Различные конфигурации КНИ МОПТ

Преимущества КНИ МОПТ

Транзисторы, изготовленные по технологии КНИ, обладают рядом важных преимуществ над транзисторами объемных технологий с аналогичной проектной нормой.

1. Область стока/истока расположена прямо над скрытым окислом, поэтому изоляция скрытым окислом имеет существенно меньшую емкость, чем изоляция pn-переходом в объемных транзисторах, что объясняется большей толщиной скрытого окисла и меньшей диэлектрической проницаемостью окисла по сравнению с кремнием. Это дает уменьшение паразитных емкостей (на 30…50%) и соответствующее увеличение быстродействия из-за уменьшения времени задержки.

2. По той же причине, из-за уменьшения паразитной емкости, уменьшается динамическое энергопотребление (приблизительно на 30% при той же тактовой частоте и напряжении питания).

3. Улучшается электростатическое качество транзисторов за счет подавления геометрических короткоканальных эффектов. Повышается (на
~ 15%) плотность интеграции за счет уменьшения расстояния между транзисторами.

4. В КНИ схемах отсутствуют эффекты влияния общей подложки на пороговые напряжения, как это имеет место в схемах объемной КМОП технологии.

5. КНИ транзисторы могут иметь очень малое (близкое к минимальному) значение подпорогового размаха (S-фактор ~ 60мВ/декаду при комнатных температурах), что позволяет снизить пороговое напряжение до 0,3В, не увеличивая статические токи утечки. Соответственно, это позволяет уменьшать напряжения питания и динамическое энергопотребление.

6. Из-за высокой степени изоляции перекрываются пути для развития паразитного тиристорного эффекта (эффекта «защелки»), часто имеющего место в n-p-n-p структурах объемных КМОП технологий.

7. Боковая изоляция (например, изоляция типа «птичий клюв» (LOCOS), мелкими канавками (STI)) дает возможность более компактного расположения элементов и более простой технологии изготовления, поскольку нет необходимости в карманах и глубоких канавках, как это имеет место в объемной технологии.

8. Отсутствуют ионизационные токи в p-n переходах при внешних импульсных ионизационных воздействиях. Поэтому КНИ МОПТ чрезвычайно устойчивы к воздействию импульсной радиации.

Толщина кремниевой базы КНИ МОПТ может быть различной. Различают КНИ структуры с толстым слоем кремния (d_S > 1мкм), которые используются в мощных приборах, и тонкопленочные структуры (d_S 0,2...0,3мкм), используемые в интегральных схемах высокой степени интеграции.

Среди тонкопленочных МОПТ выделяют приборы двух типов: полностью обедненные (ПО) и частично обедненные (ЧО). Подобная классификация основана на сравнении толщины кремниевой базы d_Sи толщины слоя обеднения x_d. Толщина слоя кремния полностью обедненной КНИ МОПТ структуры (международный термин fully depleted SOI, FD SOI MOSFET) обычно не превосходит 50 нм с типичным значением ~ 30 нм. В частично обедненных (ЧО) КНИ структурах (partially depleted SOI, PD SOI)
d_S > 50 нм с типичными значениями ~ 150...200 нм. Естественным условием полного обеднения является то, что толщина обедненной области больше толщины базы x_d > d_S. Ясно, что выполнение этого условия зависит от уровня легирования базы. Однако в короткоканальных транзисторах условие полного обеднения зависит еще и от длины канала. Это связано с тем, что боковые обедненные области рп-переходов сток-подложка и исток-подложка увеличивают обеднение базы, существенно облегчая этот процесс. Это эквивалентно уменьшению эффективного легирования базы, которое позволяет обедненной области распространяться глубже. Чтобы эта глубина соответствовала толщине пленки, требуется увеличить концентрацию примеси в базе.

Критерием, по которому можно различать полностью и частично обедненные КНИ транзисторы, является сравнение максимальной толщины обедненной области в районе истока и в районе стока
с толщиной слоя кремния внутренней подложки d_S. При выполнении условий x_d (L) < d_S и x_d (L) > x_d (0) > d_S имеем соответственно частично (PD) и полностью обедненные (FD) случаи. В промежуточном случае, когда x_d(L) > d_S > x_d(0), говорят о тaк называемом динамическом обеднении.

Рис. 6.2. Схематические структуры возможных конструкций КНИ МОПТ: (a) полностью обеденные, (б) транзистор с сильнолегированным дельта-слоем (pulsed doping) в кремниевой пленке, (в) с полевой обкладкой (field plate), (г) с заземленной основой (ground plane, GP), (д) динамический порог, (е) транзистор с двойным затвором.

Существуют различные варианты конфигураций КНИ МОП транзисторов (рис. 6.2), включающие в себя возможность управления напряжением как с верхнего затвора (front gate), так и со стороны подложки (нижнего затвора, back gate).

Для улучшения электростатики и повышения электростатической целостности прибора в структуру прибора можно внедрять сильнолегированные высокопроводящие слои. Они могут быть расположены непосредственно над скрытым окислом либо под ним и играть роль дополнительного управляющего затвора.