Расчет и проектирование СБИС. Лекции

Подождите немного. Документ загружается.

существенной анизотропией электросопротивления для токов, про-

текающих вдоль слоев сверхрешетки и перпендикулярно к ним. Движение

электронов перпендикулярно к слоям имеет характер туннелирования

сквозь энергетические барьеры, созданные на границе двух полупроводников

с различной шириной запрещенной зоны; подвижность электронов в этом

направлении будет ограничена. Напротив, вдоль слоев сверхрешетки

движение электронов не сопряжено с преодолением барьеров. Более того,

электроны и заряженные донорные примеси, их породившие, можно

пространственно разделить, воспользовавшись переходом электронов в

область потенциальной ямы на границе между слоями двух

полупроводников. Электроны в такой потенциальной яме не испытывают

рассеяния на заряженных примесях и поэтому обладают особенно высокой

подвижностью при движении вдоль слоя. Транзистор, в котором

используется движение электронов в таких условиях, получил специальное

название: НЕМТ (high electron mobility transistor).

Особый класс туннельных приборов составляют приборы, основанные на

использовании эффекта Джозефсона, в которых происходит туннелирование

сверхпроводящих пар через туннелыю-тонкие (2—3 нм) слои диэлектриков

или через области со слабой сверхпроводимостью

ФИЗИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ.

При обсуждении размерных эффектов в микроэлектронных приборах

сопоставляются искусственные, «рукотворные» размеры структур,

полученные непосредственно в технологическом процессе, с одной стороны,

и естественные, так называемые «физические» длины и расстояния, которые

являются характеристикой физических процессов в структурах. Как правило,

чтобы прибор работал удовлетворительно, значения технологических

размеров структур и физических длин и расстояний в них должны

удовлетворять некоторым соотношениям.

Доступные для технологии размеры по нормали к поверхности структуры

(т. е. толщина слоев) могут быть предельно малыми. Как мы видели, в методах

молекулярной эпитаксии довольно легко контролируются по составу и

толщине слои 1—10 нм; в технологии туннельных джозефсоновских переходов

получают (правда, с меньшим уровнем воспроизводимости) слои аморфного

диэлектрика 2—3 нм толщиной. Что касается размеров в плане (в плоскости

поверхности), то только в простейших однослойных структурах удается

получить размеры 10 нм (с помощью сфокусированных электронных и ионных

пучков, см. ниже). В многослойных структурах с вписываемыми друг в друга

областями достигнутый в промышленном производстве интервал размеров

составляет 2—5 мкм, в разработках используются размеры 1—2 мкм (в

отдельных слоях — 0,5 мкм), а область размеров менее 0,5 мкм следует

отнести к области

исследовательской деятельности.

В предыдущем разделе мы рассмотрели физические проблемы надежности

микроэлектронных приборов, т. е. вопросы их физической деградации.

Выяснилось, что с уменьшением размеров ряд механизмов деградации

серьезно активизируется в результате повышения плотности токов,

напряженностей электрических полей, плотности выделяемой энергии и

повышения температуры. К сожалению, кроме этих последствий имеются и

другие негативные последствия, отражающиеся на функционировании

приборов, а именно: происходит снижение отношения сигнал/шум. Природа

снижения уровня сигнала проста: уменьшается питающее напряжение

(масштабирование при постоянной напряженности поля или при квази-

постоянном напряжении), что ведет к уменьшению логического перепада.

Отчего расчет уровень шумов? Здесь речь идет не только о шумовых токах и

напряжениях, вызванных тепловым движением электронов и дырок, по и о

разбросе параметров вольтамперпои характеристики приборов, влияющих на

срабатывание, т. е. переключение прибора. Таким параметром является,

например, пороговое напряжение МОП-транзистора. Поэтому уменьшение

отношения сигнал/шум означает в том числе возрастание разброса

параметров и помех при одновременном уменьшении уровней сигналов (рис.

1). Именно при значении отношения сигнал/шум 20 дБ резко и быстро

возрастает вероятность ложных срабатываний цифровых ИС на МОП-

структурах (рис. 2).

Рис. 1. Изменение уровней: 1- сигнала и 2 – шума в МОП-приборах при уменьшении

их размеров. Полоса между штрихованными горизонтальными линиями соответствует

значениям отношения сигнал/шум < 20 дБ.

Рис. 2. Зависимость вероятности ошибочного срабатывания логического элемента на МОП-

транзисторах от отношения сигнал/шум в системе. При отношении сигнал/шум<20дБ

вероятность ошибки чрезвычайно сильно возрастает.

При дальнейшем уменьшении размеров слоев в поведении приборов могут

произойти качественные изменения (табл. 1). Второй столбец таблицы

показывает, что обычно имеется возможность управлять значениями этих

длин путем регулируемого изменения концентрации примесных атомов,

состава материалов, контактных пар материалов. Поэтому физические длины

могут изменяться довольно в больших интервалах (третий столбец табл. 1).

Именно вариациями физических длин стремятся оптимизировать приборную

структуру по мере уменьшения ее размеров, масштабируя те и другие по

определенному закону.

В четвертом столбце табл. 1 приведены физические явления, которые

характеризуются той или иной длиной. При расстояниях больше 0,01 мкм

между электродами (электродными областями) прибора перенос носителей за-

ряда, как правило, носит диффузионный характер. При расстояниях меньше

0,01 мкм возможен баллистический (бесстолкновительный) перенос носителей.

В том случае, когда электроды разделены энергетическим барьером, а расстоя-

ние между ними менее 0,005 мкм, перенос носителей заряда происходит путем

квантовомеханического туннелирования. Поэтому по мере уменьшения

межэлектродных расстояний, происходят качественные изменения принципов,

на основе которых работают приборы, а именно переход от приборов

диффузионного типа к баллистическим и затем к туннельным. Этот процесс

показан в последнем столбце табл. 1.

Мы сочли возможным ввести в табл. 13 в качестве характерной физической

длины расстояние диффузии атомов за время жизни прибора t

. Это

расстояние характеризует деградационные процессы в приборе, о которых

речь шла в предыдущем разделе. Диффузионные процессы перемещения

атомов в веществе связаны с преодолением межатомных энергетических

барьеров высотой 0,5—1 эВ и шириной 0,2—0,3 нм. При рабочих

температурах около 300—400 К происходит термически активированная

диффузия, и при понижении температуры коэффициенты диффузии атомов

экспоненциально убывают. Обычно считают, что понижение рабочей

температуры прибора па 10°С уменьшает коэффициент диффузии в 2 раза.

Казалось бы, что путем глубокого охлаждения прибора до температуры

жидкого гелия или водорода можно было бы «остановить» диффузию

атомов в приборе и сделать прибор вечным (если, конечно прибор

сохраняет рабочие характеристики при столь низких температурах).

Однако возможны процессы квантовой диффузии атомов при сколь угодно

низких температурах, вплоть до температуры абсолютного нуля. Квантовая

диффузия атомов происходит путем квантово-механического туннелирования

атомов через (или лучше под) энергетические барьеры. Туннельные

перемещения атомов проявляются в химических реакциях, протекающих при

низких температурах. Это было четко показано в работах советского ученого

В. И. Гольданского с сотрудниками (рис. 3).

Таблица 1. Характерные физические длины и их проявление в полупроводниковых приборах.

Характерные физические

длины

Способ управления

физической длиной

Интервалы изменения,

мкм

Физические явления,

связанные с длиной

Использование

физического явления в

приборах

Диффузионная длина

неосновных носителей

Изменение концентрации

рекомбинационных цент-

ров

1—100

Инжекция и экстракция

неосновных носителей

Биполярный транзистор:

фотодиоды

Ширина обедненной

зоны р –n -перехода

Изменение концентрации

активных примесей

0,01 -1

Энергетический барьер

для носителей одного

типа

Полевой транзистор с

р—и-переходом

Толщина инверсион-

ного слоя

Разность потенциалов на

переходе или электроде

0 -1

Канал проводимости для

носителей одного типа

Полевой транзистор со

структурой МДП; при-

боры с переносом заряда

Длина экранирования

Дебая

Изменение концентрации

активных примесей

0,01 -1 Экранирование поля

Средняя длина пробега,

среднее расстояние

изменения импульса,

энергии носителя

Изменение концентрации

рассеивающих дефектов;

изменение температуры

-4

– 0,01

Баллистический перенос

носителей; перенос со

скоростью, превышающей

скорость насыщения

Кгаах)

Баллистический

транзитсор

Нет

0,01

Квантование энергии в

двумерном газе и в по-

тенциальных ямах еверх-

решеток

Оптические и туннель-

ные приборы

асстояние туннели- Подбор диэлектриков и

-4

- 5·10

-3

Туннелирование электро-

нов через контактные

Туннельный транзистор;

омические контакты;

рования электронов

контактных пар с разной

высотой энергетического

барьера

барьеры и туннельно-тон-

кие слои диэлектриков

МДП-транзисторы с тун-

нельной инжекцией заря-

дов в область «плаваю-

щего затвора»

Толщина слоя в гете-

ропереходах, в котором

происходит скачок

запрещенной зоны

Постепенное изменение

состава

-5

– 10

-4

Разделение электронов и

заряженных доноров

Полевой транзистор на

электронах с высокой

подвижностью

Постоянная кристал-

лической решетки

Нет

-4

Наблюдение атомной

структуры методами про-

свечивающей электронной

микроскопии и туннель-

ных токов

Системы постоянной па-

мяти с плотностью за-

писи 10

см~

(гипотеза)

Расстояние диффузии

атомов за время жизни

прибора tp =1О

— — 10

Отказ от применения

структур с большим ко-

эффициентом диффузии,

подавление электропере-

носа, электролитических

и гальванических процес-

сов, снижение рабочих

температур

-2

- 10

Деградация приборов

Срок службы приборов

При низких температурах экспоненциальное уменьшение скорости

реакции прекращается, скорость реакции выходит на некоторый постоянный

уровень. Этот уровень определяется туннельными переходами атомов через

энергетические барьеры [68]. Аналогичный вид должны иметь

температурные зависимости скорости деградацион-ных процессов в

приборах, особенно процессов, протекающих с участием легких атомов,

например, атомов водорода. Квантовая диффузия атомов водорода проявляется

в измерениях теплоемкости при низких температурах [69]. Чем тяжелее

атомы и чем больше энергия связей между ними, тем при более низкой

температуре должен наблюдаться переход на «плато» с постоянной скоростью

процесса деградации. Туннельные процессы диффузии могут стать опре-

деляющими в деградации сверхтонких структур, таких как сверхрешетки или

переходы Джозефсона. При наличии в приборе больших «встроенных»

электрических полей величина барьера может уменьшиться (эффект Шоттки),

что может значительно увеличить вероятность туннельных переходов ионов.

Рис. 3. Температурные зависимости: 1 – полного времени τ роста полимерных цепей; 2

– среднего времени τ

приращения одного нового звена к цепи полиформальдегида. При

низких температурах времена τ и τ

становятся постоянными, что свидетельствует о

туннельном механизме реакции.

Особое положение занимает такая физическая длина, как постоянная

решетки, равная сумме радиусов соседних атомов в простых структурах.

Успехи кристаллографии позволили создать методы прямого наблюдения

профиля поверхности кристалла на атомном уровне. Сканированием острия

вдоль поверхности с одновременной визуализацией величины туннельных

токов, текущих между кристаллом и острием, можно получить изображение

кристалла, на котором четко прорисовываются контуры отдельных атомов.

Если эта методика даст возможность различать атомы различных химических

элементов, то она будет практически эквивалентна методу считывания

информации с матрицы постоянной памяти, на которой информация записана с

атомной плотностью порядка 10

бит/см

. Разумеется, требуется разработка

соответствующих методов записи информации путем посадки отдельных

атомов или групп атомов в соответствующих местах на поверхности кристалла.

В методе просвечивающей электронной микроскопии также стало обычным

наблюдение атомной структуры кристаллов, однако здесь наблюдаются не

отдельные атомы на поверхности, а контрастное изображение, созданное

атомными рядами, вытянутыми вдоль электронного луча.

3.1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

В этом разделе рассматриваются в общих чертах основный физические принципы, на которых

основана работа биполярного транзистора и схем на этих транзисторах.

Носители тока

Когда напряжение соответствующей величины приложено к выводам коллектора, эмиттера и базы

п-р-n транзистора (рис. 3.1.1), электроны начинают перемещаться из области эмиттера.

Большинство из них достигает коллектора, поскольку область базы настолько тонка, что

электроны легко ее пересекают. Лишь небольшая их часть рекомбинирует с дырками. Некоторое

количество дырок инжектируется из базы в эмиттер. Дырочный ток в действительности является

электронным током, текущим в направлении, противоположном направлению движения дырок.

Вследствие различия в физическом механизме движения таких электронов и электронов,

обозначенных знаком «минус», ток первых электронов принято рассматривать как ток поло-

жительных электрических зарядов — дырок, движущихся в противоположном направлении.

Электронный ток сосредоточен главным образом под областью эмиттера. Поскольку скрытый

слой (п

) имеет хорошую проводимость вследствие высокой концентрации электронов,

электронный ток течет в пределах скрытого слоя, а не в п- области.

Когда разность потенциалов между базой и эмиттером увеличивается, то соответственно

возрастают электронный и дырочный токи. Если знак разности потенциалов меняется на про-

тивоположный (т. е. отрицательный потенциал подается на базу), токи отсутствуют из-за диода,

который в этом случае образуется между слоями базы (р) и эмиттера (п

) и смещен в обратном

направлении.

Электроны и дырки называют носителями тока. В биполярном транзисторе электроны, которые

имеют отрицательный заряд, и дырки, имеющие положительный заряд, т. е. оба типа носителей

тока, создают ток, текущий через транзистор. А в МОП-транзисторе только один тип носителей

создает электрический ток. Транзисторы, которые будут рассматриваться в этой главе, называются

биполярными, так как ток в них образуют носители обоих типов.

Рис. 3.1.1. Движение носителей тока в n-p- n транзисторе

Инвертор

Предположим, что коллектор транзистора п-р-n типа соединен с источником напряжения через

резистор, а его эмиттер заземлен (рис. 3.1.2, а). Когда входное напряжение U

ВX

увеличивается, то

коллекторный ток I

резко возрастает (рис. З.1..2, б). (В действительности ток коллектора I

остается равным нулю до тех пор, пока напряжение на входе не достигнет величины 0,5—0,6 В.

Затем ток увеличивается и достигает состояния насыщения.) По мере возрастания тока I

выходное напряжение U

ВЫX

уменьшается от 5 до 0,3 В или еще меньшего значения (рис. 3.1.2, б).

Таким образом, когда на входе транзистора высокое напряжение (~5 В), на выходе низкое

напряжение (~0,3 В), а когда на входе низкое напряжение (~0,3 В), на выходе высокое напряжение

(~5 В). Когда напряжение U

ВX

равно 5 В, коллекторный ток I

составляет ~5 мА, а ток базы ~0,8

мА.

Рис. 3.1.2. Электрическая схема инвертора.

Таким образом, если двоичные логические значения 0 и 1 представлять соответственно низким и

высоким напряжением. Это означает, что схема, представленная на рис. 3.1.2, а, работает как

инвертор. Другими словами, если U

ВX

представляет собой двоичную переменную х, то является

ВЫX

переключательной функцией х.

Поскольку предметом обсуждения в этой книге является проектирование логических схем, в

которых фигурируют логические значения 0 и 1, то в дальнейшем мы будем рассматривать только

состояния наличия или отсутствия токов (или соответствующих напряжений) в электронных

схемах (т. е. состояния А и В на рис. 3J1.2, б, или А' и В' на рис. 3.1.2, в), не принимая во внимание

их величины.