Лекция 5: Наноэлектронная элементная база информатики на кремниевых КМДП транзисторах

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 () при высокой температуре, в результате чего формировалась надежная боковая изоляция транзисторов. В "островках" -канальных транзисторов методом диффузии или ионного легирования формировали высоколегированные "карманы" -типа проводимости (), а в "островках" -канальных транзисторов – высоколегированные "карманы" -типа проводимости (). Далее над каналами МДП транзисторов формировали тонкий слой подзатворного диэлектрика (ПД), над которым формировали электроды затворов ( и ). Потом наносили относительно толстый изолирующий слой (Из) и формировали электроды истоков (И) и стоков (С).

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 (). Его называют "захороненным окислом" (англ. buried oxide, BOX). Поверх него удается выращивать тонкий слой монокристаллического высокоомного кремния (). А далее, как и в варианте "кремний на сапфире", участки между транзисторами насквозь окисляют при высокой температуре (), 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).

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.