Полевой нанотранзистор

Использование: наноэлектроника и микроэлектроника, в микроэлектронных и микроэлектромеханических системах в качестве быстродействующих усилителей для средств широкополосной цифровой мобильной связи, а также для построения микро-, нанопроцессоров и нанокомпьютеров. Сущность изобретения: в полевом нанотранзисторе, содержащем слой полупроводникового материала, в котором выполнен проводящий канал, слой тонкого диэлектрика, расположенный на поверхности полупроводникового материала, затвор, выполненный на поверхности тонкого диэлектрика, контакты сток, исток, слой полупроводникового материала расположен на слое нижнего диэлектрика, выполненного на полупроводниковой подложке, являющейся нижним затвором, проводящий канал наноструктурирован в виде периодической решетки квантовых проволок, слой тонкого диэлектрика обхватывает каждую квантовую проволоку проводящего канала с трех сторон, а затвор выполнен в виде металлической полоски нанометровой ширины и обхватывает каждую квантовую проволоку проводящего канала с трех сторон, причем тонкий диэлектрик содержит окна, в которых выполнены металлические контакты сток и исток, подсоединенные к каналу. В качестве полупроводникового материала может быть использован кремний. В качестве диэлектрика может быть использована термическая двуокись кремния. В качестве полупроводниковой подложки может быть использована подложка из кремния. Технический результат: повышение степени интеграции, уменьшение размеров полевого нанотранзистора, исключение короткоканальных эффектов при работе полевого нанотранзистора, повышение крутизны и радиационной стойкости полевого нанотранзистора, повышение экологичности производства. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к наноэлектронике и микроэлектронике и может быть использовано в микроэлектронных и микроэлектромеханических системах в качестве быстродействующих усилителей для средств широкополосной цифровой мобильной связи, а также для построения микро-, нанопроцессоров и нанокомпьютеров.

Известен полевой нанотранзистор (Е.Murakami, Т.Yoshimura, Y.Goto, S.Kimura, "Gate length scalability of n-MOSFET's down to 30 nm: comparison between LDD and non-LDD structures", - IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 47, No. 4, pp.835-840 (2000)), содержащий слой полупроводникового материала, в котором выполнен проводящий канал, слой тонкого диэлектрика, расположенный на поверхности полупроводникового материала, затвор, выполненный на поверхности тонкого диэлектрика, контакты сток, исток, представляющие собой два электрических контакта к проводящему каналу, выполненные в виде близко расположенных электронно-дырочных переходов, при этом затвор выполнен из поликристаллического полупроводникового материала и расположен над и между истоком и стоком.

К недостаткам известного устройства относится следующее.

Во-первых, низкая крутизна (менее 0,05 мкСим) в области малых токов (подпороговая область). Этот недостаток обусловлен тем, что проводящий канал данного полевого нанотранзистора находится в режиме слабой инверсии, и полевой нанотранзистор работает как биполярный n-p-n транзистор в сильнолегированном полупроводнике.

Во-вторых, короткоканальные эффекты, ограничивающие минимальный размер канала величиной не меньше 30 нм. При размере канала меньше указанной величины он окажется меньше размера областей пространственного заряда электронно-дырочных переходов истока и стока, и на поверхности полупроводника в области проводящего канала напряженность электрического поля достигнет таких больших значений, что в проводящем канале будет иметь место разогрев носителей заряда, насыщение дрейфовой скорости носителей заряда, инжекция горячих носителей в слой тонкого подзатворного диэлектрика и ударная ионизация в области стока.

В-третьих, невысокая степень интеграции. Известный полевой нанотранзистор характеризуется высоким тепловыделением вследствие больших токов утечки по поверхности (границам раздела) электронно-дырочных переходов и затвора, что ограничивает предельное число нанотранзисторов на одном кристалле (степень интеграции микросхем).

В-четвертых, высокая радиационная чувствительность из-за деградации электронно-дырочных переходов и накопления заряда в подзатворном диэлектрике.

В-пятых, низкая экологичность массового производства нанотранзисторов из-за использования фосфора и бора в качестве легирующих материалов при формировании электронно-дырочных переходов в кремнии.

Наиболее близким по совокупности признаков и назначению к заявляемому техническому решению является полевой нанотранзистор (В.Doyle, R.Arghavani, D.Barlage, S.Datta, M.Doczy, J.Kavalieros, A.Murthy and R.Chau, "Transistor elements for 30 nm physical gate lengths and beyond", - Intel Technical Journal, Vol. 6, No.2, pp.42-61 (2002)), содержащий слой полупроводникового материала, в котором выполнен проводящий канал, слой тонкого диэлектрика, расположенный на поверхности полупроводникового материала, затвор, выполненный на поверхности тонкого диэлектрика, контакты сток, исток, представляющие собой два электрических контакта к проводящему каналу, выполненные в виде близко расположенных электронно-дырочных переходов, при этом проводящий канал выполнен объемным на поверхности полупроводникового материала так, что пластинчатое тело транзистора лежит не в горизонтальной плоскости, а как бы поставлено на ребро, затвор из поликристаллического материала выполнен по обеим сторонам и в плоскости канала и размещен между истоком и стоком (так называемый двухзатворный FinFET, в котором каналы индуцируются напряжением на затворах вдоль обеих сторон такой пластины) либо полевой нанотранзистор выполнен с полностью обедненной подложкой полупроводника.

Причем для работы полевого нанотранзистора в режиме с полностью обедненным слоем кремния необходимо уменьшить толщину кремния до одной трети от длины затвора.

К недостаткам данного технического решения относится следующее.

Во-первых, невысокая крутизна в подпороговой области (0,1 мкСим для объемного канала и 2 мкСим для полевого нанотранзистора с полностью обедненной подложкой полупроводника). Этот недостаток обусловлен необходимостью использовать сильнолегированный полупроводник.

Во-вторых, короткоканальные эффекты, поскольку они ограничивают минимальный размер канала до величины не менее 30 нм. При размере канала меньше указанной величины он окажется меньше размера областей пространственного заряда электронно-дырочных переходов истока и стока, и на поверхности полупроводника в области проводящего канала напряженность электрического поля достигнет таких огромных значений, что в проводящем канале будет иметь место разогрев носителей заряда, насыщение дрейфовой скорости носителей заряда, инжекция горячих носителей в слой тонкого подзатворного диэлектрика и ударная ионизация в области стока.

В-третьих, невысокая степень интеграции. Известный полевой нанотранзистор характеризуется высоким тепловыделением вследствие больших токов утечки по поверхности (границам раздела) электронно-дырочных переходов и затвора, что ограничивает предельное число нанотранзисторов на одном кристалле (степень интеграции микросхем).

В-четвертых, высокая радиационная чувствительность из-за деградации электронно-дырочных переходов и накопления заряда в подзатворном диэлектрике.

В-пятых, низкая экологичность массового производства изделий из-за использования фосфора и бора в качестве легирующих материалов при формировании электронно-дырочных переходов в кремнии.

В-шестых, высокие требования к качеству и минимальной толщине кремния (менее одной трети от длины затвора), в котором находится канал полевого нанотранзистора, обусловленные из-за сильного легирования полупроводника и соответственно малой толщины области пространственного заряда вокруг инверсионного канала.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение степени интеграции, уменьшение размеров полевого нанотранзистора;

- исключение короткоканальных эффектов при работе полевого нанотранзистора;

- повышение крутизны полевого нанотранзистора;

- повышение радиационной стойкости полевых нанотранзисторов;

- повышение экологичности производства изделий.

Технический результат достигается тем, что полевой нанотранзистор содержит слой полупроводникового материала, в котором выполнен проводящий канал, слой тонкого диэлектрика, расположенный на поверхности полупроводникового материала, затвор, выполненный на поверхности тонкого диэлектрика, контакты сток, исток, причем слой полупроводникового материала расположен на слое нижнего диэлектрика, выполненного на полупроводниковой подложке, являющейся нижним затвором, проводящий канал наноструктурирован в виде периодической решетки квантовых проволок, слой тонкого диэлектрика обхватывает каждую квантовую проволоку проводящего канала с трех сторон, а затвор выполнен в виде металлической полоски нанометровой ширины и обхватывает каждую квантовую проволоку проводящего канала с трех сторон, тонкий диэлектрик содержит окна, в которых выполнены металлические контакты сток и исток, подсоединенные к проводящему каналу.

В полевом нанотранзисторе в качестве полупроводникового материала используют кремний.

В полевом нанотранзисторе в качестве диэлектрика используют термическую двуокись кремния.

В полевом нанотранзисторе в качестве полупроводниковой подложки используют подложку из кремния.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На фиг.1 показано изображение полевого нанотранзистора сверху, полученное с помощью атомно-силового микроскопа, где 1 - сток, 2 - затвор, 3 - исток, 4 - нижний диэлектрик. На фиг.2 показано изображение канала полевого транзистора до формирования верхнего затвора (а) и после формирования верхнего затвора (b), а также схематично представлены поперечное сечение подзатворной области полевого нанотранзистора (с) и изображение вида сверху полевого транзистора (d), где 1 - сток, 2 - затвор, 3 - исток, 4 - нижний диэлектрик, 5 - канал, 6 - нижний затвор, 7 - тонкий подзатворный диэлектрик. На фиг.3 показаны затворные характеристики полевого нанотранзистора в режиме дырочного канала, где 8 - вольтамперная характеристика (ВАХ) полевого нанотранзистора при напряжении на нижнем затворе - 100 В, 9 - ВАХ полевого нанотранзистора при напряжении на нижнем затворе - 70 В, 10 - ВАХ полевого нанотранзистора при напряжении на нижнем затворе - 50 В и в режиме электронного канала, где 11 - ВАХ полевого нанотранзистора при напряжении на нижнем затворе +50 В, 12 - ВАХ полевого нанотранзистора при напряжении на нижнем затворе + 25 В, 13 - ВАХ полевого нанотранзистора при напряжении на нижнем затворе + 10 В.

Канал полевого нанотранзистора расположен в слое кремния нанометровой толщины на диэлектрике (термической двуокиси кремния), наноструктурирован в виде квантовых проволок, покрытых с трех сторон тонким диэлектриком из термической двуокиси кремния и окруженных с трех сторон металлическим затвором. Электрический контакт к каналу полевого нанотранзистора выполнен из металла.

Концентрация и тип носителей заряда в канале управляется и контролируется приложением электрического поля со стороны нижнего затвора, выполненного в виде кремниевой подложки, расположенной под диэлектриком (термической двуокисью кремния).

Конструктивные особенности выполнения полевого нанотранзистора обеспечивают отсутствие короткоканальных эффектов, дают возможность повысить радиационную стойкость, достичь высокой крутизны полевых нанотранзисторов, повысить степень интеграции и экологичность массового производства изделий. Достижение перечисленных результатов обеспечивается главным образом изменением конструкции самого полевого нанотранзистора. Функционирование предложенной конструкции полевого нанотранзистора базируется на наличии индуцированного канала в полупроводнике с омическими контактами к каналу в виде многослойного металла. Концентрация и тип носителей заряда задается и контролируется нижним затвором (подложкой структуры кремний-на-изоляторе (КНИ-структуры)). Для управления проводимостью канала используется трехмерный металлический верхний затвор, обхватывающий узкий нанометровый канал сразу с трех сторон. Использование чистого полупроводника (не легированного специально) позволяет поднять подвижность носителей заряда в проводящем канале полевого нанотранзистора и работать как на электронах, так и на дырках (в одном и том же полевом нанотранзисторе).

В данном полевом нанотранзисторе отказ от контактов к проводящему каналу в виде электронно-дырочных переходов и переход к работе на основных носителях индуцированного канала позволил исключить короткоканальные эффекты, в результате чего стало возможным уменьшение размеров канала до единиц нанометров и, следовательно, повышение степени интеграции микросхем при повышении их радиационной стойкости.

Использование трехмерного верхнего металлического затвора нанометровой ширины позволило обхватить нанометровый канал с трех сторон и поднять крутизну полевого нанотранзистора до теоретического предела.

Исключение использования бора и фосфора при создании изделия путем замены электронно-дырочных переходов истока и стока многослойными металлическими контактами к каналу полевого нанотранзистора повышает экологичность массового производства изделий.

Замена объемного кремния полевого нанотранзистора на кремний нанометровой толщины КНИ-структуры означает сокращение объема полупроводника, в котором собирается заряд радиационно-индуцированных или термогенерированных носителей. Соответственно, повышается стабильность полевых нанотранзисторов по отношению к радиационным и теплолучевым воздействиям. Последствия накопления радиационно-индуцированного заряда в нижнем диэлектрике компенсируются напряжением на нижнем затворе за счет линейной зависимости порогового напряжения полевого нанотранзистора от напряжения на нижнем затворе.

Полевой нанотранзистор содержит сток 1, затвор 2, исток 3, нижний диэлектрик 4, проводящий канал 5, нижний затвор 6, тонкий подзатворный диэлектрик 7 (фиг.1, 2).

На кремниевой подложке, выполняющей функции нижнего затвора (б) полевого нанотранзистора, нанесен диэлектрический слой, выполняющий функции нижнего диэлектрика (4), на поверхности которого расположен слой чистого кремния нанометровой толщины, в котором выполнен канал (5) полевого нанотранзистора нанометровой ширины, наноструктурированный в виде периодической решетки квантовых проволок, покрытый в свою очередь верхним тонким сплошным слоем оксида кремния, повторяющим рельеф периодической решетки, являющимся тонким подзатворным диэлектриком (7), поверх которого нанесен в виде полосы сплошным слоем металлический затвор (2). Затвор (2) так же, как и тонкий подзатворный диэлектрик, обхватывает каждую квантовую проволоку проводящего канала полевого нанотранзистора с трех сторон и повторяет рельеф периодической решетки. Контакты исток (3) и сток (1) к каналу (5) полевого нанотранзистора, выполненные из металла, расположены в окнах, выполненных в верхнем тонком слое оксида кремния, являющимся тонким подзатворным диэлектриком (7), по обеим сторонам затвора (2) (фиг.2 (с) и (d)).

В качестве проводящего канала (5) полевого нанотранзистора используют слой чистого кремния (не легированного специально, например, марки КДБ-40) нанометровой толщины, например, 44 нм, расположенный на нижнем диэлектрике (4) из двуокиси кремния толщиной 350 нм и окисленный сверху термическим способом для формирования тонкого подзатворного диэлектрика (7) толщиной, например, 10 нм после наноструктурирования в виде периодической решетки квантовых проволок, период которой составляет, например, 400 нм, причем ширина кремниевой квантовой проволоки 150 нм.

В качестве нижнего затвора (6) полевого нанотранзистора используется кремниевая подложка структуры кремний-на-изоляторе (КНИ), являющейся основой, из которой создается полевой нанотранзистор.

Электрическое поле, прикладываемое посредством нижнего затвора, управляет как концентрацией, так и типом подвижных носителей заряда в канале полевого нанотранзистора.

В качестве затвора (2) используют металлический электрод нанометровой ширины, обхватывающий каждую квантовую проволоку канала (5) полевого нанотранзистора с трех сторон сразу.

В качестве электрических контактов к проводящему каналу (5) полевого нанотранзистора используют металлический слой, наносимый в окна, предварительно вскрытые в верхнем термическом окисле тонкого подзатворного диэлектрика (7) над каналом полевого нанотранзистора.

Полевой нанотранзистор работает следующим образом.

При приложении напряжения к нижнему затвору (6) полевого нанотранзистора в канале (5) полевого нанотранзистора образуются вследствие эффекта поля подвижные носители заряда, либо электроны, либо дырки, в зависимости от полярности приложенного напряжения. Полевой нанотранзистор работает в режиме индуцированного проводящего канала. При приложении напряжения к контактам исток (3) - сток (1) в канале (5) протекает электрический ток, величина которого изменяется под действием напряжения на затворе (2). На фиг.3 представлены вольтамперные характеристики (ВАХ): зависимости тока стока (1) от напряжения на затворе (2) при различных напряжениях на нижнем затворе (6). Наблюдается высокая крутизна затворной характеристики полевого нанотранзистора при отсутствии эффектов короткого канала и утечек по затвору и контактам исток (3) и сток (1). Высокая крутизна затворной ВАХ (более 12 мкСим при пересчете на 10 мкм ширины канала) позволяет получать большое изменение тока стока (1 мкА) при малом изменении напряжения на затворе (0,1 В).

Отсутствие короткоканальных эффектов подтверждается высокой крутизной ВАХ полевых нанотранзисторов при работе как на электронном, так и на дырочном индуцированных каналах. Повышение крутизны ВАХ полевого нанотранзистора достигается за счет использования чистого, не легированного специально кремния нанометровой толщины в КНИ-структурах и трехмерного металлического затвора, обхватывающего проводящий канал с трех сторон поверх тонкого верхнего подзатворного диэлектрика.

К преимуществам данного полевого нанотранзистора следует отнести не только отсутствие эффектов короткого канала, но и низкую емкость трехмерного, по существу, верхнего затвора на землю, высокую крутизну ВАХ полевого нанотранзистора и возможность дальнейшего уменьшения размеров полевых нанотранзисторов до единиц нанометров при существенном повышении их быстродействия, снижении потребляемой мощности вследствие снижения утечек с целью повышения степени интеграции устройств микро- и наноэлектроники при одновременном снижении их стоимости и улучшении экологии их производства.

Положительный эффект данного изобретения заключается в наноминиатюризации полевых нанотранзисторов на кремнии, что приводит к повышению их надежности, чувствительности, быстродействия и степени интеграции.

1. Полевой нанотранзистор, содержащий слой полупроводникового материала, в котором выполнен проводящий канал, слой тонкого диэлектрика, расположенный на поверхности полупроводникового материала, затвор, выполненный на поверхности тонкого диэлектрика, контакты сток, исток, отличающийся тем, что слой полупроводникового материала расположен на слое нижнего диэлектрика, выполненного на полупроводниковой подложке, являющейся нижним затвором, проводящий канал наноструктурирован в виде периодической решетки квантовых проволок, слой тонкого диэлектрика обхватывает каждую квантовую проволоку проводящего канала с трех сторон, а затвор выполнен в виде металлической полоски нанометровой ширины и обхватывает каждую квантовую проволоку проводящего канала с трех сторон, причем тонкий диэлектрик содержит окна, в которых выполнены металлические контакты сток и исток, подсоединенные к каналу.

2. Полевой нанотранзистор по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового материала использован кремний.

3. Полевой нанотранзистор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика использована термическая двуокись кремния.

4. Полевой нанотранзистор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковой подложки использована подложка из кремния.