Konzepte siliziumbasierter MOS-Bauelemente

Transkript

1 Jörg Schulze Konzepte siliziumbasierter MOS-Bauelemente Mit 458 Abbildungen und 29 Tabellen 4Q Springer

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 E. 1 International Electron Devices Meeting (IEDM, USA) 5 E.2 International Conference on Solid State Devices and Materials 11 (SSDM, Japan) E.3 European Solid State Devices Research Conference 15 (ESSDERC, Europa) E.4 Statistische Zusammenfassung 19 1 Logik und Speicherstrukturen und prinzipielles 25 MOSFET-Verhalten 1.1 Der CMOS-Inverter für Logikschaltungen NMOS- und PMOS-Inverterstrukturen Das Power-Delay"-Produkt Der CMOS-Inverter Aufbau von CMOS-Invertern und das Verhalten von MOS- 31 Feldeffekt Transistoren Herstellung eines lateralen MOSFETs der Technologiegene- 59 ration < 0,25 um Unterschiede zwischen vertikalen und lateralen MOSFETs Silizium- und MOSFET-basierte Speicherstrukturen Der DRAM Der SRAM DerEEPROM Silizium-basierte Leistungs-MOSFETs Grundtypen Silizium-basierter Leistungs-MOSFETs Bipolartransistoren Thyristoren und IG(B)Ts 82 2 Vertikal- und Quasivertikalkonzepte Silizium-basierter 87 CMOS-Logik und Hochfrequenz-Technologie 2.1 Konventionelle vertikale MOSFET-Konzepte V-Graben Konzepte Der V-Graben Insulated Gate Avalanche Transistor" 99 (VIGAT) Der V-Graben MOSFET (VMOSFET) 102

3 xii Inhaltsverzeichnis SOI-Substrate Der vertikale MOSFET Übersicht weiterer vertikaler MOSFET-Konzepte Alternative vertikale MOSFET-Konzepte Das Problem der Überlappkapazitäten Problem der Grenzflächenzustandsdichten, Grenzflächenrau- 123 higkeiten und verminderten Ladungsträgerbeweglichkeiten im vertikalen Transistorkanal Lösung des Problems der Überlappkapazitäten - Der VRG- 129 MOSFET und Pillar"-MOSFET-Konzepte Der vertikale Pillar"-MOSFET mit einem Silicon-On-Insu- 146 lator"-kanalgebiet (SOI-MOSFET) Mögliche Lösung des Problems der Grenzflächenzustands- 147 dichte durch Surface Engineering" - Oberflächenphasen Lösung des Problems der geringeren Ladungsträgerbeweg- 151 lichkeiten und des Problems des floatenden" Kanalgebietes durch Channel Engineering" - Der vertikale MOSFET mit verspanntem Silizium-Kanal auf SiGe (SSC-MOSFET) Lösung des Problems der geringeren Ladungsträgerbeweg- 154 lichkeiten und des Problems des floatenden" Kanalgebietes durch Channel Engineering" - Der vertikale Planar-Doped Barrier"-MOSFET (PDBFET) 2.3 Vertikale MOSFET-Konzepte mit intrinsischem Kanal- 175 gebiet Der vertikale Intrinsic Channel"-MOSFET mit einem 177 Silicon-On-Insulator"-Kanalgebiet(IC-SOI-FET) Der vertikale Intrinsic Channel"-MOSFET mit einem 181 Silicon-On-Nothing"-Kanalgebiet(IC-SON-FET) 2.4 Vertikale Quanten-MOSFETs Der vertikale Tunnel-FET mit MOS-Gate-gesteuertem 193 Tunnelübergang (Tunnel-MOSFET) Der vertikale Few Electron"-Transistor (VFET) bzw. 210 Single Electron"-Transistor (VSET) 2.5 Quasivertikale MOSFET-Konzepte Der quasivertikale Buried Gate"-MOSFET (BG-MOSFET) Der quasivertikale Modulation Doped" SiGe-FET (SiGe- 235 MODFET) Der quasivertikale SiGe-MOSFET Der quasivertikale SiGe-MOSFET mit einem Strained-Si- 257 licon-on-insulator" Kanalgebiet (SiGe-S SOI-MOSFET) Der Atomic Layer Deposition"-MOSFET (ALD-MOSFET) Der quasivertikale Intrinsic Channel"-MOSFET mit einem 261,,Silicon-On-Nothing"-Kanalgebiet(IC-SON-FET)

4 Inhaltsverzeichnis xiii 3 Auf vertikalen bzw. quasivertikalen Transistoren basie- 271 rende Speicher 3.1 Vertikale DRAM-Konzepte Die Buried-Source VMOSFET" DRAM-Zelle (VMOS- 274 DRAM-Zelle) Die Surrounding Gate Transistor" DRAM-Zelle (SGT- 278 Zelle) Die Vertical Access Transistor and Buried Strap" DRAM- 283 Zelle (VERIBEST-Zelle) Die Fully-Depleted Surrounding Gate Transistor" DRAM- 291 Zelle (FD-SGT-Zelle) 3.2 Vertikale und quasivertikale SRAM-Konzepte Vertikale und quasivertikale Transistoren für 6-Transistor- 300 SRAM-Zellen Die quasivertikale Thyristor-basierte SRAM-Zelle (T-RAM- 306 Zelle) Die vertikale SRAM-Zelle basierend auf einer bistabilen 311 Diode (BD-SRAM-Zelle) 3.3 Vertikale und quasivertikale Konzepte nicht-flüchtiger Spei- 315 eher (NVM-Konzepte) Die TMOSFET-ROM-Zelle (TMOS-Zelle) Die Record-On-Silicon" ROM-Zelle (ROS-Zelle) Die V-Graben EEPROM-Zelle (VEEPROM-Zelle) Die 3D Sidewall" Flash-EPROM-Zelle (SF-EPROM-Zelle) Die Stacked-Surrounding Gate Transistor" Flash-EPROM- 329 Zelle (SSGT-Zelle) Der Scalable Two-Transistor Memory" (STTM-Zelle) Vertikal- und Quasivertikalkonzepte Silizium-basierter 337 Leistungs-MOSFETs 4.1 Konzepte vertikaler Leistungs-MOSFETs Der vertikale V- bzw. U-Graben Power-MOSFET (Power- 346 (V/U)MOSFET) Der vertikale Insulated Gate" GTO-Thyristor" (GTO-IGT) Der vertikale Insulated Gate Bipolar Transistor" (IGBT) Der vertikale Planar Doped Barrier" Power-MOSFET 359 (Power-PDBFET) Der vertikale Power-UMOSFET mit Common Source" Konzepte quasivertikaler Leistungs-MOSFETs Der quasivertikale Vertical Drain" Power-MOSFET (VD- 371 Power-MOSFET) Der Double-Diffused/Implanted" (SOI-)Power-MOSFET 375 ((SOI-)DMOS) Der quasivertikale Depletion Mode" V-Graben Power- 385 MOSFET (DM-Power-VMOSFET)

5 xiv Inhaltsverzeichnis Der quasivertikale Insulated Gate Thyristor" (IGT) Der quasivertikale CoolMOS Der quasivertikale Oxide-Bypassed" DMOS (OBDMOS) 401 Nachwort 405 Quellen- und Literaturverzeichnis 409