Емкостные и транспортные свойства квазидвумерных электронных слоев в субмикронных полевых транзисторах современной микроэлектроники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Тимофеев, Максим Владимирович

• Тимофеев, Максим Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тимофеев, Максим Владимирович

Введение

Глава I. Особенности емкостных характеристик 14 современных полевых структур. Актуальные проблемы расчета и анализа.

§1.1 Пороговые свойства ПТШ структур с сильно 14 неоднородным профилем легирования.

§1.2 Анализ особенностей накопления поверхностного 30 заряда, обусловленных перезарядкой локализованных состояний.

§1.3 Самосогласованный расчет поверхностной 42 концентрации проводящих электронов с учетом перезарядки поверхностных состояний.

§1.4 Обобщение на случай квазинепрерывного спектра 48 ловушек. Эффективная подвижность и крутизна МОП-транзистора.

§1.5 Накопление заряда в гетеротранзисторах с 55 высокой подвижностью (НЕМТ). Квантовые поправки к результирующей емкости.

Глава II. Транспортные свойства квазидвумерных электронных слоев в гетеротранзисторах.

§2.1 Особенности кулоновского рассеяния в 72 квазидвумерных электронных слоях гетеротранзисторов.

§2.2 Рассеяние квазидвумерных электронов на 80 объемных акустических фононах. Аномальное концентрационное падение подвижности.

§2.3 Разогрев носителей в субмикронных каналах. 88 Ультраквазигидродинамическая транспортная модель.

§2.4 Подавление ударной ионизации за счет 99 электронной инжекции в объемный канал.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Емкостные и транспортные свойства квазидвумерных электронных слоев в субмикронных полевых транзисторах современной микроэлектроники»

Общепринято, что фантастические темпы развития и впечатляющие успехи микроэлектроники [1] 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 [2], обеспечивающие создание интегральных схем (ИС), характеризующихся огромным (10б-109) числом активных электрических элементов - транзисторов в одном кристалле сравнительно малой (порядка 1 см ) площади [3]. 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 [4].

Уже на первых стадиях развития микроэлектроники в начале 70-х годов проявились определенные преимущества полевых, в частности, МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) технологий [5, 6] 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 [7]. 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) [8]; ПТШ (транзистор с затвором Шоттки) [9]; НЕМТ (гетеротранзистор с высокой электронной подвижностью) [10], 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 ПТШ 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 [11-13]. 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 настоящая диссертация.

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 [14]; и во-вторых, транспорт привлеченных носителей от истока к стоку транзистора, обычно описываемый так называемой подвижностью [15], 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 [16] и эффектов локализации [17], а затем уже приступили к изучению низко- и высокополевого транспорта в субмикронных транзисторах на базе представлений теории протекания в неупорядоченных системах [18] и квазигидродинамической модели электронного дрейфа [19].

Следует также подчеркнуть практическую направленность настоящей диссертации, как в плане постановки соответствующих задач, отвечающих последним достижениям в области микроэлектронной технологии в смысле ипользования 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.

Итак, резюмируя вышеизложенное можно сказать, что целью настоящей диссертационной 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:

- 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 описание 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.

Диссертация состоит из введения, двух основных глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Тимофеев, Максим Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении кратко сформулируем выводы диссертации:

1. 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.

2. 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.

3. 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 межподзонного рассеяния.

4. 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тимофеев, Максим Владимирович, 2000 год

1. Валиев К.А. Микроэлектроника: Достижения и пути развития / Москва, Наука, 1986. 144 с.

2. Зи С.М. Технология СБИС / Перевод с английского под ред. Чистякова Ю.Д., Москва, Мир, 1986. 404 с.

3. Ферри Д., Эйкерс Л., Гринич Э. Электроника ультрабольших интегральных схем / Перевод с английского под ред. Мазеля Е.З., Москва, Мир, 1991, 328 с.

4. Малер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем / Перевод с английского под ред. Мазеля Е.З., Москва, Мир, 1989, 630 с.

5. Wallmark J.T., Jonson H. Field-Effect Transistors. Physics, Technology and Application / Presentice-Hall, Englewood Cliffs, N.Y., 1966.

6. Richman P. MOSFET's and Integrated Circuits / Wiley, N.Y., 1973.

7. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов, Кн. 1 и 2 / Перевод с английского под ред. Суриса Р.А., Москва, Мир, 1986, 456 и 474 с.

8. Ihantola H.K.J., Moll J.L. Design Theory of a Surface Field-Effect Transistor / Solid State Electron., 7, 423, 1964.

9. Валиев K.A., Пашинцев Ю.И., Петров Г.В. Применение контакта металл-полупроводник в электронике / Москва, Радио и Связь, 1981,304 с.

10. Ю.Мокеров В.Г., Федоров Ю.В., Тук А.В., Каминский В.Э., Великовский Л. Наноэлектронные СВЧ транзисторы на основе гетероструктур соединений А3В5 с двумерным электронным газом / Москва, Зарубежная радиоэлектроника, №8, 1998, с. 4061.

11. П.Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия / Перевод с английского, Москва, Мир, 1991, 632 с.

12. Кальфа А.А., Тагер А.С. Гетероструктуры с селективным легированием и их применение / Обзор. В книге: Многослойные полупроводниковые структуры и сверхрешетки, Горький, 1985, с. 104-131.

13. Wang G.W., Feng М., Lau C.L., et al. High-performance millimeter-wave ion-implanted GaAs MESFET's // IEEE Electron Dev. Lett., V. ED-10, №2, 1989, p.95-97.

14. Сугано Т., Икома Т., Ткеиси Е. Введение в микроэлектронику / Перевод с английского под ред. Ржанова В.Г., Мир, 1988, 319 с.

15. Selberherr S. Analysis and simulation of semiconductor devices / Wien: Springer-Verlag, 1984, 296 c.

16. Stern F., Haward W. Properties of Semiconductor Surface Inversion Layers in the Electric Quantum Limit // Phys.Rev., V.143, №3, 1967, p.816.

17. Веденеев A.C., Гергель В.А., Ждан А.Г., Сизов В.Е. Локализация электронов при нелинейном экранировании мелкомасштабного флуктуационного потенциала гетерограницы GaAlAs-GaAs // Письма в ЖЭТФ, т.58, вып.5, 1993, с. 369-371.

18. Stanfer D., Ahrony A. Introduction to the percolation theory // Tailor andFransis, London, 1992.

19. Пищалко В. Д., Толстихин В.И. Расчет кинетических коэффициентов квазигидродинамической модели полевых транзисторов на арсениде галлия // Электронная техника, сер.2, Полупроводниковые приборы, вып.З, 1989, с.30-36.

20. Гергель В.А., Тимофеев М.В. Одномерная физико-математическая модель GaAs MESFET структур со сложнымпрофилем легирования // Микроэлектроника, т.26, №6, 1997, с.414-419.

21. Пикус Г.Е. Основы теории полупроводниковых приборов / Москва, Наука, 1965, 447 с.

22. Гергель В.А., Тимофеев М.В., Зеленый А.П. Особенности перезарядки поверхностных состояний в МДП-структурах в режиме сильной инверсии // Микроэлектроника, т.27, №2, 1998, с. 1-4.

23. Гергель В.А., Тимофеев М.В., Зеленый А.П. О температурной и полевой зависимости эффективной поверхностной подвижности в МДП-структурах // Физика и техника полупроводников, т.32, №6, 1998, с.748-751.

24. Гергель В.А., Тимофеев М.В., Зеленый А.П. Особенности перезарядки поверхностных состояний в МДП-структурах в режиме сильной инверсии // Конференция Электроника и информатика 97: Тез. докладов - Москва, 1997, с.87.

25. Гергель В.А., Тимофеев М.В., Зеленый А.П. Влияние перезарядки мелких поверхностных состояний на крутизну МДП-транзисторов // Известия ВУЗов; Электроника, №6, 1998, с.55-61.

26. Гергель В.А., Тимофеев М.В., Зеленый А.П. Мелкие поверхностные состояния причина понижения поверхностной подвижности в структурах металл-диэлектрик-полупроводник и гетеротранзисторах // Радиотехника и электроника, т.44, №11, 1999, с.1355-1359.

27. Гергель В. А., Мокеров В.Г., Тимофеев М.В. Квантово-механические особенности эффекта поля в гетеротранзисторах с модуляционным и 5-легированием // ФТП, т.34, вып.2, 2000, с.234-238.

28. Гергель В.А., Мокеров В.Г., Тимофеев М.В., Федоров Ю.В. Ультраквазигидродинамический электронный транспорт в субмикронных полевых МДП-транзисторах и гетеротранзисторах // ФТП, т.34, вып.2, 2000, 239-242.

29. Рыжий В.И., Баннов Н.А. Математическое моделирование элементов интегральных схем: состояние и проблемы // Микроэлектроника, т. 16, вып.6, с.484-496.

30. Польских Б.С. Численное моделирование полупроводниковых приборов / Рига, Знание, 1986, 168 с.

31. Носов Ю.Р., Петросянц К.О., Шилин В.А. Математическое моделирование элементов интегральной электроники / Москва, Сов. Радио, 1976, 304 с.

32. Шагурин А.И., Коробков И.И. Сверхбыстродействующие арсенидгаллиевые интегральные схемы на основе неоднородно легированных транзисторов с высокой подвижностью электронов // Микроэлектроника, т.23, №5, 1994.

33. Golio J.M.M., Trew R.J. Profile Studies of Ion-Implanted MESFET's // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, V. MTT-31, №12, 1989, p.1066-1071.

34. Garret C.G., Brattain W.H. Physical Theory of Semiconductor Surfaces / Phys. Rev., 1955, v.99, pp. 376-388.

35. Therman L.M. Investigation of Surface States at Silicon/Silicon Dioxid Interface // Solid State Electron., 1962, №5, pp. 285-293.

36. Berglund C.N., Surface States at Steam-Grown Silicon-Silicon Dioxid Interface / IEEE Trans. Electron. Devices, 199, ED-13, pp. 701-713

37. Lechoves K., Slobodskay A. Field Effect Capasitance Analysis of Surface States on Silicon / Phys. Stat. Solid., 1963, v. 3, pp. 447-459.

38. Grove A.C., Deal B.E., Snow E.H. Investigation of Thermally-Oxidized Silicon Surfaces / Solid St. Electron., 1965, v.8, pp. 145-153

39. Sah C.T. Carcteristics of the Metal-Oxide-Semiconductor Transistors // IEEE Trans. Electron. Devices, 1964, ED-11, pp. 324-333.

40. Hofstein S.R., Helman F.P. The Silicon Insulated gate Field-Effect Transistor. //Proc. IEEE, 1963, 51, pp. 1190-1210.

41. Ржанов A.B. Электронные процессы на поверхности полупроводников / Москва, Наука, 1971, 279 с.

42. Бонч-Бруевич B.JL, Калашников С.Г. Физика полупроводников / Москва, Наука, 1977, 672 с.

43. Блекмор С.Е. Статистика электронов в полупроводниках / Пер. с англ. под ред. Ржанова А.В., Москва, Мир, 1976.

44. Гергель В. А., Сурис Р. А. Исследование флуктуаций поверхностного потенциала в структурах металл-диэлектрик-полупроводник//ЖЭТФ, 1978, т.75, с.191-199.

45. Гергель В.А., Сурис Р.А. Теория поверхностных состояний и проводимости в структурах металл-диэлектрик-полупроводник // ЖЭТФ, 1983, т.84, с.719-728.

46. Литовченко В.Г., Горбань А.П. Основы физики МДП-приборов / Киев, Наукова думка, 1978, 243 с.

47. D.V.Amelin, A.V.Hook, V.G.Mokerov. Influence of the parameters of the donor layer of the characteristics of the N-AlGaAs/InGaAs/GaAs-P-HEMT // In: Compounds Semiconductors, Philadelphia, Institute of Physics Conference, 1996.

48. Андо Т., Фаулер А., Стерн Ф. Электронные свойства двумерных систем / Перевод с англ., Москва, Мир, 1985.

49. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика / Москва, Физматгиз, 1963, 456 с.

50. Чаплик А.В. Энергетический спектр и процессы рассеяния электронов в инверсионных слоях // ЖЭТФ, 1971, т.60, с. 18451852.

51. Рыжик И.М., Градштейн И.С. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений / Физматгиз, 1962.

52. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников / Москва, Физматгиз, 1962, 420 с.

53. Блатт Ф.Д. Теория подвижности электронов в твердых телах / Физматгиз, 1963, 224 с.

54. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы / Москва, Наука, 1964, 228 с.

55. Федирко В. А. Статические характеристики субмикронного полупроводникового триода при баллистическом движении носителей заряда // Электронная техника, сер.З, Микроэлектроника, вып.З, 1984, с. 23-28.

56. Рыжий В.И., Баннов H.A., Федирко В.А. Баллистический и квазибаллистический транспорт в полупроводниковых структурах (обзор) // ФТП, 1984, т. 18 , вып.5, с.769-786.

57. Kizilyalli I.C., Hess К.,Larson J.L. et al. // IEEE Trans. Electron Dev., 1986, v.33, №10, p. 1427.5 8. Каминский В.Э. Нелокальная модель расчета переноса и В АХ гетероструктурных полевых транзисторов // Микроэлектроника, 1988, т. 17, вып.5, с.421-427.

58. Lee К., Shur M.S., Drummond T.J. at al. // IEEE Trans. Electron Dev., 1984, v.31, №1, p.29.

59. Кальфа A.A. // Электрон, техника. Cep.l, 1985, №11, c.383.

60. Ridley B.K. Hot electrons in low-dimensional structures // Rep. Prog. Phys. 54, 1991, p. 169-256.

61. Лаврентьев M.A., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного / Москва, Наука, 1965, 716 с.

62. Тимофеев М. В. Одномерная физико-математическая модель GaAs MESFET-струтур со сложным профилем легирования //