بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله با استفاده از نرم افزار Silvaco در محیط Atlas انواع ماسفت های دوگیتی بدون پیوند در سه ساختار مختلف از لحاظ تغییر در طول گیت، جنس اکسید - عایق دی الکتریک - و دوپینگ افزاره، شبیه سازی و پارامترهای مربوط به تغییرات جریان درین نسبت به ولتاژ گیت، هدایت الکتریکی، مقدار خازن گیت در نهایت فرکانس قطع عملیاتی افزاره بررسی شده است.
در ماسفت های دوگیتی بدون پیوند با طول گیت متفاوت وقتی طول گیت را کاهش دادیم جریان درین افزایش یافته و این افزایش موجب افزیش هدایت الکتریکی و فرکانس قطع عملیاتی افزاره شد. و با انتخاب جنس اکسید از نوع - SiO2 - k=3.9 به جای - AL2O3 - k=9.1 و - Si3N4 - k=7.8 مشاهده گردید در ضریب دی الکتریک پایین، جریان درین بالا ، هدایت الکتریکی بالا و افزایش فرکانس قطع مشاهده می گردد ولی از طرفی استفاده از عایق دی الکتریک با ضریب کم - - k=3.9 باعث افزایش اثرات کانال کوتاه علی الخصوص اثر DIBL می گردد که بایستی مصالحه ای بین افزایش اثرات کانال کوتاه و افزایش فرکانس قطع لحاظ شود.
.1 مقدمه
یکی از چالشهایی که در مقیاس کردن افزاره MOSFET با آن روبرو هستیم، حفظ عملکرد MOSFET کانال بلند در ابعاد کوچک است. همانطور که ذکر گردید، آلایش سورس و درین با آلایش کانال متفاوت است، لذا ناحیه تخلیه ای در فصل مشترک سورس و درین با کانال تشکیل می گردد. شکل 1 موازنه بار را در یک افزاره NMOS نشان می دهد. در افزاره های کانال بلند، از نواحی تخلیه سورس و درین چشم پوشی می گردد زیرا نواحی تخلیه شده بخش کوچکی از طول موثر کانال را تشکیل می دهند.
اما در افزاره های کانال کوتاه، ناحیه تخلیه شده سورس و درین بخش مهمی از طول موثر کانال را در بر می گیرند.[1] در این حالت برخی از اتم های یونیزه شده درین خطوط میدان خود را بر روی بارهای داخل کانال می بندند . به این اثر اشتراک بار گویند. در واقع در افزاره های کانال کوتاه سورس و درین به همه نقاط میانی کانال نزدیک هستند به نحوی که می توانند اثری مانند اثر گیت داشته باشند. در واقع اینکه سورس و درین غیر از کار عادی خود، نقشی مانند نقش گیت را ایفا می کنند.[2] در این حالت ارتفاع سد پتانسیل حرارتی توسط درین نیز کنترل می گردد لذا اثر ولتاژ گیت بر ارتفاع سد پتانسیل کاهش می یابد.
شکل1 موازنه بار در یک افزاره NMOS
این اثر کاهش سد پتانیسل القا شده از درین - DIBL - نام دارد. اثر DIBL موجب کاهش ارتفاع سد پتانسیل در حالت خاموش افزاره گردیده و جریان نشتی را افزایش می دهد. همچنین این اثر موجب کاهش ولتاژ آستانه نیز می گردد. این آثار به آثار کانال کوتاه معروف هستند.
2-1 روشهای کاهش آثار کانال کوتاه
1-2-1 کاهش ضخامت اکسید موثر گیت - EOT -
با کاهش - EOT - ، فاصله گیت نسبت به کانال کمتر می گردد و لذا گیت بهتر می تواند بارهای داخلی کانال را کنترل کند. همچنین کاهش ضخامت اکسید گیت موجب افزایش خازن گیت می گردد. در این حالت به ازای افزایش اندک در ولتاژ گیت طبق رابطه Q=CV به همان میزان بار در فصل مشترک اکسید/ نیمه هادی افزایش می یابد. برای ساختار MOSFET و طول گیت زیر 100 nm، EOT می بایست در حدود 10 نانومتر باشد. برای ساختار SiO2 معمولی در این ابعاد، میدان الکتریکی شدید ایجاد شده در اکسید موجب افزایش اثرتونل زنی به داخل اکسید گردیده و جریان نشتی گیت را افزایش می دهد.
کاهش عمق نواحی سورس و دراین روش دیگر برای کاهش آثار کانال کوتاه، کاهش عمق نواحی سورس و درین است. این روش موجب کاهش نواحی اشتراک بار و عرض ناحیه تخلیه می گردد. اما ایجاد نواحی سورس و درین با عمق کم دارایمشکلاتی است. اولاً نیازمند روشهای پیچیده ای برای انجام کاشت کم عمق است. ثانیاً در هنگام فلز نشانی برای تشکیل اتصال اهمی سورس و درین، آلومینیوم ممکن است به داخل سیلیسیوم نقب بزند. نقب زدن موجب ایجاد جریان های نشتی می گردد.
همچنین ایجاد نواحی سورس و درین کم عمق موجب افزایش مقاومت سری نیز می گردد. شکل 2 مقاومتهای مختلف یک افزاره MOSFET را نشان می دهند. این مقاومتها شامل مقاومت کانال Rch، مقاومت نواحی سورس و درین Rs,Rd، مقاومت اتصال فلز با نواحی سورس و درین، Rc و مقاومت نواحی دارای کاشت درین سورس کم عمق Rd,Rs می باشد که در آن A مساحت افزاره، Rsh مقاومت صفحه ای و p مقاومت ویژه صفحه ای می باشد.
3-2-1 استفاده از ساختار دوگیتی سیلیکان روی عایق
از آنجا که در ساختار ماسفت دوگیتی سیلیکان روی عایق - DG-SOI-MOS - هیچ ناحیه ای از کانال دور از گیت نیست لذا گیت کنترل بهتری بر کانال دارد . همین مسئله موجب کاهش آثار کانال کوتاه و بهبود شیب زیر آستانه در این افزاره می گردد.[5-6] در این افزاره از بدنه های نازک استفاده میشود زیرا این طرح موجب بهبود عملکرد افزاره می گردد.
در ساختارهایی با بدنه نازک با پدیده وارونگی در حجم3 روبرو هستیم. یعنی حاملهای اقلیت تنها محدود به حرکت در امتداد فصل مشترک اکسید/ کانال نیستند و در عمق بدنه پخش شده اند. پدیده اخیر موجب افزایش قابلیت حرکت، بهبود هدایت انتقالی و افزایش جریان حالت روشن - Ion - در این افزاره ها می گردد. در - DG-SOI-MOS - ، جریان کانال توسط میدان الکتریکی عمودی گیت ها کنترل می گردد. و یکی از معایب اساسی این ساختار هزینه ساخت آن می باشد. [7-8]
شکل 2 مقاومت های مختلف یک افزاره [3] MOSFET
4-2-1 استفاده از ماسفت های دو گیتی بدون پیوند
جهت به حداقل رساندن آثار کانال کوتاه استفاده از ماسفت های دوگیتی بدون پیوند به دلیل ساختار ساده تر و هم به علت کنترل بیشتر روی کانال و هچنین به دلیل استفاده از کل کانال و زیاد بودن هدایت انتقالی ، جایگزین مناسب و بهتری برای ماسفت های دوگیتی میتواند باشد . ماسفت دو گیتی بدون پیوند افزاره پیشرفته ای است که توانایی حفظ و مقیاس پذیری بالایی دارد . در ماسفت دو گیتی بدون پیوند با توجه به یکنواختی دوپینگ در سورس درین کانال و استفاده از محل اتصال به عنوان بخشی از کانال مقدار جریان جاری شده در افزاره به جای اکسید سیلیسیوم در لایه سیلیکون میباشد.
.2 ساختارهای ارائه شده و نحوه شبیه سازی آنها
1-2 مقایسه ماسفت دوگیتی معمول - IM DG MOSFET - با ماسفت دوگیتی بدون پیوند - JL DG - MOSFET
شکل 3 شماتیک یک ماسفت دوگیتی معمول دارای طول کانال 20 نانومتر، طول سورس و درین 20 نانومتر و عرض 6 نانومتر با اکسید SiO2 و دوپینگ ND=1×19 cm-3 و کانال از جنس سیلیکان ذاتی، Lg=20 nm ، ضخامت اکسید 1 نانومتر، و شکل 4 شبیه سازی یک ماسفت دوگیتی بدون پیوند، با طول کانال 60 نانومتر ، عرض 6 نانومتر با اکسید SiO2 ، ND=1×19 cm-3 و Lg=20 nm و ضخامت اکسید 1 نانومتر را نشان می دهد.
شکل.3 شماتیک ماسفت دوگیتی معمول با طول افزاره 60 نانومترIM DG MOSFET
