Назначение и общие характеристики КНИ структур
Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Факультет радиоэлектроники Кафедра микро- и наноэлектроники Дисциплина полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем «К защите допустить» Руководитель курсовой работы кандидат технических наук, профессор ________________ Б.С.Колосницын ___.____.2017 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе на тему СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КНИ МОП И ОБЪЕМНЫХ КМОП СТРУКТУР БГУИР КП1-41 01 03 009ПЗ Студент В. В. Зенчик Руководитель Б. С. Колосницын 2017
Содержание
Введение 4
1 Общие сведения о КНИ и КМОП структурах
1.1 Назначение и общие характеристики КМОП структур 6
1.2 Назначение и общие характеристики КНИ структур 9
2 Подпороговые характеристики КНИ структур 14
3 Механизмы пробояМОП структур 17
4 Основные плюсы и минусы КНИ и КМОП структур
4.1 Плюсы и минусы КНИ структур 18
4.2 Плюсы и минусы КМОП структур 19
Заключение 21
|
|
|
Литература 22
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.
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.
|
|
|
Общие сведения о КМОП и КНИ структурах
Назначение и общие характеристики КМОП структур
Уже на ранних стадиях разработки МОП ИС стало ясно, что в цифровых схемах, выполненных на р- и 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.
| Диффузионная область исток/стока p-канального МОП транзистора |
| Карман p-типа |
| UВЫХ |
| Ukt |
| Диффузионная область исток/стока n-канального МОП транзистора |
| Поликремниевый затвор |
Рис. 1.2 Топология базового КМОП инвертора.
Рис. 1.3Передаточная 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.
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 (кван- товые эффекты и неопределенность поведения малых токов) и технологические пределы (ограниченная рассе- иваемая 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 настоя- щее 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 скры- того 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 пла- стины 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 глубо- ко субмикронной технологии при толщине отсеченного слоя КНИ менее 50 нм. Наиболее близким к рассматриваемому в работе спо- собу создания КНИ является метод Smart Cutr, предло- женный М. Брюэлем. Заключительными операциями в методе Брюэля после переноса слоя кремния с оки- слом 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 де- фектов 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 харак теристик приборов. Проблема состоит в ухудшающемся электростати ческом 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 дости жению 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
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 415; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!