ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЛУБОКОСУБМИКРОННОГО МОП-ТРАНЗИСТОРА СО СТРУКТУРОЙ «КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ»

На сегодняшний день субмикронные МОП-транзисторные структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) широко используются в различных электронных устройствах, а также могут применяться в качестве сенсорных элементов. Разработка приборов с заданными характеристиками на основе этих структур невозможна без компьютерного моделирования их электрических свойств. Для глубокосубмикронных транзисторных структур это весьма трудная задача, поскольку необходимо учитывать многие сложные физические процессы и эффекты, имеющие место в полупроводниковом приборе. В настоящей работе многочастичным методом Монте-Карло проведено моделирование переноса электронов и дырок в глубокосубмикронном n-канальном КНИ МОП-транзисторе с длиной канала 100 нм. Целью настоящей работы явилось исследование влияния процесса межзонной ударной ионизации на характеристики транзистора, а также установление таких режимов его работы, при которых процесс ударной ионизации начинает оказывать существенное влияние на работу прибора. Определение этих режимов является крайне необходимым для адекватного и корректного моделирования различных устройств на основе КНИ-МОП-транзисторных структур. При этом основное внимание обращено на сравнение двух моделей учета процесса ударной ионизации по степени их влияния на вольтамперные характеристики транзистора. Первая, аналитическая модель, основана на широко известном подходе Келдыша, а во второй используются результаты численного расчета зонной структуры кремния. Показано, что применение модели ударной ионизации Келдыша приводит к более быстрому росту тока стока и, как следствие, к скорейшему лавинному пробою КНИ МОП-транзисторной структуры. Сделан вывод о том, что выбор между двумя рассматриваемыми моделями ударной ионизации может быть критическим при моделировании электрических характеристик прибора. 

1. O. Kononchuk and B. -Y. Nguyen Silicon-on-insulator (SOI) Technology. Manufacture and Applications / eds., Woodhead Publishing, Sawston, Cambridge, UK, 2014, 474 p.

2. Sakurai T., Matsuzawa A., Douseki T. Fully-Depleted SOI CMOS Circuits and Technology for UltralowPower Applications, Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2006, 411 p.

3. Celler G.K., Cristoloveanu S. Frontiers of siliconon-insulator. Journal of Applied Physics, 2003, vol. 93, no. 9, pp. 4955–4978.

4. Xin’an C., Qing’an H. A novel SOI MOSFET electrostatic field sensor. Journal of Semiconductors, 2010, vol. 31, no. 4, pp. 045003-1–045003-4.

5. Du W., Inokawa H., Satoh H., Ono A. SOI metaloxide-semiconductor field-effect transistor photon detector based on single-hole counting. Optics Letters, 2011, vol. 36, no 15, pp. 2800–2802.

6. Du W., Inokawa H., Satoh H., Ono A. Singlephoton detection by a simple silicon-on-insulator metaloxide-semiconductor field-effect Transistor. Japanese Journal of Applied Physics, 2012, vol. 51, pp. 06FE011–06FE01-4.

7. Sampedro C., Gamiz F., Godoy A., JimenezMolinos F. Quantum Ensemble Monte Carlo simulation of silicon-based nanodevices. Journal of Computational Electronics, 2007, no. 6, pp. 41–44.

8. Rengel R., Martin M.J., Gonzalez T., Mateos J., Pardo D., Dambrine G., Raskin J.-P., Danneville F. A microscopic interpretation of the RF noise performance of fabricated FDSOI MOSFETs. IEEE Transactions on Electron Devices, 2006, vol. 53, no. 3, pp. 523–532.

9. Zhevnyak O., Borzdov V., Borzdov A., Pozdnyakov D., Komarov F. Monte Carlo study of influence of channel length and depth on electron transport in SOI MOSFETs. Proceedings of SPIE, 2008, vol. 7025, pp. 70251L-1–70251L-8.

10. Gamiz F., Sampedro C., Donetti L., Godoy A. Monte-Carlo simulation of ultra-thin film siliconon-insulator MOSFETs. International Journal of High Speed Electronics and Systems, 2013, vol. 22, no. 1, pp. 1350001-1–1350001-32.

11. Fischetti M.V., Laux S.E. Monte Carlo analysis of electron transport in small semiconductor devices including band structure and space-charge effects. Physical Review B, 1988, vol. 38, no 14, pp. 9721–9745.

12. Duncan A., Ravaioli U., Jacumeit J. Fullband Monte Carlo investigation of hot carrier trends in the scaling of metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. IEEE Transactions on Electron Devices, 1998, vol. 45, no. 4, pp. 867–876.

13. Buffler F.M., Schenk A., Fichtner W. Efficient Monte Carlo device modeling. IEEE Transactions on Electron Devices, 2000, vol. 47, no. 10, pp. 1891–1897.

14. Donetti L., Gamiz F., Biel B., Sampedro C. Twoband k·p model for Si-(110) electron devices. Journal of Applied Physics, 2013, vol. 114, pp. 073706-1–073706-7.

15. Rengel R., Pardo D., Martin M.J. A physically based investigation of the small-signal behaviour of bulk and fully-depleted silicon-on-insulator MOSFETs for microwave applications. Semiconductor Science and Technology, 2004, vol. 19, pp. 634–643.

16. Borzdov A.V., Borzdov V.M., V’yurkov V.V. Monte Carlo simulation of hot electron transport in deep submicron SOI MOSFET. Proceedings of SPIE, 2014, vol. 9440, pp. 944013-1–944013-7.

17. Hockney R.W., Eastwood J.W. Computer simulations using particles, McGraw-Hill, New York, 1981, 640 p.

18. Jacoboni C., Lugli P. The Monte Carlo method for semiconductor device simulation, Springer, Wien– New York, 1989, 357 p.

19. Gonzalez T., Pardo D. Physical models of ohmic contact for Monte Carlo device simulation. Solid-State Electronics, 1996, vol. 39, no. 4, pp. 555–562.

20. Jacoboni C., Reggiani L. The Monte Carlo method for the solution of charge transport in semiconductors with applications to covalent materials. Reviews of Modern Physics, 1983, vol. 55, no. 3, pp. 645–705.

21. Rodriguez-Bolivar S., Gomez-Campos F.M., Carceller J.E. Simple analytical valence band structure including warping and non-parabolicity to investigate hole transport in Si and Ge. Semiconductor Science and Technology, 2005, no. 20, pp. 16–22.

22. Rodriguez-Bolivar S., Gomez-Campos F.M., Gamiz F., Carceller J.E. Implications of nonparabolicity, warping, and inelastic phonon scattering on hole transport in pure Si and Ge within the effective mass framework. Journal of Applied Physics, 2005, vol. 97, pp. 013702- 1–013702-10.

23. Gomez-Campos F.M., Rodriguez-Bolivar S., Carceller J.E. An efficient Monte Carlo procedure for studying hole transport in doped semiconductors. Journal of Computational Electronics, 2004, no. 3, pp. 329–332.

24. Keldysh L.V. Concerning the theory of impact ionization in semiconductors. Soviet Physics JETP, 1965, vol. 21, no. 6, pp. 1135–1144.

25. Kane E.O. Electron scattering by pair production in silicon. Physical Review, 1967, vol. 159, no. 3, pp. 624–631.

26. Fischetti M.V., Laux S.E., Crabbe E. Understanding hot-electron transport in semiconductor devices. Journal of Applied Physics, 1995, vol. 78, no. 2, pp. 1058–1087.

27. Ridley B.K. Soft-threshold lucky drift theory of impact ionization in semiconductors. Semiconductor Science and Technology, 1987, no. 22, pp. 116–122.

28. Speransky D., Borzdov A., Borzdov V. Impact ionization process in deep submicron MOSFET. International Journal of Microelectronics and Computer Science, 2012, vol. 3, no.1, pp. 21–24.

29. Borzdov V.M., Borzdov A.V., Speransky D.S., V’yurkov V.V., Orlikovsky A.A. Evaluation of the effective threshold energy of interband impact ionization in a deep-submicron silicon n-channel MOS transistor. Russian Microelectronics, 2014, vol. 43, no. 3, pp 189–193.

30. Sano N., Aoki T., Tomizawa M., Yoshii A. Electron transport and impact ionization in Si. Physical Review B, 1990, vol. 41, no. 17, pp. 12122–12128.

31. Sano N., Yoshii A. Impact ionization rate near thresholds in Si. Journal of Applied Physics, 1994, vol. 75, no. 10, pp. 5102–5105.

32. Kamakura Y., Mizuno H., Yamaji M., Morifuji M., Taniguchi K., Hamaguchi C., Kunikiyo T., Takenaka M. Impact ionization model for full band Monte Carlo simulation. Journal of Applied Physics, 1994, vol. 75, no. 7, pp. 3500–3507.

33. Kunikiyo T., Takenaka M., Morifuji M., Taniguchi K., Hamaguchi C. A model of impact ionization due to the primary hole in silicon for a full band Monte Carlo simulation. Journal of Applied Physics, 1996, vol. 79, no. 10, pp. 7718–7725.