6.7. Сравнение полностью и частично обедненных кни мопт

Традиционно считается, что наиболее перспективными являются КНИ структуры с полным обеднением. Такая технология обеспечивает наилучшие характеристики приборов (отсутствие эффектов плавающего тела, более крутой подпороговый наклон, минимизация короткоканальных эффектов и паразитных емкостей) и считается наиболее приемлемой в диапазоне длин канала менее 100 нм. Тем не менее, полностью обедненные КНИ МОПТ существенно менее технологичны и более трудны для изготовления. Например, пороговое напряжение ПО КНИ МОПТ очень чувствительно к толщине кремниевой базы, а поддержание постоянства толщины базы является трудной технологической задачей.

Преимущество полностью обедненных приборов над частично обедненными в части электростатического качества и отсутствия короткоканальных эффектов также не столь бесспорно. Например, из-за отсутствия квазинейтральной области в полностью обедненных КНИ МОПТ существует электростатическая связь стока с затвором через скрытый окисел (рис.6.6).

Рис.6.6.Электрическая связь стока с затвором через скрытый окисел в ПО КНИ МОПТ

Это обстоятельство ухудшает электростатическое качество МОПТ полностью обедненного типа и усиливает короткоканальные эффекты.

В настоящее время развитие технологий частичного и полного обеднения идет параллельными курсами. Фирма IBM поддерживает технологии частичного обеднения, фирма Intel развивает технологии с полным обеднением. ЧО КНИ МОПТ в настоящее время используются для изготовления высокопроизводительных микропроцессоров. ПО КНИ МОПТ имеют неоспоримые преимущества при масштабировании.

Преимущества и недостатки ПО и ЧО КНИ МОПТ сведены в таблицу 6.1.

Таблица 6.1 Преимущества и недостатки частично и полностью обедненных КНИ МОПТ

ПО КНИ МОПТ	ЧО КНИ МОПТ
Лучший подпороговый размах (~ 60 мВ/дек) (+)	Простота изготовления (+)
Отсутствие эффектов плавающего потенциала (+)	Отсутствие электростатической связи с подложкой (+)
Объемная инверсия (+)	Эффекты плавающего потенциала тела (–)
Зависимость от высокой точности задания толщины базы (–)	Переходные эффекты, зависящие от предыстории (–)
Хуже электростатика (–)	Паразитный биполярный эффект (–)
Ранний пробой (–)	Простота контроля порогового напряжения (+)
Заметнее эффекты разогрева (–)

6.8. Масштабирование кни мопт

6.8.1 Короткоканальные эффекты

В объемных МОПТ уменьшение коротканальных эффектов требует формирования тонких переходов сток/исток-подложка и увеличения концентрации примеси в подложке, которое вызывает уменьшение подвижности и рост паразитных емкостей. Преимущество КНИ МОПТ заключается в том, что масштабированием прибора можно полностью управлять изменением толщины пленки.

DIBL –эффект и влияние стока на распределение электрического поля под затвором присутствуют как в объемных, так и в КНИ МОПТ. Однако в КНИ МОПТ они лучше контролируются уменьшением толщины пленки.

Главный короткоканальный эффект в КНИ заключается в проникновении электрического поля от стока в скрытый окисел и подложку (рис. 6.6). Проникающее поле приводит к увеличению поверхностного потенциала на границе пленки со скрытым окислом точно так же, как действовало бы обратное смещение на нижнем затворе − индуцированное стоком виртуальное смещение подложки (DIVSB − drain-induced virtual substrate biasing). Так как имеется электрическая связь между верхним и нижним поверхностными потенциалами, свойства верхнего канала изменяются. В частности, пороговое напряжение уменьшается при увеличении потенциала стока как при DIBL, хотя DIVSB − совершенно другой механизм.

Рис. 6.7 иллюстрирует стратегию масштабирования КНИ. Из сравнения уменьшения порогового напряжения ∆V_T для легированной и нелегированной пленок можно заключить, что толстая нелегированная пленка очевидно непригодна. Но для 15 нм толщины пленки величина ∆V_T становится приемлемой, и влияние легирования исчезает. Это означает, что нелегированный и ультратонкий КНИ МОПТ исключительно устойчив к короткоканальным эффектам. Кроме того, его преимуществами является высокая подвижность носителей и почти идеальный подпороговый наклон.

Другой способ противостоять проникновению поля в окисел и подложку состоит в модификации архитектуры транзистора: более тонкий скрытый окисел с меньшей диэлектрической проницаемостью, структура с двойным затвором или создание высоколегированной области или металлического слоя ниже окисла.

Рассмотрение электростатики при масштабировании показывает, что минимальная длина канала пропорциональна толщине пленки: . Из этого правила следует, что для надлежащим образом масштабированного КНИ МОПТ с длиной канала 10 нм требуется пленка тоньше 3 нм. Сообщалось в литературе о моделировании транзистора с приемлемыми характеристиками с длиной канала 2,5 нм на пленке толщиной 1 нм. Практически уже изготовлены лабораторные образцы КНИ МОПТ с длиной канала 6 нм.

6.8.2 Эффекты узкого канала

На краях затвора (боковой стенки) создается паразитный канал, так как затвор по-разному контролирует главный канал (центральная часть) и края. Влияние боковой стенки канала более выражено в узких приборах. Если пороговое напряжение меньше на краях, V_T падает при уменьшении ширины затвора (обратный узкоканальный эффект). Заметим, что паразитная проводимость обычно подавляется более сильным легированием краев для локального увеличения порогового напряжения, однако для ультратонких пленок такое решение неприменимо.

В зависимости от используемой изоляции (STI, LOCOS) боковая стенка может иметь другую кристаллическую ориентацию, дополнительные дефекты и переменную толщину. В целом, при уменьшении ширины канала деградируют подвижность и S-фактор, в то время как короткоканальные эффекты мало изменяются.

Эффект плавающей подложки (FBE) стремится к нулю в узких КНИ МОПТ. Причины этого: а − деградация (уменьшение) времени жизни вблизи боковой стенки; б − диффузия примеси в изолирующий окисел, которая приводит к уменьшению потенциального барьера сток-подложка; в − локальное утоньшение пленки на краях.

В экстремально узких приборах квантовые ограничения приводят к заметному увеличению порогового напряжения при ширине канала менее 10 нм.

6.8.3 Толщина пленки

Толщина пленки определяет способность КНИ МОПТ противостоять короткоканальным эффектам. Толщина пленки может достигать толщины нескольких монослоев кремния. В ультратонких приборах эффект электрической связи затворов усиливается.

На рис. 6.8 представлены зависимости пороговых напряжений для верхнего и нижнего затворов от напряжения на противоположном затворе.

Точка пересечения кривых на рис.6.8 определяет уникальную связь между нижним и верхним затворами, при которой оба канала инвертируются одновременно. Эти значения напряжений можно использовать для получения идеальной сбалансированной работы даже при использовании асимметричного МОПТ, так как при этом компенсируется разница в толщине верхнего и скрытого окислов:

.

Рис.6.8. Зависимость порогового напряжения верхнего (нижнего) канала от напряжения на нижнем (верхнем) затворе для КНИ МОПТ с пленкой 47 нм толщины (L = 10мкм, W = 10мкм). Пунктирная линия показывает суперпозицию двух кривых в ультратонком транзисторе.

Для ультратонких пленок (<10нм) две кривые на рис.6.8 имеют тенденцию совпасть. Это означает, что для произвольного напряжения на нижнем затворе в нижнем канале достигается пороговое напряжение, как только верхний затвор смещается до напряжения: то есть как только один канал достигает сильной инверсии, второй канал также переходит в инверсию (суперсвязь). Пленка ведет себя как квазипрямоугольный тоннель, потенциал внутри пленки следует сигналу, приложенному к любому из затворов.

6.8.4 Объемная инверсия

При одновременной активации верхнего и нижнего каналов возникает объемная инверсия: инверсионный заряд целиком заполняет тело тонкой пленки, а его максимум локализуется внутри пленки (рис.6.9). Так как теперь неосновные носители (электроны) движутся в основном вдали от поверхностей раздела, подвижность возрастает.

Объемная инверсия может возникать и в однозатворных транзисторах с ультратонкими пленками. В многозатворных приборах она является основным механизмом, обеспечивая увеличение тока стока и выходного сопротивления и ослабляя влияние дефектов на границах раздела (ловушки, фиксированный заряд, шероховатости поверхности) и уменьшая 1/f шум.