Введение к работе
Актуальность проблемы.
Современная технология создания высокоскоростных интегральных схем (ИС) связана с разработкой элементной базы на основе короткоканалышх полевих транзисторах, а также использования нових полупроводниковых материалов на основе соединений А В„ . Наибольшее
Э S
развитие получило направление по разработке технологии ИС на основе арсенида галлия (ОаАз), успехи которой обусловлены рядом физичесішх свойств Gats отличных от свойств кремния (SI) и использованием передових технологий формирования многослойных, многокомпонентных полупроводниковых транзисторних структур, возможностями литографического переноса изображения на поверхность полупроводника, применением высокоэффективных систем автоматизированного проектирования ИС (САПР ИС). Последнее, в свою очередь, определяется разработками математических моделей транзисторов для расчета и моделирования основных параметров и характеристик приборов.
Рассмотренные в литературе математические модели полевих транзисторов на основе GaAa иохар разделить на два основных класса: модели на основе численного двумерного и трехмерного моделирования приборов и аналитические одномерные модели. ВАХ транзисторов, рассчитанные на основе одномерных моделей, представляют собой кусочно-непрерывные зависимости и получены в приближении плавного канала и предположении локальной связи плотности тока и кинетических коэффициентов о продольным тянущем
полем. Такие модели используются в САПР для расчета статических и динамических хврактеристик фрагментов НС. Однако, для полевых транзисторов с коротким каналом на кремнии, и особенно на GcUa, при больших напряжениях, на стоке, становится существенным двумерных характер распределения поля в канале прибора. Кроме того, характер перенося носителей тока в канале транзистора становятся существенно зависящим от их средней локальной енергии.- 'Ее величина, в свою очередь, определяется распределением поля в канале и действующими механизмами релаксации импульс» и энергии носителей. В таких условиях адекватный расчет основных характеристик быстродействующих полевых транзисторов обеспечивают модели, которые основываются на численном решении более сложных уравнений переноса носителей тока, например в гидродинамической модели. Проведение расчетов в атом случае очень трудоемки и требуют значительных вычислительных затрат. Это делает их мало пригодными для оперативного расчета параметров и основных характеристик приборов, оптимизации физической структуры и решения задач по вкстракции параметров структуры по экспериментальным характеристикам. Повтому, актуальной является задачо создания таких математических моделей быстродействующих полевых транзисторов, которые с одной стороны корректно учитывают особенности физической структуры приборов с короткім каналом, п с другой - обеспечивают оперативное решение прямых и обратных задач моделирования влементиоЛ базы ИС,
Целью работы: являлась разработка аналитических моделей для физических структур быстродействующа полевых транзисторов, которые позволяют в рамках области своей применимости:
- моделировать оскопние характеристики приборов с учетом характерных для них физических и конструктивных особенностей, такій как двумерный характер распределения поля в канале транзистор,'!;
- 5 -короткоканалыше нелокальные эффекты, влияние пассивных частей канала и тока утечки через затвор,
- определять путем экстракции из експериментальних вольт-амперных и вольт-фарадних характеристик ( ВАХ и ВФХ ) основные параметри неоднородаолегированныя полупроводникових елоистих структур, используемых в производстве быстродействующих ИС,
г- рассчитывать статические и динамические характеристики фрагментов ИС в системах САПР.
Научная новизна и практическая значимость работы.
Известные в литературе кусочно-непрерывные математические модели для расчета основних характеристик транзисторов (например [1,2]) используют приближение плавного канала. Такое приближение нарушается при длинах канала менее 1.5 мкм, когда становится существенным двумерный характер распределения поля.
Используя диффузионно-дрейфовое приближение и более последовательно учитывая вклад поперечной составляицей поля на грвнице области пространственного заряда (ОШ) в канале полевого транзистора с затвором Шоттки (ПТШ), впервые сформулирована Квазидвумерная модель ПТШ в простой аналитической форме, позволяицая моделироваїь ВАХ непрерывным образом кок в крутой, Так и в пологий области.
При расчете основных характеристик приборов о коротким каналом также необходим учет еффёктов связанных с разогревом. нооителе в канале полевого транзистора , которые обусловлены нелинейной и Нелокальной связью между кинетическими коэффициентами и тянущим полем. На основе проведенного анализа экспериментальных и рассчитанных по нелокальной модели [4] ВАХ гетероструктурного полевого транзистора (ГСПГ) (в зарубежной литературе - НЕМТ, MODFET) была показана доминирующая роль нелокальных аффектов в канале
транзистора, но сравнению с ' влиянием двумерного характера распределения поля. В работе предлагается аналитическая модель для расчета ВАХ ГСПТ, полученная на основе квазигидродинамического приближения и учитывает эффект разогрева, конструктивные особенности гетероструктурного транзистора и ток через затвор. На примере моделирования статических и динамических ' характеристик логического вентиля на основе ГСПТ, проведено теоретическое исследование элементной Сазы при изменении его физико-топологических параметров ячейки, внешней температуры и режимов питания. Полученные результаты показывают возможности модели для решения задачи по оптимизации рлементной базы ИС. Простота реализации модели на персональном компьютере позволяет ее использовать в САПР ИС.
Полевые транзисторы на основе GaAa в качестве управляющего електрода используют контакт Шоттки, основным недостатком которого, является возникновение тока утечки через затвор транзистора при напряжениях больших высоты барьера Шоттки. Анализ экспериментально измеренных характеристик тока затвора на ГСПТ [5) показал, что с'ток затвора ГСПТ не может быть описан в рамкех известной модели [1]. В диссертационной работе предлагается физическая модель для описания ВАХ тока затвора ГСПТ и показано, что фактор неидеальности для диода образуемого на границе гетероперехода зависит от напряжения прикладываемого к затвору и параметров физической структуры ГСПТ. Полученная модель позволяет объяснить експериментально полученные значения фактора неидеальности диода на гетеропереходе, которые в 3-7 раз больше чем у обычного диода Шоттки.
Большинство быстродействующих полевых транзисторов имеют достаточно сложную физическую структуру и содержат тонкие неоднородаалегироваиние слоя. Одним из широко применяемых методов исследования и контроля рядя влоктрофиэгпеских параметров структуры
- 7 -является метод вольт-фарвднцх характеристик (ВФХ). Для определения из ВЕС профиля распределения примеси в полупроводниковых структура применяется известная модель [1,2], которая имеет ограничении связанные с наличием свободных носителей, .размерами легированных слоев, градиентом распределения примеси. В работе предлагается подход для построения математической модели ВФХ полупроводішкових содержащих тонкие неоднородно легированние слои, размер которых сравним с Дебаевекой длиной и учитывающий наличие свободных носителей. Использование данного подхода продемонстрировано на примере построения математической модели ВФХ для МОП структуры с анизотшшой подложкой. Однако, он может быть использован и для построения ВФХ других полупроводниковых структур.
Основные результаты выносимые- на защиту.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
1. Аналитическая квазидвумерная модель короткоканального
полевого транзистора с затвором Шоттки, приближенно учитывающая
влияние двумерного характера распределения поля вблизи стока и
позволяющая непрерывным образом описать ВАХ как в крутой, так и в
пологой области.
-
Аналитическая'модель гетероструктурного полевого транзистора (ГСТГГ), учитывающая нелинейные и нелокальные вффекты, описываемые на основе результатов квазигидродинамической модели.
-
Демонстрация возможности применения предложенной модели ГСПТ в САПР на примере расчета статических и динамических характеристик простейшего элемента ИС - инвертора.
-
Аналитическая модель для описания тока затвора ГСПТ с учетом влияния гетероперехода, адекватно отражающая экспериментальные результаты.
Ъ. Аналитическая модель для расчета фактора неидеальности тока
.-8-
зктвора ГСПТ, позволяющая объяснить его экспериментальные значения.
6. Метод построения математической модели статической вольт-
фарадной характеристики неоднородайлегированной полупроводниковой
структуры, пригодной для окстракции ее основных электрофизических
параметров из експериментальних ВФХ. <
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и
обсуждены на семинаре "Математическое моделирование физических
процессов в полупроводниковых микроструктурах" под руководством чл.~
корр. РАН В.И.Рыжия (г.Москва, 1989 ), на научно-технических:
семинарах ПЛИ Щ под руководством проф. С.А.Гардинова, а также
представлены на 2 — мездународном семинаре "Моделирование приборов
и технологий в микроэлектронике" (г.Новосибирск,1992), на.
международной конференции "International Conference о/
HicT-oelcctronlcs" ( Warsaw, Poland, 1992 ).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ. Список работ приведен на странице 25 автореферата.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит ил введения, четырех глав, заключения, списка литературы, одного приложения. Положена на 143 листах машинописного текста, включает 44 иллюстрации, 15 таблиц, список" цитируемой литературы ( 101 наименование ) и одно приложение.
