Завершение миниатюризации кмоп

В отношении внедрения новых материальных и структурных изменений с целью повышения быстродействия МОПТ.

Thomas Skotnicki, James A. Hutchby, Tsu-Jae King,

H.-S. Philip Wong, and Frederic Boeuf

Проектирование областей истока/стока становится критически необходимым для поддержания сопротивления истока и стока в разумных пределах (~ 10%) от сопротивления канала. Следовательно, для решения этого вопроса вводится новая категория спроектированных областей истока/стока в МОПТ [41]-[52]. Для предоставления спроектированных конструкций истока/стока описаны две суб-категории структур. Первой является структура истока/стока Шоттки [41] - [48]. В данном случае, использование металлических электродов истока и стока сводит к минимуму паразитное последовательное сопротивление и устраняет необходимость в ультра-узких p-n переходах. Металлы и силициды, формирующие низкие (около нуля) высоты барьера Шоттки в контакте с кремнием (то есть, низкую работу выхода металла для n-МОП и высокую для p-МОП) необходимы для получения минимального контактного сопротивления и максимального управляющего тока транзистора во включенном состоянии. UTB необходима для обеспечения низкого уровня утечек в выключенном состоянии. Второй структурой является ПТ с уменьшенным краевым/перекрывающим затвором [49]-[52]. С развитием миниатюризации МОПТ, образующаяся паразитная емкость между затвором и истоком/стоком пагубно влияет на производительность цепи, и это влияние усиливается с уменьшением длины затвора. При длине затвора меньше, чем ~ 20 нм, оптимизация транзистора для максимальной производительности схемы с учетом ограничений токов утечки, скорее требует наличия такой структуры, в которой электрод затвора не перекрывается истоком или стоком, для сведения к минимуму влияния паразитной краевой/перекрывающей емкости. В связи с удлинением его электрического канала, не перекрытая структура затвора не требует ультра-узких переходов истока/стока для обеспечения хорошего контроля за коротко-канальными эффектами. Кроме того, рост сопротивления в области истока/стока, как правило, снижается для не перекрытых транзисторов с уменьшением длины затвора, обеспечивая тем самым новую модель оптимизации экстремально коротких устройств.

Как показано в Таблице 1(б) и описано в следующем разделе, было предложено и продемонстрировано множество много затворных неклассических КМОП структур [53] - [92], с целью упрощения управления электростатической целостностью (то есть, коротко-канальными эффектами) в ультра миниатюризированных структурах КМОП. В первой из этих структур, в N-затворном (N > 2) МОПТ [53] - [59], ток течет горизонтально (параллельно плоскости подложки) между истоком и стоком вдоль вертикальных поверхностей канала, а также вдоль одной или более горизонтальных поверхностей канала. Большое количество затворов обеспечивает улучшенную электростатическую регулировку канала, так что толщина и ширина подложки Si может быть больше, чем для КНИ-структур с UTB и двухзатворной структуры ПТ, соответственно. Электроды затвора образованы из одинарного осажденного затворного слоя и определяются литографически. Они связаны друг с другом электрически, а также самосовмещены друг с другом также, как области истока/стока. Основное преимущество конструкции заключается в релаксации, необходимой в тонкой подложке Si или вертикальном затворе в форме «плавника». Проблема заключается в недостаточной электростатической целостности, по сравнению с двухзатворными структурами, особенно в угловых участках канала.

Было предложено несколько двухзатворных МОПТ структур [60] - [90] для дальнейшего улучшения методов проектирования электростатики канала, а в некоторых случаях, для обеспечения независимого контроля за двумя изолированными затворами для маломощных и, возможно, многосигнальных устройств. Далее описываются четыре стандартные двухзатворные структуры. Первая представляет собой связанную двухзатворную структуру с боковой проводимостью [60]-[71]. Это такая двухзатворная транзисторная структура, в которой ток течет в горизонтальном направлении (параллельно плоскости подложки) между истоком и стоком вдоль противоположных вертикальных поверхностей каналов. Ширина вертикального кремниевого «плавника» небольшая (меньше, чем длина канала), для обеспечения надлежащего контроля за коротко-канальными эффектами. Литографически определенный в качестве затвора «плавник», с самосовмещенными границами, электрически соединяет электроды затвора вдоль боковых стенок «плавника». Основным преимуществом данной конструкции является плоская схема размещения и технологический процесс схожий с объемными структурами. На самом деле, эта структура может быть реализована и на объемных подложках Si [44].Основной проблемой является то, что при изготовлении подобных структур, тонкие «плавники» должны быть частью (от одной трети до половины) длины затвора, что требует применения методов сублитографии.

Второй структурой является связанный планарный двухзатворный ПТ [72] - [78]. В этой структуре, ток течет в горизонтальном направлении (параллельно плоскости подложки) между истоком и стоком вдоль противоположных горизонтальных поверхностей каналов. Верхние и нижние электроды затвора осаждают на одной стадии, и определяются литографически. Они могут либо не могут быть самосовмещены и электрически соединены друг с другом. Области истока/сток, как правило, самосовмещены по верхнему электроду затвора. Основные преимущества этой структуры заключаются в потенциальной простоте технологического процесса (ближе всего к крупноразмерному планарному процессу) и компактности размещения (такой же, как для крупноразмерных планарных структур), а также в его совместимости с объемно-размещенными структурами (без необходимости реорганизации библиотек). Важно также, что толщина канала определяется эпитаксиально, а не путем травления, и, таким образом, очень хорошо регулируется. Проблема заключается в легировании поликристалла нижнего затвора (затененного каналом), но эта проблема автоматически исчезает при переходе на металлический электрод затвора. Еще одна важная проблема связана с процессом изготовления, особенно для структур, требующих выравнивания верхнего и нижнего затворных электродов.

Третьей структурой является независимо переключаемый двухзатворный (с заземленной плоскостью) ПТ [79] - [84]. Эта структура похожа на связанный планарный двухзатворный полевой транзистор, за исключением того, что верхние и нижние электроды затвора электрически изолированы для обеспечения независимого смещения двух затворов. Верхний затвор, как правило, используется для переключения транзистора из включенного состояния в выключенное, и наоборот. Нижний затвор используется для динамической (или статической) настройки V_t. Основным преимуществом данной структуры является очень низкий ток I_off. Недостатком является неудовлетворительное подпороговое состояние и свободное расположение структур. Независимо переключаемый двухзатворный транзистор также может быть реализован в вертикальной структуре, если разделить два затвора, до структур с боковой проводимостью с помощью химико-механической полировки [80].

Четвертая структура представляет собой "вертикально проводящий" транзистор [85]- [92]. В этом случае, ток протекает между истоком и стоком в вертикальном направлении (перпендикулярно к плоскости подложки) вдоль двух или более вертикальных поверхностей каналов. Длина затвора, следовательно, длина канала, определяется толщиной одинарного осажденного слоя затвора, а не литографически. Электроды затвора соединены электрически, вертикально самосовмещены друг с другом и распространяются до областей истока/стока. Основным преимуществом этой конструкции является то, что длина канала также определяется эпитаксиально, а не литографически (возможность создания очень коротких и хорошо контролируемых каналов). Недостатком является то, что эта структура требует трудоемкой технологической обработки и размещение элементов отличается от топологии объемных транзисторов.