Лекция 8 Многозатворные МОПТ
План лекции
Короткоканальные эффекты и электростатическое качество МОПТ
Структуры многозатворных МОП-транзисторов
Двухзатворные КНИ МОП-транзисторы
Трехзатворные КНИ МОП-транзисторы
КНИ МОП-транзисторы с окружающим затвором (четырехзатворные)
Другие многозатворные МОП-структуры
Физика многозатворного МОП-транзистора
Характерная длина и короткоканальные эффекты
Рабочий ток
Угловой эффект
Квантовые эффекты и объемная инверсия
Эффекты подвижности
Пороговое напряжение
Заключение
Литература
Структуры многозатворных МОП-транзисторов
В непрерывных попытках увеличить рабочий ток и уменьшить влияние короткоканальных эффектов КНИ МОП-транзисторы эволюционировали из классических планарных однозатворных приборов в трехмерные приборы с многозатворной структурой (двух-, трех- или четырехзатворные приборы). Необходимо отметить, что в большинстве случаев термин «двойной затвор» относится к единому электроду затвора, который выполнен на двух противоположных сторонах прибора. Аналогично, термин «тройной затвор» используется для единого электрода затвора, который охватывает три стороны транзистора. Исключением является MIGFET (FET структура с независимыми затворами), где два раздельных затворных электрода могут находиться под разными потенциалами. Также можно отметить, что одно и то же устройство может иметь несколько различных названий в литературе (Таблица 8.1).
Таблица 8.1. Названия приборов, используемые в литературе
| Название | Другие названия |
| MuGFET (Multiple-Gate FET) | Multi-gate FET, Multigate FET |
| MIGFET (Multiple Independent Gate FET) | Four-Terminal (4T) FinFET |
| Triple-gate FET | Trigate FET |
| Quadruple-gate FET | Wrapped-Arround Gate FET Gate-All-Around FET Surrounding-Gate FET |
| FinFET | DELTA (fully Depleted Lean channel TrAnsistor) |
| FDSOI (Fully Depleted SOI) | Depleted Silicon Substrate |
| PDSOI (Partially Depleted SOI) | Non-Fully Depleted SOI |
| Volume Inversion | Bulk Inversion |
| DTMOS (Dual Threshold Voltage MOS) | VTMOS (Varied Threshold MOS) MTCMOS (Multiple threshold CMOS) VCBM (Voltage-Controlled Bipolar MOS) Hybrid Bipolar-MOS Device |
Трехзатворные КНИ МОП-транзисторы
Трехзатворный МОП-транзистор – это тонкопленочный, узкий островок кремния с затвором на трех его сторонах. Реализации включают в себя квантовопроволочный КНИ МОП-транзистор (рис.8.6B) и Trigate МОП-транзистор (рис.8.7).
Электростатическое качество трехзатворных транзисторов может быть улучшено удлинением частей боковой стенки электрода затвора на некоторую глубину в скрытый оксид и снизу области канала (П-затворный прибор и W-затворный прибор) (рис.8.7). С точки зрения электростатики эффективное число затворов для П-затворного и W-затворного МОП-транзисторов находится в промежутке от 3 до 4. Использование напряженного кремния, металлического затвора и/или диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве подзатворного изолятора может увеличить рабочий ток прибора.
Рис.8.7. Различные многозатворные структуры.
Физика многозатворного МОП-транзистора
Рабочий ток
В многозатворном МОП-транзисторе рабочий ток равняется сумме токов, протекающих вдоль всех поверхностей, покрытых электродом затвора. Следовательно, этот ток равен току в однозатворном транзисторе, помноженному на эквивалентное число затворов (предполагается квадратное поперечное сечение), если носители имеют одинаковую подвижность на каждой поверхности. Например, рабочий ток двухзатворного прибора в два раза больше рабочего тока однозатворного транзистора с аналогичными длиной затвора и шириной.
Для того чтобы транзисторы выдерживали большие токи, используют многоплавниковые структуры. Рабочий ток многоплавникового МОП-транзистора равен току отдельного плавника, помноженному на число плавников. Сравним рабочие токи однозатворного планарного МОП-транзистора и многоплавникового многозатворного транзистора, имеющего такую же площадь затвора W ´ L (рис. 8.10). Пусть планарный МОП-транзистор сделан на кремнии с ориентацией (100), и поверхностная подвижность равна µt op . Также допустим, что многозатворный транзистор выполнен на кремнии с ориентацией (100), и поверхностная подвижность равна µt op. Поверхностная подвижность у боковой стенки может отличаться от подвижности у верхней поверхности, в зависимости от кристаллографической ориентации боковой стенки (обычно (100) или (110)), и равна µside.
Рис.8.10. A: схема однозатворного планарного МОП-транзистора; В: схема многоплавникового многозатворного полевого транзистора.
Принимая во внимание шаг P (pitch) для плавников, ток в многозатворном приборе равен:
, (8.17)
где 
− ток в однозатворном планарном приборе, 
− ширина каждого плавника, 
− высота слоя кремния (плавника) (рис.8.11); 
в трехзатворном приборе, где проводимость осуществляется вдоль трех поверхностей и 
в FinFET, где каналы формируются только на поверхностях боковых стенок.
Рис.8.11. А: Поперечное сечение многоплавникового многозатворного МОП-транзистора; В: РЭМ рисунок плавников.
Многозатворный прибор может обеспечивать значительно больший ток, чем однозатворный планарный транзистор при достаточно малом шаге плавников. Рабочий ток может быть увеличен путем увеличения высоты плавника 
, но использование высоких плавников часто увеличивает помехи во время работы прибора. Важно отметить, что емкость затвора 
увеличивается с эффективным числом затворов (ENG). В результате задержка на элемент 
не улучшается, когда увеличивается ENG. Наоборот задержка увеличивается с числом EN G и, следовательно, больше в GAA, чем в трехзатворных транзисторах, а в двухзатворных она больше, чем в однозатворном приборе.
Угловой эффект
Приборы с трех-, четырех-, П- и W-затворной структурой представляют собой непланарную поверхность раздела кремний/подзатворный оксид с углами. Известно, что в углах КНИ структур может сформироваться преждевременная инверсия по причине перераспределения заряда между двумя соседними затворами. В частности, может наблюдаться наличие двух различных пороговых напряжений (в углу и на верхней или боковой границе раздела Si-SiO2), а также изгиб в подпороговой ID(V G) характеристике. Наличие углов может ухудшать подпороговые характеристики прибора. Во избежание этой проблемы наверху плавника в Fin FET транзисторах имеется твердая маска. Осложняет дело то, что радиус кривизны углов оказывает значительное влияние на электрические характеристики прибора и может иметь решающее значение, будет ли измеренное пороговое напряжение различаться в углах и на плоской поверхности прибора.
В классических однозатворных КНИ МОП-транзисторах угловые (краевые) эффекты исключительно паразитные. Они не являются частью, присущей транзисторной структуре, и обычно могут быть устранены увеличением концентрации примеси в углах. В то же время в многозатворном приборе углы являются частью, свойственной транзисторной структуре. Таким образом, важно понимание взаимосвязи и взаимодействия между угловыми токами и токами в плоской поверхности прибора.
Рис. 8.12. Поперечное сечение W-затворного транзистора. A: 
; В: 
.
Чтобы проиллюстрировать угловой эффект, был использован W-затворный прибор, показанный на рис.8.12. Толщина и ширина прибора и 
, радиус кривизны углов вверху и внизу составляют 
и 
, соответственно. Толщина подзатворного оксида 2нм, а 
нм. Так как материал затвора – п+-поликремний, использовались высокие концентрации примеси в канале для достижения необходимых значений порогового напряжения (п-канальный прибор).
Рис.8.13 представляет смоделированные 
( 
- крутизна) характеристики прибора при 
=0,1В для различных концентраций примеси и радиусов кривизны верхнего и нижнего угла (1 или 5нм). 
характеристики были использованы для определения различия пороговых напряжений одно- или двухзатворных КНИ приборов [8]. Максимумы кривой соответствуют образованию каналов в приборе (то есть они соответствуют пороговым напряжениям).
Когда радиус кривизны угла равен 1нм, приборы с меньшими концентрациями примеси имеют одиночный максимум, показывающий, что угловые и граничные каналы сформировались в одно время. Приборы с сильнолегированными каналами имеют два максимума. Первый из этих двух максимумов соответствует инверсии в верхних углах, а второй – формированию канала на верхних и боковых границах.
Рис. 8.13. 
характеристика в W-затворном МОП-транзисторе с
рис. 8.12. Затвор из п+-поликремния. А: 
нм; В: 
нм.
Когда радиус кривизны угла равен 5нм, одиночный пик получается для всех концентраций примеси, это показывает, что преждевременная угловая инверсия устранена. В этом случае все приборы достигают подпорогового размаха 60мВ/декаду в значительном диапазоне их подпорогового тока. Угловой эффект может быть устранен использованием низкой концентрации примеси в канале или применением углов с достаточно большим радиусом кривизны. Главным направлением производства является использование нелегированных каналов в совокупности с металлическими затворами, уровень Ферми в которых находится в середине запрещенной зоны кремния, и тогда угловой эффект не представляется проблемой в MuGFET технологии.
Эффекты подвижности
Объемно-инверсные носители испытывают меньшее рассеяние на поверхности раздела, чем носители в поверхностном инверсном слое. В результате в двухзатворных транзисторах обеспечивается увеличение подвижности и крутизны. Зависимость подвижности от толщины слоя в двухзатворных МОП-транзисторах проиллюстрирована на рис.8.16. В толстых пленках нет взаимодействия между передним и задним каналом, и нет объемной инверсии. Подвижность идентична подвижности в объемном МОП-транзисторе. Если слой тоньше, появляется объемная инверсия, и подвижность увеличивается, так как уменьшается рассеяние на поверхности раздела Si-SiO2.
Рис. 8.16. Зависимость подвижности инверсных носителей от толщины слоя кремния в двухзатворном транзисторе.
В более толстых слоях инверсные носители концентрируются вблизи поверхности, а в более тонких слоях большинство носителей концентрируется около середины слоя кремния, отдаляясь от центров рассеяния на поверхности раздела (рис. 8.14), что увеличивает их подвижность. В очень тонких слоях кремния, однако, инверсные носители в области объемной инверсии испытывают поверхностное рассеяние по причине их физической близости к поверхностям раздела, и подвижность падает с уменьшением толщины слоя.
Пороговое напряжение
Классическая теория объясняет, что пороговое напряжение уменьшается в полностью обедненном КНИ МОП-транзисторе, когда уменьшается толщина слоя кремния, предполагая концентрацию примеси Na постоянной, − сокращение толщины кремниевого слоя соответствует уменьшению заряда обеднения qNatSi. Когда толщина слоя становится ниже 10нм, обедненный заряд очень мал, и им обычно можно пренебречь. С другой стороны, учитываются две неклассические добавки к пороговому напряжению. Первая добавка исходит из факта, что концентрация инверсных носителей для достижения порогового напряжения должна быть больше, чем прогнозирует классическая теория. Таким образом, поверхностный потенциал Ф в тонком слое кремния больше 2ФF. Вторая добавка возникает из расщепления зоны проводимости на две подзоны: минимальная энергия подзон (и таким образом минимальная энергия зоны проводимости) увеличивается при уменьшении толщины слоя. Вторая добавка увеличивает напряжение на затворе, необходимое для достижения определенной концентрации инверсных носителей. Это также увеличивает пороговое напряжение.
Выражение для величины порогового напряжения с учетом вышеуказанных добавок получено в [9]:
(8.18)
Первый член уравнения (8.18) – разница работ выхода затвор-кремний. Второй член уравнения представляет поверхностный потенциал Ф в канале. Он обратно пропорционален логарифму от толщины кремниевого слоя 
. В очень тонких пленках Ф может быть значительно больше 2ФF, и как результат, концентрация инверсных носителей при пороге может быть больше в тонкослойном приборе, чем в более толстом транзисторе. Это увеличение порогового напряжения корректно предсказывается классической теорией, хотя она не включает уравнение Шредингера. Третий член уравнения (8.18) относится к изменению минимальной энергии в зоне проводимости, которое может быть предсказано только через квантомеханические вычисления (рис.8.17). Подобное увеличение порогового напряжения наблюдается в трехзатворном, П-затворном, Ω-затворном и GAA транзисторах, когда уменьшается размер кремниевого плавника.
Рис. 8.17. Зависимость порогового напряжения от толщины слоя кремния в длинноканальном, слаболегированном/нелегированном двухзатворном транзисторе. Нижняя кривая представляет классическую часть уравнения (8.18), а верхняя кривая включает квантовомеханическое приближение.
Заключение
Подавление короткоканальных эффектов и максимилизация тока в открытом состоянии, необходимые для продолжения масштабирования МОПТ в нанометровом диапазоне, совершаются за счет достижений в материалах (high-k диэлектрики, металлические затворы, металлические области стока и истока и др.), процессах (создание механических напряжений для повышение тока в открытом состоянии без увеличения тока в закрытом состоянии), схемных инновациях (таких как смещение подложки для увеличения масштабируемости и допущение динамической регулировки компромисса между характеристиками и потребляемой мощностью) и структурах (многозатворные МОПТ). Так как расстановка по важности требований к масштабированию МОПТ зависит от конкретных приложений, могут возникнуть расхождения в оптимальной конструкции структуры (например, для логических схем и схем памяти), так что будущие ИС могут одновременно содержать различные транзисторные структуры. Исходя из фундаментального предела масштабирования, определяемого туннельным током сток-исток, кремниевые МОПТ могут масштабироваться до длин затвора менее 10нм. Темп масштабирования в будущем может замедлиться, впрочем, в зависимости от того насколько профили примесей и размеры канала могут точно контролироваться/задаваться в рентабельном промышленном производстве. Альтернативные материалы для канала, такие как Ge и GaAs, менее масштабируемы и поэтому маловероятно, что могут сохранить улучшения характеристик МОПТ после того, как кремний достигнет предела. Так как для кремния фундаментальный предел подпорогового размаха характеристик S=60мВ/декаду, в дополнение к МОПТ потребуются альтернативные приборы с более крутой характеристикой включения, чтобы обеспечить ультранизкое потребление мощности для быстро растущего рынка потребителей мобильной электроники. У технологов и проектировщиков имеются большие возможности для инноваций, способных поддержать кремниевую революцию.
Литература:
1. Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники, М.: БИНОМ, 2011, с. 159-186.
2. Парменов Ю.А., Элементы твердотельной наноэлектроники. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2011, гл. 6.
3. FinFETs and Other Multi-Gate Transistors, Еd. Jean-Pierre Colinge, Springer Science+Business Media, LLC, 2008.
4. Sekigawa T. and Hayashi Y., Calculated threshold-voltage characteristics of an XMOS transistor having an additional bottom gate. Solid-State Electronics, v. 27, р.827 (1984).
5. Lim H.K. and Fossum J.G., Threshold voltage of thin-film silicon-on-insulator (SOI) MOSFETs IEEE. Trans. on Electron Devices v.30,№10, р.1244 (1983).
6. Yan, R.H, Ourmazd A. and K.F. Lee: Scaling the Si MOSFET: from bulk to SOI to bulk. IEEE Transactions on Electron Devices v.39, №7, р.1704 (1992).
7. Auth C.P., Plummer J.D, Scaling theory for cylindrical, fully-depleted, surrounding-gate MOSFET's. IEEE Electron Device Letters v,18, №2, р.74 (1997).
8. Wong H.S., White M.H., Krutsck T.J., Booth R.V., Modeling of transconductance degradation and threshold voltage in thin oxide MOSFETs. Solid-State Electronics, v.30, №9, р.953 (1987).
9. Poiroux T., Vinet M., Faynot O., Widiez J., Lolivier J., Ernst T., Previtali B., Deleonibus S., Multiple gate devices: advantages and challenges. Microelectronic Engineering v.80, р.378 (2005).
10. Skotnicki T., Hutchby J.A., Tsu-Jae King, Boeuf F. The end of CMOS scaling, IEEE Circuits and Devices Magazine, 2005, №1-2, pp.16-26.
11. Frank D.J., Dennard R.H., Nowak E. at al., Device Scaling Limits of Si MOSFETs and Their Application Dependencies, Proceedings of the IEEE, 2001, v.89, №3, pp.259-288.
12. Taur Y., Buchanan D.A., Wei Chen, Frank D.J. at al., CMOS Scaling into the Nanometer Regime, Proceedings of the IEEE, 2001, v.85, №4, pp.486-504.
13. Wong P., Frank D.J., Solomon P.M. at al., Nanoscale CMOS. Proceedings of the IEEE, 1999, v.87, №4, pp.537-570.
14. Haensch W., E. J. Nowak,R. H. Dennard,P. M. Solomon,A. Bryant,O. H.Dokumaci,A. Kumar,X. Wang,J. B. Johnson,M. V. Fischetti Silicon CMOS devices beyond scaling, IBM J. RES. & DEV. VOL. 50 NO. 4/5 JULY/SEPTEMBER 2006, pp.339-361.
15. Taur Y., CMOS design near the limit of scaling. IBM J. RES. & DEV. VOL. 46, NO. 2/3, 2002, pp.213-222.
16. Wong H.-S. P., Beyond the conventional transistor, IBM J. RES. & DEV. VOL. 46 NO. 2/3 MARCH/MAY 2002, pp. 133-168.
17. Bokor J., King T.-J., Hergenrother J., Bude J., Muller D., Skotnicki T., Monfray S. and Timp G., Advanced MOS-Devices, in «High Dielectric Constant Materials», Ed. H.R. Huff, D.C. Gilmer, Springer, 2005, pp.667-705.
18. Liu T.-J.K. and Chang L. Transistor Scaling to the Limit, in «Into the Nano Era: Moore’s Law Beyond Planar Silicon CMOS», Ed. H. R. Huff, Springer, 2009, pp.191-223.
19. Chang L., Choi Y.-K., Ha D. at al. Extremely Scaled Silicon Nano-CMOS Devices,Proceedings of the IEEE, 2003, v.91, №11, pp.1860-1873.
Задание для СРС
1.Изучить материал лекции №8 по конспекту и по литературным источникам.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое электростатическое качество МОПТ?
2. За счет каких факторов уменьшается пороговое напряжение короткоканальных транзисторов?
3. Опишите структуры многозатворных КНИ МОПТ.
4. В чем заключаются преимущества многозатворных МОПТ?
5. Что определяет характерная длина МОПТ?
6. Что такое угловой эффект в структуре МОПТ?
7. Как подвижность носителей в канале двухзатворного МОПТ зависит от толщины слоя кремния?
8. Какие требования (перечисленные в порядке их важности), предъявляются к «совершенному» МОПТ?
[1] Обратите внимание, что характерная длина прибора уже встречалась в лекции 5 (формула (5.1.3)) при рассмотрении поля в области отсечки.
Лекция 8 Многозатворные МОПТ
План лекции
Дата: 2019-11-01, просмотров: 214.
