Введение к работе
Актуальность теми диссертации
Непрерывней прогресс в развитии микроэлектроники и дальнейшая миниатюризация элементов кремниевых МОП-интегральных схем (МОП-ИС) требуют от разработчиков новых приборов глубокого знания основных особенностей електронного переноса в полупроводниковых структурах очень малых размеров. При атом влияние на него таких специфических в данных условиях факторов, как размерное квантование, близость реальной поверхности и баллистический перенос носителей эаряда приводят к тоиу, что традиционные методы определения кинетических параметров электронного переноса, с целью расчета электрических параметров приборов и прогнозирования их надежности оказываются малоэффективными. Более того, создание полупроводниковых приборных структур наноыетровых размеров вызвало насущную потребность в выделении из микроэлектроники новой области исследований, названной наноэлектроникой, одной иэ основных задач которой является разработка эффективных методов исследования процессов переноса носителей заряда в размерно-квантованных полупроводниковых средах.
Как известно, уменьшение длины канала МОП-полевого транзистора (МОП-ПТ) увеличивает быстродействие прибора и повышает степень интеграции МОП-ИС. Однако, при отоы уменьшается его надежность, так как перенос носителей оказывается сильно неравновесным и происходит значительный разогрев электронного газа. В этих условиях одним из основных и наиболее эффективных методов моделирования процесса переноса электронов в п-канале кремниевого субмнкрокного ЫОП-ПТ является метод кинетического моделирования или метод Монте-Карло. Основанный на генерации случайных чисел, распределенных по оаданноыу вероятпоотному закону, этот метод позволяет учесть ори моделировании, практически, все основные особенности, характеризующие перенос носителей заряда в полупроводниковых слоях, включая размерное квантование, а также рассчитать влияние различных факторов на параметры переноса. Указанные преимущества ыетода становятся особенно очееидшаш при моделировании кремниевых короткокапалышх МОП-структур о длиной канала кепее 0.25 мки. В связи с этим необходимо отметить, что определенное ограничение на широкое практическое применение метода Монте-Карло накладывает быстродействие используемой вычислительной техники. Поэтому,
полный расчет отим методом электрических характеристик приборов о эффективными длинами канала более Змкм вряд ли целесообразен, так как требует огромных временных затрат. Очевидно, однако, что в дальнейшем возможности данного метода будут возрастать.
Актуальность темы диссертации об: ловлена тем, что она посвящена разработке физико-математических моделей кішетичоских процессов, протекащих в п-канальных субмикронных кремниевых МОП-ПТ с длиной канала менее I мкм, а такие созданию оригинальных алгоритмов и программ численного моделирования этих процессов.
Диссертационная работа выполнена в Белорусском
государственном университете в соответствии с проводимыми исследованиями по госбюджетным темам ГБ K3S9/I8 и ГБ N513/12, включенными в план научно-исследовательских работ Белгосуниверси-тета на І99І-І995 и 1993-1995гг, соответственно. Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка физико-математической модели, алгоритмов и пакета программ численного расчета методом Монте-Карло кинетических параметров, характеризующих перенос электронов в п-канале кремниевых субмикронных МОП-ПТ. Задачи исследования
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ основных особенностей электронного переноса в п-канале кремниевых субмикрошшх МОП-ПТ с эффективной длиной канала менее Імкм.
-
Разработка .физико-математической модели электронного переноса в таких структурах с учетом квантоворазмерішх эффектов в инверсионном слое кремния и перехода электронов из квазидвуиерного состояния в трехмерное.
-
Разработка алгоритмов расчета электрических полей и електронних состояний в канале МОП-ПТ.
4. Исследование влияния различных механизмов рассеяния на ки
нетические параметры, характерлзущие перепое электронов в канале.
5. Исследование влияния величины электрических полей и
температуры на кинетические параметры, характеризующие перенос.
Научная новизна полученных результатов I. Предлоиена модель электронного переноса в п-капаяе кремниевых субмикронных МОП-полевых транзисторов, с помощью которой изучено влияние на него различных мехапизмов рассеяігая, а
такжо квантования электронного спектра в канале.
-
На основе разработанного алгоритма самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шредингера в канале в стационарном режиме работы транзистора рассчитаны значения энергетических уровней электронов, а также распределения концентрации носителей заряда и электрических полей в приповерхностной области структури.
-
Показано, что квантование существенно не только при достаточно слабій продольных полях и низких температурах, когда носители образует двумерный электронный газ в инверсионном слое канала, но и при более сильных полях и высоких температурах, характерных для реальных рабочих режимов приборов.
-
Показано, что при низких температурах и в случае сильного разогрева носителей заряда электрическим полем заметный вклад в низкотемпературную подвижность помимо рассеяния на ионах примеси, шероховатостях поверхности и электрон-электронного может вносить также рассеяние на оптических фононах с их излучением.
-
Обнаружено, что влияние электрон-электронного рассеяния на перенос носителей заряда может быть довольно существенным, особенно на функции распределения электронов по энергиям, а "также па зависимости средней энергии и средней длины свободного пробега от координаты вдоль канала. Показано также, что ыежэлектронное рассеяние может способствовать передаче энергии от более нагретых росителей менее нагретым, что сопровождается умвньпепием раяогрева электронов вблизи стока.
-
Получены зависимости основных параметров переноса, а также величины тока затвора от координаты вдоль канала, температуры, приложенных папряжоний, длины канала и концентрации примеси.
Практическая значимость полученных результатов Практическая значимость работы заключается в том, что раэработашгае в пей физическая модель и программный продукт могут быть непосредственно использованы па производстве для расчета электрофизических характеристик и оценки параметрической надежности кремниевш субчикрогошх МОП-ПТ, являющихся элементами сверхбольшк и ультрабольиих интегральных схем (СШС и УБИС). Кроме того, построенная модель переноса при внесении в нее соответствующих изменений и дополнений может найти прииенепио при разработке и проектировании иятегралыпгх полевых транзисторов па основе арсешада галлия.
Экономическая значимость работы еакиочаогся в том, что о
помощью разработанного пакета программ в результате моделирования електронного переноса в исследуемых МОП-структурах может быть осуществлен анализ параметрической надежности приборов, создаваемых на основе отих структур, и предсказано время их безотказной работы в различных условиях и электрических режимах без проведения дорогостоящих натурних ускоренных испытаний. * Основные положения диссертации, выносимые на защиту
1. Физико-математическая модель электронного дрейфа в п-канале
кремниевого субмикронного МОП-ПТ, учитывающая переход электронов
из квазидвумерного состояния в трехмерное и повышающая
адекватность описания процессов переноса по сравнению о известными
моделями.
2. Метод моделирования электрон-электронного раосеяния
носителей заряда в канале, основанный на самосогласованном
определении функции распределения электронов по энергиям,
дающий возможность эффективно изучать влияние данного
механизма рассеяния на параметры переноса.
-
Алгоритм самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шредипгера для расчета электрических полей в канале с помощью определения вероятности нахождения электронов в данной области канала.
-
Оригинальные результаты расчета кинетических параметров, характеризующих электронный переноо, а также величины тока затвора, полученные численным моделированием при различных температурах и напряхешостях электрического поля.
5. Оценка влияния квантования энергетического спектра
электронов в инверсионном слое кремния, а также олектрон-олектрон-
иого рассеяния, ударной ионизации и длины канала на электронный
переноо носителей оаряда в п-канале кремниевого субмикронного
МОП-ПТ, подтверждающая важность учета этих факторов при
моделировании электрофизических параметров прибора.
Личный вклад соискателя Автор принимал непосредственное личное участив в получении всех результатов, представленных в диссертации. Им разработаны физико-математическая модель, процедуры и алгоритмы моделирования электронного дрейфа, позволяющие адекватным образом учесть все основные особености переноса носителей заряда в рассматриваемых структурах, а также проанализированы полученные результаты. Вклад соавторов, прежде всего, связан с постановкой задач и целей
нсолодовішил, а также о обсуждением раоработалвой модели переноса и результатов моделирования.
Апробация результатов диссертации
Основные результати работы доіогадивались на IV Всесоюзной совещании "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах" (Ярославль. 1990). Всесоюоной конференции "Надежность и внсоконадежнооть" (Симфо-рополь, І992), Международном семинаре по моделированию полупровод-пиковых приборов и технологии (Обнинск, 1994), Международной конференции "Качество изделий электротехники, JAWE-94" (Люблин. 1994), Реслублотїнской научно-практической конференции "Метроло-гия-94" (Минск, 1994), Международной научной конференции "ManomeoUng-95" (Минск, 1995), иежкафэдральпом научной семинаре БГУ "Наноэлектроника".
Опубликоватюсть результатов
По теме диссертации опубликовано 10 статей и 7 тезисов докладов на научных конференциях.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, ее общей характеристики, четырех глав, выводов и списка, использованных источников. Общий объем диссертации составляет 128 страниц. Диссертация содержит 56 рисунков, 3 таблицы. Список литература включает 108 наименований.
