CC BY
8ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ INTEGRATED ELECTRONICS ELEMENTS
Научная статья
УДК 621.3.049.774:621.382.3:538.91 doi:10.24151/1561-5405-2023-28-2-180-188
Исследование влияния плавающего кармана на характеристики КНИ КМОП-транзисторов
12 1 А. В. Кириллова ' , М. А. Королёв
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
г. Москва, Россия
2
АО «Научно-исследовательский институт молекулярной электроники», г. Москва, Россия
akiriUova@mme.ru
Аннотация. Микросхемы на основе КНИ КМОП-транзисторов характеризуются высокой производительностью, увеличенной радиационной стойкостью, возможностью работы при повышенных температурах. Однако у таких ИС возникает отрицательный эффект - плавающий карман, существенно влияющий на параметры схемы, в частности на стабильность работы, подвижность носителей в канале, пороговое напряжение, ток утечки, и приводящий к возникновению паразитного биполярного транзистора и кинк-эффекта. В работе исследовано влияние плавающего кармана на характеристики КНИ КМОП-транзисторов с разными геометрическими параметрами. Проведена экстракция 8рюе-параметров приборов, на основе которых создана компактная модель КНИ КМОП-транзистора и проверена ее достоверность. С помощью разработанной модели выполнено компактное моделирование КНИ КМОП-транзисторов и определены закономерности влияния длины и ширины канала, а также потенциала кармана на пороговое напряжение и возникновение кинк-эффекта. Установлено, что паразитные эффекты плавающего кармана оказывают критическое влияние на основные характеристики КНИ КМОП-транзисторов. Расчетные и экспериментальные исследования показали существенное влияние геометрических параметров транзистора и потенциала плавающего кармана на пороговое напряжение и возникновение кинк-эффекта, что ограничивает возможность уменьшения размеров элементов КНИ КМОП СБИС.
Ключевые слова: КНИ КМОП-транзистор, компактная модель, компактное моделирование, плавающий карман, паразитные эффекты, ВАХ, пороговое напряжение, паразитный биполярный транзистор, кинк-эффект, ударная ионизация
© А. В. Кириллова, М. А. Королёв, 2023
Для цитирования: Кириллова А. В., Королёв М. А. Исследование влияния плавающего кармана на характеристики КНИ КМОП-транзисторов // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 2. С. 180-188. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-2-180-188
Original article
Research of the influence of floating body effects on SOI MOSFETs
A. V. Kirillova1'2, M. A. Korolev1
1National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia
2 a >>
"Research Institute of Molecular Electronics " JSC, Moscow, Russia akirillova@niime.ru
Abstract. The devices based on SOI CMOS transistors are characretized by high performance, increased radiation resistance, and the ability to operate at elevated temperatures. However, such devices have a negative effect - a floating body. It significantly affects the parameters of the device, in particular the stability of operation, the mobility of carriers in the channel, the threshold voltage, the leakage current, and leads to the appearance of a parasitic bipolar transistor and a kink effect. In this work, the influence of floating body effects on the characteristics of SOI CMOS transistors is researched for various design options of the device. The SPICE parameters of the device were extracted, based on this a compact model of SOI CMOS transistor was created and its reliability checked. Using the developed model, a compact simulation of SOI CMOS transistor was carried out and regularities of the influence of the channel length and width, as well as the value of floating body potential, on the threshold voltage and the occurrence of the kink effect were determined. It has been established that the parasitic effects of the floating body critically affect the main characteristics of the device. Calculation and experimental studies have shown a significant effect of the geometric parameters of the transistor and the floating body potential on the threshold voltage and the occurrence of the kink effect, which limits the possibility of reducing the size of SOI CMOS VLSI elements.
Keywords: SOI MOSFET, compact model, compact simulation, floating body, parasitic effects, IV, threshold voltage, parasitic bipolar transistor, kink effect, impact ionization
For citation: Kirillova A. V., Korolev M. A. Research of the influence of floating body effects on SOI MOSFETs. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 2, pp. 180-188. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-2-180-188
Введение. КНИ КМОП-транзисторы входят в состав высокопроизводительных ИС и характеризуются улучшенным подпороговым наклоном и уменьшенной емкостью перехода [1]. Однако в КНИ КМОП-транзисторах с толщиной кремниевой пленки более 30 нм в условиях частичного обеднения появляется эффект плавающего кармана [2]. Появление плавающего кармана связано с тем, что в области пространственного заряда стокового ^-n-перехода под влиянием сильных электрических полей возникает ударная ионизация с образованием электронно-дырочных пар. В случае объемной структуры МОП-транзистора электроны инжектируются в подзатворный диэлектрик
или сток, а дырки уходят в подложку. При использовании КНИ-структуры, когда транзистор расположен в полностью изолированном диэлектриком участке пленки кремния (кармане), происходит накопление в нем дырок, что приводит к появлению неопределенного (плавающего) потенциала кармана [3-5]. Такой заряд не может быть удален достаточно быстро в первую очередь из-за отсутствия контакта с карманом.
Экспериментальные исследования влияния эффекта плавающего кармана на характеристики КНИ КМОП-транзисторов затруднительны, поэтому целесообразно исследования в данном направлении проводить методами математического моделирования, создав достаточно точную компактную модель такого прибора.
В настоящей работе приводятся результаты моделирования двух типов транзисторов: в первом случае контакт с карманом остается свободным (плавающим), во втором -к контакту приложено различное напряжение. Получена полная картина процесса появления эффекта плавающего кармана, а также влияния геометрических параметров КНИ КМОП-транзисторов и потенциала в области кармана на работу прибора.
Моделирование и экстракция. В качестве объекта исследования использовали тестовые структуры частично обедненных КНИ КМОП-транзисторов, выполненных по 180-нм технологии. Конструктивно-технологические параметры транзисторов следующие: поликремниевый затвор с концентрацией примеси NG = 110 см- , толщина подзатворно-го и скрытого оксида Tfcoc = 3,2 нм, TboX = 150 нм соответственно, толщина кремниевой пленки составляет = 100 нм с концентрацией примеси в ней N,1^ = 6-1016 см-3. Геометрические параметры изменяются в диапазоне значений длины канала Ь = 0,18... 10 мкм и ширины канала Ж = 0,52...10 мкм. Исследуются пороговое напряжение им и наличие кинк-эффекта.
Точность разработанной компактной модели достигнута в результате внесенных изменений в процессе ее создания, так как в ходе эксперимента обнаружен нестандартный вид зависимости порогового напряжения и тока стока от изменения геометрических параметров КНИ КМОП-транзисторов. Такие изменения в базовых характеристиках прибора невозможно описать стандартной моделью Б8ГМ801. Поэтому введены добавочные коэффициенты с эмпирически подобранными параметрами. С помощью экспоненциальной зависимости удалось добиться среднеквадратичной ошибки, не превышающей 0,5 % для базовых характеристик (порогового напряжения и тока насыщения).
Уравнение зависимости порогового напряжения им от длины Ь и ширины Ж канала имеет вид
им = ило + (ав-ъь + ое^ ) + (кв-ж + те^ ), (1)
-3
где - параметр, который рассчитывается в теле компактной модели; а = 13,1610 ; Ь = -114,210-3; с = 57,9 103; f = 1,8106, k = 1010-2; к = 101012; т = 1010-2; п = 10106 -эмпирически подобранные добавочные коэффициенты для длины и ширины соответственно.
Для корректировки токовой характеристики использовали уравнение зависимости эффективной подвижности ц0 от длины Ь и ширины Ж канала, так как ток стока имеет прямую зависимость от подвижности основных носителей заряда:
= ^ + (аа/-' + ора/^ ) + (к^ + траге"^ ), (2)
-3
где ц0 - параметр, который рассчитывается в теле компактной модели; араг = -11,610 ; Ьраг = 10,53 10-3; Сраг = 199,6 103; fpar = 739,6 103; kpar = -91,3210-3; краг = 1,44; траг = 38 103; праг = 3,9106 - эмпирически подобранные добавочные коэффициенты для длины и ширины соответственно.
В результате проведения процесса экстракции параметров создана компактная Spice-модель, которая разработана на основе распространенной модели BSIMSOIv4.5 и описывает большинство паразитных эффектов [6, 7]. Общая среднеквадратичная ошибка полученной модели составила 8,5 %. Пример сходимости модели показан на рис. 1.
5 г-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-
I UG = 2,0 В
0 0,5 1,0 1,5 2
Ud, В а
1 1 1 1 1 1 1 1 □ ^^^ □ ^^^ 1 1 1 1 п П 0-В-в- 1 1 1 1
(/G = 2,0 В
а ^г 1,8
■ / ^^ □ / / у'
a □ / / □ У а / / / / 1 □ ^г i,6
1,4
□ ^^г
1,2
1,0
: Г - -Л и lb --it ll I 0,9
0 0,5 1,0 1,5 2
Ud, В б
Рис. 1. Пример сходимости ВАХ для КНИ КМОП-транзисторов с плавающим (а) и фиксированным (б) карманом: точки - эксперимент; сплошные линии - расчет Fig. 1. Example of I-U characteristics for SOI CMOSFET with floating (a) and fixed (b) body: points - experimental data; solid line - calculated
Исследование зависимости порогового напряжения КНИ КМОП-транзистора от плавающего потенциала кармана при различной геометрии канала. В случае частично обедненного КНИ КМОП-транзистора пороговое напряжение подвержено эффекту плавающего кармана [8]. В рабочем теле транзистора в результате накопления дырок, возникающих вследствие ударной ионизации в области пространственного заряда стока, образуется паразитный биполярный транзистор (рис. 2).
UG
Î
о ие
Рис. 2. Структура частично обедненного КНИ КМОП-транзистора с паразитным биполярным транзистором в области кармана Fig. 2. Structure of the PD SOI CMOSFET with a parasitic bipolar transistor
in the body area
- 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ! 1 1 1 □ S 1 I , иь = - î м î 0,4...0 В ! -0,6 ' -0,8
- ---- "Î su □ -- и
□ а ___________ ---
- /о □ о ----- 1 -1,0 ' -1,2 ; -i,4 ■ -i,6
« »
- /.yr ° —-"-1 а ------- п
- д/^-— "□ ^Xt □ — /□ ^-^о С——"fi---- ■* ___°-п ' -1,8 1 -2,0
□ î î î î î î î î 1 1 1 1 1 1 1 1 . , , î î î î
107 I0"6 10"5 10"4
l, mkm
a
Рис. 3. Зависимости порогового напряжения от длины L канала транзистора при смещении на кармане Ub от 0 до -2 В для транзисторов с шириной канала W = 10 мкм (а): точки - эксперимент; сплошные линии - расчет Fig. 3. Dependences of the threshold voltage on the transistor channel length L at Ub (body bias) from zero to -2 V, with W = 10 um (а): points - experimental data; solid line - calculated
800 г-п-1-1—i—i i i i i-i-1-1—i i i i i I-1-1-1——i i i i
L, MKM б
Рис. 3. Зависимости порогового напряжения от длины L канала транзистора при смещении на кармане Ub от 0 до -2 В для транзисторов с шириной канала W = 0,52 мкм (б): точки - эксперимент; сплошные линии - расчет Fig. 3. Dependences of the threshold voltage on the transistor channel length L at Ub (body bias) from zero to -2 V, with W = 0.52 um (b): points - experimental data; solid line - calculated
В результате накопления дырок на границе перехода сток - карман происходит увеличение разности потенциалов база - эмиттер биполярного транзистора и возникает ток через базу, что снижает пороговое напряжение [6, 7]. Данное явление зависит от приложенного смещения в области кармана при разной длине и ширине канала КНИ КМОП-транзистора (рис. 3). В случае транзистора с большой шириной канала при изменении потенциала кармана происходит более крутое снижение порогового напряжения, что можно объяснить увеличением тока через базу паразитного биполярного транзистора вследствие возрастания площади эмиттера [8]. Данная зависимость подтверждается сопоставлением смоделированных данных с экспериментальными. Для обеспечения условия электронейтральности в результате увеличения заряда дырок увеличивается заряд электронов в инверсном канале, что приводит к увеличению тока насыщения и, как следствие, к снижению порогового напряжения.
Исследование зависимости возникновения кинк-эффекта от геометрических параметров КНИ КМОП-транзистора. Результаты исследования показывают, что для КНИ КМОП-транзистора при определенных воздействиях характерно возникновение скачка уровня тока в области насыщения, так называемого кинк-эффекта, который виден на выходной характеристике [9]. Кинк-эффект обусловлен образованием паразитного биполярного транзистора в структуре КНИ КМОП-транзистора (см. рис. 1) вследствие накопления дырок в изолированном рабочем теле (кармане) прибора. Накопленные дырки изменяют плавающий потенциал кармана и приводят к открытию эмиттерного перехода биполярного транзистора и возникновению дополнительно к току инверсионного канала КНИ КМОП-транзистора тока через объем кармана, что и вызывает скачок тока прибора [10].
Потенциал кармана Ук, который создает накопленные дырки, определяется зарядом дырок Qд и суммарной емкостью верхнего Св. з и нижнего Сн. з затворов истока Сs и стока Св.
V = О / С, (3)
где Ск = С8 + СВ + Св.з + Сн.з .
На рис. 4 представлены смоделированные ВАХ КНИ КМОП-транзисторов с разным смещением на затворе и геометрическими параметрами канала. Результаты моделирования показывают, что вероятность возникновения паразитного биполярного транзистора и, следовательно, кинк-эффекта существенно зависит от геометрических параметров каналов КНИ КМОП-транзисторов. Наиболее ярко этот эффект проявляется при использовании прибора с малыми размерами каналов, что вносит ограничения на использование таких транзисторов при проектировании КНИ КМОП СБИС.
Рис. 4. Смоделированные ВАХ КНИ КМОП-транзисторов с разными смещением на затворе
и геометрическими параметрами канала Fig. 4. Simulated output characteristics Id (Ud) of SOI CMOSFETs with different gate offset
and channel geometry
Заключение. Расчетные и экспериментальные данные показали, что паразитный эффект плавающего кармана и кинк-эффект оказывают критическое влияние на основные характеристики КНИ КМОП-транзисторов. Представленная разработанная компактная Брюс-модель КНИ КМОП-транзистора на основе модели б81м801у4.5 учитывает влияние длины и ширины канала, а также потенциала кармана на пороговое напряжение, ток стока в канале и описывает возникновение кинк-эффекта.
Полученные в данной работе результаты позволяют при проектировании ИС повысить предсказуемость поведения, точность и стабильность работы прибора и увеличить его производительность.
Литература
1. Красников Г. Я., Горнев Е. С., Матюшкин И. В. Общая теория технологии и микроэлектроника. Ч. 3: Уровень технологической операции // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 2018. № 3 (171). С. 63-93.
2. Vandana B. Study of floating body effect in SOI technology // International Journal of Modern Engineering Research (IJMER). 2013. Vol. 3. Iss. 3. P. 1817-1824.
3. Шипицин Д. С., Потупчик А. Г., Шемякин А. В., Яшин Г. А. Разработка способа учета особенностей ВАХ транзистора, работающего в переходном режиме от PDSOI/FDSOI в компактной модели // Наноиндустрия. 2020. Т. 13. № S4 (99). С. 362-365. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2020.13.4s.362.365
4. Is there a kink effect in FDSOI MOSFETs? / H. J. Park, M. Bawedin, K. Sasaki et al. // 2017 Joint International EUROSOI Workshop and International Conference on Ultimate Integration on Silicon (EUROSOI-ULIS). Athens: IEEE, 2017. P. 212-215. https://doi.org/10.1109/ULIS.2017.7962564
5. Park H., Lee K., Colinge J.-P., Cristoloveanu S. Is FD-SOI immune to floating body effects? // 2018 IEEE SOI-3D-Subthreshold Microelectronics Technology Unified Conference (S3S). Burlingame, CA: IEEE, 2018. P. 1-3. https://doi.org/10.1109/S3S.2018.8640198
6. BSIMSOIv4.5.0 MOSFET model: user's manual / BSIM group. Berkeley, CA: UC Department of EECS, 2013. 129 p.
7. Денисенко В. В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микро- и наноэлектронике. М.: Физматлит, 2010. 409 с.
8. Wu W., Yao W., Gildenblat G. PSP-SOI: A surface-potential-based compact model of SOI MOSFETs // Compact modeling: Principles, techniques and applications / ed. G. Gildenblat. Dordrecht: Springer, 2010. P. 41-74. https://doi.org/10.1007/978-90-481-8614-3_2
9. Tsividis Y., McAndrew C. Operation and modeling of the MOS transistor. 3rd ed. Oxford: Oxford Univ. Press, 2011. 723 p.
10. Crisoloveanu S., Li Sh. S. Electrical characterization of silicon-on-insulator materials and devices. New York: Springer, 1995. XV, 381 p. (Springer International Series in Engineering and Computer Science). https://doi.org/10.1007/978-1-4615-2245-4
Статья поступила в редакцию 09.11.2022 г.; одобрена после рецензирования 21.11.2022 г.;
принята к публикации 06.02.2023 г.
Информация об авторах
Кириллова Анастасия Владимировна - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), инженер-конструктор АО «Научно-исследовательский институт молекулярной электроники» (Россия, 124460, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Академика Валиева, 6, стр. 1), akirillova@niime.ru
Королёв Михаил Александрович - доктор технических наук, профессор кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), mikor33@rambler.ru
References
1. Krasnikov G. Ya., Gornev E. S., Matushkin I. V. General theory of technology and microelectronics. Part 3. Technological operation level. Elektronnaya tekhnika. Ser. 3. Mikroelektronika = Electronic Engineering. Series 3. Microelectronics, 2018, no. 3 (171), pp. 63-93. (In Russian).
2. Vandana B. Study of floating body effect in SOI technology. International Journal of Modern Engineering Research (IJMER), 2013, vol. 3, iss. 3, pp. 1817-1824.
3. Shipitsin D. S., Potupchik A. G., Shemyakin A. V., Yashin G. A. Development of a method for taking into account the features of the I-V characteristics of a transistor operating in transition from PDSOI to FDSOI. Nanoindustriya = Nanoindustry, 2020, vol. 13, no. S4 (99), pp. 362-365. (In Russian). https://doi.org/10.22184/1993-8578.2020.13.4s.362.365
4. Park H. J., Bawedin M., Sasaki K., Martino J.-A., Cristoloveanu S. Is there a kink effect in FDSOI MOSFETs? 2017 Joint International EUROSOI Workshop and International Conference on Ultimate Integration on Silicon (EUROSOI-ULIS). Athens, IEEE, 2017, pp. 212-215. https://doi.org/10.1109/ ULIS.2017.7962564
5. Park H., Lee K., Colinge J.-P., Cristoloveanu S. Is FD-SOI immune to floating body effects? 2018 IEEE SOI-3D-Subthreshold Microelectronics Technology Unified Conference (S3S). Burlingame, CA, IEEE, 2018, pp. 1-3. https://doi.org/S3S.2018.8640198
6. BSIM group. BSIMSOIv4.5.0 MOSFET model, user's manual. Berkeley, CA, UC Department of EECS, 2013. 129 p.
7. Denisenko V. V. Compact models of MOSFETs for SPICE in micro- and nanoelectronics. Moscow, Fizmatlit Publ., 2010. 409 p. (In Russian).
8. Wu W., Yao W., Gildenblat G. PSP-SOI: A surface-potential-based compact model of SOI MOSFETs. Compact modeling: Principles, techniques and applications, ed. G. Gildenblat. Dordrecht, Springer, 2010, pp. 41-74. https://doi.org/10.1007/978-90-481-8614-3_2
9. Tsividis Y., McAndrew C. Operation and modeling of the MOS transistor. 3rd ed. Oxford: Oxford Univ. Press, 2011. 723 p.
10. Crisoloveanu S., Li Sh. S. Electrical characterization of silicon-on-insulator materials and devices. New York, Springer, 1995. xv, 381 p. (Springer International Series in Engineering and Computer Science). https://doi.org/10.1007/978-1-4615-2245-4
The article was submitted 09.11.2022; approved after reviewing 21.11.2022;
accepted for publication 06.02.2023.
Information about the authors
Anastasia V. Kirillova - PhD student of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Design Engineer, "Research Institute of Molecular Electronics" JSC (Russia, 124460, Moscow, Zelenograd, Akademik Valiev st., 6, bld. 1), akirillova@niime.ru
Mikhail A. Korolev - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), mikor33@rambler.ru
