Учебное пособие. - М.: МИФИ, 2008. - 288 с. Распознано
Книга посвящена описанию основных физических принципов, структур и
методов моделирования, а также тенденций развития современной и
перспективной кремниевой наноэлектроники с технологическими нормами
менее100 нм.
Предназначена для преподавателей и студентов, специализирующихся по направлениям микро- и наноэлектроники, электроники, электронных измерительных систем. Может быть использована в учебном процессе при подготовке учебных курсов «Физические основы наноэлектроники», «Наноэлектронные технологии», «Физика микроэлектронных структур». Оглавление (11 глав):
Предмет наноэлектроники.
Пространственные масштабы наноэлектроники.
Общая структура наноэлектронных приборов.
Энергии и потенциалы.
Что такое электрохимический потенциал?
Элементарная кинетика.
Диффузионно-дрейфовый ток.
Уравнение Больцмана.
Уравнение непрерывности.
Уравнение баланса импульсов и диффузионно-дрейфовое приближение.
Электрон как волна и длина когерентности.
Математическое описание волн.
Уравнение Шредингера и волновая функция.
Стационарное уравнение Шредингера.
Электрон в бесконечно глубокой яме.
Плотность дискретного и непрерывного спектра двумерной системы.
Энергетическая плотность состояний.
Подбарьерное туннелирование.
Основные принципы КМОП-технологии.
Цифровая техника и логически вентили.
Интегральные схемы и планарная технология.
МОП транзистор и КМОП технология.
Закон Мура.
Технологическая (проектная) норма.
Тактовая частота.
Основные проблемы миниатюризации.
Анализ проблемы тепловыделения.
Проблема отвода тепла.
Проблема диссипации тепла и обратимости вычисления.
Адиабатическая логика.
Оценка максимального быстродействия.
Проблемы при миниатюризации межсоединений.
Принципы скейлинга.
Компромиссы миниатюризации.
Ограничения скейлинга.
Структуры металл проводник.
Контактная разность потенциалов в МОП структуре.
Электростатика плоских слоев заряда.
Электростатика МОП структуры с однородно легированной подложкой.
Падение потенциалов в неоднородно-легированном полупроводнике.
Учет напряжения, приложенного к затвору.
Характерные затворные напряжения.
Пороговое напряжение.
Полный заряд в полупроводнике при заданном поверхностном потенциале.
Плотность электронов в канале как функция поверхностного потенциала.
Тепловая толщина инверсионного слоя (канала).
Зависимость эффективного прижимающего поля от затворного напряжения в надпороговом режиме.
Контроль порогового напряжения за счет легирования подложки.
Регулирование порогового напряжения за счет работы в материала затвора.
Профили легирования.
Спадающий (HIGH-LOW) профиль.
Нарастающий профиль (LOW-HIGH, ретроградное легирование).
Легирование дельта-слоем.
Заряженные ловушки на и вблизи границы раздела.
Емкость инверсионного слоя.
Полная емкость МОП структуры.
Учет влияния падения напряжения в затворе и инверсионном слое.
Температурная зависимость порогового напряжения.
Вольт-амперные характеристики МОПТ.
Затворное напряжения как функция поверхностного потенциала в подпороговой области.
Плотность носителей в канале как функция затворного напряжения в форме интерполяции (BSIM3.
Подпороговый размах напряжения (subthreshold swing).
Статические подпороговые токи утечки.
Влияние обратного смещения на подложке.
Пороговое напряжение по отношению напряжения между затвором и подложкой.
Зависимость порогового напряжения от обратного смещения на . подложке.
Важность эффекта подложки в реальных схемах.
Напряжение между стоком и истоком.
Приближение плавного канала.
Плотность электронов вдоль канала при VDS 0.
Простейшая модель ВАХ МОПТ.
Насыщение скорости носителей в канале.
Механизмы насыщения тока канала.
Формула для ВАХ МОП-транзистора с учетом насыщения.
дрейфовой скорости (BSIM3-4).
Ток насыщения МОПТ.
Физические процессы в каналах МОПТ.
Механизмы рассеяния носителей в канале.
Универсальная подвижность в надпороговом режиме.
Зависимость подвижности от прижимающего поля и температуры.
Повышение подвижности с использованием технологии напряженного кремния.
Зависимость подвижности эффекта поля от спектра поверхностных состояний.
Короткоканальные эффекты в МОП транзисторах и электростатическое качество.
Геометрические эффекты порогового напряжения.
Эффект спада порогового напряжения («roll-off») для коротких каналов.
Эффекты узкого канала и общая характеристика геометрических эффектов порога.
Индуцированное стоком понижение барьера (DIBL).
Паразитные токовые эффекты короткого канала.
Оптимизация структуры истоков и стоков.
Моделирование выходного сопротивления МОПТ.
Эффект модуляции длины канала.
Паразитные сопротивления стока и истока.
Паразитные емкости стока и истока.
Эффекты сильных электрических полей.
Квазидвумерная модель распределения сильных электрических полей в районе стока.
Моделирование максимальных электрических полей в канале МОПТ.
Горячие носители.
Методы борьбы с горячими носителями.
Разогрев носителей и «удачливые» (lucky) электроны.
Моделирование ударной ионизации в канале.
Влияние тока подложки на работу МОПТ.
Влияние горячих носителей на срок службы МОПТ.
Методика прогнозирования срока службы транзистора по отношению к воздействию горячих носителей Диффузионно-дрейфовая модель тока в МОПТ.
Введение.
Электрохимический потенциал u1074 в канале МОПТ.
Полная плотность тока в канале МОПТ.
Отношение диффузионной и дрейфовой компонент тока как управляющий параметр.
Уравнение непрерывности.
Интегральное граничное условие.
Распределение электрического и химического потенциалов вдоль канала.
Общее выражение для тока в диффузионно-дрейфовой модели.
ВАХ в надпороговой области.
Подпороговый режим.
Время пролета электрона через длину канала.
Транспортное уравнение Больцмана в канале.
Транзисторы технологии «кремний-на-изоляторе».
Мотивация КНИ.
Преимущества КНИ МОПТ.
Различные конфигурации КНИ МОПТ.
Частично обедненные КНИ МОПТ.
Кинк-эффект в частично обедненных КНИ МОПТ.
Влияние обратного напряжения на подложке на пороговое напряжение.
Ультратонкие КНИ МОПТ.
Сравнение полностью и частично обедненных КНИ МОПТ.
Технологии многозатворных МОПТ.
Моделирование транзисторов КНИ технологий.
Электростатика полностью обедненного КНИ МОПТ.
Пороговое напряжение полностью обедненного КНИ МОПТ.
Включение с нижним затвором.
Влияние смещения на подложке на пороговое напряжение основного канала.
Вырожденный канал.
Уравнение непрерывности для плотности тока в канале.
Решение уравнения непрерывности в канале.
Распределение плотности электронов вдоль канала.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) МОПТ.
Надпороговый режим работы ПО КНИ транзистора.
Моделирование подпороговой характеристики ПО КНИ МОПТ.
Токи утечки в наноэлектронных структурах.
Токи утечки как ограничитель развития технологии.
Классификация токов утечки в современных МОПТ.
Прямое туннелирование через подзатворный окисел.
Механизм Фаулера-Нордгейма.
Токи утечки через pn-переход стока.
Токи утечки стока, индуцированные затвором (GIDL.
Использование «high-K» диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью.
Проблемы использования high-K диэлектриков.
Временной диэлектрический пробой подзатворного окисла (TDDB).
Модели TDDB.
Подпороговые токи утечки.
Разброс пороговых напряжений транзисторов на одном чипе.
Статистическое распределение подпороговых токов за счет разброса пороговых напряжений.
Мезоскопические эффекты в наноэлектронных структурах.
Диффузный и баллистический перенос носителей.
в полупроводниках.
ВАХ баллистического транзистора.
Транспорт носителей в узких каналах и квантование проводимости.
Квантовый точечный контакт.
Две формулы для сопротивления.
Роль контактов.
Последовательные сопротивления и их аддитивность.
Список литературы.
Приложения.
Предназначена для преподавателей и студентов, специализирующихся по направлениям микро- и наноэлектроники, электроники, электронных измерительных систем. Может быть использована в учебном процессе при подготовке учебных курсов «Физические основы наноэлектроники», «Наноэлектронные технологии», «Физика микроэлектронных структур». Оглавление (11 глав):
Предмет наноэлектроники.
Пространственные масштабы наноэлектроники.
Общая структура наноэлектронных приборов.
Энергии и потенциалы.
Что такое электрохимический потенциал?
Элементарная кинетика.
Диффузионно-дрейфовый ток.
Уравнение Больцмана.
Уравнение непрерывности.
Уравнение баланса импульсов и диффузионно-дрейфовое приближение.
Электрон как волна и длина когерентности.
Математическое описание волн.
Уравнение Шредингера и волновая функция.
Стационарное уравнение Шредингера.
Электрон в бесконечно глубокой яме.
Плотность дискретного и непрерывного спектра двумерной системы.
Энергетическая плотность состояний.
Подбарьерное туннелирование.
Основные принципы КМОП-технологии.
Цифровая техника и логически вентили.
Интегральные схемы и планарная технология.
МОП транзистор и КМОП технология.
Закон Мура.
Технологическая (проектная) норма.
Тактовая частота.
Основные проблемы миниатюризации.
Анализ проблемы тепловыделения.
Проблема отвода тепла.
Проблема диссипации тепла и обратимости вычисления.
Адиабатическая логика.
Оценка максимального быстродействия.
Проблемы при миниатюризации межсоединений.
Принципы скейлинга.
Компромиссы миниатюризации.
Ограничения скейлинга.
Структуры металл проводник.
Контактная разность потенциалов в МОП структуре.
Электростатика плоских слоев заряда.
Электростатика МОП структуры с однородно легированной подложкой.
Падение потенциалов в неоднородно-легированном полупроводнике.
Учет напряжения, приложенного к затвору.
Характерные затворные напряжения.
Пороговое напряжение.
Полный заряд в полупроводнике при заданном поверхностном потенциале.
Плотность электронов в канале как функция поверхностного потенциала.
Тепловая толщина инверсионного слоя (канала).
Зависимость эффективного прижимающего поля от затворного напряжения в надпороговом режиме.
Контроль порогового напряжения за счет легирования подложки.
Регулирование порогового напряжения за счет работы в материала затвора.
Профили легирования.
Спадающий (HIGH-LOW) профиль.
Нарастающий профиль (LOW-HIGH, ретроградное легирование).
Легирование дельта-слоем.
Заряженные ловушки на и вблизи границы раздела.
Емкость инверсионного слоя.
Полная емкость МОП структуры.
Учет влияния падения напряжения в затворе и инверсионном слое.
Температурная зависимость порогового напряжения.
Вольт-амперные характеристики МОПТ.
Затворное напряжения как функция поверхностного потенциала в подпороговой области.
Плотность носителей в канале как функция затворного напряжения в форме интерполяции (BSIM3.
Подпороговый размах напряжения (subthreshold swing).
Статические подпороговые токи утечки.
Влияние обратного смещения на подложке.
Пороговое напряжение по отношению напряжения между затвором и подложкой.
Зависимость порогового напряжения от обратного смещения на . подложке.
Важность эффекта подложки в реальных схемах.
Напряжение между стоком и истоком.
Приближение плавного канала.
Плотность электронов вдоль канала при VDS 0.
Простейшая модель ВАХ МОПТ.
Насыщение скорости носителей в канале.
Механизмы насыщения тока канала.
Формула для ВАХ МОП-транзистора с учетом насыщения.
дрейфовой скорости (BSIM3-4).
Ток насыщения МОПТ.
Физические процессы в каналах МОПТ.
Механизмы рассеяния носителей в канале.
Универсальная подвижность в надпороговом режиме.
Зависимость подвижности от прижимающего поля и температуры.
Повышение подвижности с использованием технологии напряженного кремния.
Зависимость подвижности эффекта поля от спектра поверхностных состояний.
Короткоканальные эффекты в МОП транзисторах и электростатическое качество.
Геометрические эффекты порогового напряжения.
Эффект спада порогового напряжения («roll-off») для коротких каналов.
Эффекты узкого канала и общая характеристика геометрических эффектов порога.
Индуцированное стоком понижение барьера (DIBL).
Паразитные токовые эффекты короткого канала.
Оптимизация структуры истоков и стоков.
Моделирование выходного сопротивления МОПТ.
Эффект модуляции длины канала.
Паразитные сопротивления стока и истока.
Паразитные емкости стока и истока.
Эффекты сильных электрических полей.
Квазидвумерная модель распределения сильных электрических полей в районе стока.
Моделирование максимальных электрических полей в канале МОПТ.
Горячие носители.
Методы борьбы с горячими носителями.
Разогрев носителей и «удачливые» (lucky) электроны.
Моделирование ударной ионизации в канале.
Влияние тока подложки на работу МОПТ.
Влияние горячих носителей на срок службы МОПТ.
Методика прогнозирования срока службы транзистора по отношению к воздействию горячих носителей Диффузионно-дрейфовая модель тока в МОПТ.
Введение.
Электрохимический потенциал u1074 в канале МОПТ.
Полная плотность тока в канале МОПТ.
Отношение диффузионной и дрейфовой компонент тока как управляющий параметр.
Уравнение непрерывности.
Интегральное граничное условие.
Распределение электрического и химического потенциалов вдоль канала.
Общее выражение для тока в диффузионно-дрейфовой модели.
ВАХ в надпороговой области.
Подпороговый режим.
Время пролета электрона через длину канала.
Транспортное уравнение Больцмана в канале.
Транзисторы технологии «кремний-на-изоляторе».
Мотивация КНИ.
Преимущества КНИ МОПТ.
Различные конфигурации КНИ МОПТ.
Частично обедненные КНИ МОПТ.
Кинк-эффект в частично обедненных КНИ МОПТ.
Влияние обратного напряжения на подложке на пороговое напряжение.
Ультратонкие КНИ МОПТ.
Сравнение полностью и частично обедненных КНИ МОПТ.
Технологии многозатворных МОПТ.
Моделирование транзисторов КНИ технологий.
Электростатика полностью обедненного КНИ МОПТ.
Пороговое напряжение полностью обедненного КНИ МОПТ.
Включение с нижним затвором.
Влияние смещения на подложке на пороговое напряжение основного канала.
Вырожденный канал.
Уравнение непрерывности для плотности тока в канале.
Решение уравнения непрерывности в канале.
Распределение плотности электронов вдоль канала.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) МОПТ.
Надпороговый режим работы ПО КНИ транзистора.
Моделирование подпороговой характеристики ПО КНИ МОПТ.
Токи утечки в наноэлектронных структурах.
Токи утечки как ограничитель развития технологии.
Классификация токов утечки в современных МОПТ.
Прямое туннелирование через подзатворный окисел.
Механизм Фаулера-Нордгейма.
Токи утечки через pn-переход стока.
Токи утечки стока, индуцированные затвором (GIDL.
Использование «high-K» диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью.
Проблемы использования high-K диэлектриков.
Временной диэлектрический пробой подзатворного окисла (TDDB).
Модели TDDB.
Подпороговые токи утечки.
Разброс пороговых напряжений транзисторов на одном чипе.
Статистическое распределение подпороговых токов за счет разброса пороговых напряжений.
Мезоскопические эффекты в наноэлектронных структурах.
Диффузный и баллистический перенос носителей.
в полупроводниках.
ВАХ баллистического транзистора.
Транспорт носителей в узких каналах и квантование проводимости.
Квантовый точечный контакт.
Две формулы для сопротивления.
Роль контактов.
Последовательные сопротивления и их аддитивность.
Список литературы.
Приложения.