Физические источники шумов в твёрдых телах

.

Существует несколько видов электрических шумов в твердых телах, различающихся по физической природе и математическому описанию. Шумы характеризуется своим частотным спектром, распределением амплитуды и физическим источником (происхождением). Рассмотрим основные виды шумов. В интегральных микросхемах и электронных приборах основными источниками шумов являются резисторы, контакты, полупроводниковые диоды и транзисторы. К важнейшим видам шумов относятся; тепловой, дробовой, генерационно-рекомбинационный (ГР), взрывной шум или шум в виде случайного телеграфного сигнала (СТС шум), фликкер-шум. Последний вид шума называют также шумом вида 1/f или 1/fшум.

       Кроме названных видов шумов, в твердых телах, в особенности, в элементах малых размеров наблюдается еще один вид шума, обусловленный температурными флуктуациями тела, возникающими из-за теплообмена между этим телом и термостатом (окружающей средой)вследствие флуктуаций мощности испускаемого и поглощаемого излучения.В ИС существуют флуктуации теплообменас окружающим пространством различных теплопроводящих элементов (транзисторы, резисторы, межсоединения и т.д.).

В этом разделе будут рассмотреныфизические механизмы возникновения каждого из названных видов шумов в твердых телах (металлах, полупроводниках), а также различные виды флуктуаций в природных и в биологических системах.

3.1. Тепловой шум.

В любом проводнике или полупроводнике всегда имеются свободные носители тока, находящиеся в хаотическом тепловом движении. При этом может оказаться, что в определенный момент времени в одном направлении движется больше электронов, чем в другом. Поэтому даже в отсутствие внешней ЭДС мгновенные значения тока, текущего через проводник, отличны от нуля. Эти мгновенные изменения тока вызывают на концах проводника флуктуации напряжения, которые и создают тепловой шум.

На микроскопическом уровне причиной флуктуаций напряжения и тока в проводнике является хаотическое тепловое движение носителей заряда и их случайное рассеяние на колебаниях кристаллической решетки (на фононах) и на дефектах. Для тонких пленок и наноразмерных проводников, когда один из размеров проводника сравним со средней длиной свободного пробега носителей, необходимо учитывать и механизм рассеяния на границах поверхности пленки.

Важным классом материалов являются смешанные оксиды металлов

Важнымклассомматериаловявляютсясмешанныеоксидыметаллов(перовскитыформулой ABC3деCэтокислород.Некоторыеперовскитыотличносочетаютсяс кремниевойподложкой. При  этом  стабильные  оксиды,  такие  как  SrO  и  BaO  могут  быть  буферными  между  кремнием  и перовскитом   с  высокой   диэлектрической   проницаемостью.  Комплексы   перовскитов   типа (Ba,Sr)Lan (Sc,Al)nO3n+1 предоставляют  широкие  возможности  для  комбинации  с  нижележащим буфернымслоем.

         Большинство      альтернативныхдиэлектриков  нестабильно при прямомконтактес поликремнием и  нуждаются  в  буферном  слое  SiO2   для  получения  границы    раздела  с низкой плотностью поверхностных состояний, тем самым поликремний являетсяне самымоптимальнымматериаломзатвора. Поэтому необходимо использовать металлический электрод затвора для предотвращения реакции между затворным диэлектриком и поликремнием, которая ведет к образованию SiO2. Кроме того, помимо низкого удельного сопротивления (10-15 мкОм·см), применение металлического затвора обеспечивает исключение обеднения затвора носителями в режиме сильной инверсии (PDE-эффект), которое ограничивает возможность снижения толщины подзатворного окисла при использовании поликремниевых слоев в структуре затвора.

Однако в отличие от поликремниевых затворов, работа выхода которых меняется ионной имплантацией, управление работой выхода металлических затворов ещё не стало широко освоенной технологией. Поэтому при изготовлении КМОП-приборов в качестве затворов используются металлы или нитриды металлов, имеющих работу выхода с уровнем Ферми вблизи середины запрещенной зоны кремния (Midgap-затвор) Cr(4,5 эВ), W(4,52 эВ), Ru(4,68 эВ), TiN(4,7 эВ), WNx(4,6 эВ). В этом случае обеспечивается приблизительное равенство пороговых напряжений N— и P-МОПТ, однако его абсолютная величина оказывается недопустимо высокой (на ~0,55 В) в сравнение с МОПТ с поликремниевым затворами n+— и p+-типов. Для снижения порогового напряжения МОПТ с Midgap-затвором необходимо использовать скрытый канал с тщательно оптимизированными параметрами структуры для улучшения короткоканальных характеристик. Очевидно, что для заданных величин работы выхода металлического затвора (4,6 эВ) и толщины подзатворного окисла Тox существует такое сочетание толщины и концентрации примеси скрытого канала и соответствующего им порогового напряжения Vt, при котором максимум концентрации носителей в проводящем канале открывающегося транзистора располагается на поверхности кремния. В этом случае эффективная толщина подзатворного окисла Тox,eff, имеет минимальное значение. При физической толщине подзатворного окисла 2,4 нм взаимосвязь между пороговым напряжением, толщиной и концентрацией примеси скрытого канала для МОПТ с

. Распределение плотности заряда в МОП-транзисторе с учетом квантовых эффектов

В тожевремяиз-заквантовомеханическихэффектови обедненияполикремниевыхзатворов, заряд  в  канале  и  в  инверсном  слое  располагается  на  некотором  расстоянии  от  границы  Si-SiO2, являясьфункциейотнапряжения  назатворе.Нарис.5показанотоэффективная  электрическая емкость затворнойкомпозицииопределяетсяемкостьюобедненногополикремния,физической емкостьюдиэлектрикаи         вклада       квантовыхэффектов   в       кремнии,   которые     сдвигают   пик распределенияносителейзарядаот границыраздела.Приобратномсмещениичастьприложенного напряженияобедняетсильнолегированныйполикремнийоколограницыразделас диэлектриком затвора.Увеличениелегированияполикремния,вблизи границыраздела,снижаетэффектобеднения улучшаяуправлениеканалом.Поэтомудля лучшегоуправленияканаломоправданоиспользование металлическихзатворов,таккакониобладаютиммунитетомкэффектуобеднения.

Количество   носителей   падает   до  минимума   на  границе   барьера,   а  пик  распределения смещаетсяглубжевкремний(рис.5).Вкладвэффективнуюдиэлектрическую  емкостьзависитот  , где    диэлектрическая  проницаемость  кремния,  а    эффективное  расстояние носителейзарядаотграницыраздела(рис.5).Максимумраспределениярасположенв1нмотграницыSiSiO2, чтоувеличиваетэффективнуютолщинуSiO2(ToxEff,phys)на0.3нм.

Значительнаячастьматериаловсвысокойдиэлектрическойпроницаемостьюнестабильнапри контакте  с  кремнием,  поэтому  необходим  буферный  слой  SiO2    на  границе  раздела  кремний-диэлектрик.Эффективнаяемкостьвэтомслучаебудетравна

ионаопределяетсяемкостьюбуферногооксида.Эффективнаяэлектрическаятолщинадиэлектрика равна

где  — квантовая поправка для заряда в канале (0,3 нм),  — поправка для обедненного поликремния (0,5 нм).

Вприборахс толщинойоксидаSiO2 менее1.5нмтуннельныетокислишкомвеликидля обеспеченияприемлемогоэнергопотребленияИС(рис.4). Поэтомунеобходимматериалсболее высокойдиэлектрической         проницаемостью.        Альтернативныедиэлектрики       с        высокой диэлектрическойпроницаемостьюявляютсяключомдля дальнейшегомасштабированияМОПтранзисторов  сразмеромзатвораменее0.1мкм.Этиматериалыпозволяютиспользовать  толстые диэлектрическиеслои,чтоприводиткменьшимпотерямиз-затуннелированияпозволяют дальнейшее  масштабирование  эффективной  толщиныоксида.Нарис.6показанадиэлектрическая проницаемостьдвойныхоксидов(относительноSiO2)исоответствующаяимшириназапрещенной зоны.В общемслучаежелательнабольшаяшириназапрещеннойзоны,таккаквысота потенциальногобарьераувеличиваетсявместес ней.Из-заобратнойквадратичнойзависимостиот высотыбарьераи линейнойзависимостиот толщиныоксида,преимуществов выбореотдается материаламсвысокойдиэлектрическойпроницаемостьюсцельюуменьшениятуннельноготока

. Маршрут изготовления КМОП ИС двоично-десятичного счетчика

 

Первым шагом является создание маскирующего слоя SiO2 на поверхности слаболегированной (~1015 см-3) подложки р-типа.Затем с помощью фотолитографии формируют карман, необходимый для создания в нём структуры р-канального транзистора (рис. 1.1 а).

Далее выращивают плёнку SiO2, выступающую в качестве буферного слоя. Этот слой защищает поверхность Siот возникновения дефектов в ходе последующего ионного легирования. После этой операции для восстановления разрушенной структуры Si и активации внедренной примеси проводят  высокотемпературный отжиг (рис. 1.1 б).

 Следующим этапом является создание охранных (р-типа) и изолирующих областей (рис. 1.1 в). Охранные области p-типа необходимы для предотвращения распространения инверсного канала между n-карманом и областью истока

n-канального транзистора.

Затем следует осаждение нитрида кремния Si3N4 , который является маской для Si в процессе локального окисления. Далее слои промежуточного окисла и нитрида кремния удаляются, и снова выращивается тонкий слой подзатворного диэлектрика (рис. 1.1 д).

Дальнейшим шагом является осаждение поликремния Si*, затем легирование  его примесью   n-типа и формирование затворов (рис.1.1 е). Потом следует создание сток-истоковых областей (рис.1.1 ж). Для создания LDD-областей и боковой изоляции затвора используют спейсеры (рис. 1.1 з). Далее осуществляется осаждение ФСС (фосфоросиликатное стекло) и его оплавление. Осажденное фосфоросиликатное стекло выполняет несколько функций. Фосфор в таком стекле защищает лежащую под ним структуру прибора от подвижных ионов, и, кроме того, он делает стекло вязким, облегчая его оплавление при повышенной температуре.Помимо этогоФСС  изолирует металлический слой от поликремниевых шин. Заключительным этапом является формирование контактных окон и напыление металла (рис.1.1 и).

Существует несколько видов технологий формирования интегральных схем

Существует несколько видов технологий формирования интегральных схем: биполярная npn технология, технология n– канальных МОП – схем и технология КМОП – схем. Интегральные схемы  на биполярных транзисторах, несмотря на высокое быстродействие,  потребляют большую мощность и  занимают большую площадь на кристалле. По этим причинам  большие логические схемы на основе биполярных транзисторах не делают.

Интегральные схемы на МДП — транзисторах, по сравнению со схемами на БПТ, характеризуются более низким быстродействием и нестабильностью параметров. Но наряду с этими недостатками они занимают меньшую площадь, потребляют меньше мощности, обладают более высокой помехоустойчивостью.

Главным преимуществом КМОП ИС является минимальное энергопотребление. К другим преимуществам перед остальными МДП ИС относятся повышенная помехоустойчивость, возможность работать при предельных температурах и в широком их диапазоне (-60…+125 С), широкий диапазон напряжений питания (3…15В).

Структуры КМДП не лишены недостатков. Их быстродействие ниже, чем у   n — МДП ИС, за счёт применения p — канальных транзисторов. У КМДП схем имеется возможность образования паразитных каналов между рядом расположенными транзисторами одинакового типа проводимости. Но, несмотря на все недостатки, технология КМОП ИС, которая вобрала в себя все преимущества и достижения технологии n — канальных МОП ИС, стала одной из наиболее важных технологических схем формирования СБИС.

                                                          


Сборник полезной информации