Сравнительный анализ кремния на изоляторе металл-оксид-полупроводник и объемных комплементарных металл-оксид-полупроводник структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Факультет радиоэлектроники

Кафедра микрои наноэлектроники

Дисциплина полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе на тему

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КНИ МОП И ОБЪЕМНЫХ КМОП СТРУКТУР

БГУИР КП 1-41 01 03 009 ПЗ

Студент В. В. Зенчик

Руководитель

Б. С. Колосницын

2017



Содержание

Введение

1. Общие сведения о КНИ и КМОП структурах

1.1 Назначение и общие характеристики КМОП структур

1.2 Назначение и общие характеристики КНИ структур

2. Подпороговые характеристики КНИ структур

3. Механизмы пробоя МОП структур

4. Основные плюсы и минусы КНИ и КМОП структур

4.1 Плюсы и минусы КНИ структур

4.2 Плюсы и минусы КМОП структур

Заключение

Литература



Введение

Полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор) в настоящее время является основным элементом сверхбольших интегральных схем (СБИС), таких, как микропроцессоры и полупроводниковые запоминающие устройства. В последнее время они находят широкое применение и в мощных переключающих схемах.

Принцип работы поверхностного полевого транзистора впервые предложен Лилиенфельдом и Хейлом в начале 30-х годов. Позднее, в конце 40-х годов, теорию работы этих приборов развивали Шокли и Пирсон. В 1960 г. Канг и Аталла изготовили первый кремниевый МОП-транзистор (рис.1), используя термическое окисление. Основные характеристики МОП-транзисторов затем исследовали Ихантола и Молл, Са, Хофштейн и Хейман.

Поскольку ток в МОП-транзисторах переносится в основном носителями только одного типа (например, электронами в n-канальных приборах), МОП-транзисторы обычно относят к классу униполярных приборов. кремний изолятор оксид полупроводник

В настоящее время для улучшения тех или иных рабочих характеристик довольно большое число различных структурных модификаций МОП-транзисторов. Особенности работы некоторых, наиболее представительных из них описаны ниже. Мы рассмотрим КНИ МОП и КМОП структуры.

Основная структура полевого транзистора металл-окисел-полупроводник (МОП-транзистора) приведена на рис. 1. Этот четырхполюсный прибор состоит из полупроводниковой подложки p-типа, в которой сформированы (например, с помощью ионной имплантации) две высоколегированные n+-области - сток и исток.

Металлический электрод, отделенный от подложки слоем окисла, называется затвором. В последнее время в качестве затвора используются высоколегированный поликремний, а также некоторые комбинации поликремния и силицидов. Основными параметрами структуры являются длина канала L - расстояние между металлургическими границами n+-p-переходов стока и истока; ширина канала Z, толщина слоя изолятора d; глубина переходов rj и уровень легирования подложки NA. В кремниевых интегральных схемах отдельный МОП-транзистор окружен в целях изоляции областью с толстым слоем окисла, который называется пассивирующим или полевым (в отличии от тонкого слоя подзатворного окисла).

Рис. Схема структуры МОП-транзистора.



1. Общие сведения о КМОП и КНИ структурах

1.1 Назначение и общие характеристики КМОП структур

Уже на ранних стадиях разработки МОП ИС стало ясно, что в цифровых схемах, выполненных на ри n-канальных МОП транзисторах, включенных последовательно, можно получить очень малую «статическую» рассеиваемую мощность (мощность в установившемся режиме). Такие схемы называются комплементарными МОП схемами, или просто КМОП схемами. Чтобы понять, почему в КМОП схемах рассеиваемая мощность очень мала, рассмотрим основной функциональный блок цифровых схем и систем - инвертор. Инвертор представляет собой схему, выходной (двоичный) сигнал которой есть инверсия его входного сигнала. Соединяя инверторы надлежащим образом, можно строить логические схемы произвольной сложности. Поэтому мощность, потребляемая отдельной инверторной схемой, есть основной показатель общей мощности, которая потребуется для работы цифровой системы.

Электрическая схема и топология базового КМОП инвертора показаны на рисунке 1.1 и 1.2; передаточная характеристика по напряжению - на рисунке 1.3. Последняя представляет собой график зависимости выходного напряжения инверторной схемы от ее входного напряжения. В таком инверторе сток р-канального транзистора соединен со стоком n-канального последовательно, а их затворы соединены друг с другом. Чтобы объяснить работу этого инвертора, допустим, что его входное напряжение ниже порогового напряжения n-канального транзистора и вместе с тем имеет большую отрицательную величину относительно подложки р-канального МОП транзистора, достаточную для его включения.



Рис. 1.1 Электрическая схема базового КМОП инвертора.

Рис. 1.2 Топология базового КМОП инвертора.

Рис. 1.3 Передаточная характеристика по напряжению.

В таком режиме р-канальный МОП транзистор образует проводящую цепь между выходом инвертора и источником питания Uc, а n-канальный транзистор выключен. Так как выходной электрод инвертора обычно соединен с входами других инверторных схем, которые не потребляют статического тока, его выходное напряжение (напряжение на стоке р-канального МОП транзистора) находится в своем «высоком» состоянии (равно UВХ). Если теперь входное напряжение увеличивается, то р-канальный МОП транзистор выключается, а когда входное напряжение становится больше порогового напряжения n-канального прибора, его канал включается и выходное напряжение инвертора уменьшается до напряжения земли. Поэтому в статическом режиме работы тот или другой МОП транзистор инвертора всегда выключен и между источником Библиотека БГУИР 154 питания и землей нет цепи для протекания постоянного тока (за исключением лишь токов утечки переходов). По этой причине почти вся мощность, рассеиваемая КМОП схемами, - это мощность, рассеиваемая при переключательных процессах. Малое потребление мощности в статическом режиме - одно из существенных преимуществ КМОП схем перед цифровыми МОП ИС других типов. Другие их преимущества: крутая и четко определенная передаточная характеристика КМОП инверторов по напряжению (см. рисунок 1.3), что облегчает построение цифровых схем и устройств, и высокая помехоустойчивость благодаря малому сопротивлению между выходом логического сигнала и шиной питания или земли. Эти преимущества КМОП схем были известны и понятны задолго до того, как удалось успешно решить значительно более сложные технологические проблемы производства КМОП ИС.

1.2 Назначение и общие характеристики КНИ структур

Известно, что переход от кремниевых пластин, в том числе с эпитаксиальным слоем, на структуры КНИ при производстве большого класса полупроводниковых приборов и микросхем дает заметные преимущества по сравнению с объемным материалом, в частности, снижение потребляемой мощности и увеличение быстродействия. С начала семидесятых годов развитие микроэлектронной техники строго следует закону Мура -- производительность микропроцессоров удваивается каждые 18 месяцев. Минимальный размер элементов быстро приближается к 50 нм, а переключаемый заряд снижается до 1000 или менее электронов. Несмотря на успехи отдельных фирм (Intel, NEC, Lecent Technology) в уменьшении размеров элементов (менее 50 нм), физические пределы (квантовые эффекты и неопределенность поведения малых токов) и технологические пределы (ограниченная рассеиваемая мощность, сложность топологии и туннельные токи) могут существенно затормозить процесс микроэлектроники на основе масштабированного уменьшения размеров элементов в рамках стандартной технологии на объемном кремнии КМОП. Технологические проблемы вместе с непомерно растущими затратами на развитие обычной технологии КМОП резко понижают барьеры по внедрению альтернативных приборных концепций на базе новых материалов. Использование КНИ уменьшает длину канала МОП транзистора до 15 нм, а дизайн двойного затвора позволяет достичь длины канала 5-6 нм. В настоящее время в мире используются два основных метода создания пластин КНИ (зарубежное название Silicon On Isolation -- SOI): имплантационный метод -- внедрение в глубину кристалла ионов кислорода (Silicon Implanted by Oxygen -- SIMOX) с последующим синтезом скрытого окисла при отжиге и метод водородного переноса кремния с окислом (Smart Cutr SOI), состоящий в прямом сращивании облученной водородом донорной окисленной пластины кремния с опорной подложкой с последующим почти полным удалением донорной пластины путем ее скола имплантированным водородом. Пластины КНИ, изготовленные с помощью этих двух методов, нашли коммерческое применение несмотря на то, что их стоимость в 5-8 раз выше стоимости пластин кремния того же диаметра. Дело в том, что только этими двумя методами удается обеспечивать требования глубоко субмикронной технологии при толщине отсеченного слоя КНИ менее 50 нм. Наиболее близким к рассматриваемому в работе способу создания КНИ является метод Smart Cutr, предложенный М. Брюэлем. Заключительными операциями в методе Брюэля после переноса слоя кремния с окислом на опорную подложку являются термообработка при 1100?1200?C, улучшающая параметры структуры КНИ за счет отжига радиационных дефектов в кремнии, захороненном SiO2, удаление остаточного водорода и укрепление связей на границе сращивания. Последняя операция состоит из прецизионной полировки структуры КНИ, удаляющей 0.1-0.2 мкм верхнего шероховатого и все еще дефектного слоя кремния. Недостатком метода являются трудоемкость и увеличенная неоднородность толщины отсеченного слоя кремния из-за последней операции и повышенная по сравнению с кремнием температурная стабильность дефектов в облученном ионами диэлектрике. Использование структур КНИ толщиной 30-50 нм для УБИС и одноэлектронных приборов выдвигает очень высокие требования к совершенству границы hотсеченный слой Sii-hскрытый SiO2i как с точки зрения структурных, так и с точки зрения электрофизических свойств. Известно, что переходный слой на границе Si-hтермический SiO2i может достигать нескольких нанометров. Улучшение свойств границы Si/SiO2 и уменьшение толщины переходного слоя также представляются исключительно важными для структур КНИ.

Несмотря на то, что экспериментально продемонстрировано, как обычная планарная объемная КМОП-технология может быть использована вплоть до длины канала ~15 нм, совсем не очевидно, что такое сокращение размеров будет сопровождаться соответствующим улучшением характеристик приборов. Проблема состоит в ухудшающемся электростатическом контроле заряда в кремнии затвором и, соответственно, плохой воспроизводимости характеристик транзисторов ультрамалых размеров. Технология «кремний-на-изоляторе» (КНИ) рассматривается как естественная преемница объемной технологии (рис. 1.4). Считается, что последовательное развитие технологии КНИ должно привести к достижению предельных характеристик кремниевых КМОП-схем. Исторически МОП-транзисторы, изготовленные по технологии «кремний-на-изоляторе», появились достаточно давно как элементы схем специального применения. Первые КНИ-транзисторы имели структуру «кремний-на-сапфире», и их главным достоинством считалось отсутствие радиационно-индуцированных токов в p-n-переходах стока и истока. До начала 90-х гг. XX в. КНИ-технологии не рассматривались как серьезная альтернатива коммерческой объемной технологии главным образом из-за своей дороговизны. Со временем выяснилось, что КНИ МОПТ имеют существенные функциональные преимущества над транзисторами обычных объемных технологий с неизолированной подложкой.

Рис. 1.4 Сравнение объемной (а) и КНИ технологии (б)

В настоящее время КНИ-структуры активно проникают в коммерческие технологии (рис. 1.5). Предполагается, что этот процесс будет идти еще быстрее по мере повышения степени интеграции и, в конце концов, КНИ станет доминирующей коммерческой технологией. Активная область КНИ МОП-транзистора, именуемая базой или «телом» (международный термин бобу), представляет собой тонкую кремниевую пленку между контактами стока и истока, изолированную со всех сторон слоями окислов. Скрытый окисел, или захороненный окисел (международный термин Ъипеб ох1бе, ВОХ), в КНИ-структурах изолирует активную область прибора от подложки а вертикальная изоляция (как правило, 8Т1) делает невозможными токи утечки и тиристорный эффект между двумя соседними приборами.

Рис. 1.5 Фотография сечения частично обедненной КНИ-структуры



2. Подпороговые характеристики КНИ структур

В подпороговой области работает только больцмановская статистика, поэтому чувствительность подпорогового тока:

(2.1)

к изменению затворного напряжения описывается величиной подпорогового размаха (В/декада):

(2.2)

учитывая наличие поверхностных состояний на границе раздела между кремниевым телом и подзатворным окислом:

(2.3)

получаем:

(2.4)

Подпороговый размах равен, соответственно,

(2.5)

Поскольку толщина скрытого окисла обычно намного больше, чем толщина подзатворного, то мы имеем неравенство Сг/С\ <С 1. Это означает, что при малой плотности поверхностных состояний (Сц/С\ <С 1) величина подпорогового размаха напряжения оказывается вблизи своего теоретически минимального значения ~1п 10<рт ~ 60 мВ/декада, что выгодно отличает КНИ МОП полностью обедненного типа от транзистора объемной технологии. В хороших короткоканальных МОПТ объемной технологии величина подпорогового размаха составляет ~85 мВ/декада для технологии 0,25 мкм, в то время как для полностью обедненного КНИ МОП для тех же 0,25 мкм размах составляет = 70 мВ/декада при комнатной температуре.

Как и в транзисторах объемной технологии (см. п. 7.10), в подпороговой области частично обедненных КНИ МОПТ емкость поверхностных состояний доминирует над емкостью инверсионного слоя (Су Сту), а это означает, что выражение (9.6.3) следует уточнить:

(2.6)

Используя (2.6) и (2.4), комбинацию {1+к)/к можно переписать в форме:

(2.7)

Рис. 2.1 Вольт-амперные характеристики ПО КНИ МОП для различны температур

Тогда формула для ВАХ в подпороговой области приобретает вид:

(2.8)



Подпороговый ток КНИ МОП описывается соотношением

(2.9)

где Св = С3С2/(Сз + С2) -- емкость последовательно соединенного скрытого окисла и кремниевой пленки базы.

На рис. 2.1 показаны вольт-амперные характеристики полностью обедненных КНИ МОП для разных температур измерения.



3. Механизмы пробоя МОП структур

В короткоканальных (L<1 мкм) и слаболегированных (Nn< ) приборах пробой, как правило, наступает при меньшей величине напряжения, чем рассчитанное по формуле (4.70). Это связано с одним из механизмов пробоя - сквозное обеднение (смыкание истокового и стокового переходов). Сквозное обеднение происходит при таком взаимодействии обедненных областей истока и стока, которое снижает потенциальный барьер между ними, препятствующий протеканию электронного тока. 3 16 см10

Известно, что когда напряжение на стоке достигает насыщения , ширина обедненного слоя не остается постоянной, а зависит от приложенного к нему напряжения (Uси-Uсин):

(3.1)

Когда величина напряжения на стоке Ucи станет равной напряжению пробоя, вызывающему сквозное обеднение Uпр.о, то длина канала L =Xd, следовательно:

(3.2)

При малых величинах L и Nn напряжение пробоя Uпp.o, вызывающее сквозное обеднение, намного меньше, чем напряжение лавинного пробоя Uпр.лав.



4. Основные плюсы и минусы КНИ и КМОП структур

4.1 Плюсы и минусы КНИ структур

Плюсы:

Транзисторы, изготовленные по технологии КНИ, обладают рядом важных преимуществ над транзисторами объемных технологий с аналогичной проектной нормой.

1. Область стока/истока расположена прямо над скрытым окислом, поэтому изоляция скрытым окислом имеет существенно меньшую емкость, чем изоляция р-и-переходом в объемных транзисторах, что объясняется большей толщиной скрытого окисла и меньшей диэлектрической проницаемостью окисла по сравнению с кремнием. Это дает уменьшение паразитных емкостей (на 30-50%) и соответствующее увеличение быстродействия из-за уменьшения времени задержки КС.

2. По той же причине, из-за уменьшения паразитной емкости уменьшается динамическое энергопотребление (приблизительно на 30% при той же тактовой частоте и напряжении питания).

3. Улучшается электростатическое качество транзисторов за счет подавления геометрических короткоканальных эффектов. Повышается (на ~15%) плотность интеграции за счет уменьшения расстояния между транзисторами.

4. В КНИ-схемах отсутствуют эффекты влияния общей подложки на пороговые напряжения, как это имеет место в схемах объемной КМОП-технологии.

5. КНИ-транзисторы могут иметь очень малое (близкое к минимальному) значение подпорогового размаха (~60 мВ/декада при комнатных температурах), что позволяет снизить пороговое напряжение до 0,3 В, не увеличивая статические токи утечки. Соответственно, это позволяет уменьшать напряжение питания и динамическое энергопотребление.

6. Уменьшаются перекрестные помехи между линиями в смешанных схемах.

7. Из-за высокой степени изоляции перекрываются пути для развития паразитного тиристорного эффекта, часто имеющего место в n-р-n-p-структурах объемных КМОП-технологий. Отсутствуют ионизационные токи в р-n-переходах при внешних импульсных ионизационных воздействиях. Поэтому КНИ МОПТ чрезвычайно устойчивы к воздействию импульсной радиации, однако могут возникать проблемы с толстым скрытым окислом, где может накапливаться радиационно-индуцированный заряд и появляться дополнительный канал утечек.

8. Боковая межприборная изоляция [например, изоляция типа «птичий клюв» (LOCOS), мелкими канавками (STI)] дает возможность более компактного расположения элементов и более простой технологии изготовления, поскольку нет необходимости в карманах и глубоких канавках, как это имеет место в объемной технологии.

Минусы:

Высокая стоимость.

Эффект «изгиба» характеристик.

Уменьшение напряжения пробоя сток-карман.

Увеличенная неоднородность толщины отсеченного слоя кремния.

4.2 Плюсы и минусы КМОП структур

Плюсы:

Возможность интеграции большего числа функций и меньшая рассеиваемая мощность.

Потребляют гораздо меньше энергии в том случае если сигнал поступает с другой схемы, поскольку МОП-транзисторы являются управляемыми напряжением приборами. Это значит, что одна схема может подавать сигналы на большее количество входов КМОП-элементов.

Широкий диапазон напряжения питания. КМОП-схемы могут работать при напряжении от 3 до 15 вольт! Причина такого несоответствия в диапазонах питания кроется в требованиях по напряжению смещения МОП-транзисторов и биполярных транзисторов. Для управления МОП-транзисторами требуется лишь напряжение затвора (по отношению к подложке), в то время как биполярные транзисторы представляют собой управляемые током приборы.

Низкая статическая мощность потребления.

Высокая помехозащищенность.

Минусы:

Усложненность производственного процесса.

Изменение напряжения питания КМОП-схемы -- определение напряжения для высокого логического уровня. Для КМОП-схемы, работающей при напряжении питания 15 В (Vdd), входной сигнал должен быть приблизительно на уровне 15 В, чтобы он был воспринят как сигнал высокого логического уровня. Порог напряжения для сигнала низкого логического уровня остаётся неизменным: около 0 В.

Одним из значительных недостатков КМОП-технологии является низкая скорость (КМОП-схемы медленнее реагируют на изменение сигнала (от низкого уровня к высокому и наоборот)).



Заключение

Что произойдет с КМОП-схемами в будущем?

Будут ли они когда-то вытеснены другим семейством схем, благодаря чему произойдет новый качественный скачок в развитии интегральных схем?

На данный момент, похоже, жизнеспособной альтернативы КМОП не существует. Полевые транзисторы несколько десятилетий применялись в недорогих несложных устройствах, прежде чем достигли той степени развития, когда ими стало можно заменить биполярные транзисторы в системах высокой производительности. Однако технологии, которая бы в настоящее время развивалась в секторе экономически эффективных устройств, и могла бы вытеснить со временем КМОП, нет. Кроме того, учитывая непрерывную эволюцию КМОП-технологии, альтернативная технология, способная ее заменить, должна была бы развиваться еще быстрее. Возможно, появятся какие-то новые разновидности КМОП-схем, но радикальной смены типа схем пока не предвидится.

Альтернативы КМОП-технологии предлагаются и исследуются. Во многих из них также взят за основу кремний (КНИ структуры). Большинство таких альтернатив предназначены для выполнения иных, по сравнению с КМОП, функций, и поэтому с большей вероятностью они добьются успеха лишь в узких нишах. Так что в области вычислительных систем общего назначения и обработки данных в обозримом будущем КМОП, по-видимому, сохранит доминирующее положение.

Наиболее перспективным направлением дальнейшего развития мне видится способность к интеграции систем. Основным компонентом вычислительных систем будущего станет не микропроцессор, а однокристалльная микросистема, реализующая большее число функций.



Литература

1. Б. С. Колосницын, Н. В. Гапоненко. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем. П53 В 2 ч. Ч. 1 : Физика активных элементов интегральных микросхем : учеб. пособие /БГУИР, 2016. - 196 с. : ил. ISBN 978-985-543-138-2 (ч. 1).

2. О.В. Наумова ¶, И.В. Антонова, В.П. Попов, Ю.В. Настаушев, Т.А. Гаврилова, Л.В. Литвин, А.Л. Aсеeв. Нанотранзисторы кремний-на-изоляторе: перспективы и проблемы реализации /Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия/ 2003.

3. В.П. Попов¶, А.И. Антонова, А.А. Французов, Л.Н. Сафронов, Г.Н. Феофанов, О.В. Наумова, Д.В. Киланов. Свойства структур и приборов на кремний-на-изоляторе /Институ физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия /2001.

4. Зебрев Г. И. 3-47 Физические основы кремниевой наноэлектроники : учебное пособие для вузов / Г. И. Зебрев. -- М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. -- 240 с. : ил. -- (Нанотехнологии). 18ВМ 978-5-9963-0181-2.

5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: в двух книгах. 1984 г. /пер. с англ.

Размещено на Allbest.ru

...