автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Зависимости электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивных и технологических факторов

На правах рукописи

005044717

КРАСНОВ Александр Александрович

ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАНО-МОП ТРАНЗИСТОРОВ СО СТРУКТУРОЙ КНИ ОТ КОНСТРУКТИВНЫХ и ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МАЙ 2012

Воронеж - 2012

005044717

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Воронежский государственный университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Петров Борис Константинович Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Безряднн Николай Николаевич, заведующий кафедрой физики Воронежского государственного университета инженерных технологий, г. Воронеж;

доктор технических наук, профессор Булгаков Олег Митрофанович, заместитель начальника института по учебной работе ФГКОУ ВПО Воронежский институт МВД России, г. Воронеж

Ведущая организация:

ФГУП "Научно-исследовательский институт электронной техники", г. Воронеж.

Защита состоится 19 июня 2012 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 16 мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной полупроводниковой электронике одну из самых передовых и технологичных ниш занимают нано-МОП транзисторы с длиной канала меньше 300 А и структурой кремний-на-изоляторе (КНИ). Они используются в высокопроизводительных процессорах ведущих мировых производителен Intel и AMD. Этот тип транзисторов вытеснил биполярные и другие типы полевых транзисторов из процессорной электроники, несмотря на некоторый проигрыш в производительности относительно некоторых других типов полевых транзисторов, благодаря своей экономичности, высокой степени интеграции и дешевизне, а также из-за малых величин влияния на характеристики транзистора короткоканальных эффектов.

Стоит отметить, что в настоящее время в Российской Федерации освоена технология производства с технологической нормой 180 нм, закуплено и ожидает запуска оборудование с технологическими нормами 90 нм, в то время как на фабриках AMD в конце 2011 года было налажено серийное производство процессоров по технологической норме 28 нм (280 А). Основным сдерживающим фактором в развитии отечественного производства нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала меньше 300 А является отсутствие теоретических основ проектирования транзисторов данного класса и, как следствие этого, отсутствие какой-либо производственной базы. Нано-МОП транзисторы со структурой КНИ и длиной канала меньше 300 А — крайне сложное конструктивно-технологическое решение, и до настоящего времени в литературе отсутствуют сведения по аналитическим методам расчета параметров таких транзисторов. Несмотря на высокое развитие современных высокопроизводительных ЭВМ и протраммных комплексов для численного моделирования полупроводниковых приборов, невозможен быстрый инженерный расчет необходимых параметров транзисторов. Разработка простых инженерных аналитических методов расчета позволит рассчитывать электрические н технологические параметры транзисторов данного класса.

Данная работа проводилась в соответствии с планом ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет».

Цель работы - получение аналитических зависимостей основных электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивно-технологических факторов. Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Разработать аналитический метод расчета выходной вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А.

2. Разработать приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200-400 А. л

3. Разработать аналитический метод расчета порогового напряжения У|1ор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и данной канала 500-1000 А.

4. Исследовать влияние концентрации основных носителей в п- или р-слоях и их толщины на пороговое напряжение нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Разработать аналитический метод расчета входной С„„ выходной СВЬ|Х и проходной С,с емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

6. Исследовать зависимости емкостей С3,„ Свь|х и С,с от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с учетом неоднородного распределения носителей заряда по длине канала.

Научная новизна исследований:

1. Разработан аналитический метод расчета переходных вольт-амперных характеристик и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А в приближении насыщения дрейфовой скорости электронов у5е или дырок \'5ь в канале.

2. Разработан приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 200-400 А с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала в 2 раза.

3. Разработан аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А.

4. Обнаружено, что крутизна наклона входных вольт-амперных характеристик Б зависит от концентрации донорных атомов в п-слое нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Обнаружено, что уменьшение толщины пленки р-Бі в р+-р-р+ нано-МОП транзисторов ограничено величиной работы выхода из металла затвора.

6. Разработан аналитический метод расчета входной С3,„ выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

7. Впервые при расчете зависимостей емкостей С,,,, Свых и Сзс от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ учитывалось неоднородное распределение носителей заряда по длине канала.

Практическая значимость работы. Основные результаты исследования, а именно: аналитический метод расчета вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А, приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200-400 А, аналитический метод расчета порогового напряжения У„ор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А, аналитический метод расчета входной С,,,, выходной Свьи и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ могут быть полезны для разработчиков нано-МОП транзисторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитический метод расчета вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А в приближении насыщения дрейфовой скорости электронов у5е или дырок у5Ь в канале.

2. Приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200-400 А с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала в 2 раза.

3. Аналитический метод расчета порогового напряжения У1шр для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А.

4. Крутизна наклона Б кривой зависимости входной вольт-амперной характеристики зависит от концентрации донорных атомов в п-слое нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Уменьшение толщины пленки р-51 в р+-р-р+ нано-МОП транзисторов ограничено величиной работы выхода из металла затвора.

6. Аналитический метод расчета входной С31„ выходной Свь„ и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

7. Расчет зависимостей емкостей С,„, Свых и С,с от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с учетом неоднородного распределения носителей заряда по длине канала.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2012), международный научно-методический семинар «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2009, 2010).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 44 наименования. Объем диссертации составляет 102 страницы, включая 40 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и основные задачи исследований, приведены положения, выносимые на защиту, сформулирована научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, структуре и объеме диссертации.

В первой главе представлен литературный обзор современного состояния и перспектив технологии производства нано-МОП транзисторов со структурой КНИ. Рассмотрены разновидности конструкции данного типа транзисторов и этапов их производства. Проведен анализ различных методов численного моделирования элек-

трических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ. По результатам анализа научно-технической литературы сформулированы задачи и определены направления исследований.

Во второй главе представлены методики расчета переходных вольт-амперных характеристик и крутизны Б нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с различными длинами канала(рис. 1).

Считаем, что контактная разность потенциалов фкМз-п-Б! = м,- % „в^О Д™ металлов затвора с большей работой х , чем ви-Бь

В этом случае контактная разность потенциалов с(>|сМ,.п_51 между металлом затвора и п-Б! подложкой с М^Ю^Ю18 см"3 равна сумме падений напряжений на затворном окисле У5Ю2 и на обедненном п-слое У„..

При подаче положительного затворного напряжения относительно истока (У1И>0) и отсутствии напряжения исток-сток (Ус„=0). Под действием одной к.р.п.

между затворным электродом и п-слоем затворный электрод находится под

отрицательным потенциалом "^«ь-»-» относительно п-слоя. Если на затворный электрод подать положительное напряжение У3„ точно равное абсолютной величине

•ыяормыи металл

дюлсігтриіс 2.3нмНЮ2 0.8нм ХЮ2

сток металл

загдушсннын слои БіСЬ

р-5і подложка

Рис. 1. Структура типичного нано-МОП транзистора со сверхтонким основанием и структурой КНИ (все размеры в нанометрах)

-0,3..0,4 В (для металлов затвора №, Сг), тогда исчезнет отрицательный заряд электронов на затворном электроде, п-обеднённый слой становится электронейтральным (Пп^^) и исчезает инверсионный слой из дырок в результате перехода электронов из затворного электрода в п-Бі слой по проводникам между истоком и затвором.

Теперь, если между истоком н стоком подать напряжение \'с„>0 (® на п++-стоке и (-) на п++-области истока), то через квазинейтральный п-слой потечёт ток стока:

где Ъ — ширина затвора.

Считаем Одырок5^ и толщина п-слоя хп> (толщины обедненного слоя из доноров).

Поскольку ток стока протекает через область в п-слое толщиной (х„ -Ьа.об.сл), то для тока стока в зависимости от затворного напряжения (У,„>У01„) получаем формулу:

С',

с\,

Л

■2,

(2)

где СБЮ = —--удельная емкость затворного диэлектрика

2 «51 о2

Ток стока не зависит от напряжения сток-исток Уси, поскольку даже при Ус„>0,1 В, продольное поле Еу > 5-2,5 -104 В/см и дрейфовая скорость электронов Уа в

толстый

и з о лир ующий

БіОл

п-Бі столбик

затворный ЭЮг

Рис.2. Структура двухзатворного КіпІ КТ нано-МОП транзистора

кремнии достигает насыщения У,ь=1 ■ 107см/с.

Теперь основной усилительный параметр нано-МОП транзистора - крутизна

равен:

Для сравнения в обычных МОП транзисторах с п-каналом и со структурой п++ - р+-п++ крутизна 8 постоянна в режиме насыщения дрейфовой скорости и не зависит от затворного напряжения V,,,.

При напряжениях У3„> фкМ1.п 5| уже возникает слой накопления электронов на поверхности п-области под затворным окислом и ток стока будет состоять теперь из двух составляющих

В формуле (4) 2-й член представляет собой ток электронов через слой накопления. Крутизна на основании формулы (4) будет равна

Проанализирован также FinFET двухзатворный транзистор (рис. 2), у которого тонкий прямоугольный столбик (fin) п-типа толщиной Н<500 Â и высотой ZK~ 1500 Â на Si02 изолирующем слое толщиной =1500 Â на кремниевой подложке обернут затвором ИЗ П++ Si. Причем столбик имеет термический окисел SiC>2 ТОЛЩИНОЙ dsi02> длиной 1„=100-300 Â, высотой ZK=1500 Â, шириной H, этот окисел должен иметь сверху тонкий слой металла с работой выхода 4,5-4,6 эВ > =4,1 эВ. В качестве металла затвора можно использовать только напыленный слой металла из Ni, Сг. Области п++-истока и п++-стока на n-Si столбике создаются ионным легированием Р, As под углом. Толщина столбика H при заданной концентрации доноров NJn^10l7-1018 см"3

выбирается такой, что бы он был полностью обеднен под действием от слоев

металла в затворных электродах с двух сторон столбика. Таким образом, по сравнению с плоским однозатворным МОП транзистором КНИ МОП транзистор с двойным затвором имеет ширину канала, равного удвоенной высоте Zk при той же концентрации Nin. Если Н<2х„ nnn, тогда помимо обедненного n-слоя будут существовать с двух сторон под затворным окислом тонкие инверсионные слои из дырок.

Аналитические выражения для ВАХ однозатворного нано-МОП транзистора и двухзатворного FinFET транзистора оказываются аналогичны, только двухзатворный транзистор имеет ток стока в 2 раза больше, чем однозатворный.

В случае МОП транзистора с тройным затвором и n-Si столбиком с одинаковой высотой Z и шириной Z полное обеднение столбика электронами происходит, как и в случае с двухзатворного МОП транзистора, когда ширина Z=2x„ mi„. Например, в случае Ndn=1017 см"3, Х„ mm=600 Â, следовательно, 2Xnmin =Z= 1200 Â =0.12 мкм. Соответственно, если высота и ширина столбика одинаковы и равны 1200 Â, тогда ширина каналов (слоев накопления электронов) на боковых стенках столбика будет равна

L = q У.hNj,XnZ + Ул (К. -

)С' SiO:Z,

(4)

S = VdiC'siOlZ.

(5)

7=1200 А, а общая ширина слоев накопления с учетом верхней поверхности 2оощ=37=3-1200= 3600 А = 0.36 мкм. Однако в случае двухзатворного МОП транзистора высота Ъ может составлять в реальных приборах 7^в>х за1=0.24-0.36 мкм, а 22=0.48-0.72 мкм. Таким образом, в случае двухзатворного МОП транзистора 2оощ.двухзаг> 0.48 мкм, а случае трехзатворного Z0¿¡¡í^veк^:¡т<Q36, т.е. даже меньше, чем в случае двухзатворного. Следовательно, и ток стока ІС1~20Й[Ц в случае двухзатворного МОП транзистора оказывается даже больше, чем в случае трехзатворного МОП транзистора при одном и том же напряжении на затворе. Если учесть тот факт, что в случае Х„ ті„=600 А при N<¡„=10'7 см"3 У1шр=0 и поэтому необходимо выбирать хп<хШтап=600 А (порядка 400 А), чтобы У,|0р =0.2-0.3 В. Тогда Zm¡n 1р„1;п должно быть меньше 800 А, а в двухзатворном высота по-прежнему равна 2400-3600 А и 2 ,„=4800-7200 А, а в трехзатворном 2о5іцлр(.хіаі<3'400= 1200 А, то различие в таких достигает уже 4-6 раз. Поэтому трехзатворный МОП КНИ транзистор не имеет преимуществ по своим электрическим параметрам по сравнению с двухзатворным МОП транзистором.

Рассмотрены также нано-МОП транзисторы с очень короткой длиной канала. Считаем, что длина п-области Ь=200 А, ширина 2=1000 А, и толщина хп=150 А.

Ток стока будет равен

1=С',0ДУ„-ФкМз_п_51)2у^, (6)

В нано-МОБ транзисторах со структурой п++-п-п++ и Кціп=ЮІ7-^1011і см"3 наличием доноров можно пренебречь и считать, что рассеяние электронов на донорах в П-области при У,„> фкмі-,і-5і отсутствует. Кроме того пороговое напряжение У„ор не зависит от наличия доноров в п-области.

Проведена оценка квантования энергетических уровней электронов в топких п-слоях йі. Энергетический спектр электронов можно записать в виде

(7)

где кх=2лП]/1„ ку=2тт2/1у, пи=0, ±1, ±2, ±3.

Для простоты эффективную массу электрона считаем постоянной и независящей от направления Ох, Оу, 0г.

При толщине двумерной пленки кремния х„=150 А расщепление на локальные уровни не существенно при комнатных температурах и выше(> 300 К).

Контактная разность потенциалов в нано-МОП транзисторах с коротким каналом (< 400 А) возникает между металлическим затвором и сильно легированным каналом донорами (N¿„.>10''' см"3) истоковыми и стоковыми п+-областямн, поскольку в п-области под затвором согласно оценкам выше электроны практически отсутствуют.

При приложении положительного напряжения Ус, на стоковый электрод относительно истокового электрода будет протекать ток стока:

Іс^^-ф^С^. (8)

Соответственно крутизна согласно формуле (7) будет равна:

S = V»;CS,0;Z (9)

Ток через канал не течет, пока затворное напряжение не превысит ФкМиш-si и на поверхности n-области начнет образовываться слой накопления электронов и через транзистор потечет ток стока. Ток стока линейно зависит от приложенного затворного напряжения.

Рассматривая двухзатворный и трехзатворный нано-МОП транзисторы с длиной п-области 200 А, можно сказать, что все выводы относительно преимуществ и недостатков для двухзатворных и трехзатворный нано-МОП транзисторов с длиной п-области L=500-1000 А, остаются справедливыми и для двухзатворных, и трехзатвор-ных нано-МОП транзисторов с длиной n-области L=200-400 А. Т.е. имеет место двойное преимущество по току относительно однозатворного и отсутствие этого преимущества у трехзатворного. Также существует двойное преимущество в крутизне двузатворного перед однозатворным. Однако двухзатворный транзистор технологически более сложен, так как требует дополнительное осаждение толстого изолирующего окисла,

Проведен анализ полностью обедненного нано-МОП транзистора с пленкой кремния n-типа толщиной d„.Si= 70 А и концентрацией доноров Nd=1015 см"3, длина затвора L,=320 А. Затворный диэлектрик двухслойный - тонкий слой Si02 = 8 А, толстый слой НГСЬ = 23 А (двухслойный затворный диэлектрик можно заменить однослойным SiOi эквивалентной толщиной ds,o: 13,9 А. (рис. 1)).Работа выхода из металла затворного электрода (¡>„„=4,6 эВ. Полное количество доноров в п-канале N,¡=0,224« 1. Концентрация доноров в областях п+-истока и п+-стока должна быть порядка Ndn+=(1019-102°) см"3 для уменьшения омического сопротивления этих областей. Поэтому электроны из п+-областей истока и стока будут переходить в высоко-омный n-канал и далее через затворный диэлектрик металл затвора(Т1Ы), поскольку работа выхода из n+-Si истока и стока <t>„+.si=4,l эВ.

Тогда фк.м.1.ни-5|=фт-фп+-я=0,5 В, причем металл затвора оказывается под отрицательным потенциалом фк=-0,5 В по отношению к n+-Si областями истока и стока, а концентрация электронов в боковых стенках п+-истока и п+-стока незначительно уменьшается. Если подать напряжение между истоком и стоком(«+»на сток относительно истока), то при V,„=0 ток стока будет равен нулю, поскольку электроны не инжектируются в n-канал из обедненной боковой стенки и основания п+-истоковой области.

При V,„> (f>K M.i.-ri+-srO,5 В обедненный слой на боковой стенки и основания ис-токовой области исчезнет и начинает протекать электронный ток через канал. Таким образом Vom „ с. > 0,5 В для нано-МОП транзистора является отпирающим или пороговым. Для другого нано-МОП транзистора с длиной канала LK= 220 А затворный диэлектрик содержит 24 А толщины слой НЮ: на слое термического окисла SiOj толщиной 7 А(эквивалентная толщина Si02 для двухслойного затворного диэлектрика

¿5Ю2 жв= 11 А). Толщина кремниевой пленки с1„ = 100 А, а работа выхода из металла затвора <рмз=4,8 эВ. Тогда ф„м.,.^¡=4,8-4,1=0,7 В Следовательно Уот„„с=0,7 В, ^отп.и.с.расч.— 0,6 В, ЧТО блИЗКО К ЗНаЧвНИЮ фк.„.х-п+-5Г0,7 В

Согласно результатам моделирования в литературе по различным моделям с учетом рассеяния на фононах, неровностях поверхности, ионах в п+-областях истока и стока, (прямое решение уравнений переноса Больцмана методом Монте-Карло с учетом множества подзон) установлено, что для обоих типов нано-МОП транзисторов, что баллистический перенос электронов через канал не имеет места, поскольку скорость электронов уе по длине канала возрастает (при У1И= 1 В и Ус„= 1 В) от 107 см/с (вблизи истока) до (2-2,3)-10' см/с (вблизи стока), т.е. всего лишь в 2 раза по сравнению с диффузионно-дрейфовой моделью (ВО-СРБ), в которой скорость электронов достигает лишь значения дрейфовой скорости насыщения 107 см/с в предельных полях 104 В/см. Кроме того, скорость уе по всем моделям, кроме диффузионно-дрейфовой(ВО-с®0), растет линейно по длине канала. Плотность заряда электронов п-канале, наоборот, убывает по длине канала по линейному закону также почти в 2 раза: (3„=(}„(У=0) и дп(у=1>^20„(у=ьк).

Для тока стока с получаем удобную формулу:

1с=Г,1с=(^1,-У,1Ор)е0ез,О2/(1зЮ2-2- уе(у=0), (10)

где эквивалентная толщина затворного окисла известна(рис. 3). Дифференцируя выражение (10) по V,,, получим выражения для расчета крутизны 8:

3=£ое5Ю2/с15Ю2-2- Уе(у=0), (11)

В третьей главе Для длинноканальных МОП транзисторов с традиционной структурой п++-р-п++ пороговое напряжение У,„=У„0р соответствует возникновению инверсионного п-слоя на поверхности р-области, когда поверхностный потенциал

Ум, В

Рис. 3. Рассчитанная зависимость тока стока 1с от затворного напряжения V,,, для длины канала Ц=320 А при напряжении сток-исток Ус„ а) 1 В, б) 0,1 В (тонкие линии) для Ъ= 1 мкм и соответствующие экспериментальные кривые (широкие линии)[1 ].

Для п+-п-п+ структуры при отсутствии внешних напряжений (У,„=0, УСц=0) между металлом затворного электрода и тонким п-слоем (х„=100 А) существует контактная разность потенциалов

<ркм>р-5г=(Фм,-Фп-а)Л1, (12)

где ФМі — работа выхода металла затвора.

Контактная разность потенциалов фкМ,.„_5, равна сумме падений напряжений на затворном окисле У5Ю2 и на обедненном п-слое У„_:

<РкМ,-п^,= "У5Ю2+У„-, (13)

\тюр: В 0.4

0.15

Рис. 4. Зависимость порогового напряжения от толщины п-слоя для концентрации доноров в п-слое 1017 см"3(1) и 10|8см'3(2).

Если подать положительный потенциал на затворный электрод относительно истока(У3„>0), то положительный заряд дырок в п-слое начинает уменьшаться в результате перехода электронов с затворного электрода в п-Б1 слой. Следовательно при наличии положительного затворного напряжения У,„>0 и У3„<фкмз-п-51 будем иметь:

Хгар ^Шз-п-БІ

¿СІП. -

(14)

При увеличении толщины слоя хп возрастает количество донорных атомов примеси, заряд которых соответственно уменьшает пороговое напряжение, а так как

при концентрации 10 см"3 их количество на порядок меньше, чем при концентрации 10г ' 2.

1018 см"3, то кривая 1(рис. 4) слабо зависит от толщины п-слоя х„, в отличие от кривой

В современных КНИ транзисторах толщина сверхтонкого основания может достигать 75 А, и ведутся работы по уменьшению толщины до 20 А.

При достижении таких толщин становится необходимо учитывать квантовое расщепление зоны проводимости на подзоны размерного квантования. Энергетический спектр электронов в 20 системе можно найти по формуле:

(15)

2т", {х,) 2 т" 2т". '

Гг ( л V ,

гДе ¿„т, = ~ I " энергия минимума двумерной подзоны.

Для толщин от 20 до 50 А будем учитывать только электроны, которые находятся на самом нижнем минимуме подзоны, так как расстояние до следующего минимума велико и количество электронов с этой энергией пренебрежимо мало. Главные значения эффективных масс шх и ту зависят от ориентации изоэнергетических поверхностей в объеме полупроводника относительно поверхности.

Минимум первого типа располагается в 4,5 раза ниже, чем второго типа. Так как нас не интересует движение электрона в направлении оси у, то для этого направления будем использовать эффективную массу первого типа, а для направлений х и у массу второго типа, так как они будут обеспечивать большую подвижность.

Найдем положение уровня Ферми по формуле:

' Ес-Е

(16)

кТ

где п20- концентрация электронов в двумерной 81 пленке, А!<г2'" = '"' кТ - эффектив-

лЬ2хя

ная плотность состояний.

Выполнив необходимые преобразования, получим формулу для вычисления Е,:

(17)

Соответственно, разница между уровнем Ферми тонкой пленки кремния и уровнем вакуума есть работа выхода. Виден эффект уменьшения работы выхода из кремния с уменьшением толщины тонкого слоя кремния и увеличением концентрации доноров. При толщинах тонкого слоя меньше 20 А присутствует резкое падение величины работы выхода из кремния для всех величин концентраций. Таким образом, вычитая работу выхода из кремния из работы выхода из материала затвора, получаем пороговое напряжение реального прибора.

Для обеспечения реально используемого порогового напряжения порядка 0,3 В, для каждой концентрации электронов в сверхтонком слое нужно использовать свой

материал затвора с работой выхода ip больше, чем работа выхода из кремния на 0,20,3 эВ, для обеспечения рабочего порогового напряжения.

Валентная зона объемного кремния включает 3 подзоны. Поверхность равной энергии для всех подзон представляет собой гофрированные поверхности. В случае тонких пленок p-Si (w<100 Л) появляются квантовые уровни тяжелых, легких и отщепившихся засчет спин-орбитального взаимодействия дырок по толщине пленки вдоль направления (001), перпендикулярно к поверхности пленки. Предполагается, что Е=0 у вершины валентной зоны объемного кремния, соответственно, энергии дырок будут принимать положительные значения по мере удаления от вершины валентной зоны.

Большая часть дырок находится на первом уровне размерного квантования, а дырками, находящимися на более высоких уровнях, можно пренебречь, так как расстояние между первым уровнем и вторым значительно больше 2кТ. Так же видно, что наличием легких дырок на 1м квантовом уровне можно также пренебречь, по сравнению с тяжелыми дырками и дырками в отщепившейся зоне. Считаем, что дырочный газ в тонкой пленке кремния двумерен и зависимости энергии от волнового вектора к в этих зонах имеют следующий вид:

Ерт(п, к) = Ярт(п) + (18)

¿ТПрГ ъ.2 ь2

Ерзо(п,к) = ЕрзоОО +7-7-, (19)

где ШрТ= 0,50mo, nip30=0,25mo - эффективные массы дырок в зонах тяжелых дырок и отщепившейся засчет спин-орбитального взаимодействия.

Уравнения для нахождения положения уровня Ферми Е,- в валентной зоне при заданных значениях суммарной концентрации дырок (рр, + рр0,):

Работа выхода из пленки р-кремния (pp_Si равна расстоянию от уровня Ферми до уровня электрона в вакууме (Е=0):

При толщине w=> 10-20 A <pp.Sl(w,n=l) резко возрастает (до 6,4-6,6 эВ), по сравнению со значениями -5,15 эВ при w= 50 А.

При наличии затворного электрода из металла с работой выхода ipu возникает контактная разность потенциалов фк= (<pM-9P_Si)/q. Пороговое напряжение МОП транзистора Vllop= <рк при <р„< фр_5; не должно превышать по абсолютной величине 0.2-0.3 В. При толщинах меньше 20 А пороговое напряжение падает до 0 и при дальнейшем уменьшении толщины становится положительным, что недопустимо для р-канальных транзисторов, у которых пороговое напряжение должно быть отрицательно.

В четвертой главе представлена методика расчета емкостей в нано-МОП транзисторе с длиной канала Ц=32 нм= 320 А толщина n-области d„=7 нм= 70 A, Ndn=1015 см"3, толщина захороненного окисла BOX dBox= 20 нм= 200 А, толщина n+-Si истоко-

вой и стоковой областей d„+=10 нм=100 А, толщина p-Si подложки dr Sl = 50 нм= 500 A, Na=10'8 см"5.

Расчет входной емкости затвор-исток С,„, по определению C1„=dQ„/dU-11,|Uc„_cons„ где Q„ - электронный заряд в n-канале при заданном постоянном напряжении Uc„=const.

Для субмикронных МОП транзисторов заряд электронов в канале находится по простой формуле:

г _ 4Qn(Um-) _ e0eslo2LkZk зи J > (¿П

В нано-МОП транзисторах со структурой КНИ согласно расчетам в работе концентрация электронов в n-канале линейно убывает по длине канала почти в 2 раза у стокового электрода по сравнению с истоковым электродом, а дрейфовая скорость электронов v, увеличивается линейно у стокового электрода в 2 раза. В результате ток по длине канала остается постоянным. Тогда плотность электронов в n-канале в произвольной точке у можно записать следующим образом

Qn(y) = c^o2(vm - Кпор - КгонОО), (22)

Входная емкость нано-МОП транзистора при наличии стокового напряжения (Vc„ >0):

Сзи = 0,75LkZ^g4 (23)

В отсутствии стокового напряжения, когда ток стока равен нулю и распределение электронов в канале вдоль оси Оу под действием затворного напряжения V,,, будет постоянным и вместо формулы (22) будем иметь выражение:

Выходная емкость С„с представляет собой последовательное соединение емкостей: слой n+-Si (исток) - захороненный слой Si02(B0X)- p-Si подложка и слой п+-Si(cTOK) - захороненный слой Si02 - р-подложка. Поэтому

СВЫХ ~ f'0'SiO2L*c | r*0*SiQ2Lc *-25)

V dSi02B0X ) V dSi02B0X )

Выходная емкость Свых составляет от входной емкости Сзи: Caa=a048t25.10-« = Сзк 0,7710-«

Формула для проходной емкости С1С для нано-МОП транзисторов, которая является последовательным соединением емкостей затворного диэлектрика и См, захороненного толстого слоя окисла (BOX) под затвором длиной Ц и захороненного толстого слоя окисла (BOX) под стоковым электродом:

Сзс /WsiO;*-«Л"11 ро^Ог^кЛ'11 /fQfs.o2LrrZ\'" \ dSi023aTB / V dSl02B0X / \ dSi02B0X J

Сравнивая значения СВЬ1Х и Ск видим, что емкость Сзс меньше емкости СВЬ1Х в 5,26 раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые были получены аналитические выражения для зависимости тока стока Ic=--f(Vlu) и крутизны S=S(V,„) от затворного напряжения для нано-МОП транзисторов с длиной канала Ц=500-1000 А, при насыщении дрейфовой скорости электронов.

2. Установлено, что нано-МОП транзисторы со структурой КНИ с длиной n-области L=500-1000 А и концентрацией доноров в n-области Ndn=1018 см"3 в зависимости от величины затворного напряжения (V3„>0) работают в 2х режимах: 1) V1H>Vonl=0,3-0,4 В уменьшение толщины обедненного слоя из доноров в ri-слое, который образовался из-за наличия контактной разности потенциалов между металлом затвора и n-Si слоем (ipKMv„ si < 0,5 В); 2) возникновение слоя накопления электронов на поверхности квазинейтрального n-слоя под затворным электродом.

3. В нано-МОП транзисторах с длиной n-области L-200-400 А и малой концентрацией доноров NJn< 1017 см"3 количество доноров в n-области оказывается пренебрежимо малым (1-2) и n-область имеет собственную проводимость даже при фкм-i ii-srПри V3„>9KMi.n Si образуется слой накопления электронов и возникает отличное от нуля напряжение отпирания V0T„.

4. Двухзатворные нано-МОП транзисторы обоих двух типов имеют по сравнению с однозатворными в 2 раза больший ток стока 1с и крутизну S. Трехза-творные МОП транзисторы не имеют преимуществ по сравнению с двухзатворными по величине тока 1с и крутизне S, но технология изготовления двухзатворных транзисторов оказывается более сложна, так как требует дополнительной операции отдельного осаждения изолирующего толстого окисла.

5. Впервые предложен приближенный метод расчет тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ на сверхтонком основании для приборов с длиной канала 220 и 320 А с учетом переменной дрейфовой скорости электронов по длине канала.

6. Впервые получено аналитическое выражение(3.15) для расчета порогового напряжения VIlop для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной п-области 500-1000 А;

7. Для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ впервые были получены аналитические выражения для количественной оценки зависимости порогового напряжения VIK)p от толщины сверхтонкого основания(х„<75 А) для различных концентраций доноров в подзатворной области.

8. Обнаружено, что уменьшение толщины пленки р-типа в р+-р-р+ нано-МОП транзисторов КНИ до размеров меньше 20 А приводит к технологическим проблемам подбора материала затвора с работой выхода большей, чем у известных сен-

час металлов (фР,-5.65 эВ), что ограничивает минимальную толщину пленки p-Si 20 А для обеспечения соответствующего порогового напряжения.

9. Обнаружено, что на пороговое напряжение оказывает влияние концентрация дырок в пленке кремния, увеличение концентрации акцепторов N, от 1015 до 10 см'3 приводит увеличению порогового напряжения на ~0.2 В.

10. Получены простые инженерные формулы для расчета входной С„„ выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ, впервые учитывалось линейное распределение по длине канала, концентрации подвижных носителей индуцированного затворным напряжением при приложении стокового напряжения. В результате емкость Сш оказывается на 25% меньше, чем в приближении однородного распределения носителей заряда по длине канала.

Список цитируемой литературы

1. Palestri P. A comparison of advanced transport models for the computation of the drain current in nanoscale nMOSFETs/ P. Palestri, C. Alexander, A. Asenov etc. // Solid-State Electronics. -2009. -vol. 53. -pp. 1293-1302.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

2. Передаточные вольт-амперные характеристики и крутизна нано-МОП транзисторов со структурой n++-n-n++ и малым количеством примеси в п-области / Б.К. Петров, A.A. Краснов // Вестник воронежского государственного технического университета. -2009. -Т.6. -№9. - С. 108-110.

3. Влияние конструктивных параметров на пороговое напряжение нанораз-мерных р-канальных КНИ МОП-транзисторов / Б.К. Петров, A.A. Краснов // Известия вузов. Электроника. -2011. -№3(89). - С.40-43.

Статьи и материалы конференций

1. Переходные вольт-амперные характеристики и крутизна нано-МОП транзисторов со сверхтонким основанием / Б.К. Петров, A.A. Краснов // Вестник воронежского государственного университета, серия: Физика. Математика. -2008. -№2. - С.44-47.

2. Расчет переходных вольт-амперных характеристик и крутизны нано-МОП транзисторов со сверхтонким основанием / Б.К. Петров, A.A. Краснов // Флук-туационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах(метрология, диагностика, технология, учебный процесс). Материалы международного научно-методического семинара(Москва 25-27 ноября 2008 г.). МЭИ. -2009. -С. 178-183.

3. Ток стока в выключенном состоянии в наио-МОП транзисторах со структурой КНИ и сверхтонким основанием / Б.К. Петров, A.A. Краснов // Твердотельная электроника и микроэлектроника. Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж. ВГТУ. - 2009. -С.25-29.

4. Предельные толщины сверхтонкого основания в п- и р-канальных нано-МОП транзисторах со структурой КНИ/ Б.К. Петров, A.A. Краснов // Твердотельная электроника и микроэлектроника. Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж. ВГТУ.-2010. -С. 129-138.

5. Пороговое напряжение в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ и сверхтонким основанием / Б.К. Петров, A.A. Краснов // Флуктуационные и деграда-ционные процессы в полупроводниковых приборах(метрология, диагностика, технология, учебный процесс). Материалы международного научно-методического семи-нара(Москва 23-25 ноября 2009 г.). МЭИ. -2010. -С. 177-182.

6. Влияние толщины сверхтонкого основания на пороговое напряжение в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ / Б.К. Петров, A.A. Краснов // Материалы XVI международной научно-технической конференции «Радиолокация. Навигация. Связь.» 13-15 апреля 2010 г. -Воронеж, 2010. -Т.1. -С.640-644.

7. Приближенный метод расчета вольт-амперных характеристик и крутизны в нано-МОП транзисторах и с n-каналом и со структурой КНИ / Б.К. Петров, A.A. Краснов // Материалы XVI международной научно-технической конференции «Радиолокация. Навигация. Связь.» 12-14 апреля 2011 г. -Воронеж, 2011. -Т.1. -С.772-775.

8. Влияние толщины сверхтонкого основания на пороговое напряжение в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ / Б.К. Петров, A.A. Краснов // Флуктуационные и деградацнонные процессы в полупроводниковых приборах(метрология, диагностика, технология, учебный процесс). Материалы международного научно-методического семинара(Москва 29 ноября-1 декабря 2010 г.). МЭИ. -2011. -С.66-70.

9. Методы расчета входной, проходной, выходной емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ / Б.К. Петров, A.A. Краснов // Материалы XVI международной научно-технической конференции «Радиолокация. Навигация. Связь.» 17-19 апреля 2012 г. -Воронеж, 2012. -Т.1. -С.750-753.

Подписано в печать 14.05.12. Формат 60*84 1/1&. Ус:], псч. л. 1. Тираж 120 эга. Заказ 502.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Нздатсльско-полиграфического центра Воронежского государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ, МОДЕЛИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ СОВРЕМЕННЫХ МОП ТРАНЗИСТОРОВ.

1.1 Современное состояние МОП технологии.

1.2 Методы моделирования транзисторов со структурой КНИ.

1.3 Технологии получения структур кремний на изоляторе.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОП ТРАНЗИСТОРОВ СО СТРУКТУРОЙ КНИ.

2.1 МОП транзисторы с длиной п- области Ь=500-1000А.

2.2 Вольт-амперные характеристики МОП КНИ транзисторов с несколькими затворами.

2.3 Вольт-амперные характеристики КНИ нано-МОП транзисторов с малой длиной п-области Ь=200-400 А и малым количеством доноров в п-слое.

2.4 Приближенный метод расчета вольт-амперных характеристик и крутизны в нано-МОП транзисторах с п-каналом и со структурой КНИ с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ВЛИЯНИЕ НА НЕГО КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ.

3.1 Пороговое напряжение в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ и длиной п-слоя Ь0=500-Ю00 А.

3.2 Влияние толщины сверхтонкого основания на пороговое напряжение в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

3.3 Влияние конструктивных параметров на пороговое напряжение в р-канальных нано-МОП транзисторах со структурой КНИ и сверхтонким основанием.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЕМКОСТЕЙ В НАНО-МОП ТРАНЗИСТОРАХ СО СТРУКТУРОЙ КНИ.

4.1 Методы расчета входной, проходной, выходной емкостей в нано

МОП транзисторах со структурой КНИ.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

Актуальность темы. В современной полупроводниковой электронике одну из самых передовых и технологичных ниш занимают нано-МОП транзисторы с длиной канала меньше 300 А и структурой кремний-на-изоляторе (КНИ). Они используются в высокопроизводительных процессорах ведущих мировых производителей Intel и AMD. Этот тип транзисторов вытеснил биполярные и другие типы полевых транзисторов из процессорной электроники, несмотря на некоторый проигрыш в производительности относительно некоторых других типов полевых транзисторов, благодаря своей экономичности, высокой степени интеграции и дешевизне, а также из-за малых величин влияния на характеристики транзистора короткоканальных эффектов.

Стоит отметить, что в настоящее время в Российской Федерации освоена технология производства с технологической нормой 180 нм, закуплено и ожидает запуска оборудование с технологическими нормами 90 нм, в то время как на фабриках AMD в конце 2011 года было налажено серийное производство процессоров по технологической норме 28 нм (280 А). Основным сдерживающим фактором в развитии отечественного производства нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала меньше 300 А является отсутствие теоретических основ проектирования транзисторов данного класса и, как следствие этого, отсутствие какой-либо производственной базы. Нано-МОП транзисторы со структурой КНИ и длиной канала меньше 300 А - крайне сложное конструктивно-технологическое решение, и до настоящего времени в литературе отсутствуют сведения по аналитическим методам расчета параметров таких транзисторов. Несмотря на высокое развитие современных высокопроизводительных ЭВМ и программных комплексов для численного моделирования полупроводниковых приборов, невозможен быстрый инженерный расчет необходимых параметров транзисторов. Разработка простых инженерных аналитических методов расчета позволит рассчитывать электрические и технологические параметры транзисторов данного класса.

Данная работа проводилась в соответствии с планом ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет».

Цель работы - получение аналитических зависимостей основных электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивно-технологических факторов. Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. Разработать аналитический метод расчета выходной вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А.

2. Разработать приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200-400

А.

3. Разработать аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А.

4. Исследовать влияние концентрации основных носителей в п- или р-слоях и их толщины на пороговое напряжение нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Разработать аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

6. Исследовать зависимости емкостей Сзи, СВЬ1Х и Сзс от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с учетом неоднородного распределения носителей заряда по длине канала.

Научная новизна исследований:

1. Разработан аналитический метод расчета переходных вольт-амперных характеристик и крутизны нано-МОП транзистора со структурой

КНИ и длиной канала 500-1000 А в приближении насыщения дрейфовой скорости электронов у5е или дырок у5ь в канале.

2. Разработан приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 200400 А с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала в 2 раза.

3. Разработан аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000

А.

4. Обнаружено, что крутизна наклона входных вольт-амперных характеристик Б зависит от концентрации донорных атомов в п-слое нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Обнаружено, что уменьшение толщины пленки р-81 в р+-р-р+ нано-МОП транзисторов ограничено величиной работы выхода из металла затвора.

6. Разработан аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

7. Впервые при расчете зависимостей емкостей Сзи, Свых и Сзс от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ учитывалось неоднородное распределение носителей заряда по длине канала.

Практическая значимость работы. Основные результаты исследования, а именно: аналитический метод расчета вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А, приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200-400 А, аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А, аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано

МОП транзисторах со структурой КНИ могут быть полезны для разработчиков нано-МОП транзисторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитический метод расчета вольт-амперной характеристики и крутизны нано-МОП транзистора со структурой КНИ и длиной канала 5001000 А в приближении насыщения дрейфовой скорости электронов у5е или дырок у5Ь в канале.

2. Приближенный аналитический метод расчета тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с длиной канала 200-400 А с учетом изменения дрейфовой скорости электронов по длине канала в 2 раза.

3. Аналитический метод расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длиной канала 500-1000 А.

4. Крутизна наклона Э кривой зависимости входной вольт-амперной характеристики зависит от концентрации донорных атомов в п-слое нано-МОП транзисторов со структурой КНИ.

5. Уменьшение толщины пленки р-81 в р+-р-р+ нано-МОП транзисторов ограничено величиной работы выхода из металла затвора.

6. Аналитический метод расчета входной Сзи, выходной Свых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ.

7. Расчет зависимостей емкостей Сзи, СВЬ1Х и Сзс от концентрации подвижных носителей в нано-МОП транзисторов со структурой КНИ с учетом неоднородного распределения носителей заряда по длине канала.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2012), международный научно-методический семинар «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2009, 2010).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 44 наименования. Объем диссертации составляет 103 страницы, включая 40 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Впервые были получены аналитические выражения для зависимости тока стока 1с=А(Узи) и крутизны 8=8(УЗИ) от затворного напряжения для нано-МОП транзисторов с длиной канала Ьк=500-1000 А, при насыщении дрейфовой скорости электронов.

2. Установлено, что нано-МОП транзисторы со структурой КНИ с длиной п-области Ь=500-1000 А и концентрацией доноров в п-области Ыап=1018 у см" в зависимости от величины затворного напряжения(Узи>0) работают в 2х режимах: 1) Узи>УОТп~0,3.0,4 В уменьшение толщины обедненного слоя из доноров в п-слое, который образовался из-за наличия контактной разности потенциалов между металлом затвора и п-81 слоем (фкмз-п-э! < 0,5 В); 2) возникновение слоя накопления электронов на поверхности квазинейтрального п-слоя под затворным электродом.

3. В нано-МОП транзисторах с длиной п-области Ь=150-300 А и

17 малой концентрацией доноров 10 см" количество доноров в п-области оказывается пренебрежимо малым (1-2), причем п-область имеет собственную проводимость даже при фкМз-п-БрО. При Узи>ФкМз-п-81 образуется слой накопления электронов, и возникает отличное от нуля напряжение отпирания

ОТП

4. Двухзатворные нано-МОП транзисторы обоих типов имеют по сравнению с однозатворными в 2 раза больший ток стока 1с и крутизну 8. Трехзатворные МОП транзисторы не имеют преимуществ по сравнению с двухзатворными по величине тока 1с и крутизне 8, но технология изготовления двухзатворных транзисторов оказывается более сложна, так как требует дополнительной операции отдельного осаждения изолирующего толстого окисла.

5. Впервые предложен приближенный метод расчет тока стока и крутизны нано-МОП транзисторов со структурой КНИ на сверхтонком основании для приборов с длиной канала 220 и 320 А с учетом переменной дрейфовой скорости электронов по длине канала.

6. Впервые получено аналитическое выражение (3.15) для расчета порогового напряжения Упор для нано-МОП транзисторов со структурой КНИ и длинои п- области 500-1000 А;

7. Для нано-МОП транзисторов со структурой КИИ впервые были получены аналитические выражения для количественной оценки зависимости порогового напряжения Упор от толщины сверхтонкого основания(хп<75 А) для различных концентраций доноров в подзатворной области.

8. Обнаружено, что уменьшение толщины пленки р-типа в р+-р-р+ нано-МОП транзисторов КНИ до размеров меньше 20 А приводит к технологическим проблемам подбора материала затвора с работой выхода большей, чем у известных сейчас металлов (фР1=5.65 эВ), что ограничивает минимальную толщину пленки р-81 20 А для обеспечения соответствующего порогового напряжения.

9. Обнаружено, что на пороговое напряжение оказывает влияние концентрация дырок в пленке кремния, увеличение концентрации акцепторов

1С 1 о ^

N3 от 10 до 10 см" приводит увеличению порогового напряжения на ~0.2 В.

10. Получены простые инженерные формулы для расчета входной Сзи, выходной СВых и проходной Сзс емкостей в нано-МОП транзисторах со структурой КНИ, впервые учитывалось линейное распределение по длине канала, концентрации подвижных носителей индуцированного затворным напряжением при приложении стокового напряжения. В результате емкость Сзи оказывается на 25% меньше, чем в приближении однородного распределения носителей заряда по длине канала.

1. Майская В. Будущие транзисторные структуры / В. Майская. // Электроника: НТБ. 2002. - №3. - С. 64-67.

2. Асеев А.Л. Перспективы применения структур кремний-на-изоляторе: в микро-, наноэлектронике и микросхемотехнике / А.Л. Асеев, В.П. Попов, В.П. Володин, В.Н. Марютин // -МСТ. -№9. -2002.

3. Мустафаев А.Г. Разработка структур кремний на изоляторе на основе пористого кремния / А.Г. Мустафаев, А.Г. Мустафаев // Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» -2008.

4. Попов В.П. Кремний-на-изоляторе: материал и приборные структуры /

5. B.П. Попов, ИВ. Антонова, A.A. Французов, О.В. Наумова, Н.В. Сапожникова // Нано- и микросистемная техника. -2001. -№ 10. -С. 8.

6. Суворов А.Л. Технологии и методы исследования структур КНИ: Монография / А.Л. Суворов, Б.Ю. Богданович, А.Г. Залужный, Графутин, В.И. Калугин В.В., A.B. Нестерович, Е.П. Прокопьев, С.П. Тимошенков, Ю.А. Чаплыгин //- М.: МИЭТ. -2003. -289 с.

7. Мустафаев А.Г. Влияние конструкции на характеристики субмикронных КНИ МОП-транзисторов / А.Г. Мустафаев, А.Г. Мустафаев, Г.А. Мустафаев // Нано и микросистемная техника. -№7. -2010. -С.8-13.

8. Суворов А.Л. Анализ преимуществ, перспектив применений и технологий производства структур КНИ: Препр. 27-00 / А.Л. Суворов, Ю.А. Чаплыгин,

9. C.П. Тимошенков и др. // -М.:ИТЭФ. -2000. -51 с.

10. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов / Г.Я. Красников // М.: Техносфера. - 2004. - ч.2.-536 с.

11. Таиг Y. CMOS scaling into the nanometer regime / Y. Taur, D. Buchanan, W. Chen, D. Frank. // Proc. IEEE, -1997. -vol. 85. -p. 486.

12. Майская В. Транзисторы компании Intel с тройным затвором / В. Майская. // Электроника: НТБ. 2002. - №3. - С. 50-52.

13. Орликовский А.А. Кремниевая транзисторная наноэлектроника / А.А. Орликовский // Известия вузов. Электроника. -2000. -№ 5. -С.35-44.

14. Макушин М. Системы литографии: перспективы и экономические аспекты развития / М. Макушин // Электроника: наука, технология, бизнес. -2010. -N3. С. 46-55

15. Зайцев Н.А. Роль границ раздела в наноразмерных МДП-транзисторах с многослойными high-K-диэлектриками / Н.А. Зайцев и др. // Нано- и микросистемная техника. М., 2011. - № 8. - С. 15-17.

16. Техническая информация компании Intel. Intel White Paper: Introducing the 45 nm Next-Generation Intel Core Microarchitecture. URL: http://www.intel.com/technology/intel64/index.htm

17. Palestri P. A comparison of advanced transport models for the computation of the drain current in nanoscale nMOSFETs/ P. Palestri, C. Alexander, A. Asenov etc. // Solid-State Electronics. -2009. -vol. 53. -pp. 1293-1302.

18. Lucci L. Multi-subband Monte-Carlo study of transport, quantization and electron gas degeneration in ultra-thin SOI n-MOSFETs / L. Lucci, P. Palestri, D. Esseni, L. Bergagnini, L. Selmi //IEEE Trans Electron Dev -2007. -vol.54(5) -pp.1156-64.

19. Ando T. Electronic properties of two-dimensional systems / T. Ando, A. Fowler, F. Stern // Rev Modern Phys -1982 -vol.54, -pp.437.

20. Lucci L. Analysis of transport properties of nanoscale SOI devices: full quantum versus semiclassical models / L. Lucci, M. Bescond, R. Clerc, P. Palestri, D. Esseni, L. Selmi // Proceedings EUROSOI; -2007. -p.43-44.

21. Esseni D. On the modeling of surface roughness limited mobility in SOI MOSFETs and its correlation to the transistor effective field / D. Esseni // IEEE Trans Electron Dev -2004. -vol.51(3) -pp.394-401.

22. Toniutti P. Revised analysis of the mobility and Ion degradation in high-k gate stacks: surface optical phonons vs. remote Coulomb scattering / P. Toniutti, P. Palestri, D. Esseni, L. Selmi // ESSDERC. -2008. -pp.246-249.

23. Palestri P. An improved semiclassical Monte-Carlo approach for nano-scale MOSFET simulation / P. Palestri, S. Eminente, D. Esseni, C. Fiegna, E. Sangiorgi, L. Selmi // Solid State Electron -2005. -vol.49, -pp.727-732.

24. Brugger S. Computation of semiconductor properties using moments of the inverse scattering operator of the Boltzmann equation / S. Brugger // Ser Microelectron. -2007. -pp. 166-172.

25. Bufler F. Efficient Monte Carlo device modeling / F. Bufler, A. Schenk, W. Fichtner // IEEE Trans Electron Dev. -2000. -vol.47(10) -pp. 1891-1897.

26. Ghetti A. 3D Monte Carlo device simulation of nanowire MOSFETs including quantum mechanical and strain effects / A. Ghetti, D. Rideau // Proceedings SISPAD. -2006. -p. 67.

27. Alexander CL. Increased intrinsic parameter fluctuations through ab initio Monte Carlo simulations in nano-scaled MOSFETs / CL. Alexander, G. Roy, A. Asenov // IEDM technical digest. -2006.

28. Riddet С. Convergence properties of density gradient quantum corrections in 3D ensemble Monte Carlo simulations / C. Riddet, A. Asenov // Proceedings simulation of semiconductor processes and devices. -2008. -pp.261-264.

29. Baccarani G. Theoretical foundations of the quantum drift-diffusion and density-gradient models / Baccarani G, Gnani E, Gnudi A, Reggiani S, Rudan M. // Solid State Electron. -2008. -vol.52(4) -pp.526-532.

30. Александров П.А. Применение ионной имплантации водорода в КНИ-технологии / П.А. Александров, Е.К. Баранова и др. // Известия вузов. Электроника. -2000. -№ 5. -С. 17-21.

31. Романов С. И. Исследование структуры типа "Кремний на пористом кремнии" и создание технологического процесса для серийного производства приборов на их основе (http://okb-nzpp.chat.ru/kni.htm).

32. Попов В.П. Свойства структур и приборов на кремний-на-изоляторе / В.П. Попов, И.В. Антонова, А.А. Французов и др. // Физика и техника полупроводников. -2001. -Т.35. -№9. -С. 1075-1082.

33. В.П. Попов, А.И. Антонова, JI.B. Миронова, В.Ф. Стась. Патент РФ № 99120527/28(021735) от 28.09.99 г.

34. Flandre D. Fully-Depleted SOI CMOS Technology for Low-Voltage Low-Power Mixed Digital/Analog/Microwave Circuits / D. Flandre, J.P. Collinge, J. Chen. // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 1999. - vol. 21, 3. - pp. 101109.

35. Петров Б.К. Переходные вольтамперные характеристики и крутизна нано-МОП транзисторов со сверхтонким основанием / Б.К. Петров, А.А. Краснов. // Вестник ВГУ, серия физика, математика. -2008. -№2. С. 43-47.

36. Петров Б.К. Расчет переходных вольтамперных характеристик и крутизны нано-МОП транзисторов со сверхтонким основанием с несколькими затворами / Б.К. Петров, А.А. Краснов. // Радиолокация, навигация, связь. -2009. -№2. С. 43-47.

37. Зи С. Физика полупроводниковых приборов / С. Зи. М.: Мир. - 1984. -Т.2.-456 с.

38. Горячев В. А. Физические характеристики КНИ-транзисторов для наноэлектроники / В.А. Горячев. // Успехи современной радиоэлектроники. -2008. №7-С. 54-73.

39. Schmidt M. Mobility extraction in SOI MOSFET with sub 1mm body thickness / M. Schmidt, M.C. Lemme, H.D.B. Gottlob, F. Driussi, L. Shelmi, H. Kurz // Solid-State Electronics. -2009. -vol.33, -pp. 1246-1251.

40. Park J.T. Multiple-Gate SOI MOSFETs: Device Design Guidelines / J.T. Park, J.P. Colinge // IEEE Transactions on Electron Devices. -2002. vol.49 - №. 12. -pp.2222-2228.

41. Драгунов В.П. Основы наноэлектроники / В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин. // М.: Логос. - 2006. - 496 с.

42. Шалимова К.В. Физика полупроводников / К.В. Шалимова // -М.: Энергоатомиздат, -1985. -392 с.

43. Ю П. Основы физики полупроводников / П. Ю, М. Кордона // 3-е изд. -М.: ФИЗМАТЛИТ, -2002. - 560с.

44. Игнатов А.Н. Классическая электроника и нано-электроника / А.Н. Игнатов. // М. .Флинта. - 2009. - 728 с.