2.1.6.4. Аналог Tri-Gate от amd
В 2003 г. на проходящей в Токио конференции по твердотельным устройствам и материалам (SDDM 2003) компания AMD продемонстрировала новую 45-нм КМОП–технологию с 20-нм затворными приборами (рис. 2.1.32).
В разработке AMD также используется технология «обедненный кремний-на-изоляторе» (FDSOI). Канал транзистора с трех сторон окружен затвором, выполненным из силицида никеля (NiSi). Этот металлосодержащий материал обеспечивает лучшие характеристики по сравнению с традиционным кремнием.
Рис. 2.1.32. Аналог Tri-Gate от AMD
Использование силицида никеля для создания затворов приводит к возникновению дефектов в кристаллической решетке кремния в токопроводящем канале. Наличие таких дефектов повышает подвижность электронов и соответственно быстродействие транзистора.
2.1.7. Перспективы совершенствования нанотранзисторов
Экстраполяция тенденции уменьшения размеров приборов показывает, что одноатомные размеры будут достигнуты в производстве приблизительно в 2030 г. Технологии атомного масштаба (0,5-0,1 нм) открывают абсолютно новые перспективы создания твердотельных элементов квантовых компьютеров, квантовой связи и квантовой криптографии, что позволит производить квантовые микросхемы, работающие на квантовых принципах.
Хотя в лабораториях ведущих компаний мира образцы нанотранзисторов были реализованы уже в 1999-2003 гг. с длинами каналов вплоть до 9 нм, освоение промышленного производства интегральных схем на их основе требует решения ряда принципиально новых проблем. Во-первых, это проблема создания промышленной литографии на основе оптических степперов-сканеров, обеспечивающих воспроизводимость столь малых размеров на больших кристаллах.
Во-вторых, проблема создания сверхтонкого подзатворного диэлектрика. Уменьшение латеральных размеров транзистора влечет за собой необходимость уменьшения толщины диэлектрика, который при простом утоньшении диоксида кремния становится туннельно-тонким и не может быть использован из-за высоких токов утечки. В-третьих, проблема реализации сверхмелкозалегающих p–n-переходов стока и истока. Это требование (уменьшение глубины залегания p–n-переходов) вытекает из необходимости избежать проявления короткоканальных эффектов, то есть транзистор должен оставаться по своим характеристикам длинноканальным. Далее возникает проблема выбора материала затвора, так как легированный поликремний может не удовлетворять требованиям к его проводимости. Не менее сложной проблемой становится силидизация контактов малой площади. Существует также проблема создания процессов и оборудования для плазмохимического травления диэлектрика, исключающего повреждение подзатворного диэлектрика.
Конструкции МДП-нанотранзисторов могут быть со временем подвергнуты изменениям. Пока в производстве интегральных схем и, по крайней мере, до 2009 г. включительно используется и будет использоваться классическая конструкция. Как было показано выше, разрабатываются и другие конструкции, в частности, двухзатворный МДП-транзистор, в котором затвор охватывает канал с двух сторон, и транзистор в тонком слое КНИ (рис.2.1.33).
Рис. 2.1.33. Конструкции двухзатворного (вверху) нанотранзистора и нанотранзистора в тонком кремнии на изоляторе (внизу) |
Это частично обедненные (partially depleted) КНИ-транзисторы. Для тонких слоев кремния (5-10 нм) канал транзистора можно совсем не легировать. Полностью обедненный (fiilly depleted) КНИ-транзистор является наиболее перспективным, поскольку он наилучшим образом выявляет возможности КНИ-подложки. В таких структурах снижены токи утечки и радиационностимулированные фототоки, исключены биполярные эффекты («защелка» и др.), снижены емкости p–n-переходов. Это приводит к уменьшению рассеиваемой КМОП схемами мощности, более высоким скоростям переключения и более широкому диапазону рабочих температур. По существу, это дает возможность продвинуться на одно поколение интегральных схем при том же разрешении литографического процесса по отношению к схемам на объемном кремний, существенно повысить рабочие частоты, создавать высокотемпературные схемы для аппаратуры, работающей в экстремальных условиях, в том числе и для космических применений.
Баллистический МДП-нанотранзистор в тонком КНИ представляет большой интерес для будущих производств, так как продлевает жизнь МДП-транзисторов в область длин канала в несколько нанометров. Физически это означает, что при длинах канала около 5 нм МДП-нанотранзистор остается свободным от короткоканальных эффектов.
Использование тонких слоев кремния в КНИ-подложке приводит к необходимости учета эффектов поперечного квантования носителей в канале транзистора. Так, в величину порогового напряжения вносит вклад энергия поперечного квантования электронов в тонком слое кремния в структуре КНИ. Влияние квантования выражается как бы в утолщении подзатворного диэлектрика.
Эффект заключается в том, что волновая функция электронов в слое кремния практически равна нулю на границе с подзатворным оксидом из-за большой высоты потенциального барьера (около 4эВ). В результате электронная плотность «отодвигается» от границы на расстояние, приблизительно равное четверти дебройлевой длины волны электрона. Обеднение кремния приводит к увеличению эффективной толщины подзатворного диэлектрика по крайней мере в три раза, и таким образом влияет и на другие параметры транзистора, например, емкость затвора.
Предполагается, что смена конструкции транзистора от классической к КНИ может произойти к 2010 г. для длин канала 35 нм.
Для суб-10 нм области минимальных размеров необходимо создание новых технологий, а именно, суб-10 нм КНИ-пластин диаметром 300 мм и выше, суб-10 нм литографии на столь же больших пластинах, атомно-слоевого нанесения тонких пленок диэлектриков, металлов и полупроводников, атомно-слоевого травления материалов.