eng
Выпуск #3/2002
В.Майская.
Будущее транзисторных структур. Насколько справедлив закон Мура?
Будущее транзисторных структур. Насколько справедлив закон Мура?
Просмотры: 2860
С утверждением, что мировой экономикой движут высокие технологии, спорить не приходится. Поэтому интерес ведущих производителей полупроводниковых приборов к перспективам дальнейшего развития выпускаемых изделий, несмотря на кризис, не удивителен. Особенно если учесть, что сегодня вследствие непрекращающегося масштабирования все труднее "выжать" требуемые характеристики современных микросхем: уменьшаются их размеры и напряжение, увеличивается быстродействие, а ток утечки и потребляемая мощность растут. Сможет ли микроэлектроника по-прежнему развиваться в соответствии с законом Мура, которому она следует не одно десятилетие?
Практически единственное изменение, которое претерпели активные полупроводниковые приборы, в том числе и полевые транзисторы на протяжении своего развития, – уменьшение минимальных размеров элементов (масштабирование) в соответствии с законом Мура. И на протяжении почти всей своей истории полупроводниковая промышленность определяла свои успехи, сопоставляя достигнутое с задачами масштабирования и увеличения плотности размещения элементов, поставленными перспективным планом развития (Roadmap). Но в конце 2001 года эксперты предупредили разработчиков, что масштабирование микросхем и другие способы повышения рабочих характеристик кремниевых транзисторов могут быстрее, чем предполагалось, привести к достижению физических пределов создаваемых структур. Так, уменьшение длины затвора и толщины затворного окисла транзисторов в схемах микропроцессоров, необходимое для увеличения их быстродействия, вызывает многие негативные эффекты, которые уже нельзя устранить с помощью существующих технологических методов. И действительно, по мере того как слой затворного диэлектрика становится все тоньше (а сегодня имеются транзисторные структуры с толщиной затворного окисла всего 0,8 нм, что равно трем атомным слоям), возрастают такие составляющие тока утечки, как паразитный ток затвора и туннельный ток через слой оксида. С уменьшением размеров транзисторов растет и ток утечки отключенного транзистора (так называемый ток утечки при субпороговом напряжении). Таким образом, транзистор практически никогда не бывает полностью отключен. Кроме того, с уменьшением толщины областей истока/стока растет их сопротивление и, соответственно, напряжение, требуемое для переключения прибора, а также его потребляемая мощность. Уменьшать же сопротивление этих областей путем увеличения уровня их легирования нельзя, поскольку практически предельные уровни концентрации носителей уже достигнуты (при концентрации носителей более 1018 см-3 наступает вырождение полупроводникового материала, приводящее к снижению подвижности носителей и ухудшению характеристик транзистора). В результате резко возрастает плотность потребляемой мощности (рис.1). Как сообщил главный специалист по технологии фирмы-разработчика библиотек элементов Virtual Silicon на европейской конференции по проектированию, автоматизации и тестированию, при толщине затворного окисла 100 нм ток утечки МОП-транзистора может составлять 4 нА (в том числе и за счет туннельной составляющей). С увеличением тока повышается температура прибора, а с увеличением температуры растет ток. Круг замкнулся, и в режиме покоя возможен тепловой пробой транзистора. Таким образом, в ближайшие пять лет масштабирование КМОП-микросхем может достичь предельного уровня.
Один из путей решения проблемы – увеличение числа логических ячеек, работающих с несколькими пороговыми напряжениями, применение нескольких источников напряжения питания и активных средств управления потребляемой мощностью. Ток утечки может быть снижен и за счет увеличения порогового напряжения тех транзисторов, к быстродействию которых не предъявляются высокие требования. Но все это потребует существенного изменения всего процесса проектирования систем и, возможно, перехода к разработке полностью заказных устройств. А по утверждению разработчиков новейшего варианта Roadmap, необходимо идти по пути создания новых транзисторных структур, способных заменить традиционные КМОП-устройства. И эти работы должны быть завершены в ближайшие шесть-девять лет. Иначе не удастся создать микросхемы, требуемые для будущих работающих в реальном времени систем распознавания и преобразования речи и образов или графических устройств, не уступающих по качеству изображения видеосистемам.
Сегодня многие изготовители полупроводниковых приборов решают проблемы дальнейшего масштабирования размеров элементов микросхем с помощью альтернативных транзисторных структур. Изучается возможность использования металлического электрода и диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной k, методов управления проводимостью исходного материала за счет применения напряженного кремния, SiGe и пр. (о чем, кстати, свидетельствуют доклады представителей Intel, IBM, Hitachi на Международной конференции по электронным приборам 2001 года). Предложены такие структуры, как КНИ-транзисторы с ультратонким основанием (Ultrathin Body – UTB), приборы с управляемой проводимостью канала, транзисторы с двойным затвором, или так называемые FinFET, вертикальные транзисторы (см. таблицу).
UTB КНИ-ТРАНЗИСТОРЫ
Транзисторы этого класса можно разделить на два типа – с полностью и частично обедненным носителями основанием (телом). Устранение эффекта короткого канала и регулировка порогового напряжения в таких транзисторах не требуют формирования сильнолегированного канала. Обе структуры пригодны для изготовления быстродействующих КМОП-микропроцессоров и систем-на-кристалле. В транзисторах первого типа тонкая пленка (менее 40 нм) полностью обеднена подвижными носителями при всех значениях напряжения смещения. Поскольку в области канала вследствие обеднения подложки заряда нет, электрическое поле в инверсионном слое прибора меньше, чем в обычных приборах с сильнолегированной областью канала, выполненных на объемном материале. Кроме того, крутизна характеристики субпорогового напряжения у этих транзисторов лучше, чем у обычных.
Именно такая структура легла в основу созданного специалистами фирмы Intel так называемого TeraHertz-транзистора, частота переключения которого, по оценкам разработчиков, сможет достичь 1000 ГГц , или 1 ТГц. UTB КНИ-структуры с минимальными размерами 50 нм и полностью обедненным основанием изготавливались на слое кремния толщиной менее 30 нм (толщина оксидной пленки КНИ-структуры – 200 нм). Чтобы снизить (на 30%) паразитное сопротивление, присущее приборам с тонкой подложкой, и способствовать лучшему формированию контактов из силицида кремния, области истока/стока приподнимались (рис.2). Наличие слоя оксида под всей структурой транзистора привело к снижению тока утечки канала на два порядка. Кроме того, замена диоксида кремния в структуре затвора диэлектриком с высоким k позволила снизить ток утечки через затворный диэлектрик более чем на четыре (!) порядка. Материал наносился на подложку с помощью процесса атомного осаждения, позволяющего последовательно выращивать слои толщиной всего в одну молекулу. Для TeraHertz-транзисторов характерны также низкая емкость перехода, стойкость к воздействию альфа-излучения и отсутствие эффекта плавающей подложки.
Исследование показало, что TeraHertz-транзисторы намного превосходят стандартные КМОП-приборы (с длиной канала 70 нм и толщиной затворного оксида 1,5 нм) по быстродействию (на 25%) и потребляемой мощности (на 30%). При напряжении 1,3 В рабочий ток p-канального транзистора (толщина подзатворной пленки – три атомных слоя) равен 650 мкА/мкм, а ток утечки – 9 нА/мкм. На основе этих транзисторов Intel намерена к 2005–2007 году создать чипы микропроцессоров с минимальными топологическими нормами 20 нм, быстродействием до 20 ГГц и рабочим напряжением 1 В. Такой чип будет содержать миллиарды TeraHertz-транзисторов.
Основной недостаток КНИ-структур с частичным обеднением подложки – эффект плавающей квазинейтральной подложки. Но недавние работы фирмы IBM показали возможность контролировать этот эффект в структурах с размерами элементов до 30 нм, работающих при значениях напряжения 1,0–1,2 В. Это удалось благодаря формированию на сверхтонкой подложке имплантированного канала с "крутыми" стенками, или super-HALO-структуры. Для этого после изготовления глубоких областей истока/стока проводился отжиг с быстрым подъемом и спадом температуры. Затем стенки HALO-области, расположенной под стоком/истоком, сужались путем имплантации ионов под углом к ним. Создание таких областей в КМОП-структуре на объемном кремнии привело бы к появлению неприемлемо высокой паразитной емкости перехода и высокого тока утечки. Но в UTB КНИ-структуре благодаря небольшому периметру перехода паразитная емкость мала. Ключевые требования к процессу формирования такой структуры – оптимизация уровня легирования затвора, конструкция спейсера и получение резких переходов областей истока/стока.
Разработчиками IBM созданы n-канальные транзисторы с минимальными размерами элементов 35 нм и p-канальные приборы с размерами элементов 33 нм. Рабочий ток транзисторов при напряжении 1,0 В равен 1100 и 457 мкА/мкм, а паразитная емкость – 0,27 фФ/мкм и 0,32 фФ/мкм, соответственно. Ток утечки обоих транзисторов – 300 нА/мкм. На основе SiGe-технологии на фирме изготовлен UTB КНИ-транзистор, способный работать на частоте 210 ГГц. Уже в 2003 году разработчики ожидают появления микросхем с такими транзисторами. Но это не единственный новый тип транзистора, предлагаемый таким "генератором идей", как IBM.
МОП-ТРАНЗИСТОРЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ КАНАЛА
Эти приборы нельзя непосредственно отнести к альтернативному типу – по своей структуре они подобны традиционным МОП-транзисторам. Но метод их изготовления существенно отличается от современной КМОП-технологии. Он основан на естественном стремлении атомов соединения к упорядоченной ориентации друг относительно друга. При осаждении кремния на подложку из материала с отличным от него межатомным расстоянием кристаллической решетки (например, на кремний-германиевую) атомы кремния стремятся выровняться в соответствии с атомами подложки. Если это расстояние больше, чем в кремнии, происходит "растяжение" атомов последнего, т.е. кремний оказывается напряженным (рис.3) и скорость дрейфа электронов будет на 70% выше, чем в обычном кремнии. В результате, даже не изменяя размеров транзисторов, можно увеличить быстродействие чипа на 35%. Разработчики фирмы считают, что в сочетании с уже освоенными в производстве медной, КНИ- и SiGe-технологиями новый метод позволит фирме по-прежнему на год-два опережать остальных производителей полупроводниковых приборов в области промышленной технологии. И, действительно, новые изделия, выполненные на основе структур с напряженным кремнием, фирма рассчитывает создать уже в 2003 году. Но и это не последняя разработка фирмы в области новейших типов транзисторов.
МОП-ТРАНЗИСТОРЫ С ДВОЙНЫМ ЗАТВОРОМ
Возможность создания МОП-транзистора с двойным затвором изучается достаточно давно, с 90-х годов. Но лишь в конце 2001 года IBM объявила о создании альтернативного типа транзистора, который благодаря лучшему управлению эффектом короткого канала, характеристике субпорогового напряжения, близкой к идеальной, и высокой подвижности носителей в канале сможет стать многообещающим кандидатом для будущих микросхем с высокой плотностью размещения элементов и малой потребляемой мощностью. При разработке этого прибора неоценимую помощь оказал опыт фирмы в области КНИ-технологии. Ток транзистора с двумя затворами и, следовательно, его сигнал почти вдвое выше, чем в обычном МОП-приборе с большими размерами элементов. Такую структуру легко масштабировать, и на ее базе можно выполнить любой тип МОП-транзистора. Основная задача при ее формировании – получение приемлемого значения порогового напряжения транзисторов быстродействующих логических устройств при контроле значения проводимости канала.
Особый интерес представляет разновидность транзистора с двойным затвором – FinFET. В этом приборе тонкое кремниевое тело (столбик, вставка – fin) "обернуто" затвором, который формирует два самосовмещенных канала, расположенных с двух сторон кремниевого тела (рис.4). Выступающая передняя область тела – исток транзистора, выступающая задняя область – сток. Ток протекает в плоскости, параллельной плоскости тела, т.е., хотя затворы и выступают за пределы этой плоскости, структуру FinFET можно рассматривать как квазипланарную. Активная ширина прибора равна высоте тела-столбика, и ее можно увеличивать путем параллельного включения многих столбиков. По своей топологии FinFET не отличается от традиционного МОП-транзистора, за исключением того, что активная область формируется вставками, а не представляет собой плоский прямоугольник. Производство FinFET легко наладить: все необходимые технологические операции широко используются в современном полупроводниковом производстве и хорошо отработаны. Правда, самый критичный параметр этой структуры – толщина канала – зависит от разрешения процесса литографии.
Фирмой IBM созданы симметричные и асимметричные n- и p-канальные МОП-транзисторы этого типа, характеристики которых оптимизированы для получения высокого быстродействия и низкого порогового напряжения, соответственно. Процесс изготовления полностью обедненного симметричного FinFET предусматривает формирование рисунка тела-вставки толщиной 20 нм методами фотолитографии. Структура затвора состоит из термически выращенной пленки оксинитрида толщиной 1,6 нм и поликремния. Выступающие области истока/стока изготовлены путем проведения ионной имплантации под углом 45о с четырех сторон пластины. В результате электрическая длина канала Leff составила 30 нм. Ток n- и p-канальных FinFET был равен 1300 и 850 мкА/мкм, соответственно.
Высота тела-вставки асимметричных FinFET – 180 нм, толщина затворного диэлектрика – 2,2 нм, поликремниевого затвора – 75 нм. Для легирования материала затвора и приподнятых областей истока/стока до и после вытравливания рисунка затвора проводилась ионная имплантация под углом 30о. Благодаря соответствующей экранировке имплантируемых ионов с одной стороны затвора был сформирован поликремний p-типа, а с другой – n-типа. Пороговое напряжение транзистора составило примерно 0,1 В. Ток логического устройства на базе такого транзистора в выключенном состоянии при Vgs = 0 не превышал 60 нА/мкм. Пороговое напряжение насыщения равно 0,15 В при рабочем токе 55 нА/мкм и токе утечки 7 нА/мкм.
Совместными усилиями Калифорнийского университета в Беркли, фирмы Intel и Национальной лаборатории Лоуренса создана FinFET-структура с длиной канала менее 20 нм, в которой размеры кремниевой вставки задаются промежутками между поликремниевыми затворами, а области истока/стока – процессом литографии (рис.5). За счет нанесения "жертвенных" пленок на боковые стенки каждого промежуточного зазора разработчикам удалось вдвое увеличить ток транзистора и уменьшить толщину вставки в сравнении с приборами, изготовленными только с помощью процесса литографии. Структура затвора состоит из термически выращенного оксида толщиной 2,4 нм и SiGe толщиной 400 нм.
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ МОП-ТРАНЗИСТОРЫ
Наилучших результатов в создании транзисторов этого типа достигла фирма Agere Systems. Разработка прибора, названного транзистором с вертикально замещенным затвором (Vertical Replacement-Gate – VRG), была начата в 1999 году в стенах Bell Labs, где тогда трудились разработчики. Особенности нового прибора: возможность контроля с высокой точностью длины канала, равной 50 нм, и применение в качестве затворного диэлектрика с высоким k оксида гафния. Хотя этот материал имеет поликристаллическую структуру, ток утечки VRG-транзистора достаточно мал. Задача нанесения пленки HfO2 также была решена с помощью метода послойного атомного осаждения, позволяющего получать равномерные по толщине пленки на любой поверхности, включая глубокие карманы или узкие канавки.
Появление новых альтернативных транзисторных структур позволяет утверждать, что полупроводниковая промышленность в ближайшие годы по-прежнему будет развиваться в соответствии с законом Мура. К тому же, по своим характеристикам UTB КНИ-транзисторы и транзисторы с двойным затвором превосходят МОП-транзисторы, изготовленные на объемном кремнии. Сейчас ведутся работы по совершенствованию методов проектирования и производства таких устройств с тем, чтобы полностью реализовать их возможности. Объем этих работ велик, но, тем не менее, появления каких-либо из рассмотренных выше транзисторов и схем на их основе можно ожидать уже в 2004 году. Это позволяет главному исполнительному директору фирмы Intel Крейгу Барретту утверждать, что закон Мура не только жив и здоров, но по-прежнему остается основной движущей силой развития высокотехнологичной промышленности, а следовательно, и экономического роста страны.
Semiconductor International, March, 2000.
Материалы фирм Intel, IBM, Agare Systems.
Самая "быстрая" микросхема
И снова IBM
Фирма IBM сообщила о создании, как она утверждает, самой быстродействующей микросхемы на частоту 110 ГГц, изготавливаемой по 0,18-мкм SiGe-технологии с использованием медных межсоединений и алюминиевой металлизации (толщиной 4 мкм) для формирования сигнальных линий. Основной элемент микросхемы – НВТ с fmax = 285 ГГц. Ток каскада кольцевого генератора при напряжении 3,6 В равен 2 мА. Фирма намерена уже в 2002 году выпустить опытные образцы микросхемы, предназначеной для связного оборудования, в том числе коммутационных систем и маршрутизаторов оптических коммуникационных сетей. Освоить их производство планируется к середине 2003 года.
Electronic News, 2002, Feb. 25.
Один из путей решения проблемы – увеличение числа логических ячеек, работающих с несколькими пороговыми напряжениями, применение нескольких источников напряжения питания и активных средств управления потребляемой мощностью. Ток утечки может быть снижен и за счет увеличения порогового напряжения тех транзисторов, к быстродействию которых не предъявляются высокие требования. Но все это потребует существенного изменения всего процесса проектирования систем и, возможно, перехода к разработке полностью заказных устройств. А по утверждению разработчиков новейшего варианта Roadmap, необходимо идти по пути создания новых транзисторных структур, способных заменить традиционные КМОП-устройства. И эти работы должны быть завершены в ближайшие шесть-девять лет. Иначе не удастся создать микросхемы, требуемые для будущих работающих в реальном времени систем распознавания и преобразования речи и образов или графических устройств, не уступающих по качеству изображения видеосистемам.
Сегодня многие изготовители полупроводниковых приборов решают проблемы дальнейшего масштабирования размеров элементов микросхем с помощью альтернативных транзисторных структур. Изучается возможность использования металлического электрода и диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной k, методов управления проводимостью исходного материала за счет применения напряженного кремния, SiGe и пр. (о чем, кстати, свидетельствуют доклады представителей Intel, IBM, Hitachi на Международной конференции по электронным приборам 2001 года). Предложены такие структуры, как КНИ-транзисторы с ультратонким основанием (Ultrathin Body – UTB), приборы с управляемой проводимостью канала, транзисторы с двойным затвором, или так называемые FinFET, вертикальные транзисторы (см. таблицу).
UTB КНИ-ТРАНЗИСТОРЫ
Транзисторы этого класса можно разделить на два типа – с полностью и частично обедненным носителями основанием (телом). Устранение эффекта короткого канала и регулировка порогового напряжения в таких транзисторах не требуют формирования сильнолегированного канала. Обе структуры пригодны для изготовления быстродействующих КМОП-микропроцессоров и систем-на-кристалле. В транзисторах первого типа тонкая пленка (менее 40 нм) полностью обеднена подвижными носителями при всех значениях напряжения смещения. Поскольку в области канала вследствие обеднения подложки заряда нет, электрическое поле в инверсионном слое прибора меньше, чем в обычных приборах с сильнолегированной областью канала, выполненных на объемном материале. Кроме того, крутизна характеристики субпорогового напряжения у этих транзисторов лучше, чем у обычных.
Именно такая структура легла в основу созданного специалистами фирмы Intel так называемого TeraHertz-транзистора, частота переключения которого, по оценкам разработчиков, сможет достичь 1000 ГГц , или 1 ТГц. UTB КНИ-структуры с минимальными размерами 50 нм и полностью обедненным основанием изготавливались на слое кремния толщиной менее 30 нм (толщина оксидной пленки КНИ-структуры – 200 нм). Чтобы снизить (на 30%) паразитное сопротивление, присущее приборам с тонкой подложкой, и способствовать лучшему формированию контактов из силицида кремния, области истока/стока приподнимались (рис.2). Наличие слоя оксида под всей структурой транзистора привело к снижению тока утечки канала на два порядка. Кроме того, замена диоксида кремния в структуре затвора диэлектриком с высоким k позволила снизить ток утечки через затворный диэлектрик более чем на четыре (!) порядка. Материал наносился на подложку с помощью процесса атомного осаждения, позволяющего последовательно выращивать слои толщиной всего в одну молекулу. Для TeraHertz-транзисторов характерны также низкая емкость перехода, стойкость к воздействию альфа-излучения и отсутствие эффекта плавающей подложки.
Исследование показало, что TeraHertz-транзисторы намного превосходят стандартные КМОП-приборы (с длиной канала 70 нм и толщиной затворного оксида 1,5 нм) по быстродействию (на 25%) и потребляемой мощности (на 30%). При напряжении 1,3 В рабочий ток p-канального транзистора (толщина подзатворной пленки – три атомных слоя) равен 650 мкА/мкм, а ток утечки – 9 нА/мкм. На основе этих транзисторов Intel намерена к 2005–2007 году создать чипы микропроцессоров с минимальными топологическими нормами 20 нм, быстродействием до 20 ГГц и рабочим напряжением 1 В. Такой чип будет содержать миллиарды TeraHertz-транзисторов.
Основной недостаток КНИ-структур с частичным обеднением подложки – эффект плавающей квазинейтральной подложки. Но недавние работы фирмы IBM показали возможность контролировать этот эффект в структурах с размерами элементов до 30 нм, работающих при значениях напряжения 1,0–1,2 В. Это удалось благодаря формированию на сверхтонкой подложке имплантированного канала с "крутыми" стенками, или super-HALO-структуры. Для этого после изготовления глубоких областей истока/стока проводился отжиг с быстрым подъемом и спадом температуры. Затем стенки HALO-области, расположенной под стоком/истоком, сужались путем имплантации ионов под углом к ним. Создание таких областей в КМОП-структуре на объемном кремнии привело бы к появлению неприемлемо высокой паразитной емкости перехода и высокого тока утечки. Но в UTB КНИ-структуре благодаря небольшому периметру перехода паразитная емкость мала. Ключевые требования к процессу формирования такой структуры – оптимизация уровня легирования затвора, конструкция спейсера и получение резких переходов областей истока/стока.
Разработчиками IBM созданы n-канальные транзисторы с минимальными размерами элементов 35 нм и p-канальные приборы с размерами элементов 33 нм. Рабочий ток транзисторов при напряжении 1,0 В равен 1100 и 457 мкА/мкм, а паразитная емкость – 0,27 фФ/мкм и 0,32 фФ/мкм, соответственно. Ток утечки обоих транзисторов – 300 нА/мкм. На основе SiGe-технологии на фирме изготовлен UTB КНИ-транзистор, способный работать на частоте 210 ГГц. Уже в 2003 году разработчики ожидают появления микросхем с такими транзисторами. Но это не единственный новый тип транзистора, предлагаемый таким "генератором идей", как IBM.
МОП-ТРАНЗИСТОРЫ С УПРАВЛЯЕМОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ КАНАЛА
Эти приборы нельзя непосредственно отнести к альтернативному типу – по своей структуре они подобны традиционным МОП-транзисторам. Но метод их изготовления существенно отличается от современной КМОП-технологии. Он основан на естественном стремлении атомов соединения к упорядоченной ориентации друг относительно друга. При осаждении кремния на подложку из материала с отличным от него межатомным расстоянием кристаллической решетки (например, на кремний-германиевую) атомы кремния стремятся выровняться в соответствии с атомами подложки. Если это расстояние больше, чем в кремнии, происходит "растяжение" атомов последнего, т.е. кремний оказывается напряженным (рис.3) и скорость дрейфа электронов будет на 70% выше, чем в обычном кремнии. В результате, даже не изменяя размеров транзисторов, можно увеличить быстродействие чипа на 35%. Разработчики фирмы считают, что в сочетании с уже освоенными в производстве медной, КНИ- и SiGe-технологиями новый метод позволит фирме по-прежнему на год-два опережать остальных производителей полупроводниковых приборов в области промышленной технологии. И, действительно, новые изделия, выполненные на основе структур с напряженным кремнием, фирма рассчитывает создать уже в 2003 году. Но и это не последняя разработка фирмы в области новейших типов транзисторов.
МОП-ТРАНЗИСТОРЫ С ДВОЙНЫМ ЗАТВОРОМ
Возможность создания МОП-транзистора с двойным затвором изучается достаточно давно, с 90-х годов. Но лишь в конце 2001 года IBM объявила о создании альтернативного типа транзистора, который благодаря лучшему управлению эффектом короткого канала, характеристике субпорогового напряжения, близкой к идеальной, и высокой подвижности носителей в канале сможет стать многообещающим кандидатом для будущих микросхем с высокой плотностью размещения элементов и малой потребляемой мощностью. При разработке этого прибора неоценимую помощь оказал опыт фирмы в области КНИ-технологии. Ток транзистора с двумя затворами и, следовательно, его сигнал почти вдвое выше, чем в обычном МОП-приборе с большими размерами элементов. Такую структуру легко масштабировать, и на ее базе можно выполнить любой тип МОП-транзистора. Основная задача при ее формировании – получение приемлемого значения порогового напряжения транзисторов быстродействующих логических устройств при контроле значения проводимости канала.
Особый интерес представляет разновидность транзистора с двойным затвором – FinFET. В этом приборе тонкое кремниевое тело (столбик, вставка – fin) "обернуто" затвором, который формирует два самосовмещенных канала, расположенных с двух сторон кремниевого тела (рис.4). Выступающая передняя область тела – исток транзистора, выступающая задняя область – сток. Ток протекает в плоскости, параллельной плоскости тела, т.е., хотя затворы и выступают за пределы этой плоскости, структуру FinFET можно рассматривать как квазипланарную. Активная ширина прибора равна высоте тела-столбика, и ее можно увеличивать путем параллельного включения многих столбиков. По своей топологии FinFET не отличается от традиционного МОП-транзистора, за исключением того, что активная область формируется вставками, а не представляет собой плоский прямоугольник. Производство FinFET легко наладить: все необходимые технологические операции широко используются в современном полупроводниковом производстве и хорошо отработаны. Правда, самый критичный параметр этой структуры – толщина канала – зависит от разрешения процесса литографии.
Фирмой IBM созданы симметричные и асимметричные n- и p-канальные МОП-транзисторы этого типа, характеристики которых оптимизированы для получения высокого быстродействия и низкого порогового напряжения, соответственно. Процесс изготовления полностью обедненного симметричного FinFET предусматривает формирование рисунка тела-вставки толщиной 20 нм методами фотолитографии. Структура затвора состоит из термически выращенной пленки оксинитрида толщиной 1,6 нм и поликремния. Выступающие области истока/стока изготовлены путем проведения ионной имплантации под углом 45о с четырех сторон пластины. В результате электрическая длина канала Leff составила 30 нм. Ток n- и p-канальных FinFET был равен 1300 и 850 мкА/мкм, соответственно.
Высота тела-вставки асимметричных FinFET – 180 нм, толщина затворного диэлектрика – 2,2 нм, поликремниевого затвора – 75 нм. Для легирования материала затвора и приподнятых областей истока/стока до и после вытравливания рисунка затвора проводилась ионная имплантация под углом 30о. Благодаря соответствующей экранировке имплантируемых ионов с одной стороны затвора был сформирован поликремний p-типа, а с другой – n-типа. Пороговое напряжение транзистора составило примерно 0,1 В. Ток логического устройства на базе такого транзистора в выключенном состоянии при Vgs = 0 не превышал 60 нА/мкм. Пороговое напряжение насыщения равно 0,15 В при рабочем токе 55 нА/мкм и токе утечки 7 нА/мкм.
Совместными усилиями Калифорнийского университета в Беркли, фирмы Intel и Национальной лаборатории Лоуренса создана FinFET-структура с длиной канала менее 20 нм, в которой размеры кремниевой вставки задаются промежутками между поликремниевыми затворами, а области истока/стока – процессом литографии (рис.5). За счет нанесения "жертвенных" пленок на боковые стенки каждого промежуточного зазора разработчикам удалось вдвое увеличить ток транзистора и уменьшить толщину вставки в сравнении с приборами, изготовленными только с помощью процесса литографии. Структура затвора состоит из термически выращенного оксида толщиной 2,4 нм и SiGe толщиной 400 нм.
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ МОП-ТРАНЗИСТОРЫ
Наилучших результатов в создании транзисторов этого типа достигла фирма Agere Systems. Разработка прибора, названного транзистором с вертикально замещенным затвором (Vertical Replacement-Gate – VRG), была начата в 1999 году в стенах Bell Labs, где тогда трудились разработчики. Особенности нового прибора: возможность контроля с высокой точностью длины канала, равной 50 нм, и применение в качестве затворного диэлектрика с высоким k оксида гафния. Хотя этот материал имеет поликристаллическую структуру, ток утечки VRG-транзистора достаточно мал. Задача нанесения пленки HfO2 также была решена с помощью метода послойного атомного осаждения, позволяющего получать равномерные по толщине пленки на любой поверхности, включая глубокие карманы или узкие канавки.
Появление новых альтернативных транзисторных структур позволяет утверждать, что полупроводниковая промышленность в ближайшие годы по-прежнему будет развиваться в соответствии с законом Мура. К тому же, по своим характеристикам UTB КНИ-транзисторы и транзисторы с двойным затвором превосходят МОП-транзисторы, изготовленные на объемном кремнии. Сейчас ведутся работы по совершенствованию методов проектирования и производства таких устройств с тем, чтобы полностью реализовать их возможности. Объем этих работ велик, но, тем не менее, появления каких-либо из рассмотренных выше транзисторов и схем на их основе можно ожидать уже в 2004 году. Это позволяет главному исполнительному директору фирмы Intel Крейгу Барретту утверждать, что закон Мура не только жив и здоров, но по-прежнему остается основной движущей силой развития высокотехнологичной промышленности, а следовательно, и экономического роста страны.
Semiconductor International, March, 2000.
Материалы фирм Intel, IBM, Agare Systems.
Самая "быстрая" микросхема
И снова IBM
Фирма IBM сообщила о создании, как она утверждает, самой быстродействующей микросхемы на частоту 110 ГГц, изготавливаемой по 0,18-мкм SiGe-технологии с использованием медных межсоединений и алюминиевой металлизации (толщиной 4 мкм) для формирования сигнальных линий. Основной элемент микросхемы – НВТ с fmax = 285 ГГц. Ток каскада кольцевого генератора при напряжении 3,6 В равен 2 мА. Фирма намерена уже в 2002 году выпустить опытные образцы микросхемы, предназначеной для связного оборудования, в том числе коммутационных систем и маршрутизаторов оптических коммуникационных сетей. Освоить их производство планируется к середине 2003 года.
Electronic News, 2002, Feb. 25.
Отзывы читателей
