9.7.1. Кремний на изоляторе (soi)

Традиционный способ изготовления CMOS-cхем - на объёмных кремниевых пластинах, как описано выше. Необходимость дальнейшего улучшения производительности масштабированных транзисторов установила на устройства значительные ограничения, такие как низкие паразитные емкости и сниженное пороговое напряжения для получения хорошего управляющего тока. С другой стороны, для работы с низкой мощностью требуются низкие токи отключения и, поэтому, большое пороговое напряжение. Выполнение этих противоречивых требований становится все более и более сложным в обычных объёмных CMOS. Технология кремний на изоляторе (SOI) представляет собой привлекательную альтернативу, так как транзисторы SOI CMOS имеют минимальную емкость перехода, они не имеют эффекта тела, не страдают от запирания, и имеют хороший подпороговый наклон. Это делает SOI особенно привлекательным для маломощных приложений и радиационно-стойких схем.

Транзисторы SOI CMOS построены на тонком слое монокристаллического кремния, который отделен от подложки пленкой диоксида кремния, как схематически показано на рис. 22. Существуют два основных метода для получения SOI пластины. В первом способе, атомы кислорода имплантируются под поверхность кремния при температуре около 500° C с образованием скрытого оксида (SIMOX - сепарация путем имплантации кислорода) толщиной около 400 нм.

В другом методе, называемом SOITEC, используется окисленная пластина, с имплантированными в неё на определённую глубину атомами водород, и вторая пластина, которая связана с первой. После нагревания два пластины разделяются на месте высокой концентрации водорода, оставляя тонкий слой кристаллического кремния поверх оксида.

Устройства SOI можно разделить на две категории, в зависимости от толщины слоя кремния и уровня легирования. Для очень тонких слоёв кремния, толщина истощения под каналом транзистора, как правило, больше, чем толщина кремния, что приводит к появлению полностью обеднённого (FD SOI) транзистора. Частично обедненный (PD) SOI транзистор использует более толстый слой кремния и имеет квази-нейтральную область подложки.

9.7.1.1. Частично обеднённый SOI Когда слой кремния толще, чем максимальная толщина инверсного слоя, транзистор называется частично обеднённым. PD SOI в настоящее время является наиболее широко используемой SOI технологией, так как обработка аналогична обработке объёмной CMOS, с дополнительными преимуществами низкой емкости перехода и отсутствим эффекта тела. Тем не менее, PD CMOS создает проблему, появляющуюся в результате плавающего затвора. Это приводит к зарядке тела благодаря генерации зарядов из-за ударной ионизации в области стока. Эти заряды хранящиеся в плавающем затворе и будут изменять потенциал тела, и, таким образом, пороговое напряжение.²¹ Кроме того, переход исток-подложка может стать смещённым в прямом направлении, вызывая большие токи утечки. Используя контакт подложки можно уменьшить этот эффект за счет большей площади и потери преимущества эффекта тела в SOI. Во многих случаях, схемы, изготовленные по технологии PD SOI должны быть переделаны, чтобы уменьшить негативные последствия плавающего затвора. Когда сделана должным образом, PD SOI является привлекательной альтернативой более объемным CMOS для низковольтных схем и CMOS-схем низким энергопотреблением.²²

9.7.1.2. Полностью обеднённый SOI В полностью обеднённом CMOS-транзисторе подпороговый наклон может быть близок к идеалу, так как коэффициент эффекта тела m (см. формула 22) почти равен 1. Это потому, что эффективную ширину обеднения можно считать очень большой. Крутой подпороговый наклон позволяет использовать более низкие пороговые напряжения для одного и того же тока утечки и, таким образом, более низких напряжений питания. Однако, большая толщина углублённого оксида уменьшает полезные эффекты PD SOI для короткоканальных транзисторов. Это происходит потому, что поле сток-исток проникает сквозь оксид и, таким образом, приводит к появлению плохих короткоканальных эффектов.²³ Сообщалось, что с помощью ультра-тонкий 2 нм пленки кремния и 20 нм локального скрытого оксида, эффект короткого канала может быть подавлен в устройствах с длиной канала 20 нм.²⁴ Уникальной особенностью этого подхода является то, что скрытый оксид не является непрерывным, как в других SOI подходах, а ограничен регионами затвора. Он имеет преимущество, заключающееся в том, что SOI в сочетании с глубокими областями истока/стока, приводит к уменьшению последовательного сопротивления истока и стока.

Плёнка кремния и скрытого оксида получается эпитаксией на объёмную подложку и, таким образом, может быть очень точно отрегулирована, позволяя выращивать очень тонкие и равномерные слои. Эти тонкие слои подавляют короткоканальные эффекты и эффект понижения барьера, индуцированного стоком (DIBL). Ожидается, что PD SOI в ближайшем будущем станет доминирующей технологией для CMOS с технологическим процессом от 50 до 30 нм.

9.7.2. Растяжение (кремний-германий)

Как уже упоминалось в разделе 9.3.3, подвижность носителей значительно увеличивается в растянутом кремнии. Транзисторы построенные на пластинах из растянутого кремния показали увеличение мобильности до 110% в NMOS и 45% в PMOS-транзисторах.¹⁵ Растянутый кремний получают путем выращивания эпитаксиального слоя кремния поверх слоя кремния-германия (рис 9.23). Когда более крупные атомы германия замещают атомы кремния, расстояние между атомами кремния-германия больше, чем в чистом кристалле кремния. Изменение геометрии кристалла сокращает рассеяние и уменьшает эффективную массу носителей. Эта технология имеет приемущество, заключающееся в том, что может быть сохранена обычная конструкция устройства. Недостатком является увеличение утечки перехода и ёмкости перехода (исток и сток к подложке диода) благодаря тому, что запрещённая зона в слое SiGe меньше и диэлектрическая константа больше, чем в кремнии. Чтобы исключить чрезмерную утечку и емкость перехода, для процесса кремний-германий будут использоваться пластины кремния на изоляторе (SOI).²⁵