Эра трехмерных транзисторов
История развития
ак
известно, транзисторы — это микроскопические кремниевые «переключатели», которые
являются основным структурным элементом всех современных микросхем.
Начиная с 60-х годов, то есть со времени создания первой микросхемы, и по сегодняшний день в микросхемах использовались так называемые планарные (плоские) полевые транзисторы (рис. 1). Принцип действия такого транзистора достаточно прост. В подложке кремния формируются две легированные области с электронной (n-тип) или дырочной (p-тип) проводимостью. Эти области называются стоком и истоком. В обычном состоянии электроны (для n-типа) или дырки (для p-типа) хотя и диффундируют в область кремния за счет избыточной концентрации, но не способны перемещаться между стоком и истоком, поскольку неизбежны процессы рекомбинации в области кремния. Кроме того, за счет такой диффузии на границах контактов между легированными областями стока и истока и кремния возникают локальные электрические поля, препятствующие дальнейшей диффузии и приводящие к образованию обедненного носителями слоя. Поэтому в обычном состоянии прохождение тока между истоком и стоком невозможно. Для того чтобы иметь возможность переносить заряд между истоком и стоком, используется третий электрод, называемый затвором. Затвор отделен от кремниевой подложки слоем диэлектрика, в качестве которого выступает диоксид кремния (SiO2). При подаче потенциала на затвор создаваемое им электрическое поле вытесняет вглубь кремниевой подложки основные носители заряда кремния, а в образующуюся обедненную носителями область втягиваются основные носители заряда стока и истока (мы говорим об основных носителях заряда, а не конкретно о дырках или электронах, поскольку возможен и тот и другой вариант). В результате между истоком и стоком в подзатворной области образуется своеобразный канал, насыщенный основными носителями заряда. Если теперь между истоком и стоком приложить напряжение, то по каналу пойдет ток. При этом принято говорить, что транзистор находится в открытом состоянии. При исчезновении потенциала на затворе канал разрушается и ток не проходит, то есть транзистор запирается (рис. 1).
Описанная схема верой и правдой служила на протяжении многих лет, и все усилия электронной промышленности были направлены на то, чтобы уменьшить размеры самого транзистора. Так, в 1965 году в микросхемах интегрировалось всего три десятка транзисторов, а современный процессор Intel Pentium 4 насчитывает уже 55 млн. транзисторов на кристалле. Конечно, в процессе эволюции планарных транзисторов менялись не только их размеры. Существенные изменения претерпели и используемые материалы, и даже геометрия самих транзисторов. Ну что ж, все логично. Для того чтобы выдержать диктуемые законом Мура экспоненциальные темпы увеличения числа транзисторов в одной микросхеме, необходимо разрабатывать новые технологии производства. Из ближайших планов корпорации Intel по выпуску процессоров (табл. 1) видно, например, что сегодня в производство внедряется 90-нанометровый технологический процесс изготовления микросхем, при котором длина затвора транзистора составляет 50 нм, а в 2009 году планируется освоить промышленный выпуск транзисторов с длиной затвора уже 15 нм (32-нанометровый технологический процесс). Всего же за последние 5 лет длина затвора транзистора уменьшилась в 4 раза.
Естественно, что уменьшение размеров транзистора сказывается и на других его характеристиках. Так, если считать, что длина затвора транзистора уменьшается в M раз, то в такое же количество раз уменьшаются и толщина слоя диэлектрика, отделяющего область затвора от кремниевой подложки, и ширина затвора, и рабочее напряжение затвора. Кроме того, в M раз возрастает скорость работы транзистора и квадратично увеличивается плотность размещения транзисторов на кристалле, а рассеиваемая мощность уменьшается в M2 раз (табл. 2).
Таким образом, очевидно, что уменьшение размеров транзисторов положительно сказывается на их характеристиках.
Основная проблема, связанная с уменьшением размеров транзистора, упирается даже не в технологические сложности литографического процесса, который требует использования новых коротковолновых источников излучения, а в то, что экспоненциальное увеличение числа транзисторов на кристалле приводит к экспоненциальному росту потребляемой мощности и, как следствие, к перегреву микросхемы. Причин тому несколько, но все они имеют один и тот же корень: уменьшение размеров транзистора приводит к возникновению токов утечки. Токи утечки возникают через слой диэлектрика, отделяющего область затвора от кремниевой подложки, а также между истоком и стоком при «выключенном» состоянии транзистора.
Расскажем о причинах возникновения токов утечки в области затвора более подробно. Слой диэлектрика между затвором и кремнием можно рассматривать как плоский конденсатор (рис. 2), емкость которого зависит от диэлектрической проницаемости вещества, толщины слоя диэлектрика и площади затвора по формуле:
где S — площадь затвора, d — толщина слоя диэлектрика, e — диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика.
Понятие емкости затвора очень важно, так как в том числе и от нее зависит величина
тока, проходящего между истоком и стоком. Действительно, поскольку емкость определяет
способность накапливать заряд (
), то при одном и том же напряжении
в случае большей емкости можно накопить больший заряд в канале проводимости,
а следовательно, и создать больший ток. Таким образом, большая емкость позволяет
снижать напряжение на затворе, что немаловажно при уменьшении размеров транзисторов.
Кроме того, на ток в канале проводимости оказывает непосредственное влияние
и длина самого канала: чем она меньше, тем больший ток можно получить.
По мере уменьшения размеров транзистора уменьшалась и толщина слоя диэлектрика. При этом между длиной канала и толщиной слоя диэлектрика соблюдается простое соотношение:
то есть толщина слоя диэлектрика приблизительно в 45 раз меньше длины канала.
В качестве диэлектрического слоя традиционно используется диоксид кремния (SiO2), диэлектрическая проницаемость которого составляет 3,9. Однако уменьшение толщины слоя диэлектрика, которое приводит к возрастанию емкости затвора, то есть положительно сказывается на характеристиках транзистора, имеет свои негативные последствия. Дело в том, что при достижении величины в несколько нанометров начинают сказываться эффекты туннелирования зарядов через слой диэлектрика, что приводит к возникновению токов утечки.
Эта проблема решается путем применения вместо диоксида кремния иных диэлектрических материалов, позволяющих использовать более толстые слои диэлектрика, но, обеспечивающих, тем не менее, увеличение емкости затворного конденсатора.
Такие материалы должны иметь более высокую диэлектрическую проницаемость и потому получили название High-k-диэлектрики (коэффициент k [k1] также обозначает диэлектрическую проницаемость). Пусть, к примеру, емкость конденсатора, образованного диоксидом кремния, равна:
где kox — диэлектрическая проницаемость диоксида кремния, tox — толщина слоя диоксида кремния.
Емкость конденсатора, образованного диэлектриком с высоким значением, составляет:
где kHigh-K — диэлектрическая проницаемость High-K-диэлектрика, tHigh-K — толщина слоя High-K-диэлектрика.
Для того чтобы емкости затворов с использованием диоксида кремния и диэлектрика с High-K были равными, необходимо, чтобы выполнялось условие:
то есть чтобы толщина слоя High-K-диэлектрика была равна:
Таким образом, использование альтернативных материалов с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяет во столько раз повысить толщину слоя диэлектрика по сравнению с толщиной диоксида кремния, во сколько раз диэлектрическая проницаемость вещества больше диэлектрической проницаемости диоксида кремния. Увеличение же слоя диэлектрика позволяет, в свою очередь, уменьшить токи утечки.
В качестве High-K-материалов могут использоваться различные соединения, и в настоящее время компанией Intel уже реализован так называемый терагерцевый транзистор, в котором в качестве диэлектрика используется диоксисид стронция (ZrO2). Диэлектрическая проницаемость диоксида стронция равна 25, что в 6,4 раза больше, чем диэлектрическая проницаемость диоксида кремния. Соответственно для обеспечения той же самой емкости конденсатора при использовании диоксида стронция можно использовать в шесть с лишним раз более толстый слой диэлектрика. Это, в свою очередь, позволяет снизить ток утечки примерно в 10 тыс. раз.
Для получения диоксида стронция первоначально на поверхность кремния осаждают хлорид кремния (ZrCl4), после чего под воздействием пара он превращается в диоксид стронция, а побочный продукт реакции (соляная кислота) улетучивается (рис. 3):
Таким образом, использование новых диэлектрических материалов позволяет решить проблему возникновения тока утечки через затвор транзистора.
Вторая проблема, как уже отмечалось, связана с возникновением тока утечки между истоком и стоком (рис. 4).
Проблема заключается в том, что транзистор, накапливающий заряд, обладает определенной емкостью. Эта емкость является паразитной и влияет на скорость переключения транзистора, то есть делает его более инертным. Заряд, накапливаемый n-канальным транзистором в то время, когда он «открыт» (то есть когда на затвор подается положительный потенциал), не может «рассосаться» мгновенно после того, как транзистор запирается. В результате возникает ток утечки, ограничивающий скорость переключения транзистора, поэтому емкость транзистора желательно сделать как можно меньше. Для этого в новом поколении транзисторов применяется структура кремния на изоляторе (silicon on insulator, SOI), при которой (рис. 5) на кремниевую подложку наносится слой диэлектрика и на нем размещается сам транзистор, то есть легированные области стока и истока, а также область затвора. Паразитный заряд накапливается преимущественно в областях под стоком и затвором, поэтому, чтобы исключить накопление этого заряда, необходимо разместить диэлектрик непосредственно под стоком и истоком. Вследствие этого сокращается толщина транзистора и уменьшается его емкость.
Использование SOI-транзисторов позволяет без существенного изменения технологии их изготовления (нет необходимости в ином литографическом процессе) повысить скорость работы транзисторов в среднем на 25%.
Уменьшение емкости транзистора путем добавления слоя диэлектрика вглубь кремния влечет за собой одно негативное последствие: поскольку при этом увеличивается сопротивление между истоком и стоком, приходится повышать напряжение, что, конечно, негативно отражается на характеристиках транзистора и всей микросхемы в целом.
Для того чтобы снизить сопротивление между истоком и стоком, увеличивают высоты этих областей (рис. 6).
Все усовершенствования планарных МОП-транзисторов были реализованы в новом поколении разработанных корпорацией Intel транзисторов, которые получили название терагерцевых транзисторов (рис. 7) — они способны переключаться 1012 раз в секунду.
 |
|
Взгляд в будущее
азработанные
технологии терагерцевого транзистора позволяют значительно улучшить характеристики
планарных транзисторов и продолжить предсказанное Гордоном Муром сокращение
их размеров, но от разработки транзистора до его практического использования
в производстве микросхем проходит немало времени. Так, еще в декабре 2000 года
корпорация Intel объявила о создании МОП-транзистора с длиной канала 30 нм,
в июне 2001 года был создан транзистор с длиной затвора 20 нм, а в декабре того
же года уже было объявлено о создании терагерцевого транзистора с длиной канала
15 нм (рис. 8).
Однако ни один из разработанных транзисторов пока еще не используется в серийных микросхемах — это своего рода задел на будущее. Так, терагерцевый транзистор начнут использовать в микросхемах лишь к 2005 году.
Корпорация Intel уделяет огромное внимание разработке новых, перспективных транзисторов. В сентябре 2002 года было объявлено, например, о трехмерной конструкции транзистора с тройным затвором, которая обеспечивает более эффективный расход энергии по сравнению с традиционными планарными транзисторами. Эта разработка знаменует собой начало эпохи неплоских трехмерных конструкций транзисторов, которые корпорация Intel планирует принять на вооружение для поддержания темпов развития, согласующихся с законом Мура, по окончании текущего десятилетия.
«Наши исследования показали, что по преодолении рубежа в 30 нм физическая основа плоских планарных транзисторов с одинарным затвором начинает давать утечку слишком большого количества энергии, что не позволит нам достичь желаемых целей в плане производительности, — говорит доктор Джеральд Марчик (Gerald Marcyk), директор лаборатории изучения компонентов Intel. — Конструкция транзистора с тройным затвором позволит Intel создавать сверхмалые транзисторы, которые обеспечат еще более высокую производительность при низком энергопотреблении и сделают возможным дальнейшее практическое воплощение закона Мура».
Структура тройного затвора — многообещающая разработка для дальнейшего развития архитектуры терагерцевого транзистора. В основе транзистора корпорации Intel с тройным затвором лежит новаторская трехмерная структура, похожая на приподнятую горизонтальную плоскость с вертикальными стенками (рис. 9).
Эта структура позволяет посылать электрические сигналы как по «крыше» транзистора, так и по обеим его «стенам». За счет подобной схемы распределения тока эффективно увеличивается площадь, доступная для прохождения тока; следовательно, снижается его плотность, а вместе с ней уменьшается и утечка. Тройной затвор строится на ультратонком слое полностью обедненного кремния, что обеспечивает еще большее снижение тока утечки и позволяет транзистору быстрее включаться и выключаться при значительном снижении энергопотребления.
Особенностью этой конструкции также являются поднятые исток и сток — в результате снижается сопротивление, что позволяет транзистору работать при токе меньшей мощности. Транзистор с тройным затвором в миллимикронных геометрических конструкциях работает не только более эффективно, но и более быстро, проводя на 20% больше тока по сравнению с традиционной планарной конструкцией, имеющей аналогичный размер затвора. Одним из важнейших преимуществ транзисторов с тройным затвором является возможность их производства с помощью существующего ныне литографического процесса.
«Наш транзистор с тройным затвором внешне напоминает картонную упаковку для яиц» (рис. 10), — такой неожиданный образ для сделанного открытия нашел Роберт Чау (Robert Chau), почетный сотрудник Intel и директор лаборатории по исследованию транзисторов. Интересно, что, когда он выступал с рассказом о новом транзисторе перед учеными всего мира на одной из крупнейших технологических конференций, в кулуарах то и дело звучал риторический вопрос: «Почему же нам это не пришло в голову?!»
Использование трехмерной архитектуры транзистора позволяет производить многоканальные трехзатворные транзисторы (Multi-Channel Tri-Gate Devices).
В таких устройствах (рис. 11) используется один трехмерный затвор, который сразу управляет прохождением тока между несколькими парами истоков и стоков, то есть одновременно образует множество каналов. Такая архитектура в еще большей степени позволяет повысить плотность размещения транзисторов на кристалле и, кроме того, повысить силу тока в транзисторе, поскольку суммарный ток, проходящий через транзистор, пропорционален количеству пар истоков-стоков в транзисторе.
В статье использованы материалы Форума компании Intel IDF 2002.
