ФММН2009 - Электронная библиотека БГУ

ЭФФЕКТЫ ВЛИЯНИЯ СТОКА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ В
ИНВЕРСИОННОМ СЛОЕ КРЕМНИЯ В КОРОТКОКАНАЛЬНЫХ МОПТРАНЗИСТОРАХ
О.Г. Жевняк
Белорусский государственный университет
[email protected], [email protected]
In this paper induced by drain voltage effects on electric potential in inversion layer of short
channel MOSFETs are studied. It is shown there is the region with slow negative changing of
potential in these devices. The principal parameters which control the negative behavior of electric
potential in short channel MOSFETs are considered. The DIBL-effect are modeled by means of
Monte Carlo simulation.
ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ.
В настоящее время существуют технологические возможности для производства
короткоканальных кремниевых МОП-транзисторов с длиной проводящего канала порядка
0.2 мкм и чуть менее. Достижения в нанотехнологиях позволяют уменьшать длину канала и
далее в более глубокий нанометровый диапазон. Однако существенным сдерживающим
фактором является отсутствие точных физико-математических моделей и программных
средств моделирования таких ультра короткоканальных МОП-транзисторов. Сложный
характер взаимодействия электрических полей, формируемых напряжениями на электродах
транзистора вследствие малых размеров активных элементов, требуют скрупулезного учета
всех эффектов, как квантовых, так и электродинамических, протекающих в этих приборах
(см., например, обзорные работы [1, 2]).
Настоящий работа посвящена установлению ряда закономерностей, связанных с
влиянием поля стока на электрический потенциал в инверсионном слое кремниевого МОПтранзистора с малой длиной канала (пару сотен нанометров) при напряжениях на затворе,
превышающих пороговое и сравнимых с напряжением на стоке.
На рис. 1 приведена конструктивная схема исследуемого транзистора. Будем
исследовать приборы с параметрами Lch = 0.2 μм, dox = 10 нм, n+ = 1025 м–3, NA = 1024 м–3.
Влияние поля стока на электрический потенциал в инверсионном слое кремния,
создаваемого полем затвора, обуславливается двумя эффектами: распространением
потенциала стока в продольном направлении (по координате x) и в поперечном (по
координате z). В первом случае происходит наложение (суперпозиция) потенциалов стока и
затвора, что проявляется в так называемом эффекте уменьшения барьера исток-канал
(англоязычное название DIBL-эффект). Во втором случае наблюдается встречное включение
потенциалов, что приводит к резкому увеличению области обеднения у стока и, перекрытию
инверсионного слоя кремния вблизи стока. Ключевыми параметрами, отвечающими за
проявление первого эффекта, являются VD и Lch, второго — VD и dj. На рис. 2 схематически
продемонстрировано проявление этих эффектов.
VG
VS
VD
dox
n+ dj
X
Z
исток
n+
Vвстр
SiO2 gate
n+
Lch
p – Si
NA
Подложка
Рис. 1. Конструктивная модель исследуемого
прибора.
VD
сток
n+
а)
сток
n+
Δφ
исток
б)
n+ ΔLист
Рис. 2. Ход потенциала у поверхности
раздела Si/SiO2 в МОП-транзисторах.
При отсутствии напряжения на стоке (рис. 2а) и наличии напряжения на затворе
МОП-транзистор можно рассматривать как своеобразный биполярный транзистор типа n+–
n–n+ , в котором между каналом и областями истока и стока существует барьер (встроенное
напряжение), величиной Vвстр. Его значение зависит от напряжения VG и при комнатной
температуре составляет порядка 0.1÷0.5 эВ. При напряжении VD, отличном от нуля,
происходит подъем уровня стока относительно истока на эту величину и определенное
изменения потенциала в канале, вызванное как отмеченным выше наложением потенциалов,
так и возникновением тока электронов, протекающим через канал от истока к стоку.
Произойдет как изменение величины барьера Δφ (причем он может вообще исчезнуть), так и
изменение величины ΔLист, определяющий его пространственные размеры. Кроме того,
вследствие сравнимости длины канала Lch с глубиной залегания областей истока и стока dj,
также станет неоднородным и ход потенциала в канале как по координате x, так и по
координате z. При этом в некоторой области канала произойдет встречное и равное
взаимодействие напряжений стока и затвора, в результате чего станет увеличиваться область
обеднения, а инверсионный канал начнет истончаться. В этом месте значение потенциала
должен немного уменьшиться.
Количественный анализ влияния поля стока на электрический потенциал в
инверсионном слое кремния для рассматриваемого МОП-транзистора можно осуществить
только с помощью самосогласованного решения уравнений Пуассона и Больцмана на основе
моделирования электронного переноса в канале прибора методом Монте-Карло. Для этого
нами использованы те же модели и процедуры моделирования, что были предложены и
описаны в ранних работах автора с рядом соавторов (см., например, [3, 4]).
Будем исследовать влияние на изменения электрического потенциала у поверхности
раздела Si/SiO2 величин VG, VD и dj.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ.
На рис. 3 приведены полученные нами в результате численного моделирования
электронного переноса в исследуемых приборах методом Монте-Карло зависимости
значения электрического потенциала (т.е. его ход) на поверхности раздела Si/SiO2 для
структур с тремя разными значениями dj при VG = VD = 2 В: 1 – dj = 10 нм, 2 – dj = 50 нм, 3 –
dj = 100 нм. Результаты моделирования показывают, что при данных условиях наблюдается
полное исчезновение барьера на границах области истока (100 % DIBL). Кроме того,
отмечается, что фактически точно посередине канала происходит обратное встречное
взаимодействие затворного и стокового напряжений, т.е. перегиб хода потенциала. Величина
перегиба ΔV изменяется от 50 мВ для dj = 10 нм до 90 мВ для dj = 100 нм.
V, В
3
сток
n+
2
ΔV
1
исток
n+
3
1
2
Δx
Lch
Рис. 3. Величина электрического потенциала вдоль длины канала у поверхности
раздела Si/SiO2 для приборов с тремя разными значениями dj.
На рис. 4 и 5 представлены результаты моделирования, демонстрирующие влияние на
величину перегиба ΔV и его расположение вдоль канала (на относительном расстоянии от
истока Δx/Lch) напряжений стока и затвора. Как видно из приведенных зависимостей, с
увеличением VD величина ΔV незначительно уменьшается, так же как и незначительно
смещается рассматриваемый перегиб потенциала в сторону истока. Величина же VG
оказывает на значения ΔV и Δx/Lch более существенное влияние, заметно уменьшая ΔV и
смещая перегиб по направлению к стоку. Очевидно, что данные результаты хорошо
соотносятся с простыми теоретическими предположениями.
Δx/Lch
ΔV, В
0.4
0.3
0.2
0.1
0.6
3
2
0.4
1
2
1
3
1
0.2
VD, В
VD, В
2
3
Рис. 4. Зависимости величины ΔV от VD и VG:
1 – VG = 1 В, 1 – VG = 2 В, 1 – VG = 2.5 В.
1
2
3
Рис. 5. Зависимости величины Δx/Lch от VD и
VG: 1 – VG = 1 В, 1 – VG = 2 В, 1 – VG = 2.5 В.
Можно также отметить, что при VG = 1 В, величина ΔV практически совпадает с Vвстр,
что свидетельствует о том, что в этих условиях отсутствует эффект DIBL, и величина
стокового напряжения на него не влияет. Этот факт можно объяснить тем, что при VG = 1 В в
канале транзистора индуцирован малый инверсный заряд (малая концентрация инверсных
электронов), в результате чего изменения поля стока слабо меняют величину этого заряда.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Таким образом, полученные в настоящей работе результаты подтверждают вывод о
сложном и противоречивом характере влияния стокового напряжения на значения
электрического потенциала в короткоканальных МОП-транзисторах. В зависимости от
приложенных к электроду напряжений, а также глубины залегания областей истока и стока в
приборе могут наблюдаться участки с различным характером изменения потенциала,
происходит ослабление или существенное усиление пространственных эффектов и, в
частности, DIBL.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Fiegna C., Iwai H., Wada T., Saito M., Sangiorgi E., and Ricco B. Scaling the MOS
Transistor Below 0.1 μm: Methodoloqy, Device Structures, and Technology Requirements // IEEE
Trans. Electron Dev. – 1994. – Vol. 41, No 6. – P. 941–951.
2. Красников Г. Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных
МОП-транзисторов. В 2-х частях. Часть 1. – М.: Техносфера, 2002. – 416 с.
3. Борздов В.М., Жевняк О.Г., Комаров Ф.Ф., Галенчик В.О. Моделирование
методом Монте-Карло приборных структур интегральной электроники – Мн: БГУ, 2007. –
187 с.
4. Zhevnyak O. Temperature effect on electron transport in conventional short channel
MOSFETs: Monte Carlo simulation // Proc. SPIE. – 2008. – Vol. 7025. – P. 1M-1–8.