Введение к работе
Актуальность темы
Прямое масштабирование современной конструкции кремниевых полевых транзисторов на объемной подложке (МОП транзистор, MOSFET) в сторону меньших размеров для достижения, прежде всего, высокого быстродействия и степени интеграции сталкивается с принципиальными ограничениями, вызванными так называемыми короткоканальными эффектами. Одним из этих эффектов является перекрытие областей обеднения р-n переходов истока и стока, в результате чего ток транзистора в закрытом состоянии не достигает требуемых малых значений.
Усовершенствование современных полевых транзисторов на объемных подложках основывается на эмпирическом соотношении для минимальной длины канала транзистора [1], при которой его еще можно рассматривать как длинноканальный. В соответствии с этим соотношением необходимо уменьшать глубину р-n переходов и толщину окисла, а также увеличивать легирование канала транзистора, которое, однако, снижает подвижность носителей в канале. Тем не менее, как раз эти приемы используются в настоящее время. Однако уменьшение длины канала ниже 0.1 мкм проблематично на этом пути.
Подложки «кремний на изоляторе» (КНИ) предоставляют совершенно новые возможности уменьшения размеров транзисторов, поскольку они позволяют полностью избавиться от короткоканальных эффектов, обеспечивая тем самым малые токи транзистора в закрытом состоянии.
В последние годы резко возрос интерес к тонким (слой кремния 5-10 нм) полностью обедненным (канал транзистора не легируется) КНИ транзисторам. Подобные транзисторы являются наиболее перспективными, поскольку они наилучшим образом выявляют возможности КНИ подложки. Отсутствие легирующей примеси в канале транзистора обеспечивает баллистический перенос носителей и повышение быстродействия.
Моделирование КНИ транзисторов с тонким слоем кремния, несомненно, важно с фундаментальной точки зрения и имеет очевидный потенциал для практических применений.
Ранее моделирование микронных и субмикронных кремниевых
ц>С НАЦИОНАЛ W4A* I »ИМИОТЕКА I
Рис. 1. Схематическое изображение рассматриваемого транзистора.
транзисторов было основано на гидродинамических моделях, таких как
дрейфово-диффузионная, а также квазигидродинамическая,
учитывающая разогрев носителей. Однако, для моделирования короткоканальных (<0.1 мкм) полевых транзисторов это недопустимо, поскольку функция распределения носителей в канале существенно отклоняется от равновесной. Предельная длина канала транзистора, до которой еще можно использовать гидродинамические модели, может быть оценена следующим образом. Насыщение дрейфовой скорости электронов в кремнии на уровне 107 см/с обусловлено многократным испусканием оптических фононов. Характерное время испускания оптического фонона составляет 1(Г13 с. При баллистическом пролете в канале с напряжением на стоке 1В электрон набирает скорость порядка 108см/с. Расстояние, на котором электрон испускает оптический фонон, получается 0.075 мкм. Таким образом, в коротком канале насыщения скорости не происходит. Превышение скорости электрона над скоростью насыщения называется эффектом "over-shoot". Он был предсказан при кинетическом моделировании короткоканальных кремниевых транзисторов [2,3]. Кроме того, при моделировании кремниевых полевых нанотранзисторов возникает необходимость учета квантовых эффектов, в частности, квантования поперечного движения в канале транзистора.
Цель диссертационной работы
Целью настоящей работы было создание физической модели и
программы моделирования баллистических КНИ КМОП транзисторов (Рис. 1) с учетом квантовых эффектов.
Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать классическую модель баллистического КНИ
КМОП транзистора;
провести анализ возможных квантовых эффектов;
разработать программу моделирования, учитывающую
существенные квантовые эффекты.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующих положениях, которые выносятся на защиту:
-
Построена физическая модель кремниевого полевого транзистора для длины канала меньше 0.1 мкм, учитывающая как классические, так и квантовые эффекты.
-
Разработана программа моделирования кремниевого полевого нанотранзистора, основанная на применении метода Монте-Карло с учетом квантовых эффектов.
-
Определено влияние поперечного квантования носителей в канале на характеристики кремниевого полевого нанотранзистора. Показано, что основное влияние поперечного квантования состоит в сдвиге порогового напряжения на величину, задаваемую энергией поперечного квантования. В то же время, на надпороговую характеристику транзистора поперечное квантование оказывает гораздо более слабое влияние.
-
Обосновано применение тонких (меньше 10 нм), а также напряженных слоев кремния в полевых нанотранзисторах. Расчеты показали значительное увеличение крутизны подцороговой и надпороговой характеристики транзистора при незначительном уменьшении тока открытого состояния.
-
Показано, что для полевого транзистора с тонким слоем кремния значительно ослабляется влияние поверхностного заряда и заряда в окисле на характеристики транзистора.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
-
Проведенные расчеты позволяют качественно предсказывать влияние конструктивных параметров на характеристики баллистических нанотранзисторов.
-
Разработанная программа моделирования может использоваться для проектирования прибора с заданными характеристиками.
-
Проведенный анализ влияния классических и квантовых эффектов позволяет очертить границы использования различных методов моделирования.
Достоверность результатов работы определяется непротиворечивостью полученных результатов, их согласием с существующими теоретическими моделями и имеющимися экспериментальными данными.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на конференции Микро- и наноэлектроника-2001 (Звенигород) и Int. Conf. Micro- and Nanoelectronics- ICMNE'2003 (Zvenigorod), а также на научных семинарах ФТИАН.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в двух тезисах докладов и пяти научных статьях в реферируемых журналах и периодических сборниках.
Личный вклад автора в опубликованных с соавторами
работах:
участие в разработке физической модели; разработка программы моделирования; проведение расчетов и анализ результатов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 77 наименований. Работа изложена на 100 страницах машинописного текста и содержит 20 рисунков.
