Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов
.pdf292 |
Гл. 4. Полевые |
транзисторы |
|
элементов памяти диаметр квантовых точек должен быть |
нм, а их |
||
плотность — 1012 СМ"2. |
|
|
|
|
Поскольку получение квантовых |
точек указанного размера |
метода- |
ми современной литографии пока слишком сложно, можно попробовать
использовать более технологичные решения и работать с массивами нанокристаллов приблизительно одинакового размера и формы (см.
подробнее [198]). В частности, для создания таких массивов нано- кристаллов для экспериментальных образцов запоминающих устройств использовались технология выращивания островков кремния на по-
верхности SiOj в процессе эпитаксии M O C V D |
и явление образования |
||
преципитатов из внедренных в подзатворный |
окисел |
атомов |
кремния |
в процессе термообработки после ионной имплантации |
[199, |
200]. |
Для увеличения плотности записи информации в флэшпамяти фирма Intel в 1998 г. реализовала предложенную в патенте [201] идею записывать в каждую ячейку памяти сразу несколько битов информации, кодируя кодовые комбинации (00, 01, 10 и 11 в случае одновременной записи двух битов) разной величиной заряда на плавающем затворе и затем считывая эту информацию путем измерения тока насыщения открытого транзистора. Эта технология хранения получила название MLC (multi-level cell) и широко используется в настоящее время фирмами Intel, Toshiba, Samsung, Hynix, Micron в производстве флэш-памяти [196]. Примером таких микросхем может служить флэш-память StrataFlash фирмы Intel. Другим подходом, также позволяющим удвоить объем флэш-памяти, является создание двух ячеек памяти под одним затвором около истока и стока транзистора; этот подход развивается фирмами AMD (конструкция MirrorBit) и Infineon (конструкция TwinFlash).
Для микросхем с логикой NAND достаточно характерным видом ошибок является искажение отдельных битов данных. Характерная частота этих ошибок составляет 10~9 для ячеек с двумя уровнями логических сигналов и 10~6 для ячеек MLC с четырьмя уровнями. Для борьбы с этими ошибками при записи каждого блока данных в микросхему одновременно записывается несколько байтов ЕСС (кода, исправляющего ошибки); при чтении данных этот код используется для проверки правильности считанной информации и при необходимости искаженные биты исправляются. Если число ошибок в блоке становится слишком большим, то блок может быть помечен как дефектный и заменен резервным блоком. Микросхемы с ячейками памяти MLC выдерживают 104 циклов перепрограммирования, что примерно на порядок меньше, чем для микросхем с обычными ячейками.
В 2005 году максимальная емкость однокристалльных микросхем флэш-памяти, выпускаемых в промышленном масштабе, составляла: с логикой NOR — 512 Мбит (S29GL512N фирмы
4.2. Элементы интегральных схем на МОП-транзисторах |
293 |
Spansion), с логикой NAND - 4 Гбит (K9K4G08U0M фирмы Samsung). Минимальный топологический размер при производстве микросхем NAND в настоящее время составляет 55 нм.
МНОП-структуры. Полевые транзисторы с двухслойным диэлектриком, исследование которых было начато в 1967 г. [202], также используются для создания постоянных запоминающих устройств с электрической перезаписью информации. Наиболее распространенными среди них являются транзисторы со структурой МНОП (металл-нитрид-окисел-полупроводник)1 ).
В отличие от МОП-транзисторов с плавающим затвором, в МНОП-структурах заряд, кодирующий логическую информацию, хранится на глубоких ловушках в примыкающем к окислу слое нитрида кремния. Типичная толщина окисла в МНОПструктурах составляет 20-100 А, толщина слоя Si3N4 — 1001000 А. Как и в рассмотренной выше структуре ЭППЗУ, для перемещения заряда на уровни ловушек достаточно приложить к затвору транзистора высокое напряжение, и за счет туннелирования ловушки начинают заполняться или опустошаться (в зависимости от полярности приложенного напряжения). Характерное
время записи составляет ~ 1 0 мс. |
в |
К сожалению, в структурах с толщиной окисла |
менее 50 А |
вероятность туннельной утечки электронов с ловушек в подложку достаточно высока, что ограничивает время хранения, а в структурах с толщиной окисла более 50 А работа ячеек памяти осложняется тем, что при записи логической 1 электроны туннелируют по механизму Фаулера-Нордгейма и сначала попадают в зону проводимости SiC>2, а затем, пробретя высокую энергию за счет разрыва зон на гетерогранице Si02~Si3N4 и став горячими, уходят от границы раздела далеко в глубь нитрида. Поэтому последующее удаление этого заряда с ловушек при записи логического 0 происходит с большим трудом.
В работе [203] было предложено решение этой проблемы, состоявшее в преднамеренном легировании границы двух диэлектриков примесями, создающими уровни глубоких ловушек. В качестве примесей были успешно использованы W и 1г с по-
верхностной |
концентрацией 10, 4 -101 5 |
с м - 2 . Легирование гра- |
ницы раздела |
позволило одновременно |
существенно уменьшить |
') Вместо нитрида кремния в подобных структурах может также использоваться AI2O3, ТагОй или Т[Ог [14]. Общим свойством этих диэлектриков
является высокая концентрация присутствующих в них глубоких ловушек. Так, в Si3N4 их концентрация превышает 1019 см- 3 .
2 9 4 |
Гл. 4. Полевые |
транзисторы |
ивремя программирования. Примером отечественных микросхем
сМНОП-структурой могут служить микросхемы серии К558.
Впоследнее время большое распространение получила разновидность МНОП-структуры, называемая SONOS (silicon—oxide— nitride—oxide—silicon), в которой слой Si3N4 с глубокими ловушками отделен от кремниевой подложки и затвора из поликристаллического кремния тонкими (20-50 А) слоями из SiC>2. Структура SONOS, в частности, используется в качестве запоминающей среды в некоторых типах флэш-памяти.
4 . 3 . П о л е в ы е т р а н з и с т о р ы с у п р а в л я ю щ и м р - п - п е р е х о д о м и б а р ь е р о м Ш о т т к и
Теория такого транзистора была развита в 1952 г. Шокли [204], а первый транзистор был изготовлен Дейки и Россом [171] в 1953 году. Схематически устройство полевого транзистора с управляющим p-n-переходом показано на рис. 4.26. На боковых гранях бруска из
полупроводника толщины 2а и ширины W диффузией создаются Обе диффузионные области соединяются между собой и образуют вывод затвора; истоком и стоком транзистора
служат омические контакты, изготовленные на торцевых гранях образца. Работа этого прибора основана на изменении толщины проводящего канала в середине бруска за счет изменения толщины обедненных слоев р-п-переходов при подаче на затвор
|
4.3. Полевые транзисторы |
с р-п-переходом |
|
и барьером |
Шоттки |
295 |
||||||||||||||
напряжения с м е щ е н и я . С р о с т о м |
п р и л о ж е н н о г о |
к |
з а т в о р у |
о б р а т - |
||||||||||||||||
ного смещения |
т о л щ и н а о б е д н е н н ы х |
с л о е в в о з р а с т а е т , |
в ы з ы в а я |
|||||||||||||||||
сужение п р о в о д я щ е г о |
канала и у м е н ь ш е н и е |
п р о т е к а ю щ е г о |
ч е р е з |
|||||||||||||||||
него тока. |
В |
о п р е д е л е н н о м |
с м ы с л е |
|
р а б о т а |
э т о г о |
т р а н з и с т о р а |
|||||||||||||
напоминает |
р а б о т у э л е к т р о н н о й |
л а м п ы , |
в к о т о р о й у п р а в л я ю щ е е |
|||||||||||||||||
напряжение |
н а |
с е т к е м о д у л и р у е т |
т о к |
э л е к т р о н о в , |
д в и ж у щ и х с я |
|||||||||||||||
о т |
катода к |
а н о д у . |
П о с к о л ь к у |
п р о в о д и м о с т ь |
к а н а л а |
о п р е д е л я - |
||||||||||||||
ется главным |
о б р а з о м о с н о в н ы м и |
н о с и т е л я м и , |
э т о т |
т и п |
п о л е - |
|||||||||||||||
вых т р а н з и с т о р о в т а к ж е |
н а з ы в а ю т |
униполярными |
т р а н з и с т о р а м и |
|||||||||||||||||
(в |
отличие |
о т |
б и п о л я р н ы х т р а н з и с т о р о в , |
р а с с м о т р е н н ы х |
н а м и |
|||||||||||||||
в |
гл. 2). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из-за довольно |
высокой е м к о с т и |
з а т в о р а |
и |
н и з к о й |
к р у т и з - |
||||||||||||||
ны вольт-амперной |
х а р а к т е р и с т и к и |
п е р в ы е |
к р е м н и е в ы е |
п о л е в ы е |
||||||||||||||||
транзисторы |
с |
управляющим |
р - п - п е р е х о д о м |
и м е л и |
|
н е в ы с о к у ю |
||||||||||||||
предельную |
частоту |
f x |
( с м . |
ф о р м у л у |
(4.21)) |
|
и п р и м е н я л и с ь |
|||||||||||||
в |
основном |
для усиления с и г н а л о в |
в |
о б л а с т и |
н и з к и х |
и |
с р е д - |
|||||||||||||
них частот. В середине |
6 0 - х |
гг. |
с т а л о |
п о н я т н ы м , |
ч т о ф а к т о р о м , |
|||||||||||||||
ограничивающим быстродействие п о л е в ы х т р а н з и с т о р о в , |
я в л я е т - |
|||||||||||||||||||
ся |
не слишком |
высокая п о д в и ж н о с т ь |
э л е к т р о н о в |
в |
Si. |
П о э т о м у |
||||||||||||||
для увеличения быстродействия э т и х |
п р и б о р о в |
б ы л о |
|
п р е д л о ж е н о |
использовать синтезированные в это время новые полупроводниковые материалы с более высокой подвижностью и скоростью
насыщения электронов — GaAs |
и другие соединения A n , B v . |
|
К сожалению, термодинамическая |
и химическая |
нестабильность |
собственного окисла, его недостаточно высокое |
сопротивление, |
а также высокая плотность поверхностных состояний на границе полупроводника с собственным окислом и другими диэлектриками (1013 с м - 2 в случае GaAs и 10й см"2 в случае InP (141]) не позволяли получить на основе этих полупроводников хорошие МОП-транзисторы.
Чтобы сохранить основные преимущества полевых транзисторов (работа на основных носителях заряда) и использовать новые, более перспективные материалы, была предложена другая конструкция полевого транзистора — полевой транзистор с барьером Шоттки. Работоспособность такого транзистора из GaAs была продемонстрирована Мидом [172], а первый прибор из GaAs, в котором крутизна вольт-амперной характеристики была в 5 раз выше, чем в приборе из Si идентичной геометрии, был создан в 1967 году [205]. В настоящее время именно такую конструкцию имеют СВЧ полевые транзисторы из GaAs.
В этих приборах с длиной канала 0,25 |
мкм получена предель- |
|
ная |
частота f x — 106 ГГц; логические |
элементы на транзисто- |
рах |
с длиной канала 0,3 мкм имели задержку распространения |
4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки |
297 |
возникающей в обедненном слое. Эти условия позволяют пренебречь эффектами двумерности в распределении электрического поля в приборе и свести задачу к одномерной, то есть рассматривать ее в уже известном нам приближении плавного канала.
Границу обедненной области будем считать резкой. Кроме того, будем считать, что напряженность продольного электрического поля невелика, так что зависимостью подвижности электронов Рп от напряженности поля можно пренебречь.
В соответствии с формулой (1.102), локальная толщина обедненного слоя в барьере Шоттки в приближении плавного канала равна
(4.24)
где Nd — концентрация легирующей |
примеси |
в канале, а Уы — |
|
величина встроенного потенциала. |
|
|
|
Учитывая, что ток стока / с |
одинаков во всех сечениях образ- |
||
ца и вдоль образца меняется |
лишь |
толщина |
канала [а — /i(x)], |
нетрудно найти распределение электрического поля в канале:
|
|
dx |
qpnN^Wla |
- /i(x)] ' |
|
(4.25) |
||
где W |
— ширина |
канала. Исключим из уравнения (4.25) |
пе- |
|||||
ременную V. Для этого возведем в |
квадрат обе части урав- |
|||||||
нения |
(4.24) и, |
переходя к |
дифференциалам, |
получим |
dV |
= |
||
= {AirqNdle)hdh. |
Подставляя |
эту величину в |
уравнение |
(4.25) |
и перегруппировывая сомножители, приходим к следующему дифференциальному уравнению:
dx = |
Kg - |
h)dh. |
(4.26) |
|
£lc |
|
|
Интегрируя это уравнение по х от истока (х = |
0) до стока (я = |
||
— L) с учетом вытекающих из (4.24) граничных |
условий, |
||
/1(0) = |
^ ( Ф ^ Ш У Ь г |
~ К,] , |
|
ЦЬ) = yJ{e!2*qNd) [Vc 4- VH - VJ,
в итоге получаем вольт-амперную характеристику полевого транзистора с барьером Шоттки:
/с - |
+ |
> , ( 4 . 2 7 ) |
з ъ
|
исток |
затвор сток |
|
299 |
ra-AlGaAs |
|
|
|
|
i-AlGaAs |
тг-GaAs |
|
||
какал |
|
|||
|
|
|
||
|
подложка |
7r-GaAs |
||
|
GaAs(Cr) |
|||
4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером |
Шоттки |
|||
названием этой структуры является MODFET |
— modulation- |
|||
doped field-effect |
transistor. |
|
|
F
а о
Рис. 4,28. Поперечное сечение (а) и энергетическая диаграмма (б) транзистора с высокой подвижностью электронов
Рассмотрим один из вариантов конструкции НЕМТтранзистора, в котором используется гетеропереход GaAs- AlsGai-zAs (см. рис. 4.28). На полуизолирующей подложке из GaAs(Cr) методами молекулярно-лучевой эпитаксии или MOCVD сначала выращивается тонкий (1-2 мкм) эпитак-
сиальный слой нелегированного 7r-GaAs с |
концентрацией |
дырок р < 1014 см~3 . Далее на этом слое |
наращиваются |
сверхтонкий (30-60 А) слой нелегированного твердого раствора i-Alo,3Gao.7As («спейсер»), а затем более толстый (500-700 А) слой того же твердого раствора, легированного кремнием (Arj ~ « 2 • 1018 см"3 ). На поверхности структуры затем создается затвор (барьер Шоттки из А1). Далее, используя затвор в качестве маски, с помощью ионной имплантации формируются
сильно легированные п+ -области |
стока и истока, и, |
наконец, |
к ним создаются омические контакты из AuGe/Ni. |
|
|
При комнатной температуре |
донорные уровни |
в п- |
Alz Ga]_x As ионизуются, а электроны с них переходят в квантовую яму с треугольным профилем, образованную в GaAs вблизи гетерограницы. Пространственное разнесение с помощью слоя спейсера канала, в котором движутся электроны, и области, в которой остались ионизованные атомы доноров, резко ослабляет рассеяние электронов ионизованными примесями и увеличивает подвижность электронов в канале до значений, характерных для нелегироваиного материала (~9000 см2 /В • с при 300 К). Это значение почти вдвое выше характерной подвижности электронов в канале полевого транзистора из
300 |
Гл. 4. Полевые |
транзисторы |
GaAs с барьером |
Ш о т т к и и в |
10-20 р а з в ы ш е , чем в канале |
кремниевого МОП-транзистора. Особенно разительное различие
подвижностей |
наблюдается |
при |
понижении температуры: |
||||
при |
4,2 |
К |
подвижность электронов |
в канале может |
достигать |
||
6 , 4 - |
106 |
см 2 /В - с [85]. |
|
|
|
||
Энергетическая диаграмма НЕМТ-транзистора показана на |
|||||||
рис. 4.286. |
Ее |
отличительной |
особенностью является |
наличие |
двух взаимодействующих областей пространственного заряда — области, создаваемой барьером Шоттки к n-AlxGai-zAs, и области, создаваемой анизотипным гетеропереходом. Уровни легирования и толщины слоев в транзисторе, энергетическая диа-
грамма |
которого изображена на рисунке, |
могут быть подобра- |
||
ны |
так, |
чтобы транзистор работал как в |
режиме |
обогащения, |
так |
и в |
режиме обеднения. Для цифровых ИС, |
работающих |
от источника питания одной полярности, удобнее использовать транзисторы, работающие в режиме обогащения (то есть когда при V3H = 0 транзистор закрыт), а для СВЧ ИС — транзисторы, работающие в режиме обеднения. Взаимодействие двух областей
пространственного |
заряда |
обеспечивает то, что при |
подаче |
на |
|||||||||||
з а т в о р п о л о ж и т е л ь н о г о |
смещения уровень размерного квантова- |
||||||||||||||
н и я |
в к в а н т о в о й |
я м е ( о б о з н а ч е н н ы й |
н а рисунке |
E q ) |
опускается |
||||||||||
н и ж е |
уровня Ф е р м и |
в 7r-GaAs и канал заполняется |
э л е к т р о н а м и . |
||||||||||||
И з - з а |
большой высоты барьера Шоттки к Als Gai _xAs т о к |
в |
ц е п и |
||||||||||||
з а т в о р а |
даже при V 3 „ > |
0 остается малым. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
80 |
|
|
|
|
|
|
|
О с о б е н н о с т ь ю |
|
ф о р - |
||||
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
м и р о в а н и я |
|
э н е р г е т и ч е - |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
ской д и а г р а м м ы |
Н Е М Т - |
|||||||
|
|
|
Ки = 3 В |
|
|
|
|
||||||||
|
60 |
|
|
|
|
60 |
т р а н з и с т о р а |
я в л я е т с я |
то, |
||||||
CQ |
|
|
|
|
|
• |
|
|
ч т о п р и д о с т а т о ч н о б о л ь - |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
< |
|
|
|
|
|
|
|
4 q < |
ш и х п р я м ы х |
|
с м е щ е н и я х |
||||
Е |
4 0 |
|
|
|
|
9 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
г |
н а з а т в о р е |
|
к р а й |
|
з о н ы |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
«л |
20 |
|
J |
|
i |
|
20 |
п р о в о д и м о с т и |
в ш и р о - |
||||||
|
|
|
|
|
|
к о з о н н о м п о л у п р о в о д н и - |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к е м о ж е т о п у с т и т ь с я н и - |
||||||
|
О |
|
|
|
|
|
0 |
ж е у р о в н я Eq и т о г д а |
|||||||
|
- 2 |
— 1 , 5 - 1 |
- 0 , 5 |
0 |
0,5 |
э л е к т р о н ы |
н а ч н у т |
п е р е - |
|||||||
|
|
|
|
ЗН1 |
В |
|
|
т е к а т ь и з к в а н т о в о й |
я м ы |
||||||
|
|
|
|
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4.29, Зависимость тока стока 1е и кру- |
в я м у , о б р а з у ю щ у ю с я в |
||||||||||||||
n - с л о е . |
Э т о |
|
п р и в о д и т |
к |
|||||||||||
тизны дт |
вольт-амперной характеристики от |
|
|||||||||||||
напряжения |
на затворе в НЕМТ-транзисторе |
у м е н ь ш е н и ю |
э ф ф е к т и в - |
||||||||||||
|
|
|
2SK3001 фирмы Hitachi |
н о й п о д в и ж н о с т и |
|
э л е к - |
|||||||||
тронов |
( з а м е т н а я |
ч а с т ь |
электронов д в и ж е т с я в |
о б л а с т и , |
в |
к о т о - |
|||||||||
рой |
велико п р и м е с н о е |
рассеяние) и |
о с л а б л е н и ю у п р а в л я е м о с т и |
4.3. Полевые транзисторы с р-п-переходом и барьером Шоттки |
301 |
характеристиками транзистора со стороны затвора (электроны экранируют электрическое поле затвора). Оба эффекта приводят
кослаблению зависимости тока стока от напряжения на затворе
иуменьшению крутизны вольт-амперной характеристики (см.
рис. 4.29).
Расчеты показывают, что в НЕМТ-транзисторах с коротким каналом крутизна вольт-амперной характеристики в области насыщения определяется скоростью насыщения vs и почти не зависит от подвижности электронов в слабом электрическом поле. Поэтому может показаться, что большого смысла бороться за увеличение подвижности нет. Однако это не так: увеличение подвижности немного увеличивает значение vs и приводит к заметному уменьшению сопротивлений областей истока и стока (эти сопротивления, как мы отмечали на с. 258, оказывают негативное влияние на крутизну вольт-амперной характеристики). Поэтому стремление создавать все более высокочастотные приборы с неизбежностью приводит к поиску полупроводников с
высокими значениями |
и ц п . |
С другой стороны, для создания мощных транзисторов необ- |
|
ходимо, чтобы удельный |
ток стока на единицу ширины канала |
в открытом состоянии транзистора был как можно выше. Чтобы добиться этого, необходима высокая поверхностная плотность электронов ns в канале. К сожалению, описанный выше эффект перетекания электронов в широкозонную часть структуры
не позволяет сколь угодно сильно увеличивать |
ns\ |
типичное |
||||||||||
значение п3 в НЕМТ-транзисторах на основе |
G a A s / A I G a A s со- |
|||||||||||
ставляет |
~10 1 2 |
см""2 |
в |
то время |
как в |
полевых |
транзисторах |
|||||
из G a A s |
с барьером |
Шоттки |
эта |
величина на порядок |
в ы ш е . |
|||||||
Нетрудно |
показать, |
что |
максимальное |
значение |
ns |
возраста- |
||||||
ет с увеличением энергии разрыва |
зон |
ДЕ С |
на |
гетерограни- |
||||||||
це. Однако увеличивать |
АЕС |
путем |
увеличения |
доли |
алюми- |
|||||||
ния в твердом |
растворе |
n-Alx Gai_a;As |
в ы ш е |
х = |
0 , 2 5 |
нельзя |
из-за возникновения в нем глубоких донорных уровней. Поэтому разработчики НЕМТ-транзисторов обратились к поиску других гетеропереходных пар с большим значением АЕС. Так были получены НЕМТ-транзисторы на основе структуры InP -
Alo,48lno,52As - Ino,53Gao,47As - Alo,48lno,52As, с о г л а с о в а н н о й по п а -
раметру решетки. Однако решением проблемы стал полный отказ от согласованных по параметру решетки гетеропереходных пар и
переход к |
использованию очень тонких напряженных (псевдо- |
|
морфных) |
слоев в качестве узкозонной части структуры. Транзи- |
|
сторы с таким напряженным слоем называют |
псевдоморфными |
|
НЕМТ-транзисторами (рНЕМТ). В качестве |
узкозонного слоя |