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 микрои 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 низкои 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

.

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.