ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНКИ КРЕМНИЯ КНИ-СТРУКТУРЫ НА ПАРАМЕТРЫ ПЛАНАРНОГО БЕСПЕРЕХОДНОГО МОП-ТРАНЗИСТОРА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ BRIEF REPORTS

УДК 621.382.322 DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-1-87-91

Влияние толщины пленки кремния КНИ-структуры на параметры планарного беспереходного МОП-транзистора

А.С. Ключников1, А.Ю. Красюков2, Е.А. Артамонова2, М.А. Королёв2, Д.И. Ефимова2

1 АО «НИИмолекулярной электроники», г. Москва, Россия 2Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия

a_kras@org. miet. ru

Планарные беспереходные МОП-транзисторы, имеющие по сравнению с традиционными приборами ряд преимуществ, формируются на основе КНИ-структуры. В процессе создания КНИ-структуры и последующих технологических операций формирования транзисторов возможно изменение толщины пленки кремния. В работе представлены результаты исследования с помощью приборно-технологического моделирования в системе TCAD влияния толщины пленки кремния КНИ-структуры на основные параметры планарных беспереходных МОП-транзисторов. Показано, что для компенсации деградации характеристик прибора при изменении толщины пленки кремния необходимо изменить концентрацию примеси в кремнии. При толщинах пленки кремния менее 45 нм для этого необходим уровень легирования пленки кремния примесью выше 1017 см-3.

Ключевые слова: беспереходной МОП-транзистор; математическое моделирование; КНИ-структура; ток насыщения; подпороговый ток

Для цитирования: Ключников А.С., Красюков А.Ю., Артамонова Е.А., Королёв М.А., Ефимова Д.И. Влияние толщины пленки кремния КНИ-структуры на параметры планарного беспереходного МОП-транзистора // Изв. вузов. Электроника. - 2019. - Т. 24. - № 1. -С. 87-91. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-1-87-91

© А.С. Ключников, А.Ю. Красюков, Е.А. Артамонова, М.А. Королёв, Д.И. Ефимова, 2019

Dependence of Silicon Film Thickness on SOI-Lateral Junctionless MOSFET's Parameters

A.S. Klyuchnikov1, A. Yu. Krasyukov2, E.A. Artamonova2, M.A. Korolev2, D.I. Efimova2

'JSC «NIIME», Moscow, Russia

2National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia [email protected]

Abstract: The lateral junctionless MOSFET's have a number of advantages compared to the conventional devices based on SOI structure. During the process of fabricating SOI structure and further technological operations of fabricating transistors, the change of the silicon film thickness is possible. In the work, using the device-technological modeling in the TCAD system the results of the studies on the influence of the SOI structure silicon film thickness on the main JLT parameters have been presented. It has been shown that to compensate the degradation of the device characteristics while changing the silicon film thickness it is necessary, respectively, to change the impurity concentration in silicon. For this, with the silicon film thicknesses less than 45 nm the level of the silicon film doping by the impurity higher than 1017 cm-3 is necessary.

Keywords: junctionless transistor; simulation; TCAD; SOI-structure; saturation and subthreshold current

For citation: Klyuchnikov A.S., Krasyukov A.Yu., Artamonova E.A., Korolev M.A., Efimova D.I. Dependence of silicon film thickness on SOI-Lateral junctionless MOSFET's Parameters. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 1, pp. 87-91. DOI: 10.24151/1561-54052019-24-1-87-91

Беспереходной планарный МОП-транзистор (МОП БПТ), имеющий ряд преимуществ по сравнению с традиционными приборами [1-4], формируется на основе КНИ-структуры. В работе [5] приведены результаты исследования влияния концентрации примеси в пленке кремния КНИ-структуры на основные параметры МОП БПТ при фиксированной толщине пленки, равной 70 нм. Однако научный и практический интерес представляет исследование влияния толщины пленки КНИ-структуры на параметры МОП БПТ. В отличие от традиционных МОП-транзисторов МОП БПТ имеет объемный канал, проводимость которого, а также основные электрические параметры прибора существенно зависят не только от концентрации примеси в канале, но и от его геометрических размеров. Возможное изменение толщины пленки кремния обусловлено тем, что при формировании КНИ-подложки имеется разброс по толщине пленки кремния вдоль поверхности пластины и для разных подложек. При последующих операциях термического окисления кремния эффективная толщина пленки уменьшается.

Для определения влияния толщины пленки кремния КНИ-структуры на основные параметры планарного МОП БПТ проведено приборно-технологическое моделирование в системе TCAD [6] с использованием структурной модели планарного МОП БПТ, ориентированного на технологию с проектными нормами 90 нм [5]. Такой прибор формируется на КНИ-подложке с толщиной скрытого и подзатворного оксида Tbox = 150 нм и Tox = 2,1 нм соответственно. При этом толщина рабочего слоя TSl = 70 нм, концентрация доноров Nd = 6-1016 см3. Толщина слоев выбрана в соответствии с требованиями технологического процесса изготовления КМОП ИС на КНИ-подложках с проектными нормами 90 нм. Ориентировочное значение порогового напряжения прибора составляет 0,4-0,5 В, длина спейсера Lsp = 300 нм.

При расчете электрических характеристик прибора используются следующие модели: гидродинамическая модель переноса для электронов; диффузионно-дрейфовая модель переноса для дырок; модель лавинной генерации (Avalanche); модель межзонной генерации (B2BT).

На границе раздела подзатворный оксид - подложка задан поверхностный заряд N„1 = 5 1010 см2, на границе раздела скрытый оксид - подложка поверхностный заряд N^2 = 11011 см2. В расчетах варьируются толщина рабочего слоя в диапазоне Т31 = 40-70 нм и концентрация N¿1 в этом слое.

Для описания работы МОП БПТ используем электрические характеристики, определяемые из проходных ВАХ: пороговое напряжение УТ0 при 1С = 10-7 А/мкм для УСИ = 1,2 В; ток утечки 10^ при Уси = 1,2 В, Узи = 0.

На рис.1 приведены рассчитанные зависимости порогового напряжения МОП БПТ при высоком напряжении сток-исток от толщины рабочего слоя при разной концентрации примеси в нем. На графиках показаны только положительные значения порогового напряжения.

Из рис.1 следует, что с уменьшением толщины пленки кремния пороговое напряжение растет, так как увеличивается степень обеднения подзатворной области рабочего слоя МОП БПТ вследствие воздействия электрического поля, формируемого контактной разностью потенциалов поликремний/кремний затворного узла. Согласно расчету повышение концентрации примеси в рабочем слое приводит к уменьшению порогового напряжения. Поэтому для достижения заданного фиксированного значения порогового напряжения при изменении толщины пленки кремния необходимо подобрать для каждой толщины соответствующую концентрацию примеси в пленке. Однако при изменении концентрации примеси в пленке кремния будут изменяться важные параметры прибора - подпороговый ток и ток насыщения. При толщине рабочего слоя Т31 = 70 нм пороговое напряжение в диапазоне 0,3-0,45 В достигается при условии 2-1016 < N¿1 < 4-1016 см3.

Рис.1. Зависимость порогового напряжения МОП БПТ от толщины рабочего слоя при УСИ =1,2 В и разной концентрации доноров Nd Fig.1. The dependence of the junctionless transistor threshold voltage on TSi and Nd

Рис.2. Зависимость тока утечки МОП БПТ от толщины рабочего слоя при разной концентрации доноров Nd Fig.2. The dependence of the junctionless transistor leakage current on TSi and Nd

Рис.3. Зависимость необходимой концентрации примеси в пленке кремния от ее толщины для обеспечения порогового напряжения 0,4-0,5 В

при УСИ = 1,2 В Fig.3. The dependence of the junctionless transistor substrate doping concentration on TSi for VT0 = 0,4-0,5 V and Vds = 1,2 V

На рис.2 показаны расчетные зависимости тока утечки при варьировании толщины рабочего слоя и концентрации примеси в нем. Как следует из рисунка, при снижении толщины пленки подпороговый ток уменьшается, так как увеличивается степень обеднения подзатворной области объемного канала прибора. Вследствие повышения концентрации Nd увеличивается ток утечки, так как не достигается полного обеднения канала. При толщине рабочего слоя TSi = 70 нм приемлемое значение тока утечки If = 1 нА/мкм достигается при Nd < 4-1016 см 3.

Для каждой толщины пленки кремния МОП БПТ необходимо подобрать концентрацию примеси таким образом, чтобы значение порогового напряжения при УСИ =1,2 В находилось в пределах диапазона 0,4-0,5 В. Зависимость необходимого уровня концентрации примеси в пленке кремния при изменении ее толщины, обеспечивающей пороговое напряжение от 0,4 до 0,5 В, приведена на рис.3. Как следует из рисунка, при уменьшении толщины пленки кремния до значений менее 45 нм необходимо повышать концентрацию для сохранения порогового напряжения в диапазоне 0,4-0,5 В до значения более 1 • 1017 см-3.

Проведенное приборно-технологическое моделирование планарного МОП БПТ в системе TCAD показало, что изменение толщины пленки кремния в МОП БПТ в пределах 40-70 нм существенно влияет на основные параметры прибора. В частности, при уменьшении толщины пленки кремния увеличивается пороговое напряжение и снижается подпороговый ток, что объясняется повышением степени обеднения подзатворной области объемного канала прибора. Расчеты позволяют сделать вывод о том, что для компенсации деградации характеристик МОП БПТ, вызванной изменением толщины пленки кремния, необходимо соответственно изменять уровень легирования примесью кремниевой пленки.

Литература

1. Junctionless multigate field-effect transistor / C. Lee, A. Afzalian, J. Colinge et al // Applied Physics Letters. -1991. - Vol. 94. - No. 5. - P. 053511-1-0535112.

2. Comparison of junctionless and conventional trigate transistors with Lg down to 26 nm / R. Rios, A. Cappellani, M. Armstrong et aL // IEEE Electron Device Letters. - 2011. - Vol. 32. - No. 9. - P. 1170-1172.

3. Comparative study of fabricated junctionless and inversion-mode nanowire FETs / C. Park, M. Ko, K. Kim et al. // Proceedings 69 Annual Device Research Conference, Santa Barbara, CA. - 2011. - P. 179-180.

4. Threshold voltage sensitivity to width variation nanowire in JLT / D. Moon, Y. Choi, S. Kim et al. // IEEE Electron Device Letters. - 2016. - Vol. 32. - No. 2. - P. 125-127.

5. Королев М.А., Ключников А.С., Ефимова Д.И. Беспереходной МОП-транзистор с низким подпороговым током // Изв. вузов. Электроника. - 2018. - Т. 23. - № 2. - С. 186-193.

6. Королев М.А, Крупкина Т.Ю., Чаплыгин Ю.А Приборно-технологическое моделирование при разработке изделий микроэлектроники и микросистемной техники // Изв. вузов. Электроника. - 2005. - №4-5. - С. 64-71.

Поступило в редакцию 10.07.2018 г.; после доработки 23.10.2018 г.; принято к публикации 27.11.2018 г.

Ключников Алексей Сергеевич - кандидат технических наук, начальник лаборатории при-борно-технологического моделирования АО «НИИ молекулярной электроники» (Россия, 124460, г. Москва, г. Зеленоград, 1-й Западный пр-д, д. 12/1), [email protected]

Красюков Антон Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д.1.), [email protected]

Артамонова Евгения Анатольевна - кандидат технических наук, доцент кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д.1), [email protected]

Королёв Михаил Александрович - доктор технических наук, профессор кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д.1), [email protected]

Ефимова Дарья Игоревна - магистр, стажер-исследователь кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д. 1), [email protected]

References

1. Lee C., Afzalian A., Colinge J., Yan R., Ferain I., Akhavan N. Junctionless multigate field-effect transistor. Applied Physics Letters, 1991, vol. 94, no. 5, pp. 053511-1-053511- 2.

2. Rios R., Cappellani A., Armstrong M., Budrevich A., Gomez H., Pai R., Rahhal-orabi N., Kuhn K. Comparison of junctionless and conventional trigate transistors with Lg down to 26 nm. IEEE Electron Device Letters, 2011, vol. 32, no. 9, pp. 1170-1172.

3. Park C., Ko M., Kim K., Sohn C., Baek C., Jeong Y., Lee J. Comparative study of fabricated junctionless and inversion-mode nanowire FETs. Proceedings 69 Annual Device Research Conference, Santa Barbara, CA, 2011, pp. 179-180.

4. Moon D., Choi Y., Kim S., Duarte J., Cappellan A. Threshold voltage sensitivity to width variation nanowire in JLT. IEEE Electron Device Letters, 2016, vol. 32, no. 2, pp. 125-127.

5. Korolev M.A., Klyuchnikov A.S., Efimova D.I. Junctionless MOS-transistor with low subthreshold current. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2018, vol. 23, no. 2, pp. 186-193.

6. Korolev M.A., Krupkina T.Yu., Chaplygin Yu.A. Instrument-technological modeling in the development of microelectronics and microsystem equipment. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2005, no. 4-5, pp. 64-71. (in Russian).

Received 10.07.2018; Revised 23.10.2018; Accepted 27.11.2018.

Information about the authors:

Alexey S. Klyuchnikov - Cand. Sci. (Eng.), Head of the Instrument-Technological Modeling Laboratory, JSC «NIIME» (Russia, 124460, Moscow, Zelenograd, 1st Zapadny pr-d, 12/1), [email protected]

Anton Y. Krasyukov - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]

Evgenia A. Artamonova - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]

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), [email protected]

Darya I. Efimova - Master, Researcher Assistent of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]

Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»

Полные тексты статей журнала с 2009 по 2018 гг. доступны на сайтах Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru и журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»: http://ivuz-e.ru