Исследование изменения подвижности (мобильности) электронов и скорости насыщения МОП транзистора при нагреве для технологического процесса 14 нм

В статье исследованы зависимость подвижности (мобильности) электронов и зависимость скорости насыщения транзистора при нагреве.

Ключевые слова: транзистор, МОП, мобильность, скорость насыщения, температура, нагрев.

Введение

Одна из основных задач современного процесса проектирования интегральных схем — это обеспечение точности инструментов моделирования. Существует множество исследований, направленных на регистрацию изменений технологических факторов с помощью инструмента моделирования. Однако в большинстве случаев изменение температуры игнорируется на этапе проектирования. То есть проектирование выполняется с учетом постоянной температуры, в дальнейшем изменения в работе контура из-за возможных перепадов температуры не учитываются. Это обстоятельство может даже привести к некорректной работе схемы. Обратите внимание, что изменение температуры почти всегда присутствует и это связано как с внешними изменениями, так и с самонагревом элементов.

Изменение температуры в МОП транзисторах влияет на очень много параметров, но основных параметров три: зависимость подвижности (мобильности) электронов, зависимость скорости насыщения транзистора, зависимость порогового напряжении транзистора. Эта работа посвящена исследованию изменения первых двух основных свойств МОП транзистора при нагреве независимо от причины нагрева.

Зависимость подвижности (мобильности) электронов МОП транзистора от температуры

Подвижность электронов — это один из важнейших параметров, который зависит от температуры у МОП транзисторов. В полупроводниковой физике подвижность электрона показывает, насколько быстро электрон движется через металл или полупроводник, когда он находится под действием электрического поля. Подвижность также определяется для полостей в полупроводниковых устройствах. Электропроводность полупроводников прямо пропорциональна концентрации зарядных устройств и подвижности зарядных устройств. Высокая мобильность обеспечивает лучшую производительность устройства. Подвижность в полупроводниках зависит от концентрации полупроводниковых доноров-акцепторов, концентрации дефектов, а также температуры. Согласно закону распределения Бозе-Эйнштейна колебания атомов кристалла являются параметром, зависящим от температуры. С повышением температуры частота колебаний атомов возрастает, в результате чего подвижность все больше уменьшается. Мобильность зарядного устройства является важным критерием для цифрового моделирования электрических свойств полупроводниковых устройств. Мобильность зарядных устройств определяется следующим уравнением:

,

где

Для модели, использованной в данной работе: UTE = -0.243, UTL = -8.76*10 ^-6 , 0.05115.

На рисунке 1 показана зависимость между мобильности электронов и температурой.

Рис. 1. Зависимость мобильности электронов от температуры

Зависимость скорости насыщения транзистора МОП от температуры

Когда к полупроводниковому устройству прикладывается сильное электрическое поле, скорость зарядных устройств увеличивается до максимального значения, а затем достигает уровня насыщения. Максимальная скорость зарядных устройств известна как скорость насыщения. Это один из самых важных параметров, показывающих быстродействие полупроводниковых устройств. Зависимость скорости насыщения от насыщения от температуры определяется следующей формулой:

,

Для модели, использованной в данной работе = 2*10 ⁴ , = -0.0005283:

Рисунок 2 показывает зависимость скорости насыщения от температуры.

Рис. 2. Зависимость скорости насыщения от температуры

Заключение

Подведем итоги. Если, например,транзистор нагревается от 300К до 600К то, как мы видим из графиков 1 и 2, мобильность электронов снизится на 20 %, а скорость насыщения вырастет на 15 %. Если мы хотим избежать проблем в дальнейшей работе микросхем, надо обязательно учесть возможность изменения температуры.

1. BSIM-CMG 107.0.0 Multi-Gate MOSFET Compact Model Technical Manual / V. Sriramkumar [и др.]. — 1. — Berkeley: The Regents of University of California, 2013. — 123 c. — Текст: непосредственный.
2. Sun, Zimin Self-heating effect in SOI MOSFETs / Zimin Sun, Litian Liu, Zhijian Li. — Текст: непосредственный // 1998 5th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology. Proceedings (Cat. No.98EX105). — 1998. — № 5. — С. 572–575.
3. Analysis of Temperature Effect on MOSFET Parameter using MATLAB. — Текст: электронный // INTERNATIONAL JOURNAL OF ENGINEERING DEVELOPMENT AND RESEARCH: [сайт]. — URL: https://www.ijedr.org/papers/IJEDR1603087.pdf (дата обращения: 29.12.2020).