Введение к работе
Актуальность темы. Общепринято, что фантастические темпы развития и впечатляющие успехи микроэлектроники лежат в основе современной научно-технической революции и стремительного роста информатизации не только производственных, но и социальных аспектов развития общества, Как известно, основой микроэлектроники являются так называемые интегральные технологии, обеспечивающие создание интегральных схем (ИС), характеризующихся огромным (106-109) числом активных электрических элементов - транзисторов в одном кристалле сравнительно малой (порядка 1 см2) площади. По типу основного активного элемента интегральные схемы и, соответственно, технологии разделяются на биполярные, в основе которых лежит биполярный транзистор с низкоомным, токовым управлением и полевые, базирующиеся на той либо иной конструкции так называемого полевого транзистора, высокоомно управляемого потенциалом его полевого электрода.
Уже на первых стадиях развития микроэлектроники в начале 70-х годов проявились . определенные преимущества полевых, в частности МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), технологий с точки зрения минимизации латеральных размеров, т.е. повышения уровня интеграции. Поэтому все последующие десятилетия МДП технологии развивались повышенными темпами и в настоящее время занимают доминирующее положение в микроэлектронной индустрии как по степени интеграции, так и по функциональным свойствам базового элемента транзистора, главным из которых является крутизна управления и соответствующее быстродействие. В свою очередь это определяет повышенный интерес
исследователей, в том числе и автора настоящей диссертации, к углубленному изучению физических процессов в полевых структурах с целью дальнейшего совершенствования технологий и функциональных свойств полевых приборов.
В принципе, для всех типов активных полевых приборов, среди которых главными являются: МДП транзистор (полевой транзистор с изолированным затвором); ПТШ (транзистор с затвором Шоттки); НЕМТ (гетеротранзистор с высокой электронной подвижностью), характерными являются высокие численные значения отношения минимального латерального размера, как правило это так называемая длина канала, к поперечным размерам функциональных слоев, электропроводность которых модулируется (управляется) напряжением затвора. В этом смысле подвижные электроны в канале полевого транзистора всегда можно было представлять себе в виде соответствующего квазидвумерного объекта. Однако ранее, пока толщина окисла в МОП транзисторе или легированного слоя в 111Ш составляла' несколько десятых микрона, рассматриваемая квазидвумерность не накладывала ограничений на использование обычных трехмерных моделей электропроводности электронов в канале транзистора и выявлялась лишь в конечных результатах моделирования. Иное дело теперь, когда толщина этих слоев составляет несколько единиц или десятков нанометров, а глубина легирования составляет несколько, вплоть до единичного, мономолекулярных слоев. При этом квазидвумерный характер электронного энергетического спектра становится определяющим, равно как и некоторые другие квазидвумерные эффекты, существенно влияющие на выходные характеристики транзистора.
Вышесказанное достаточно аргументирует необходимость соответствующей модернизации теории полевых транзисторов, применительно к последним (и ожидаемым в ближайшей перспективе) достижениям микро- и наноэлектронной технологии. Именно решению соответствующих актуальных теоретических задач и посвящена диссертационная работа.
Здесь следует однако отметить, что и для субмикронных приборов качественное поведение транзисторных характеристик остается по сути дела таким же как и для длинноканальных приборов, разумеется с некоторым улучшением рабочих параметров. Поэтому в настоящей диссертации речь идет не о кардинальном пересмотре теории полевых транзисторов, а лишь о вовлечении в рассмотрение ряда квантовых и квазидвумерных физических эффектов, существенных для субмикронных транзисторов с нанометровыми слоями. В этой связи следует подчеркнуть, что истинной целью работ, составляющих настоящую диссертацию, является не кардинальный пересмотр существующей теории полевых транзисторов, а лишь углубление понимания ее основных положений с целью расширения адекватности соответствующих теоретических предсказаний электрических свойств субмикронных приборных структур с нанометровыми толщинами функциональных слоев.
Как известно, для работы полевого транзистора принципиальными являются два основных момента: во-первых, привлечение (или экстракция) подвижных электронов в канал транзистора напряжением на его затворе, что количественно описывается соответствующими емкостными (вольт-фарадными) характеристиками; и во-вторых, транспорт привлеченных носителей от истока к стоку транзистора, обычно описываемый так называемой
>
подвижностью, зависящей как от продольной так и от поперечной составляющих электрического поля. Несмотря на то, что подобное разделение свойств прибора на емкостные и транспортные является в определенном смысле условным, оно широко используется исследователями, позволяя сконцентрироваться на тех либо иных физических эффектах и структурных особенностях. Следуя этой традиции, в настоящей диссертации мы также сосредоточились сначала на емкостных свойствах полевых структур с сильно неоднородным профилем легирования с учетом квантовых поправок и эффектов локализации, а затем уже приступили к изучению низко-и высокополевого транспорта в субмикронных транзисторах на базе представлений теории протекания в неупорядоченных системах и квазигидродинамической модели электронного дрейфа.
Следует также подчеркнуть практическую направленность настоящей диссертации, как в плане постановки соответствующих задач, отвечающих последним достижениям в области микроэлектронной технологии в смысле использования актуальных значений структурных параметров, так и в том, что несмотря на их расширенное и углубленное физическое рассмотрение, конечные результаты исследований формулируются в терминах известных транзисторных рабочих параметров и характеристик, таких как крутизна, пороговое напряжение и т.п. С другой стороны последнее, разумеется, облегчает автору возможность экспериментальной проверки и подтверждения развиваемых теоретических моделей.
Целью настоящей работы является разработка теоретического описания низкоразмерных и квантовых эффектов, усложняющих работу субмикронных транзисторных структур с
нанометровыми функциональными слоями и соответствующее развитие общей теории полевых транзисторов.
В этой связи были поставлены и решены следующие задачи диссертационной работы:
-
Построена физическая модель и программа расчета характеристик накопления заряда в быстродействующих ПТШ структурах со сложным профилем легирования подзатворной области.
-
Построена теоретическая модель учета влияния накопления заряда на мелких поверхностных состояниях на крутизну МОП транзисторов.
-
Построена обобщенная модель накопления заряда в полевых гетеротранзисторах и выявлены квантовые поправки к результирующей емкости канала.
-
Развита теоретическая модель рассеяния квазидвумерных электронов на акустических фононах и кулоновских примесях с учетом межподзонных переходов.
-
Развита новая, ультраквазигидродинамическая модель транспорта квазидвумерных электронов в субмикронных полевых транзисторах.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Предложен новый критерий порога "включения" ПТШ транзистора и удобный алгоритм его вычисления.
-
Показано, что и при сравнительно высоких температурах двумерный электронный газ частично локализован на мелких
поверхностных состояниях, что проявляется на эксперименте в форме существенного снижения эффективной подвижности.
-
Впервые получено единое аналитическое соотношение, объединяющее квазиклассическое и квантовомеханическое списание зависимости плотности квазидвумерного электронного газа от уровня Ферми (поверхностного потенциала).
-
На основе развитой ультраквазигидродинамической модели электронного транспорта получено новое простое аналитическое выражение для вольт-амперных характеристик субмикронных полевых транзисторов, адекватность которого с уменьшением длины канала лишь возрастает.
Практическая ценность работы заключена в том, что полученные в ней новые закономерности проводимости квазидвумерных электронных слоев в современных конструктивно-технологических решениях полевых транзисторов важны при решении практических задач конструирования, моделирования, надежности и повышения выхода годных СБИС и СВЧ-транзисторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Локализация электронов на мелких поверхностных состояниях составляет существенную конкуренцию накоплению подвижного электронного заряда в канале транзистора и приводит к заметному понижению эффективной поверхностной подвижности и крутизны сток-затворных характеристик транзистора.
-
Эффективная электрическая емкость двумерного электронного газа увеличивается пропорционально его концентрации в области сравнительно малых ее значений, а затем стабилизируется в
окрестности специфического квантового значения,
пропорционального эффективной массе электронов в узкозонном материале.
-
При низких (ниже азотной) температурах низкополевая подвижность двумерного электронного газа характеризуется сложной концентрационной зависимостью. Наростая в области сравнительно малых поверхностных концентраций, электронная подвижность резко падает при концентрации, отвечающей началу заполнения второй подзоны пространственного квантования, что обусловлено "включением" процессов межлодзонного рассеяния.
-
Транспортный процесс в транзисторах с субмикронным каналом характеризует существенный "недоразогрев" электронной подсистемы. Это подавляет известный эффект насыщения дрейфовой скорости, свойственный длинноканальным приборам и, соответственно, увеличивает крутизну и улучшает частотные характеристики транзистора.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на конференциях: Микроэлектроника-96 (Москва, Звенигород); Международная школа по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Петергоф, 1996); Электроника и информатика -97 (Москва, Зеленоград); Микроэлектроника и информатика - 98 (Москва, Зеленоград); и обсуждались на семинарах в НИИ ФП (Зеленоград), ФТИ РАН (Москва), ИРЭ РАН (Москва).
Публикации. По материалам работы опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух основных глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы 92 страницы машинописного текста, 25 рисунков. Список литературы содержит 64 наименования.
