microbik.ru
1
МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО ПОДВИЖНОСТИ ЭЛЕКТРОНОВ ВБЛИЗИ СТОКА В КОРОТКОКАНАЛЬНЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРАХ С МЕЛКИМИ И ГЛУБОКИМИ СТОКАМИ

О. Г. Жевняк

Белорусский государственный университет

Zhevnyakol@tut.by, zhevnyakog@mail.ru

In this paper Monte Carlo calculations of electron mobility in MOSFETs with 0.5, 0.25 and 0.1 m channel length as well as different values of drain depth are considered. The dependencies of electron mobility on drain depth in different section of device substrate are obtained. Results of simulation demonstrate extremum behavior from the changing of drain depth. That may be explained by the redistribution of electric field near the drain region.
ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Достигнутый к настоящему времени прогресс в миниатюризации активных элементов интегральных МОП-транзисторов вызывает острую необходимость в конструктивном решении проблемы короткоканальных эффектов [1–4]. При проектировании МОП-транзисторов с длиной канала 100нм и менее в первую очередь нужно обеспечить отсутствие сквозного обедненных областей истока и стока, когда между ними возникает проводящий канал даже в отсутствие необходимого напряжения на затворе. Появление такого сквозного обеднения приведет к тому, что МОП-транзистор перестанет переключаться из состояния “0” в состояние “1” и таким образом перестанет выполнять свои цифровые функции. Однако помимо надежного переключения, важным является обеспечение и необходимого быстродействия МОП-транзистора, т.е. времени переключения, которое определяется как размерами областей истока и стока, так и параметрами, характеризующими электронный перенос, прежде всего, подвижностью электронов вблизи стока [4–5]. В этой связи разработка адекватных моделей, описывающих процессы переноса электронов в короткоканальных МОП-транзисторов с разными размерами истоковой и стоковой областей при их переключениях, является крайне актуальной.

Целью настоящего доклада является моделирование влияния глубины залегания стока в короткоканальном кремниевом МОП-транзисторе на величину подвижности электронов возле стока.
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИ.

На рис. 1 приведена конструкция исследуемого МОП-транзистора и отмечены основные его элементы. Подавление короткоканальных эффектов можно обеспечить путем выбора оптимальной конфигурации размеров длины канала и глубины залегания стоковой области, а также формированием специальных карманов возле стока [2; 3; 5]. Анализ влияния глубины залегания стока на перенос электронов в канале МОП-транзистора является также крайне важным и для исследования проблемы надежного переключения МОП-транзистора и недопущения его выхода из строя по причине эффектов горячих электронов. В этой связи в настоящей работе особое внимание уделяется выделению трех случаев — 1) мелкого стока, когда глубина залегания намного меньше длины канала, 2) стандартной конфигурации, когда глубина залегания составляет десятки процентов от длины канала и 3) глубокого стока, когда глубина залегания сравнима с длиной канала. Все эти три случая продемонстрированы на рис. 2.


VG




VS

VD





Подзатворный окисел

SiO2 gate

dox




n+

n+

dj




Lch




Длина канала

Channel length

Глубина залегания стока

Drain depth

p – Si

Подложка

Substrate




Рис. 1. Конструкция исследуемого МОП-транзистора.








Рис. 2. Три конструктивных ключевых особенностей соотношения длины канала МОП-транзистора и глубины залегания истоковой и стоковой областей.

В настоящей работе для сравнения проведено моделирование электронного переноса в короткоканальных МОП-транзисторах с тремя значениями длины канала 0.1мкм, 0.25 мкм и 0.5 мкм и следующими конструктивно-технологическими параметрами: толщина подзатворного окисла равна 10 нм, концентрация акцепторов в подложке равна 1024 м–3. Напряжения на стоке и затворе выбирались равными 2В. Были использованы известные алгоритмы и процедуры кинетического моделирования методом Монте-Карло, разработанные автором, и описанные в работах [4; 6]. Исследовалось влияние глубины залегания истоковой и стоковой областей на подвижность электронов вблизи стока в различных сечениях канала по направлению в глубь подложки.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

На рис. 3 и 4 приведены ряд полученных в результате численного моделирования зависимостей подвижности электронов вблизи стока от величины залегания истоковой и стоковой областей. Эта величина, откладываемая по оси абсцисс, выбиралась в относительных единицах по отношению к длине канала Lch. На рис. 3 приведены зависимости среднего значения подвижности электронов от глубины залегания стока в сечении канала в глубь подложки возле поверхности раздела Si/SiO2, а на рис.4 аналогичные зависимости для усредненной по всем сечениям канала в глубь подложки величины подвижности электронов вблизи стока.




Рис. 3. Зависимость значения подвижности электронов у подзатворного окисла от глубины залегания стока.

Полученные результаты позволяют сделать ряд выводов.

Первый вывод — величина подвижности электронов у стока во всех рассматриваемых случаях довольно мала и не превышает значения . Это свидетельствует об очень сильном разогреве электронов у стока и формировании вблизи этой области электрического поля с высокой напряженностью.



Рис. 4. Зависимость среднего значения подвижности электронов у стока

от глубины залегания стока.

Второй вывод — с увеличением длины канала с 0.25 мкм до 0.5 мкм наблюдается существенное увеличение значения подвижности во всех рассматриваемых сечениях. Это можно объяснить тем, что, с одной стороны, происходит уменьшение напряженности поля у стока с ростом длины канала при постоянном напряжении на стоке, а, с другой стороны, усиливается уход электронов от поверхности раздела подзатворный окисел / полупроводник в глубь подложки, где снижается рассеяние носителей заряда за счет ухода от поверхностных центров рассеяния.

Третий вывод — с увеличением длины канала заметно увеличивается влияние глубины залегания стока на подвижность. Этот факт можно связать с тем же отклонением электронов в глубь подложки, где не только снижается рассеяние носителей заряда, но и в зависимости от размеров стоковой области наблюдается существенное перераспределение потенциалов и различный характер изменения напряженности электрического поля.

Четвертый вывод — влияние глубины залегания стока характеризуется вначале уменьшением величины подвижности с ростом глубины залегания стока, а потом ее небольшим увеличением. Это можно объяснить соответствующим изменением напряженности поля в областях, примыкающих к стоку, т.е. вначале она растет, а потом уменьшается.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Таким образом, в настоящей работе c помощью численного моделирования методом Монте-Карло получены зависимости подвижности электронов вблизи стока в короткоканальных МОП-транзисторах от глубины залегания истоковой и стоковой областей. Рассматривались приборы с тремя длинами канала. Полученные зависимости показывают, что с увеличением глубины залегания подвижность электронов сначала уменьшается, а потом начинает расти. Это связано с особенностями пространственного движения электронов в различных сечениях канала и перераспределением электрического потенциала в этих сечениях с изменением глубины залегания стока.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Fiegna C., Iwai H., Wada T., Saito M., Sangiorgi E., and Ricco B. Scaling the MOS Transistor Below 0.1 μm: Methodology, Device Structures, and Technology Requirements // IEEE Trans. Electron Dev. – 1994. – Vol. 41, No 6. – P. 941–951.

2. Iwai H., Momose H. S. Technology toward low power / low voltage and scaling of MOSFETs // Microelectron. Engineer. – 1997. Vol. 39, No 1. – P.7–30.

3. Matsuoka F. et al. Drain structure optimization for highly reliable deep submicrometer n-channel MOSFET // IEEE Trans. Electron Devices. – 1994. – Vol.41, N3. – P.420–425.

4. Zhevnyak O. Temperature effect on electron transport in conventional short channel MOSFETs: Monte Carlo simulation // Proc. SPIE. – 2008. – Vol. 7025. – P.1M-1–8.

5. Красников Г. Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. В 2-х частях. Часть 1. – М.: Техносфера, 2002. – 416 с.

6. Борздов В.М., Жевняк О.Г., Комаров Ф.Ф., Галенчик В.О. Моделирование методом Монте-Карло приборных структур интегральной электроники – Минск: БГУ, 2007. – 187 с.