eng
Выпуск #9/2014
В.Ракитин
МОДЕЛИРОВАНИЕ НИЗКОВОЛЬТОВЫХ НАНОМЕТРОВЫХ СОВМЕЩЕННЫХ МОП-ПРИБОРОВ
МОДЕЛИРОВАНИЕ НИЗКОВОЛЬТОВЫХ НАНОМЕТРОВЫХ СОВМЕЩЕННЫХ МОП-ПРИБОРОВ
Просмотры: 4153
Рассмотрен новый тип приборов с нанометровыми размерами – совмещенный МОП-транзистор (СМОП). Описана конструкция и принцип его работы. Проведено моделирование СМОП с минимальным топологическим размером 10 нм и показана его работоспособность при напряжении вплоть до 0,1 В.
Теги: low voltage supply merged mos transistor (mmos) mmos characteristics mos transistor nanometer size simulation моделирование моп-транзистор нанометровые размеры низковольтное питание совмещенный моп-транзистор (смоп) характеристики смоп
Принцип действия конструкции СМОП
Совмещенные приборы достаточно хорошо известны, и некоторые из них широко распространены. Так четырехслойный p-n-p-n-прибор (тиристор) можно рассматривать как совмещение n-p-n-биполярного транзистора с p-n-p-транзистором. Основная идея СМОП заключается в совмещении активных областей n- и p-канальных МОП-транзисторов. При этом у них могут быть общими затворы и подзатворные области (каналы). Последнее имеет смысл, если проводимость активной области близка к собственной проводимости кремния (или к фоновой концентрации примеси порядка 1013–1014 см–3). Отметим, что переход к нелегированным каналам является общей тенденцией в конструкции нанометровых МОП-транзисторов.
В состав СМОП-транзистора должны входить источник подвижных носителей обоих знаков (электронов и дырок) – совмещенная область истока – и их приемник – совмещенный сток, который должен беспрепятственно поглощать оба типа носителей (рис.1). В качестве совмещенного истока здесь использован p-n-переход, потенциал n+-области которого равен 0, а на p+-область подано напряжение питания Vs. При низких напряжениях (Vs ≤ 0,6 В) сквозной ток через p-n-переход много меньше рабочих токов в каналах транзисторов.
Фактически в составе СМОП-прибора имеются два МОП-транзистора (виртуальных):
n- и p-канальные, а сам СМОП является вентилем (усилителем), у которого затвор – входной электрод, а общий сток – выходной электрод.
В симметричном приборе (на кремнии с затвором из металла со среднезонной работой выхода 4,65 эВ) при значениях напряжения на затворе Vg и стоке Vd, равных половине напряжения питания Vs, концентрации электронов и дырок, а также электронный и дырочный токи примерно одинаковы (рис.2). Если значения напряжения на затворе и напряжения питания близки Vg = Vs, в канале симметричного СМОП-транзистора концентрация электронов выше концентрации дырок и в нем преобладает электронный ток (рис.3). Наличие области электронной проводимости между n+-истоком и n+-стоком выравнивает их потенциалы, и на выходе совмещенного транзистора устанавливается низкий (нулевой) потенциал. При нулевом напряжении на затворе в канале преобладают дырки и на выходе транзистора устанавливается высокий потенциал. Таким образом, при подаче на затвор входного сигнала на стоке появляется инвертированный сигнал, т.е. простейший СМОП-прибор работает как инвертирующий усилитель.
В состав СМОП-транзистора входит прямо смещенный p-n-переход (аналогично КМОП-прибору с прямым смещением подложки), что приводит к постоянному протеканию в канале диодного (сквозного) тока Is. Поэтому принципиальным является вопрос о соотношении этого тока с рабочим током СМОП-прибора (рис.4). Как видно из рис.4, значение рабочего тока (определяющего быстродействие транзистора) может на пять-шесть порядков (в рамках используемой модели) превышать сквозной ток диода.
СМОП-транзистор допускает большое разнообразие конструктивных исполнений: планарное или трехмерное, с вертикальным или горизонтальным каналом, с одним или несколькими затворами. СМОП-транзистор с кольцевым затвором, который может быть выполнен на нанопроволоке. В качестве совмещенных истоков/стоков могут использоваться p-n-переходы, контакты Шоттки, туннельные контакты и др. В частности, совмещенный исток может быть областью локальной генерации носителей обоих типов (например, фотогенерации).
СМОП-приборы могут использоваться как в линейных, так и в цифровых устройствах. Сложные логические функции реализуются за счет сложения потенциалов на затворе, токов в объединенных стоках или в многозатворных конфигурациях.
Модель нанометрового СМОП-транзистора
Моделирование СМОП-транзистора с нанометровыми размерами выполнялось с помощью программы DESSIS пакета ISE TCAD. Результаты моделирования справедливы как для вертикальной конструкция (см. рис.1), так и для горизонтального транзистора. Толщина тела транзистора варьировалась в диапазоне 10–20 нм, длина затворов – 40–100 нм, эффективная толщина диэлектрика (оксида кремния) – 1–2 нм. Ширина тела транзистора составляла 1 мкм. Концентрация фоновой примеси в теле принималась равной 1013 см–3. Учитывалась рекомбинация носителей по механизму Шокли-Рида-Хола со временем жизни неосновных носителей заряда 10–100 мкс и со скоростью поверхностной рекомбинации 103–104 см/с. Нижние из указанных значений являются типичными для обычных интегральных приборов и приняты в DESSIS по умолчанию. В качестве стоков/истоков использовались как высоколегированные области, так и контакты Шоттки. В первом случае n+-область легировали мышьяком, p+-область – бором. Концентрация каждого типа примеси составляла 1019 см–3. Во втором случае контакт Шоттки задавался работой выхода металла. Совмещенный сток формировался непосредственно за счет перекрытия высоколегированных областей или с помощью проводящей связи. Истоки были разнесены на ширину тела транзистора, и совмещенным истоком служила область между ними. В качестве материалов затвора рассматривались металлы как со среднезонной работой выхода, равной 4,65 эВ, так и металлы с работой выхода в диапазоне от 4,1 до 5,2 эВ.
При моделировании простейшего инвертирующего СМОП-усилителя затворы объединялись. В других случаях они управлялись независимо или в соответствии со схемой соединения. Для анализа более сложных элементов вводились дополнительные затворы. Моделировались основные статические характеристики, рассчитывались малосигнальные параметры, анализировались переходные процессы. Рассматриваемые результаты моделирования характерны для СМОП-транзистора, приведенного на рис.1.
Характеристики симметричного СМОП-транзистора
Рассмотрим основные статические характеристики на примере симметричного СМОП-транзистора с напряжением питания Vs = 0,6 В. Входная характеристика простейшего СМОП-прибора – зависимость тока стока от напряжения на затворе при фиксированном напряжении на стоке (0,3 В) (рис.5а) – отличается от характеристик обычных МОП-транзисторов тем, что ток меняет свое направление в зависимости от напряжения на затворе. При значениях напряжения, больших половины напряжения питания, ток втекает в прибор, при меньших значениях – вытекает из него. Из рис.5а следует, что значение сквозного тока Is на несколько порядков меньше рабочего тока. Семейство выходных характеристик СМОП-транзистора (построенное с шагом по напряжению на затворе, равном 0,1 В) (рис.5б) является суперпозицией ВАХ n- и p-канальных транзисторов. Диапазон значений положительных и отрицательных токов определяется работой выхода металла затвора.
Максимальное значение эффективного напряжения симметричного СМОП-транзистора равно половине напряжения питания, т.е. значительно меньше, чем у транзисторов в составе КМОП-структуры. Токи СМОП-транзистора, по сути, подпороговые и сравнительно невелики, что является платой за низкое напряжение питания. При уменьшении напряжения питания рабочие и сквозные токи экспоненциально уменьшаются (рис.6).
Моделирование и характеристики несимметричного СМОП-транзистора
Использование несимметричных СМОП-транзисторов (н-СМОП) позволяет значительно увеличить рабочие токи. В н-СМОП-приборе в качестве затворов использовались металлы с различной работой выхода. Было проведено исследование влияния работы выхода затворов двух вариантов н-СМОП-транзисторов с работой выхода материала затворов 1 и 2 – 4,3 эВ и 5,0 эВ соответственно. Было получено, что под затвором 1 в основном присутствуют электроны, а под затвором 2 – дырки (рис.7), при этом концентрация носителей и плотность тока значительно растут.
Рост рабочего тока н-СМОП-транзистора, обусловлен снижением барьера между истоком и каналом, тогда как барьер между n+- и p+-истоками не изменяется, т.е. значение сквозного тока сохраняется (рис.8). Вместе с тем появляется паразитный ток утечки между стоком и истоком, особенно существенный при низких значениях напряжениях питания.
Результаты моделирования выходных и передаточных характеристик н-СМОП-транзисторов при значениях напряжения питания 0,4–0,1 В приведены на рис.9 (изображена только часть шкалы).
Передаточные характеристики позволяют оценить коэффициент усиления СМОП-транзистора по напряжению, равный примерно 10. Он может быть увеличен на порядок при усложнении конструкции за счет добавления второго слоя затворов (каскодное включение).
Результаты моделирования показали возможность применения н-СМОП-транзисторов в аналоговых и цифровых схемах при значительном снижении напряжения питания вплоть до 0,2 В. Значительное ухудшение усилительных свойств н-СМОП-транзистора при напряжении питания меньше 0,1 В связано с существованием больших паразитных токов.
Динамические характеристики н-СМОП-транзистора в режиме большого сигнала моделировались при внешней нагрузке порядка 1 фФ (емкость затвора СМОП-транзистора – порядка 0,2 фФ). В таких условиях при напряжении питания 0,6 В СМОП-прибор удовлетворительно передает импульсную последовательность с частотой до 10 ГГц (рис.10a). Задержка переключения транзистора не превышает 20 пс и линейно возрастает при увеличении емкости нагрузки. При напряжении питания 0,2 В рабочая частота снижается до 100 МГц (рис.10б).
* * *
Моделирование ряда конструкций СМОП-транзисторов, в том числе с минимальным топологическим размером 10 нм, показало, что они работоспособны при напряжении питания вплоть до 0,1 В, имеют коэффициент усиления по напряжению 10 и выше и могут функционировать на гигагерцовых частотах.
Показано, что параметры СМОП-транзисторов, отвечают основным требованиям цифровых и аналоговых систем – минимизации размеров при низковольтовом питании и достаточно высоком быстродействии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hanson S. et al. Ultralow-voltage, minimum-energy CMOS. – IBM J. Res.&Dev., 2006, №50, p.469–490.
2. Appenzeller J. et al. Toward Nanowire Electronics. – IEEE Tran. ED, 2008, №55, p.2827-2845.
3. Larson J. et al., Overview and Status of Metal S/D Schottky-Barrier MOSFET Technology. – IEEE Tans. ED., 2006, №53, p.048–1058.
4. A. Seabaugh et al. Low-Voltage Tunnel Transistors for CMOS. – Proc. IEEE, 98, 2010, p.2095-2110 .
5. Ракитин В.В. Совмещенные транзисторы. – Электронная промышленность, 2004, с.59-63.
Совмещенные приборы достаточно хорошо известны, и некоторые из них широко распространены. Так четырехслойный p-n-p-n-прибор (тиристор) можно рассматривать как совмещение n-p-n-биполярного транзистора с p-n-p-транзистором. Основная идея СМОП заключается в совмещении активных областей n- и p-канальных МОП-транзисторов. При этом у них могут быть общими затворы и подзатворные области (каналы). Последнее имеет смысл, если проводимость активной области близка к собственной проводимости кремния (или к фоновой концентрации примеси порядка 1013–1014 см–3). Отметим, что переход к нелегированным каналам является общей тенденцией в конструкции нанометровых МОП-транзисторов.
В состав СМОП-транзистора должны входить источник подвижных носителей обоих знаков (электронов и дырок) – совмещенная область истока – и их приемник – совмещенный сток, который должен беспрепятственно поглощать оба типа носителей (рис.1). В качестве совмещенного истока здесь использован p-n-переход, потенциал n+-области которого равен 0, а на p+-область подано напряжение питания Vs. При низких напряжениях (Vs ≤ 0,6 В) сквозной ток через p-n-переход много меньше рабочих токов в каналах транзисторов.
Фактически в составе СМОП-прибора имеются два МОП-транзистора (виртуальных):
n- и p-канальные, а сам СМОП является вентилем (усилителем), у которого затвор – входной электрод, а общий сток – выходной электрод.
В симметричном приборе (на кремнии с затвором из металла со среднезонной работой выхода 4,65 эВ) при значениях напряжения на затворе Vg и стоке Vd, равных половине напряжения питания Vs, концентрации электронов и дырок, а также электронный и дырочный токи примерно одинаковы (рис.2). Если значения напряжения на затворе и напряжения питания близки Vg = Vs, в канале симметричного СМОП-транзистора концентрация электронов выше концентрации дырок и в нем преобладает электронный ток (рис.3). Наличие области электронной проводимости между n+-истоком и n+-стоком выравнивает их потенциалы, и на выходе совмещенного транзистора устанавливается низкий (нулевой) потенциал. При нулевом напряжении на затворе в канале преобладают дырки и на выходе транзистора устанавливается высокий потенциал. Таким образом, при подаче на затвор входного сигнала на стоке появляется инвертированный сигнал, т.е. простейший СМОП-прибор работает как инвертирующий усилитель.
В состав СМОП-транзистора входит прямо смещенный p-n-переход (аналогично КМОП-прибору с прямым смещением подложки), что приводит к постоянному протеканию в канале диодного (сквозного) тока Is. Поэтому принципиальным является вопрос о соотношении этого тока с рабочим током СМОП-прибора (рис.4). Как видно из рис.4, значение рабочего тока (определяющего быстродействие транзистора) может на пять-шесть порядков (в рамках используемой модели) превышать сквозной ток диода.
СМОП-транзистор допускает большое разнообразие конструктивных исполнений: планарное или трехмерное, с вертикальным или горизонтальным каналом, с одним или несколькими затворами. СМОП-транзистор с кольцевым затвором, который может быть выполнен на нанопроволоке. В качестве совмещенных истоков/стоков могут использоваться p-n-переходы, контакты Шоттки, туннельные контакты и др. В частности, совмещенный исток может быть областью локальной генерации носителей обоих типов (например, фотогенерации).
СМОП-приборы могут использоваться как в линейных, так и в цифровых устройствах. Сложные логические функции реализуются за счет сложения потенциалов на затворе, токов в объединенных стоках или в многозатворных конфигурациях.
Модель нанометрового СМОП-транзистора
Моделирование СМОП-транзистора с нанометровыми размерами выполнялось с помощью программы DESSIS пакета ISE TCAD. Результаты моделирования справедливы как для вертикальной конструкция (см. рис.1), так и для горизонтального транзистора. Толщина тела транзистора варьировалась в диапазоне 10–20 нм, длина затворов – 40–100 нм, эффективная толщина диэлектрика (оксида кремния) – 1–2 нм. Ширина тела транзистора составляла 1 мкм. Концентрация фоновой примеси в теле принималась равной 1013 см–3. Учитывалась рекомбинация носителей по механизму Шокли-Рида-Хола со временем жизни неосновных носителей заряда 10–100 мкс и со скоростью поверхностной рекомбинации 103–104 см/с. Нижние из указанных значений являются типичными для обычных интегральных приборов и приняты в DESSIS по умолчанию. В качестве стоков/истоков использовались как высоколегированные области, так и контакты Шоттки. В первом случае n+-область легировали мышьяком, p+-область – бором. Концентрация каждого типа примеси составляла 1019 см–3. Во втором случае контакт Шоттки задавался работой выхода металла. Совмещенный сток формировался непосредственно за счет перекрытия высоколегированных областей или с помощью проводящей связи. Истоки были разнесены на ширину тела транзистора, и совмещенным истоком служила область между ними. В качестве материалов затвора рассматривались металлы как со среднезонной работой выхода, равной 4,65 эВ, так и металлы с работой выхода в диапазоне от 4,1 до 5,2 эВ.
При моделировании простейшего инвертирующего СМОП-усилителя затворы объединялись. В других случаях они управлялись независимо или в соответствии со схемой соединения. Для анализа более сложных элементов вводились дополнительные затворы. Моделировались основные статические характеристики, рассчитывались малосигнальные параметры, анализировались переходные процессы. Рассматриваемые результаты моделирования характерны для СМОП-транзистора, приведенного на рис.1.
Характеристики симметричного СМОП-транзистора
Рассмотрим основные статические характеристики на примере симметричного СМОП-транзистора с напряжением питания Vs = 0,6 В. Входная характеристика простейшего СМОП-прибора – зависимость тока стока от напряжения на затворе при фиксированном напряжении на стоке (0,3 В) (рис.5а) – отличается от характеристик обычных МОП-транзисторов тем, что ток меняет свое направление в зависимости от напряжения на затворе. При значениях напряжения, больших половины напряжения питания, ток втекает в прибор, при меньших значениях – вытекает из него. Из рис.5а следует, что значение сквозного тока Is на несколько порядков меньше рабочего тока. Семейство выходных характеристик СМОП-транзистора (построенное с шагом по напряжению на затворе, равном 0,1 В) (рис.5б) является суперпозицией ВАХ n- и p-канальных транзисторов. Диапазон значений положительных и отрицательных токов определяется работой выхода металла затвора.
Максимальное значение эффективного напряжения симметричного СМОП-транзистора равно половине напряжения питания, т.е. значительно меньше, чем у транзисторов в составе КМОП-структуры. Токи СМОП-транзистора, по сути, подпороговые и сравнительно невелики, что является платой за низкое напряжение питания. При уменьшении напряжения питания рабочие и сквозные токи экспоненциально уменьшаются (рис.6).
Моделирование и характеристики несимметричного СМОП-транзистора
Использование несимметричных СМОП-транзисторов (н-СМОП) позволяет значительно увеличить рабочие токи. В н-СМОП-приборе в качестве затворов использовались металлы с различной работой выхода. Было проведено исследование влияния работы выхода затворов двух вариантов н-СМОП-транзисторов с работой выхода материала затворов 1 и 2 – 4,3 эВ и 5,0 эВ соответственно. Было получено, что под затвором 1 в основном присутствуют электроны, а под затвором 2 – дырки (рис.7), при этом концентрация носителей и плотность тока значительно растут.
Рост рабочего тока н-СМОП-транзистора, обусловлен снижением барьера между истоком и каналом, тогда как барьер между n+- и p+-истоками не изменяется, т.е. значение сквозного тока сохраняется (рис.8). Вместе с тем появляется паразитный ток утечки между стоком и истоком, особенно существенный при низких значениях напряжениях питания.
Результаты моделирования выходных и передаточных характеристик н-СМОП-транзисторов при значениях напряжения питания 0,4–0,1 В приведены на рис.9 (изображена только часть шкалы).
Передаточные характеристики позволяют оценить коэффициент усиления СМОП-транзистора по напряжению, равный примерно 10. Он может быть увеличен на порядок при усложнении конструкции за счет добавления второго слоя затворов (каскодное включение).
Результаты моделирования показали возможность применения н-СМОП-транзисторов в аналоговых и цифровых схемах при значительном снижении напряжения питания вплоть до 0,2 В. Значительное ухудшение усилительных свойств н-СМОП-транзистора при напряжении питания меньше 0,1 В связано с существованием больших паразитных токов.
Динамические характеристики н-СМОП-транзистора в режиме большого сигнала моделировались при внешней нагрузке порядка 1 фФ (емкость затвора СМОП-транзистора – порядка 0,2 фФ). В таких условиях при напряжении питания 0,6 В СМОП-прибор удовлетворительно передает импульсную последовательность с частотой до 10 ГГц (рис.10a). Задержка переключения транзистора не превышает 20 пс и линейно возрастает при увеличении емкости нагрузки. При напряжении питания 0,2 В рабочая частота снижается до 100 МГц (рис.10б).
* * *
Моделирование ряда конструкций СМОП-транзисторов, в том числе с минимальным топологическим размером 10 нм, показало, что они работоспособны при напряжении питания вплоть до 0,1 В, имеют коэффициент усиления по напряжению 10 и выше и могут функционировать на гигагерцовых частотах.
Показано, что параметры СМОП-транзисторов, отвечают основным требованиям цифровых и аналоговых систем – минимизации размеров при низковольтовом питании и достаточно высоком быстродействии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hanson S. et al. Ultralow-voltage, minimum-energy CMOS. – IBM J. Res.&Dev., 2006, №50, p.469–490.
2. Appenzeller J. et al. Toward Nanowire Electronics. – IEEE Tran. ED, 2008, №55, p.2827-2845.
3. Larson J. et al., Overview and Status of Metal S/D Schottky-Barrier MOSFET Technology. – IEEE Tans. ED., 2006, №53, p.048–1058.
4. A. Seabaugh et al. Low-Voltage Tunnel Transistors for CMOS. – Proc. IEEE, 98, 2010, p.2095-2110 .
5. Ракитин В.В. Совмещенные транзисторы. – Электронная промышленность, 2004, с.59-63.
Отзывы читателей
