Опубликован: 16.01.2014 | Доступ: свободный | Студентов: 438 / 25 | Длительность: 20:10:00
ISBN: 978-5-9556-0167-0
Специальности: Разработчик аппаратуры

Лекция 5: Наноэлектронная элементная база информатики на кремниевых КМДП транзисторах

< Лекция 4 || Лекция 5: 123456 || Лекция 6 >

Переход к технологиям "кремний на изоляторе"

Вариант "кремний на сапфире"

При освоении проектно-технологических норм 32 нм и менее стал неотвратимым переход к новым технологиям изготовления КМДП схем, которые называют "кремний на изоляторе" или сокращенно "КНИ" (англ. "Silicon-on-Insulator", SOI). Первая КНИ технология была разработана еще в 80-х гг. ХХ в. и использовала структуру "кремний на сапфире" ( рис. 5.9, слева). Монокристаллический слой высокоомного кремния (Si) эпитаксиально выращивали на подложке из сапфира (Cпф – диэлектрик), структура кристаллической решетки которого подобна структуре кремния. Области монокристаллического слоя кремния между транзисторами насквозь окисляли (SiО_2) при высокой температуре, в результате чего формировалась надежная боковая изоляция транзисторов. В "островках" n-канальных транзисторов методом диффузии или ионного легирования формировали высоколегированные "карманы" n-типа проводимости (n^+), а в "островках" p-канальных транзисторов – высоколегированные "карманы" p-типа проводимости (p^+). Далее над каналами МДП транзисторов формировали тонкий слой подзатворного диэлектрика (ПД), над которым формировали электроды затворов (\text{З}_n и \text{З}_p). Потом наносили относительно толстый изолирующий слой (Из) и формировали электроды истоков (И) и стоков (С).

Структура КМДП интегральных схем в вариантах: слева – "кремний на сапфире", справа – "кремний на окисле"

Рис. 5.9. Структура КМДП интегральных схем в вариантах: слева – "кремний на сапфире", справа – "кремний на окисле"

КМДП схемы со структурой "кремний на сапфире" были очень высококачественными. Благодаря малым паразитным емкостям и высокой теплопроводности сапфира, позволявшей отводить значительные тепловые потоки, они могли работать на значительно более высоких, в то время рекордных, тактовых частотах, имели высокую радиационную стойкость. Однако из-за высокой стоимости монокристаллических сапфировых подложек их использовали в основном только в военной технике, в космических исследованиях и для других специальных применений.

Вариант "кремний на захороненном окисле"

В 90-х гг. ХХ в. удалось достичь успехов в разработке другого, значительно более дешевого варианта технологии "кремний на изоляторе". Структура КМДП интегральных схем в этом варианте технологии КНИ показана на рис. 5.9 справа. Подложкой здесь является существенно более дешевая, чем сапфир, кремниевая пластина (КП), покрытая относительно толстым слоем термически выращенного окисла кремния (\text{Б}-SiО_2). Его называют "захороненным окислом" (англ. buried oxide, BOX). Поверх него удается выращивать тонкий слой монокристаллического высокоомного кремния (Si). А далее, как и в варианте "кремний на сапфире", участки Si между транзисторами насквозь окисляют при высокой температуре (SiО_2), надежно изолируя одна от другой активные области транзисторов, которые называют "телом" (англ. body).

Применение технологии КНИ в варианте "кремний на захороненном окисле" позволило значительно улучшить характеристики наноэлектронных КМДП транзисторов: намного уменьшить паразитные токи, паразитные электрические емкости, влияние краевых эффектов. При этом существенно уменьшилось энергопотребление и выделение тепла. Выращенный тонкий слой монокристаллического кремния можно сделать механически напряженным, что, как мы уже описали выше, делает активными носители заряда с меньшими эффективными массами и позволяет заметно увеличить полезный ток сквозь транзистор. Правда, когда длина канала транзисторов станет порядка 10 нм и менее, подвижность носителей заряда уже не будет играть особой роли, так как носители заряда пролетают такой короткий канал практически без столкновений.

Варианты с объемными затворами

Тем не менее, важной проблемой остается то, что электрический ток сквозь канал все хуже управляется напряжением на затворе, о чем мы уже писали выше. В связи с этим возникла необходимость максимально окружить канал затвором, что, в свою очередь, обусловило необходимость отказа от чисто планарной конструкции. Принцип объемной конструкции, который обеспечивает охват канала проводимости затвором одновременно с трех сторон (англ. "Tri-Gate" или "3-D Tri-Gate"), показан на рис. 5.10 слева. Сокращение "ПД" означает здесь, как и ранее, "подзатворный диэлектрик", например, окисел гафния. Справа показана конструкция полевого транзистора с таким охватывающим с трех сторон затвором, выполненная с использованием технологии "кремний на окисле". Охваченный затвором канал транзистора и по высоте, и по ширине имеет размер порядка 10-20 нм (насколько позволяет проектно-технологическая норма).

Слева – конструкция трехстороннего объемного затвора; справа – конструкция полевого транзистора по технологии "кремний на окисле"

Рис. 5.10. Слева – конструкция трехстороннего объемного затвора; справа – конструкция полевого транзистора по технологии "кремний на окисле"

Благодаря такой конструкции существенно уменьшается ток сквозь "закрытый" транзистор, увеличивается скорость переключения транзистора. Можно уменьшить величину пороговых напряжений транзисторов, а, следовательно, и рабочее напряжение схем, снижая тем самым энергопотребление. Например, процессоры на таких "объемных" транзисторах с проектно-технологической нормой 22 нм становятся приблизительно на треть быстрее, а при неизменной частоте потребляют вдвое меньше энергии.

Теоретически еще лучше было бы сформировать дополнительный электрод затвора также и под каналом, обхватив канал со всех 4-х сторон, но технологически это выполнить сложно, так как на поверхности нижнего металлического электрода монокристаллический слой кремния не растет.

< Лекция 4 || Лекция 5: 123456 || Лекция 6 >
Александр Окорочков
Александр Окорочков

Здравствуйте Владимир (Ефименко). Я обучаюсь по программе повышения квалификации "Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков". У меня проблема с тестом № 2 (к лекции № 2) по этой программе. Я несколько раз пытался пройти этот тест, но больше 50 баллов набрать не удаётся, хотя я всё делаю в соответствии сматериалом лекции. В заданиях этого теста есть ошибки, которые видны невооружённым глазом. Обращаюсь к Вам как к инспектору этой программы повышения квалификации. Найдите возможность исправить ошибки в тесте № 2. Из-за остановки на этом тесте  я не могу двигаться дальше, а у меня очень ограниченное время на освоение этой программы.

Заранее благодарен Вам за внимание к моим проблемам и помощь.

Александр Окорочков
Александр Окорочков

Возможно ли по курсу (платному) "Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков" получить удостоверение о краткосрочном повышении квалификации?