЗИСТОРА СО СТРУКТУРОЙ КНИ...........52
9.1. Конструкция транзистора......................................................................52
9.2. Определение порогового напряжения транзистора КНИ..................53
9.3. Переходная ВАХ и крутизна транзистора КНИ..................................58
ЛИТЕРАТУРА................................................................................................... 60
3
Стр.3
Получить ∆x<1 мкм при контактной фотолитографии не удается из-за
размывания тени фотошаблона.
В настоящее время основным методом производства интегральных
схем является ультрафиолетовая фотолитография. Использование других
методов фотолитографии (рентгеновской, электронной) позволяет существенно
уменьшить минимальную ширину линии. Например, для электронов
с энергией E = 10 ч 103 эВ:
Δ ≥ =
x
2mΕ
≈ ÷1 0, 1 Å.
Однако для рентгенолитографии возникают трудности с маскированием,
а из-за кулоновского расталкивания электронов в пучке и рассеяния в
резисте при электронной литографии реализовать потенциальные возможности
методов не удается. К сожалению, эти методы не дают высокой производительности
и практически не используются в массовом производстве
интегральных схем.
1.1.2. Тепловое расширение маски и пластины
В ходе процесса экспонирования может произойти изменение температуры
как маски, так и полупроводниковой пластины.
Пусть коэффициент линейного расширения α = 2·10-5 1/К, размер фотошаблона
l = 150 мм, ∆T = 1 К. Тогда ∆l = 3 мкм. Поэтому необходима стабилизация
температуры до 0,01 К в пределах фотошаблона и обрабатываемого
объекта. Снизить требования к изменениям температуры можно, экспонируя
пластину по частям.
6
λ
Стр.6
1.1.3. Влияние флуктуаций примеси
Неизбежные в технологических процессах флуктуации примеси оказывают
заметное влияние на параметры p-n-переходов, особенно при малых
размерах активной области и низкой концентрации легирующей примеси.
Допустим, что распределение примеси по объему является гауссовым.
Пусть N nd 3
= (N N N/)−
i
i
i=− средне количество примеси в активной области элемента,
i
него значения, εМ – максимально допустимое относительное отклонение количества
примеси от среднего значения. Вероятность того, что в заданном
объеме d3 будет справедливо ε> εМ, равна
M N
P = −
1
2
1/ 2
∫0
рию распределения примесей N PS /d , должно быть меньше единицы.
Число элементов на чипе, не удовлетворяющих выбранному крите3
1
=
При εМ = 0,1; n = 1019 см-3; S = 10-2 см2 находим d > 10-5 см [3].
1.1.4. Статистическая воспроизводимость технологических
процессов
Пусть l – размер конструктивного элемента микросхемы. Если этот
размер много больше постоянной решетки (а ≈ 3 Å), то материал рассматривается
как непрерывная среда. При l = 10 ч 100 Е флуктуации в распределении
примеси становятся заметными.
Если N – число атомов легирующей примеси, n – их концентрация, то
N = nV. Среднеквадратичное отклонение случайной величины от среднего
значения Nср равно [3]:
7
e
−y / 2
2
dy .
− относительное отклонение количества примеси от средε
π
ε
Стр.7
ΔNср.кв. = [ ()] .
12
N Nср
−
Кроме того,
Δ . =
ср кв.
N
N
ср
1
N ср
.
При Nср = 103, ∆N/N = 0,03 (3%).
Размер элемента, содержащий такое количество атомов примеси при
концентрации n = 3·1016 см-3 и кубической форме, оказывается равным 0,3
мкм.
Если n > 3·1016 см-3, размер элемента может быть меньше в несколько
раз.
1.2. Физические ограничения
1.2.1. Минимальная толщина пленки металла
Ограничение минимальной толщины пленки металла связано с двумя
причинами. Во-первых, минимальная толщина металла определяется требованиями
к высоте потенциального барьера φМ. Барьер формируется уже при
толщине металла в несколько моноатомных слоев, поэтому толщина металла
может быть около 10 Å. Во-вторых, толщина металла определяется из
условия малого сопротивления пленки. При удельном сопротивлении ρМ =
10-5 ч 10-6 Ом·см толщина пленки металла 0,01 ч 0,1 мкм.
1.2.2. Минимальное напряжение источника питания
Пусть Е – энергия, которую носители заряда должны преодолеть, чтобы
переключить цепь, причем E qU=
, где U – напряжение питания схемы.
8
2
Стр.8