Вводый курс цифровой электроники (К.Фрике, 2003)

00 Дополнение

рованные 1//)£>-области также повышают напряжение прокола, инжекционного и лавинного пробоя транзистора и уменьшают эффект модуляции длины канала.

Рис. Д.2.7. Типовая структура МОП-транзистора.

Толш;ина поликремниевого затвора составляет порядка 300 нм. Для обеспечения малых величин емкостей транзистора выбира­ ют слаболегированную подложку, а для обеспечения необходимого порогового напряжения и снижения напряжения прокола применя­ ют дополнительное легирование канала примесью того же типа, что

и в подложке.

Контакты к областям истока, стока и к поликремниевому за­ твору выполняют с промежуточным формированием слоя TiSi2 или CoSi2 толщиной порядка 40 нм, что обеспечивает удельное сопро­ тивление около 5 Ом на квадрат. Изоляция между поликремниевым

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

затвором и контактами к истоку и стоку выполняется в виде спен­ сера из S3N4. Концентрация примеси в приповерхностной области, где индуцируется канал, составляет 5 • 10^^ — 1 • 10^^ см~^. Уве­ личение концентрации примеси свыше этого значения, необходимое р^ля транзисторов с длиной канала менее 100 нм, ведет к появлению туннелирования электронов через р-п переходы истока и стока.

Толп];ина окисла ^\ля транзисторов с длиной канала 0,1 мкм со­ ставляет 1,5-2нм. Между толш;иной окисла tox и длиной канала L транзисторов данной структуры суш;ествует эмпирическая зависи­ мость Z/ = 45 • ^ох-

Для формирования изолирующих карманов МОП-транзисторов разного типа проводимости используют фосфор и бор. Изоляцию между карманами выполняют обычно мелкими канавками, стенки которых окисляют, а внутренность заполняют поликремнием. Эта технология изоляции стала доминируюш;ей в транзисторах, выпол­ ненных по 0,25-микронной технологии и пришла на смену изоляции локальным окислением кремния {LOCOS).

Данная типовая структура транзистора обеспечила снижение дли­ ны затвора от 10 мкм в 70-х годах до 0,06 мкм в настояп1;ее вре­ мя путем масштабирования. Однако переход проектных норм через границу 130 нм в рамках данной типовой структуры транзистора наталкивается на физические ограничения. Уменьшение толш;ины окисла приводит к росту туннельного тока утечки затвора, умень­ шение глубины залегания р-п переходов — к росту последователь­ ного сопротивления областей транзистора. Уменьшение глубины р- п переходов до 10 нм приводит к увеличению сопротивления слоев истока и стока до ЮкОм/квадрат, что ограничивает коммутируюп1;ую способность транзистора по току. При уменьшении длины канала и порогового напряжения растет подпороговый ток.

МОП-транзисторы обладают свойством самоизоляции от под­ ложки и нет принципиальной необходимости в специальных кон­ структивных элементах для их изоляции.

Однако для повышения быстродействия путем минимизации ба­ рьерных емкостей изоляция нужна. Идея полной диэлектрической изоляции появилась на заре развития микроэлектроники, но большие технологические проблемы не позволяли ее реализовать. Работы, тем не менее, продолжались. Наконец, в конце девяностых годов появилась промьппленная технология полной диэлектрической изоляции. На ба­ зе этой технологии стало развиваться второе стратегическое направле­ ние совершенствования транзисторов и цифровых устройств на их основе.

102 Дополнение

МОП-транзисторы, изготовленные по технологии «кремний на изоляторе» (КНИ) обеспечивают более высокие скорости обработ­ ки цифровой информации, поскольку наличие толстого окисла вме­ сто кремния под областями истока и стока существенно уменьшает величины емкостей на подложку. Типовая структура транзистора приведена на рис. Д.2.8. КНИ-структуры отличаются высокой ра­ диационной стойкостью и повышенной надежностью при высоких температурах. Короткоканальные эффекты в КНИ-приборах могут быть подавлены простым уменьшением толщины кремниевого слоя. Транзисторы с малыми утечками получаются на пленках кремния толщиной порядка 10 нм.

Основным недостатком данной структуры транзистора является то, что он имеет увеличенный подпороговый ток вследствие эффек­ та плавающей подложки. Этот недостаток осложняет понижение потребляемой мощности в выключенном состоянии транзисторно­ го ключа.

]\ля КНИ-структур используют три способа изоляции: локальное окисление кремния (LOCOS), изоляция мелкими канавками (STI) и меза-изоляция.

Р и с . Д.2.8. КНИ структура транзистора.

КНИ-структура, приведенная на рис. Д.2.8, имеет длину кана­ ла О, 28 мкм и ширину 9,1 мкм. Толщина слоя изолирующего окисла составляет 390 нм, толщина слоя кремния на окисле равна 190 нм. Подзатворный окисел имеет толщину 4, 7 нм, толщина поликрем­ ниевого затвора — 300 нм. Кармашки, легированные бором для п- канальных транзисторов и фосфором — р^ля р-канальных, необхо­ димы для предохранения от смыкания истока и стока и подавления эффекта снижения порогового напряжения с уменьшением длины канала. На области истока, стока и затвора имеется слой силици­ да TiSi2 толщиной 50 нм д^ля уменьшения сопротивления контактов. Контакты к областям транзистора выполнены из вольфрама. Изо-

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

ляция между транзисторами на кристалле выполняется из окисла кремния.

Одной из проблем изготовления транзисторов на тонких пленках кремния является высокое последовательное сопротивление обла­ стей истока и стока. Для его уменьшения используют самосовме­ щенный силицидныи процесс, использующий силицид титана или кобальта.

На рис. Д.2.9. приведен разрез физической структуры еще одного варианта транзистора со структурой типа КНИ.

Фосфорно-силикатное стекло

N

Рис . д . 2 . 9 . МОП-транзистор с полной диэлектрической изоляцией.

Транзистор имеет длину канала 40 нм, изготовлен по технологии КНИ на экстремально тонком слое кремния (было изготовлено три варианта транзисторов с толщиной кремния 4, 11 и 18нм).

Подзатворный окисел имеет толщину 4,7 нм.

Слой исходного кремния на изоляторе имел удельное сопроти­ вление 3 Ом-см. Толщина слоя заглубленного окисла составляла 100 нм и он был выращен на подложке п-типа с удельным сопротивлением 0,02 Ом-см. Пленка кремния для формирования областей истока и стока имела толщину 80 нм. В ней селективным травлением была получена область толщиной от 4 до 18 нм, в которой впоследствии была сформирована область, в которой индуцируется канал тран­ зистора. Таким образом, при тонком слое кремния для подзатворной области толщины области истока и стока оказались достаточно большими, что обеспечило их низкое омическое сопротивление.

В рамках второго стратегического направления — совершен­ ствования транзисторов на базе структур кремний на изоляторе появились идеи создания трехмерных конструкций.

Для уменьшения длины канала МОП-транзисторов с традици­ онной планарной структурой правила масштабирования диктуют необходимость уменьшать глубину залегания р-п переходов и тол­ щину подзатворного окисла. Однако для транзисторов с длиной ка-

104 Дополнение

нала менее 100 нм толщина подзатворного диэлектрика становится настолько тонкой, что ток туннелирования через него становит­ ся недопустимо большим и определяющим мощность, потребляемую СБИС в стационарных режимах. Мелкие р-п переходы приводят к большому сопротивлению контактных областей. Для предотвраще­ ния смыкания областей истока и стока неизбежно применение вы­ соколегированного (> 10^^ см~^) стопора. Однако стопор снижает пропускную способность транзистора по току и увеличивает токи в подпороговой области.

Таким образом метод уменьшения размеров путем масштабиро­ вания типовой планарной конструкции МОП транзистора исчерпал свои возможности. Для совершенствования транзистора был выбран путь создания трехмерных конструкций с двойным или окольцовы­ вающим затвором. В трехмерных конструкциях затвор с двух (или со всех) сторон охватывает область канала. Это позволяет эффек­ тивнее управлять потенциальным барьером между истоком и сто­ ком и существенно ослабить большинство короткоканальных эффек­ тов в транзисторах с проектными нормами менее 50 нм. Уменьшается также емкость р-п переходов, увеличивается радиационная стойкость.

Затвор

Р и с . Д.2.10. МОП-транзистор с двойным затвором.

Принцип действия транзистора DELTA с двойным затвором ил­ люстрируется рис. Д.2.10. На толстом окисла создается островок кремния в форме бруска, который служит каналом транзистора. За­ твор охватывает область канала с трех сторон. Это обеспечивает большую крутизну и малые токи утечки в подпороговой области. Канал транзистора получается сильно обедненным.

На рис. Д.2.11. приведена иллюстрация другого варианта разви­ тия идеи трехмерных транзисторных структур.

08 Дополнение

отсутствие токов. Для представления информации на выходе в ви­ де напряжений С/«о» и C/«i» поэтому в принципе не требуется затрат энергии. Но поскольку переключатели неидеальны, параллельно с их токопроводящими электродами имеются паразитные сопротивления утечек Rymi и Rym2 и, строго говоря, в стационарных состояниях протекают токи утечек и потребуется энергия. Физические меха­ низмы, определяющие величины токов различны для различных ти­ пов переключателей и будут рассмотрены ниже при рассмотрении схемотехнических решений. Отметим только, что с уменьшением размеров переключателей ток и утечки начинают все больше и боль­ ше определять энергетику вентилей комплементарной логики.

Другой особенностью схем без отношения, определяющей их пре­ имущества, является максимальный логический перепад

^и = [/«1» — С/«о» = Edd

Максимальный логический перепад обуславливает высокую по­ мехоустойчивость цифровых устройств на основе вентилей без от­ ношения.

Схемотехнические разновидности схем без отношения. Общий принцип организации логических вентилей без отношения был во­ площен во множестве конкретных схемотехнических решений, ис­ пользующих практически все типы известных транзисторов.

Вначале были изобретены вентили, использующие кремниевые комплиментарные полевые транзисторы MOS типа. При малой сте­ пени интеграции и особенно для быстродействующих применений CMOS схемы проигрывали в конкурентной борьбе другим типам ло­ гических вентилей (вентилям с отношением и токовыми переключа­ телями). Причины этого заключались в том, что вопросы энергети­ ки не были определяющими, а технология изготовления была слож­ ной и дорогой.

По мере роста степени интеграции ситуация менялась. При до­ стижении степени интеграции порядка 10^ вентилей на кристалле и после преодоления серьезных технологических трудностей вентили типа CMOS нашли широкое применение в цифровой технике благо­ даря именно их основному достоинству, отмеченному выше.

Эволюция элементной базы микроэлектроники закономерно при­ вела к широкому использованию в СБИС наиболее энергетически экономичного схемотехнического решения. При степени интегра­ ции порядка 10^ вентилей на кристалле энергетические параметры стали первостепенными, и поэтому CMOS вентили стали основной

Д.З. Организация и энергетика цифровых схем без отношения

элементной базой цифровых устройств. CMOS логика представляет собой блестящее схемотехническое решение, что нельзя сказать о его структурно-топологических воплощениях. Эти вентили имеют сложную структуру (см. рис. Д.3.3) и обладают сравнительно невы­ сокой плотностью компоновки. При одинаковых нормах проектиро­ вания плотность компоновки CMOS схем в четыре раза уступает логике с отношением и в три раза И^Л.

а)

Рис. д.3.3. Электрическая схема (а), топология (б) и разрез структуры (в) CMOS-инвертора.

При уменьшении размеров в область глубокого субмикрона в традиционных конструкциях CMOS элементов сильнее проявляют­ ся паразитные эффекты, нарушающие их нормальное функциониро­ вание. Поэтому традиционные структурно-топологические решения входят в противоречие с одним из основных законов микроэлек­ троники — при уменьшении размеров улучшаются все параметры приборов. Поэтому велись и продолжаются поиски более совершен­ ных структурных решений вентилей без отношений. Как показы-