Рассогласование постоянных решетки Ge и Si составляет 4,2%. Вследствие различия в постоянных кристаллической решётки Si и SiGe слой

кремния испытывает механическое растягивающее усилие по двум координатам. Было обнаружено, что подвижность носителей в напряжённом кремнии выше, чем в обычном и при 30 % содержании Ge в SiGe

подвижность электронов в напряжённом кремнии увеличивается примерно на 80%. Подвижности электронов и дырок в канале таких транзисторов

достигают значений μn,p= 1270–2830 см2/(В·с), μp= 800–1000 см2/(В·с), что

позволяет получить примерно вдвое более высокие предельные частоты по сравнению обычными кремниевыми МДП-транзисторами с теми же проектными нормами.

Для увеличения подвижности носителей в p-канальных МДП-

транзисторах в качестве материала канала используется непосредственно слой SiGe, в котором подвижность дырок больше, чем в Si. Между Si и SiGe образуется гетеропереход, который представляет собой потенциальную яму для дырок. Концентрация дырок в ней оказывается больше, чем на границе раздела Si – SiO2. Поэтому ток канала обеспечивается током дырок в SiGe, где их подвижность выше. Дополнительно область канала из SiGe сжимается.

21.3. Субмикронные МДП-транзисторы на диэлектрических подложках

21.3.1. Структуры «кремний на изоляторе»

МДП-транзисторы, изготовленные по технологии «кремний на изоляторе» (КНИ), являются весьма перспективными для создания микромощных и высокоскоростных СБИС с напряжением питания до 1,2 В и менее (рис. 21.8).

Рис. 21.8. КНИ-структура с длиной канала 0,28 мкм и шириной 9,1 мкм

Основными преимуществами структур данного типа являются:

∙наличие толстого окисла вместо кремния под областями истока и стока существенно уменьшает величину ёмкости на подложку;

419

∙простой процесс изоляции компонентов и высокая плотность интеграции благодаря отсутствию изолирующих карманов;

∙КНИ-структуры отличаются высокой радиационной стойкостью и

повышенной надёжностью при высоких температурах.

Несмотря на ряд достоинств, КНИ-транзисторы имеют увеличенный подпороговый ток вследствие эффекта плавающей подложки, который

устанавливает предел понижению потребляемой мощности в выключенном состоянии транзисторного ключа.

Одной из проблем изготовления транзисторов на тонких плёнках кремния является высокое последовательное сопротивление областей истока и стока. Для решения проблемы контактов может потребоваться

эпитаксиальное наращивание плёнки кремния сверху областей истока и стока или, наоборот, стравливание той области кремния, где должен быть сформирован канал транзистора.

Один из вариантов реализации этой идеи представлен на рис. 21.9 Транзистор имеет длину канала 40 нм, изготовлен по технологии КНИ на экстремально тонком слое кремния (с толщиной кремния в области канала 4– 18 нм).

Рис. 21.9. Структура КНИ с ультратонким слоем кремния (4–18 нм) и длиной канала 40 нм (слева) и её фотография сверху. Справа внизу показан

затвор транзистора в увеличенном масштабе

Плёнка кремния для формирования областей истока и стока имела толщину 80 нм. В ней селективным травлением была получена область толщиной от 4 до 18 нм, в которой впоследствии был сформирован канал транзистора. Таким образом, при тонком слое кремния для области канала области истока и стока являются достаточно толстыми (рис. 21.9), что обеспечивает их низкое омическое сопротивление.

420

21.3.2. Cтруктура «кремний ни на чём»

Существует также другая, более оригинальная КНИ-структура (рис. 21.10). В качестве изолятора в ней использован воздух, что позволило назвать эту технологию «кремний ни на чём» (Silicon on Nothing, SON). Эта

технология объединяет положительные качества обычной структуры транзисторов на кремнии с достоинствами КНИ.

Рис. 21.10. МДП-структура «кремний ни на чём» (слева) и её фотография на стадии получения воздушного канала (справа)

Принцип изготовления такого прибора состоит в следующем. На кремниевую пластину наносят эпитаксиальный слой SiGe толщиной 10–30 нм, сверху которого наносят слой кремния толщиной 5–20 мм. Слой SiGe

впоследствии будет стравлен и таким образом под слоем кремния получится пустота (воздух), которую можно заполнить окислом кремния, но можно и не заполнять ничем.

Технология «кремний ни на чём» позволяет изготавливать МДП- транзисторы с глубиной n-p переходов и толщиной канала 5 нм. Эффекты

модуляции длины канала и в таких структурах становятся существенными при длине канала менее 30 нм. При их изготовлении не требуется применения специального оборудования или материалов, все технологические операции являются типовыми.

21.4. Перспективные конструкции субмикронных МДП-транзисторов

21.4.1. Транзисторы с двойным и с окольцовывающим затвором

Такой подход позволяет эффективно управлять энергетическим барьером между истоком и стоком и существенно ослабить большинство короткоканальных эффектов в транзисторах с проектными нормами менее 50 нм. Уменьшается также ёмкость n-р переходов, улучшается радиационная стойкость. Двойная плотность заряда инверсионного слоя увеличивает нагрузочную способность транзистора.

421

Структура транзистора «DELTA» с двойным затвором показана на рис. 21.11. На толстом слое окисла создаётся островок кремния в форме бруска, который служит каналом транзистора. Затвор охватывает область канала с трёх сторон. Это обеспечивает большую передаточную проводимость и малые токи утечки в подпороговой области. Канал транзистора получается сильно обеднённым. Транзистор работает в режиме объёмной инверсии полупроводника.

Рис. 21.11. Структура МДП-транзистора с двойным затвором

Структура транзистора с двойным затвором в настоящее время существенно модернизирована для обеспечения лучшей технологичности и совместимости с существующими техпроцессами массового производства. Транзистор имеет толщину окисла 2,5 нм и длину канала до 10 нм, высота канала составляет 50 нм, толщина – от 10 до 120 нм.

В транзисторах с окольцовывающим затвором (рис. 21.12) ток канала течёт перпендикулярно поверхности кристалла, и затвор со всех сторон окружает канал (Surrounding Gate Transistor – SGT).

Рис. 21.12. МДП-транзистор с цилиндрическим каналом. Справа показано

поперечное сечение структуры

422