книги / Элементы свербольших интегральных схем

'интенсивностью порядка 1 см-2ч-1. Полностью устранить влияние ионизирующих частиц невозможно и оно является серьезным фак­ тором, ограничивающим снижение заряда, а следовательно, раз­ меров конденсатора и запоминающего элемента в целом.

Основной проблемой разработки статических элементов ЗУПВ является уменьшение их площади. Обычно статические эле­ менты создаются на основе симметричного триггера, при этом их площадь составляет 50... 100 литографических квадратов. В свя­ зи с этим актуальна разработка функционально-интегрированных структур, позволяющих снизить площадь элементов, в том числе структур с отрицательным сопротивлением и многослойных струк­ тур с поликремииевыми резисторами. Другая проблема состоит в необходимости дальнейшего уменьшения рассеиваемой мощности

правлением является разработка СБИС ППЗУ. Они обеспечива­ ют возможность хранения информации в течение практически не­ ограниченного (порядка 10 лет) времени при отключении источ­ ника питания. В одних типах элементов информация хранится в виде заряда в двухслойном диэлектрике под затвором транзисто­ ра; к этому типу относятся МНОП-структуры (металл — нитрид кремния — окисел — полупроводник). В других информациях хра­ нится в виде заряда на специальном затворе, окруженном со всех сторон слоем диэлектрика (структуры с плавающими затворами). Программирование (введение заряда в область хранения) и стирание (удаление заряда) осуществляются электрически. Для этого используются туннельный эффект и инжекция «горячих» электронов в окисел. При этом может быть осуществлено обра­ щение к любому элементу, а времена программирования — стира­ ния достаточно малы (порядка 1 мс). Создание СБИС стало воз­ можным лишь после решения проблемы снижения токов и напря­ жений, необходимых для программирования, так, чтобы можно было использовать один низковольтный источник питания и сни­ зить до приемлемых значений мощность, рассеиваемую на кри­ сталле. Широкое применение СБИС ППЗУ открывает новые пер­ спективы при создании цифровых устройств, в частности, стано­ вится возможным изготовление самопрограммирующихся систем.

Биполярные СБИС характеризуются большим разнообразием

гральной иижекционной логики И2Л ), позволяющие получить мак­ симальную степень интеграции среди схем на биполярных тран­ зисторах. Основной проблемой для них является повышение бы­ стродействия. Ко второму классу относятся функционально-инте­ грированные структуры на обычных (неинжекцнонного типа) •транзисторах с диодами Шотки, обеспечивающие более высокое

11

Создание арсенидо-галлиевых СБИС находится в стадии ис­ следования. Отсутствуют методы масштабирования, ие разработа­ на теория и модели транзисторов с субмикронной длиной канала, не исследованы качественные изменения характеристик при сни­ жении длины канала и росте поля в нем, а также предпороговая область напряжений на затворе. В связи с этим в книге нет гла­ вы, посвященной этим вопросам. Существенным фактором, ограни­ чивающим степень интеграции, является паразитная связь через полуизолирующую подложку.

Максимальное быстродействие может быть получено при ис­ пользовании полевых транзисторов с гетеропереходами GaAs— AlGaAs вследствие очень высокой подвижности электронов в ка­ нале, достигающей 105см2/В*с три температуре 77 К. При длине затвора 1 мкм получают время переключения логического элемен­ та порядка 10 пс при мощности 100 мкВт и работе переключения 1 фДж. Такие элементы находятся в стадии исследования; серьез­ ной проблемой при их создании является получение очень тонких эпитаксиальных слоев (10 нм) и резкой границы переходов. На арсениде галлия наиболее распространенными являются логичес­ кие схемы, поэтому в гл. 4 рассмотрены лишь разновидности ло­ гических элементов. Создание запоминающих элементов затрудня­ ется существованием токов в цепях затворов и большими предпороговыми токами, характерными для МЕП ПТ; в частности, не­ возможно создание элементов динамического типа, позволяющих получить максимальную информационную емкость.-

Перспективным элементом сверхбыстродействующих СБИС является биполярный транзистор с гетеропереходами [8]. Основ­ ной разновидностью структуры такого транзистора является стру­ ктура с широкозонным эмиттером, например, типа поликремний (эмиттер)— кремний (база, коллектор) или арсенид таллия-алю­

базе больше, чем в эмиттере. Это позволяет уменьшить последова­ тельное сопротивление базы увеличением ее уровня легирования и снизить емкость эмиттерного перехода за счет уменьшения кон­ центрации примесей в эмиттере. Биполярные транзисторы с гете­ ропереходами имеют граничные частоты порядка 100... 300 ГГц. Применение в структуре не только широкозонного эмиттера, но и слабо легированного широкозонного коллектора, позволяет ис­ ключить инжекцию дырок из базы в коллектор и уменьшить ем­ кость коллекторного перехода. Возможно создание элементов И2Л с широкозонными эмиттерами и коллекторами с задержкой распространения меиее 100 пс. Работы по созданию биполярных транзисторов с гетеропереходами находятся в стадии исследова­ ния, основной проблемой является разработка технологии.

По мере роста быстродействия элементов и степени интеграции все боль­ шее влияние на параметры СБИС оказывают линии связи '[7]. Поскольку в

13

из положительного заряда на металле затвора (QM) как на обкладке конден­ сатора, положительного поверхностного заряда QnoB, отрицательного заряда ионизированных акцепторов в обедненном слое под затвором Q0o и отрицатель­ ного заряда электронов в инверсном слое (канале) Qn. Последний при t /g =

— Uпор принимается равным нулю. Заряды можно выразить через внутренние напряжения в структуре — поверхностный потенциал и напряжение на слое диэлектрика \Ua. Удельные (на единицу площади) заряды равны

электрическая проницаемость и толщина подзатворного диэлектрика. В общем случае напряжение на диэлектрике и толщина обедненного слоя под затвором являются функцией продольной координаты у по направлению от истока к стоку.

Афс — равновесная высота потенциального барьера р-п переходов истока и стока. При U3 —0 в области под затвором поверхностный потенциал постоянен и равен фпово— £/п , где положительная составляющая фпово обусловлена влия­ нием поверхностного заряда Qnon. При U3 =|£/Пор в области под затвором по­ верхностный потенциал также постоянен и равен фпор; заряд электронов в канале мал и не может повлиять на изменение потенциала. Для длинного канала распределение электрического поля под затвором всюду одномерно за исключением малых участков, прилегающих к истоку и стоку. Это дает воз-

15

можность использовать для расчета толщины обедненного слоя простую фор мулу, полученную для одномерного приближения

н полные заряды получаются умножением удельных зарядов на площадь подзатворной области La.

Внутренние напряжения £/д, <рПов связаны с напряжением на затворе (отно­ сительно подложки) t/3 п =^д+фпов+фм.п, где фм.п — контактная разность потенциалов металл—полупроводник. Таким образом,

метра) слой, содержащий положительные ионы доноров. Его толщина значи­ тельно меньше толщины обедненного слоя и того же порядка, что и инверсного слоя. Влияние легированного слоя эквивалентно увеличению поверхностного заряда на величину qNaICn0, где Na— доза легирования, и вызывает сдвиг порогового напряжения на величину qNn/CRо. Следовательно, в формуле (2.4) изменяется лишь величина U0

Будем называть «коротким» канал, длина которого соизмери­ ма с шириной обедненных слоев р-n переходов. Конфигурация обедненных слоев, распределение электрического поля и поверх­ ностного потенциала показаны на рис. 2.2. Очевидно, что при вы­ числении заряда обедненного слоя нельзя пренебречь участками ad и cd вблизи металлургических границ р-п' переходов. Задача резко усложняется, так как распределение электрического поля и потенциала нельзя считать одномерным. Поэтому не может быть использована и формула (2.3), выражающая зависимость толщи­ ны обедненного слоя от поверхностного потенциала. Необходимо решать двумерное уравнение Пуассона с учетом условия, связы­ вающего внутренние потенциалы с внешними напряжениями, и условия нейтральности. В результате получается распределение поверхностного потенциала фПо в (# ). Полагая фПОв в точке мини­ мума равным пороговому значению, получаем пороговое напряже­ ние. Такая задача может быть решена на ЭВМ i[9— 13].

В условие нейтральности должен входить не весь заряд обед­ ненного слоя, расположенного под затвором. Большая часть его вблизи границ р-n переходов истока и стока компенсируется не

дов. В частном случае, когда напряжение на затворе равно нулю или отрицательно, существование обедненных слоев не связано с

16

влиянием затвора, и они представляют собой обедненные слои р-п переходов. Поэтому в условие нейтральности нужно подстав­ лять эффективный заряд обедненного слоя Q06.эф; физически этот заряд возникает под влиянием положительного напряжения на затворе и не связан с зарядами р-п переходов )[14— 16].

Во многих моделях при определении эффективного заряда ис­ ходят из качественной картины распределения напряженности электрического поля, показанной на рис. 2.2,а. Можно считать, что он расположен внутри трапецеидальной фигуры ABCD, в ко­ торой силовые линии, кончающиеся на зарядах обедненного слоя, начинаются на затворе. Вне этой фигуры силовые линии начина­ ются не на" затворе, а на положительных зарядах в обедненных слоях р-п переходов [15].

Эффективный заряд удобно характеризовать его отношением к

в уравнение нейтральности, получим формулу для порогового на­ пряжения

t/пор = Uпор. дл“ 0 Щ|/л2еПе0д/'/аП (|UY\|+ Фпоро) /^до» (2*5)

где пороговое напряжение в транзисторе с длинным каналом (Uпор.дл) определяется по формуле (2.4). Коэффициент k и, следо­ вательно, пороговое напряжение зависят от длины канала L, на­ пряжения на стоке /7с, напряжения на подложке Un и глубины залегания р-п переходов xj, причем (1—k)~Xj/L [15, 16].

На рис. 2.3 показаны зависимости порогового напряжения от длины канала. Снижение Unop проявляется по-разному в зависи­ мости от напряжений на стоке и подложке, концентрации приме­ сей в подложке и глубины залегания р-п переходов. С ростом на­ пряжения на стоке расширяется обедненный слой р-п перехода сток — подложка, поэтому коэффициент k и пороговое напряжение сильнее зависят от L. С увеличением напряжения на стоке эффект короткого канала начинает проявляться при больших значениях

Рис. 2.3. Зависимость порогового напряжения от длины канала для разных структур при d=0,05 мкм:

a) A-j = | мкм. JVajl =6-10'с см -3. Ц— -3 В [16]; б) Л*11п»10'в см -3. 17с =0. Цп — 5 В [15];

в) X j = l МКМ, U c “ G и п = —3 В ^

17

L (рис. 2.3,а). С ростом глубины залегания р-п переходов Xj все большая часть заряда обедненного слоя вблизи них компенсиру­ ется не зарядом затвора, а положительным зарядом доноров обед­ ненного слоя этих переходов, уменьшается относительная часть заряда обедненного слоя, контролируемого затвором. Это следует непосредственно из анализа конфигурации обедненных слоев. Сле­ довательно, при возрастании Xj влияние длины канала на порого­

толщина областей истока и стока должна быть как можно меньше. Рост концёнтрации примесей в подлолеке Nan приводит к увели­ чению порогового напряжения для длинного и короткого каналов. Вследствие снижения толщин обедненных слоев р-п переходов влияние длины канала уменьшается. Это хорошо видно, если по­ строить зависимость Un0VfU„0p an от длины канала. Таким обра­ зом, эффект короткого канала слабее выражен при большей кон­ центрации примеси в подложке (рис. 2.3,б). Однако растут ем­ кости р-п переходов и усиливается влияние напряжения подлож­ ки на пороговое напряжение, что является нежелательным. Поэто­ му для устранения эффектов короткого канала концентрацию при­ месей в подложке нецелесообразно увеличивать. Рост отрицатель­ ного напряжения на подложке приводит, как и в транзисторе с длинным каналом, к увеличению абсолютного значения порогово­ го напряжения. При этом увеличивается толщина обедненных слоев р-п переходов, уменьшается коэффициент к, а влияние дли­ ны канала на U„ор усиливается.

Зависимость порогового напряжения от напряжения на стоке усиливается при уменьшении длины канала (рис. 2.3,а). Поэтому ток насыщения сильно зависит от напряжения на стоке.

Зависимость порогового напряжения от напряжения на под­ ложке показана на рис. 2.4. Это влияние слабее для короткого канала, так как с ростом Un увеличивается толщина обедненных слоев р-п переходов, а также обедненного слоя под затвором. Ос­ лабление влияния подложки является полезным, так как улучша­ ет параметры схем.

На пороговое напряжение влияет не только длина, но и шири­ на канала. Если ширина канала а значительно больше толщины обедненного слоя под затвором W0б.к, то такой канал можно на­ зывать «широким». Пороговое напряжение в этом случае не зави­ сит от ширины канала. Границу обедненного слоя под затвором

слоя, то такой канал назовем «узким». Распределение электриче­ ского поля в нем одномерное, граница обедненного слоя не плос­ кая (рис. 2.5,6), и пороговое напряжение зависит от ширины ка­ нала |[12, 14, 17].

Для оценки порогового напряжения подобно тому, как это де­ лалось для транзистора с коротким каналом, в уравнение ней-

18

Рис. 2.4. Зависимость Unop от i[/n а

*,=0,35 мкм, d=0,025 мкм, LTC=0.1 B, JVan =10,e CM- 3 [31]

Рис. 2.5. Структура транзистора с широким (а) и узким (б) каналами

Очевидно, что в данном случае эффективным является весь заряд обедненного слоя, расположенный как под тонким слоем окисла шириной а, так и под толстым (рис. 2.5,6). Этот заряд можно раз­ бить на две части. Первая находится внутри фигуры ( /—2—3— 4)] шириной а, в которой распределение поля и границу обедненного слоя можно приближенно считать 'плоскими и заряд рассчитывать по (2.3). Вторую часть, находящуюся вне прямоугольной фигуры, оценить значительно сложнее. Если учесть только первую часть заряда, то получим обычную формулу (2.4) для транзистора с широким и длинным каналом. Учет второй части приведет к росту порогового напряжения, т. е. £ i> l . С уменьшением ширины ка­ нала пороговое напряжение увеличивается. Чем меньше отноше­ ние afWoe.K, тем сильнее выражен эффект.

На рис. 2.6 показаны зависимости порогового напряжения от ширины канала при разных напряжениях на подложке [17]. Ве­ личина £/пор.ш — это пороговое напряжение транзистора с широ­ ким каналом. При уменьшении ширины а пороговое напряжение увеличивается сильнее для большого 'напряжения смещения под­ ложки или для малой концентрации примесей в подложке, так как в этом случае больше толщина обедненного слоя под затво­ ром и параметр afWoe.K, определяющий степень влияния шири­ ны затвора, уменьшается. Этим же объясняется более сильный рост порогового напряжения при малой ширине канала в зависи­ мости от напряжения смещения подложки.

Для моделирования схем необходимы простейшие аппрокси­ мации зависимостей порогового напряжения от длины и ширины канала, напряжения на стоке и подложке. Как показывает экс-

19

Рис. 2.7. Зависимость среднего квадратического отклонения порогового напря­ жения от длины канала

Рис. 2.8. Зависимость порогового напряжения от толщины эпитаксиальной плен­ ки для транзисторов с каналами п- (1) и р-типа (2)

у зависит от длины канала по закону y ~ L r b, где 6 = 2... 4. Аппро­

ния трехмерной структуры транзистора на ЭВМ получены коэф­ фициенты влияния длины канала, толщины диэлектрика, глубины залегания р-п переходов, напряжения стока и подложки, энер­

20