eng
Выпуск #9/2018
Марьина Елена Владимировна, Имаметдинов Эмиль Фэридович, Краснюк Андрей Анатольевич
Моделирование многозатворных транзисторных структур с островками легирования в канале
Моделирование многозатворных транзисторных структур с островками легирования в канале
Просмотры: 2417
Разработана и исследована референсная модель для анализа SGMOS (split gate MOS) транзисторов. Показано, что применение расщепленного затвора вполне эффективно в модуляционно-легированных структурах класса PDCFET. Снижение крутизны, быстродействия и изменение ВАХ транзисторных структур не носит катастрофический характере вплоть до температур 200–250 °C…
УДК 621.382+621.396.6
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.229.233
УДК 621.382+621.396.6
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.229.233
Теги: mos structures periodically doped channel split gate мдп транзисторные структуры периодически легированный канал расщепленный затвор
ВВЕДЕНИЕ
Наноразмерные МДП транзисторные структуры с расщепленным затвором (split gate MOS — SGMOS) обеспечивают возможность формирования одномерных и двумерных элементов в скрытом слое двумерного электронного газа. Считается, что применение расщепленных электродов наиболее эффективно в модуляционно-легированных структурах и менее эффективно в дельта-легированных образцах [1]. В работах [2–3] рассматривались МДП транзисторные структуры по технологии PDCFET (periodically doped channel), в которых используется модуляционно-легированный канал. Представляется актуальной задача исследования подобных структур как структур с расщепленным затвором, поскольку позволяет рассмотреть возможность создания на их основе целого ряда датчиков и преобразователей, в частности для устройств на основе поверхностного плазменного резонанса [4].
МОДЕЛЬ SGMOS
Основной задачей исследования является разработка транзисторных структур при помощи приборно-технологических программ моделирования, которые можно использовать для экстракции SPICE параметров датчиков и преобразователей для высокотемпературной электроники, а также исследование характеристик полученных структур для устройств на основе поверхностного плазменного резонанса. Предметом исследования в работе является МДП транзисторная структура с периодически легированным каналом, созданная по прототипу технологии XFAB 1,0 мкм HT (высокотемпературная). Модель МДП-транзистора с периодически легированным каналом и является основным объектом исследования в данной работе. Анализируемые МДП структуры выполнены по технологическим нормам 0,5 мкм КНИ КМОП. Особенностью полученной структуры является неоднородное легирование канала (рис. 1) при наличии расщепленного затвора.
При моделировании данного транзистора был соблюден определенный технологический маршрут, ключевым моментом которого является дополнительная ионная имплантация мышьяка для n-канального транзистора и бора для p-канального в подзатворную область. В результате этого канал транзистора приобретает так называемую периодичность легирования.
Также при моделировании анализируемой структуры были сформированы слаболегированные LDD-области, которые удлиняют области стока и истока в сторону канала. В целях изоляции затвор МОП-транзистора окружен разграничительной прослойкой в виде толстого слоя окисла кремния.
Для дальнейшего исследования будем рассматривать n-канальный МОП транзистор и его характеристики. Для анализа полученной структуры были построены графики распределения примесей, на рис. 2 приведено распределение концентрации примесей в подзатворной области.
Анализ показал, что:
начальная эффективная длина канала составляет 0,25 мкм;
при формировании n-карманов транзистора максимальная концентрация примеси равна 3,16 · 1020 см−3;
при формировании подзатворной области с помощью дополнительной имплантации бором максимальная концентрация примеси возникает на границе раздела кремний — оксид кремния.
Была проведена оценка зависимостей ВАХ от уровня легирования островка в канале транзистора и его длины, которые приведены соответственно на рис. 3 и рис. 4.
Результаты показывают ожидаемые увеличение крутизны и уменьшение порогового напряжения при возрастании уровня легирования островка, что объясняется модельным приближением к поведению транзисторной структуры при наличии двумерного электронного газа. Наблюдающиеся снижение крутизны и рост порогового напряжения при увеличении размеров островка легирования канала вполне соответствуют омической модели для транзисторов с расщепленным затвором. Показано, что данная зависимость имеет квадратичный характер, а именно: при увеличении длины островка легирования в N2 раз соответствующее снижение крутизны транзистора будет пропорционально в N раз.
ХАРАКТЕРИСТИКИ SGMOS ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Общее изменение ВАХ транзисторов при увеличении температуры во многом связано не только с уменьшением крутизны, но и с соответствующими зависимостями, приведенными на рис. 3 и рис. 4. На рис. 5 показаны зависимости изменения стоковых характеристик при увеличении температуры до 500 °К.
Сдвиг ВАХ можно объяснить наличием в модели граничных дельтообразных изменений концентрации примесей, как было показано на рис. 2, что в свою очередь может служить источником ряда высокотемпературных эффектов. В частности, при достаточно большой напряженности поля вблизи области стока возможно образование процесса ударной ионизации. Результаты моделирования подтверждают данный тезис, как показано на рис. 6. Но данный процесс для SGMOS не имеет линейной зависимости от температуры, в частности, для номинальной длины канала 0,25 мкм наименьший коэффициент ионизации возникал при температуре 127 °C. Возможно, данный эффект связан с уменьшением подвижности носителей в канале при росте температуры и с соответствующим ростом омического сопротивления островка легирования канала, выполняющего роль токоограничивающего резистора.
В целом, результаты анализа показали, что наличие паразитных n-p-n-структур не носит катастрофический характер вплоть до температур 200–250 °C. Островок легирования канала не эквивалентен базовой области биполярного транзистора для данной конкретной модели. Островок легирования в канале допустимо рассматривать как демпфирующий резистор, позволяющий изменять ВАХ транзистора, с целью компенсации, например, высокотемпературных эффектов.
Таким образом, разработана и исследована референсная модель для анализа SGMOS транзисторов. Показано, что применение расщепленного затвора вполне эффективно в модуляционно-легированных структурах класса PDCFET.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана и исследована референсная модель для анализа SGMOS транзисторов. Показано, что применение расщепленного затвора вполне эффективно в модуляционно-легированных структурах класса PDCFET. Снижение крутизны, быстродействия и изменение ВАХ транзисторных структур не носит катастрофический характер вплоть до температур 200–250 °C. Высокотемпературные эффекты не имеют линейной зависимости от температуры, в частности, для номинальной длины канала 0,25 мкм наименьший коэффициент ударной ионизации возникал при температуре 127 °C. Это предполагает возможность формирования оптимальных режимов управления транзисторами для датчиков и аналоговых приложений. Соответственно, можно предположить возможность применения данных транзисторных структур в высокотемпературной электронике, датчиках и устройствах на эффектах поверхностного плазменного резонанса.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 14-29-09207.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Punnoose А., Finkelstein A. M. Metal-Insulator Transition in Disordered Two-Dimensional Electron Systems, Science, Vol. 130, 2005, p. 289.
2. Krasnyuk A. A., Orlov O. M., Maryina E. V. Analysis of Characteristics for Periodically Doped Channel Field-effect Transistors Under Extreme Thermal Conditions. Russian Microelectronics. 2015 Volume 44,Issue 4, pp. 231–235.
3. Krasnyuk A. A., Orlov O. M., Imametdinov A., Maryina E. Development and Modeling for Submicron PDCFET Transistors // Problems of Perspective Micro- and Nanoelectronic Systems Development — 2014. Proceedings / Edited by A. Stempkovsky, Moscow, IPPM RAS, 2014. Part II, pp. 155–158.
4. Krasnyuk A. A., Orlov O. M., Imametdinov E. F., Maryina E. V. Development and modeling for submicron PDCFET transistors //Problems of Perspective Micro- and Nanoelectronic Systems Development — 2014. Proceedings / edited by A. Stempkovsky, Moscow, IPPM RAS, 2014. Part II. P. 155–158.
5. Krasnyuk A. A., Orlov O. M., Imametdinov E. F., Maryina E. V. Development and modeling for submicron PDCFET transistors // All-Russian scientific technical meeting (Development problems of the perspective micro- and nanoelectronics systems 2014).
6. Podlepetsky B. I. Integrated Hydrogen Sensors Based on MIS Transistor Sensitive Elements: Modeling of Characteristics // Automation and Remote Control. 2015. Vol. 76. № 3. P. 535–547.
7. Денисенко В. В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микро- и наноэлектронике. M.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. — 408 с.
8. Physical verification system // http://www.cadence.com/ Training/Pages/learning_maps.aspx.
9. Rim K. et al. Characteristics and Device Design of Sub-100nm Strained Si N — and PMOSFETs // Symposium on VLSI Technology`02 June. — 2002. — P. 98.
10. Barbashov V. M. the Functional-logic simulation of digital VLSI degradation when exposed to radiation // Microelectronics. 2015. V. 44. № 1. P. 59 (In Russian).
11. Зебрев Г. И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: учебное пособие для вузов — М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2011. — 240 с.
12. Stenin V. Ya. Simulation of the Characteristics of the DICE 28-nm CMOS Cells in Unsteady States Caused by the Effect of Single Nuclear Particles // Russian Microelectronics. 2015. Vol. 44. No. 5. P. 324–334. DOI: 10.1134/S1063739715040095.
13. Stenin V. Ya., Katunin Yu. V., Savchenkov D. V., Stepanov P. V. Research of 65-nanometer CMOS one-port and multiport blocks of static RAM on DICE memory cells to influence of laser radiation pulses // Questions of atomic science and technique. Series: Physics of radiation effects on radio-electronic equipment. 2015. № 3. P. 5–12. http://elibrary.ru/item.asp?id=24365155.
14. Patrikeev L., Podlepetsky B., Popov V. Formation of the charge in SiO2 of MOS structure under the reactor irradiation // Russian Microelectronics. 1973. Vol. 2. № 1. P. 7–9.
15. Barbashov V. M., Trushkin N., Kalashnikov O. A. Deterministic and not deterministic models of VLSI failure when exposed to radiation // Microelectronics. 2015. Vol. 44. No. 5. S. from counter 355 to 358.
16. Krasnyuk A. A., Imametdinov E. F., and Mar’ina E. V. PDCFET models for high-temperature detectors// 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. — Moscow: National Research University “Higher School of Economics”. Russia, Moscow, May 12−14, 2016. IEEE Catalog Number: CFP16794-CDR. Online ISSN: 2380-6516.
Наноразмерные МДП транзисторные структуры с расщепленным затвором (split gate MOS — SGMOS) обеспечивают возможность формирования одномерных и двумерных элементов в скрытом слое двумерного электронного газа. Считается, что применение расщепленных электродов наиболее эффективно в модуляционно-легированных структурах и менее эффективно в дельта-легированных образцах [1]. В работах [2–3] рассматривались МДП транзисторные структуры по технологии PDCFET (periodically doped channel), в которых используется модуляционно-легированный канал. Представляется актуальной задача исследования подобных структур как структур с расщепленным затвором, поскольку позволяет рассмотреть возможность создания на их основе целого ряда датчиков и преобразователей, в частности для устройств на основе поверхностного плазменного резонанса [4].
МОДЕЛЬ SGMOS
Основной задачей исследования является разработка транзисторных структур при помощи приборно-технологических программ моделирования, которые можно использовать для экстракции SPICE параметров датчиков и преобразователей для высокотемпературной электроники, а также исследование характеристик полученных структур для устройств на основе поверхностного плазменного резонанса. Предметом исследования в работе является МДП транзисторная структура с периодически легированным каналом, созданная по прототипу технологии XFAB 1,0 мкм HT (высокотемпературная). Модель МДП-транзистора с периодически легированным каналом и является основным объектом исследования в данной работе. Анализируемые МДП структуры выполнены по технологическим нормам 0,5 мкм КНИ КМОП. Особенностью полученной структуры является неоднородное легирование канала (рис. 1) при наличии расщепленного затвора.
При моделировании данного транзистора был соблюден определенный технологический маршрут, ключевым моментом которого является дополнительная ионная имплантация мышьяка для n-канального транзистора и бора для p-канального в подзатворную область. В результате этого канал транзистора приобретает так называемую периодичность легирования.
Также при моделировании анализируемой структуры были сформированы слаболегированные LDD-области, которые удлиняют области стока и истока в сторону канала. В целях изоляции затвор МОП-транзистора окружен разграничительной прослойкой в виде толстого слоя окисла кремния.
Для дальнейшего исследования будем рассматривать n-канальный МОП транзистор и его характеристики. Для анализа полученной структуры были построены графики распределения примесей, на рис. 2 приведено распределение концентрации примесей в подзатворной области.
Анализ показал, что:
начальная эффективная длина канала составляет 0,25 мкм;
при формировании n-карманов транзистора максимальная концентрация примеси равна 3,16 · 1020 см−3;
при формировании подзатворной области с помощью дополнительной имплантации бором максимальная концентрация примеси возникает на границе раздела кремний — оксид кремния.
Была проведена оценка зависимостей ВАХ от уровня легирования островка в канале транзистора и его длины, которые приведены соответственно на рис. 3 и рис. 4.
Результаты показывают ожидаемые увеличение крутизны и уменьшение порогового напряжения при возрастании уровня легирования островка, что объясняется модельным приближением к поведению транзисторной структуры при наличии двумерного электронного газа. Наблюдающиеся снижение крутизны и рост порогового напряжения при увеличении размеров островка легирования канала вполне соответствуют омической модели для транзисторов с расщепленным затвором. Показано, что данная зависимость имеет квадратичный характер, а именно: при увеличении длины островка легирования в N2 раз соответствующее снижение крутизны транзистора будет пропорционально в N раз.
ХАРАКТЕРИСТИКИ SGMOS ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Общее изменение ВАХ транзисторов при увеличении температуры во многом связано не только с уменьшением крутизны, но и с соответствующими зависимостями, приведенными на рис. 3 и рис. 4. На рис. 5 показаны зависимости изменения стоковых характеристик при увеличении температуры до 500 °К.
Сдвиг ВАХ можно объяснить наличием в модели граничных дельтообразных изменений концентрации примесей, как было показано на рис. 2, что в свою очередь может служить источником ряда высокотемпературных эффектов. В частности, при достаточно большой напряженности поля вблизи области стока возможно образование процесса ударной ионизации. Результаты моделирования подтверждают данный тезис, как показано на рис. 6. Но данный процесс для SGMOS не имеет линейной зависимости от температуры, в частности, для номинальной длины канала 0,25 мкм наименьший коэффициент ионизации возникал при температуре 127 °C. Возможно, данный эффект связан с уменьшением подвижности носителей в канале при росте температуры и с соответствующим ростом омического сопротивления островка легирования канала, выполняющего роль токоограничивающего резистора.
В целом, результаты анализа показали, что наличие паразитных n-p-n-структур не носит катастрофический характер вплоть до температур 200–250 °C. Островок легирования канала не эквивалентен базовой области биполярного транзистора для данной конкретной модели. Островок легирования в канале допустимо рассматривать как демпфирующий резистор, позволяющий изменять ВАХ транзистора, с целью компенсации, например, высокотемпературных эффектов.
Таким образом, разработана и исследована референсная модель для анализа SGMOS транзисторов. Показано, что применение расщепленного затвора вполне эффективно в модуляционно-легированных структурах класса PDCFET.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана и исследована референсная модель для анализа SGMOS транзисторов. Показано, что применение расщепленного затвора вполне эффективно в модуляционно-легированных структурах класса PDCFET. Снижение крутизны, быстродействия и изменение ВАХ транзисторных структур не носит катастрофический характер вплоть до температур 200–250 °C. Высокотемпературные эффекты не имеют линейной зависимости от температуры, в частности, для номинальной длины канала 0,25 мкм наименьший коэффициент ударной ионизации возникал при температуре 127 °C. Это предполагает возможность формирования оптимальных режимов управления транзисторами для датчиков и аналоговых приложений. Соответственно, можно предположить возможность применения данных транзисторных структур в высокотемпературной электронике, датчиках и устройствах на эффектах поверхностного плазменного резонанса.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 14-29-09207.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Punnoose А., Finkelstein A. M. Metal-Insulator Transition in Disordered Two-Dimensional Electron Systems, Science, Vol. 130, 2005, p. 289.
2. Krasnyuk A. A., Orlov O. M., Maryina E. V. Analysis of Characteristics for Periodically Doped Channel Field-effect Transistors Under Extreme Thermal Conditions. Russian Microelectronics. 2015 Volume 44,Issue 4, pp. 231–235.
3. Krasnyuk A. A., Orlov O. M., Imametdinov A., Maryina E. Development and Modeling for Submicron PDCFET Transistors // Problems of Perspective Micro- and Nanoelectronic Systems Development — 2014. Proceedings / Edited by A. Stempkovsky, Moscow, IPPM RAS, 2014. Part II, pp. 155–158.
4. Krasnyuk A. A., Orlov O. M., Imametdinov E. F., Maryina E. V. Development and modeling for submicron PDCFET transistors //Problems of Perspective Micro- and Nanoelectronic Systems Development — 2014. Proceedings / edited by A. Stempkovsky, Moscow, IPPM RAS, 2014. Part II. P. 155–158.
5. Krasnyuk A. A., Orlov O. M., Imametdinov E. F., Maryina E. V. Development and modeling for submicron PDCFET transistors // All-Russian scientific technical meeting (Development problems of the perspective micro- and nanoelectronics systems 2014).
6. Podlepetsky B. I. Integrated Hydrogen Sensors Based on MIS Transistor Sensitive Elements: Modeling of Characteristics // Automation and Remote Control. 2015. Vol. 76. № 3. P. 535–547.
7. Денисенко В. В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микро- и наноэлектронике. M.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. — 408 с.
8. Physical verification system // http://www.cadence.com/ Training/Pages/learning_maps.aspx.
9. Rim K. et al. Characteristics and Device Design of Sub-100nm Strained Si N — and PMOSFETs // Symposium on VLSI Technology`02 June. — 2002. — P. 98.
10. Barbashov V. M. the Functional-logic simulation of digital VLSI degradation when exposed to radiation // Microelectronics. 2015. V. 44. № 1. P. 59 (In Russian).
11. Зебрев Г. И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: учебное пособие для вузов — М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2011. — 240 с.
12. Stenin V. Ya. Simulation of the Characteristics of the DICE 28-nm CMOS Cells in Unsteady States Caused by the Effect of Single Nuclear Particles // Russian Microelectronics. 2015. Vol. 44. No. 5. P. 324–334. DOI: 10.1134/S1063739715040095.
13. Stenin V. Ya., Katunin Yu. V., Savchenkov D. V., Stepanov P. V. Research of 65-nanometer CMOS one-port and multiport blocks of static RAM on DICE memory cells to influence of laser radiation pulses // Questions of atomic science and technique. Series: Physics of radiation effects on radio-electronic equipment. 2015. № 3. P. 5–12. http://elibrary.ru/item.asp?id=24365155.
14. Patrikeev L., Podlepetsky B., Popov V. Formation of the charge in SiO2 of MOS structure under the reactor irradiation // Russian Microelectronics. 1973. Vol. 2. № 1. P. 7–9.
15. Barbashov V. M., Trushkin N., Kalashnikov O. A. Deterministic and not deterministic models of VLSI failure when exposed to radiation // Microelectronics. 2015. Vol. 44. No. 5. S. from counter 355 to 358.
16. Krasnyuk A. A., Imametdinov E. F., and Mar’ina E. V. PDCFET models for high-temperature detectors// 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. — Moscow: National Research University “Higher School of Economics”. Russia, Moscow, May 12−14, 2016. IEEE Catalog Number: CFP16794-CDR. Online ISSN: 2380-6516.
Отзывы читателей
