Транзисторы с двойным затвором.

В таких транзисторах удалось вдвое увеличить ток транзистора. Одним из примеров транзистора с двойным затвором является конструкция FinFET-транзистора (Fin Field Effect Transistor). Свое название он получил из-за конструктивных особенностей. В этом приборе с трехмерной структурой тонкое кремниевое тело имеет форму плавника (fin) и обернуто с боков затвором.

Затвор формирует два самосовмещающихся канала, расположен­ных с двух сторон кремниевого те­ла. Передняя выступающая часть тела представляет собой исток, за­дняя - сток. Каналы индуцируют­ся напряжением на затворах вдоль обеих сторон пластины.

Ток в транзисторе протекает в плоскости, параллельной плоскости тела. Активная ширина прибора равна высоте тела — высоте плав­ника. Это тело можно увеличивать путем параллельного включения многих столбиков, формирующих исток и сток. Таким образом, фор­мируется активная область транзи­стора. Трехмерная конструкция FinFET-транзистора позволяет значительно снизить потери на теп­ловыделение.

Рисунок 8 – Влияние типа транзистора на характерную длину (сверху – транзистор, в основе которого КНИ, снизу транзистор с двойным затвором)

↓↓↓ Допматериал. Технология FET на подложке.

Любой технологический процесс можно разбить на две части: Front End и Back End: начало и окончание процесса. В случае с производством транзисторов под началом понимают непосредственно формирование транзисторов в кремнии. Операции по созданию металлических межсоединений между транзисторами и окончательное корпусирование микросхемы относятся к Back End. Рассмотрим сначала все типовые операции, связанные с формированием транзисторов.

Формирование активной области транзистора (рис. 9) связано с созданием изоляционных канавок, заполненных SiO2, который создаёт внешнее механическое напряжение сжатия в канале транзисторов. Это влияет на мобильность носителей. В моделе BSIM этот эффект практически не учитывается, поэтому его изучение – одна из задач данной работы.

Рисунок 9 – Активные области транзисторов

Процедура легирования канала состоит из двух этапов: сначала имплантируются примеси на большой энергии с тем, чтобы определить границы кармана и увеличить пороговое напряжение паразитных транзисторов. Затем идёт имплантация моноэнергетических атомов с целью оптимизации порогового напряжения в изготавливаемом транзисторе. Процедура одинакова для nМОП и для pМОП. Разница лишь в типе используемой примеси. Для формирования pМОП используют фосфор, а для nМОП – бор.

У этой операции есть побочный эффект. Проблема в рассеянии примесей от фоторезиста (рис. 10). Этот эффект называется эффектом близости кармана (WPE, Well Proximity Effect). Если транзистор находится слишком близко (менее 1мкм) к границе кармана, то его пороговое напряжение отличается от запланированного. В модели BSIM это учитывается стандартизированной методикой.

Рисунок 10 – Эффект близости кармана

Первая операция при формировании затвора – удаление оксида в плавиковой кислоте. В этот момент помимо прочего очищает поверхность кремния от возможных загрязнений. Затем формируется подзатворный диэлектрик. В технологиях 90 нм и более используется просто термически выращенный оксид кремния, в то время как в более совершенных технологиях используются диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k диэлектрики).

Затем с помощью осаждения из газовой среды при низком давлении осаждается поликремний или, в новых технологиях, металл, который и будет будущим затвором. Затем, после нанесения резиста, лишний металл стравливается. Надо сказать, что литографический шаг по формированию резиста исключительно важен. Так как именно в этот момент определяется длина канала будущего транзистора.

Формирование стока и истока можно разбить на два этапа: halo-имплантация и имплантация непосредственно для формирования зон стока и истока. Halo-имплантацию используют для уменьшения короткоканальных эффектов. Она повышает концентрацию примесей непосредственно на границе зон стока и истока. Это влечёт создание резкого p-n перехода, что фиксирует эффективную длину канала. Тем самым достигается лучший контроль короткоканальных эффектов.

Следующий шаг – создание прокладок (спейсоров). Цель– защитить попадание примесей под область затвора во время имплантации стока и истока. Вторая функция – защита от КЗ между электродом затвора и силицидом в областях стока и истока. Получение прокладки состоит всего из трёх шагов: сначала наносится слой оксида кремния, который будет играть роль ограничителя травления. Затем осаждается нитрид кремния. В связи с топологией количество нитрида в области затвора будет больше, чем на остальной поверхности подложки. Последняя операция – анизотропное сухое травление. В итоге получается структура, изображенная на рис. 11.

Рисунок 11 – Изоляционные прокладки (Spacers)

Одна из изоляционных прокладок на рис. 11 выделена оранжевым прямоугольником. Формирование n+/p+ областей стока и истока идёт путём ввода примесей ионной имплантации. Изоляционные прокладки, созданные на прошлом этапе, защищают канал от ненужного легирования. После имплантации примеси находятся вне узлов кристаллической решётки кремния и, по сути, не активированы. Для активации необходимо провести операцию отжига. В случае с nМОП транзисторами используется специальный термошкаф. Для pМОП транзисторов необходимо производить быстрый отжиг, так как атома бора меньше атомов фосфора или мышьяка и при повышенной температуре могут легко диффундировать в подложку или канал.

Важно отметить, что n+/p+ области могут вызывать дополнительно механическое напряжение в канале из-за изменённой кристаллической решетки, поэтому их влияние необходимо учесть при моделировании.

Последний этап Front End – формирование силицида. Силицид (соединение кремния с металлом (Ti, Co, Ni и др.)) снижает последовательное сопротивление стока и истока, обеспечивает равномерное протекание тока через всю контактную площадку: по умолчанию распределение тока не гомогенно в области контакта со стоком и/или истоком. Первый этап Back End of Line – создание PMD прослойки. (A pre-metal dielectric (PMD) layer is formed on the substrate and the transistor, wherein the PMD layer comprises a second dielectric material. At least one of the first or second dielectric materials comprises O3 TEOS oxide having a stress retaining dopant. По видимому, перед металлизацией создают слой диэлектрика, который затем планаризуют, ЛГ вскрывают контактные окна, а затем наносят металлизацию сток-истока. Озон (O₃)... Тетраэтилортосиликат (TEOS)- Si (OC₂H₅)₄)

Она выполняет три основные функции:

- защита транзистора от повреждений на следующих операциях;

- индикатор окончания травления;

- вводит дополнительное механическое напряжение, чтобы увеличить подвижность зарядов в канале.

Из-за последней особенности потребовалось дать пояснения по поводу Back end стадии, так как этим механическим напряжением нельзя пренебрегать и его необходимо включить в компактную модель (в BSIM этот эффект не учтён).

↑↑↑ Конец. Допматериал. Технология FET на подложке.

Технологический процесс изготовления FinFET-транзистора пре­дусматривает формирование методами фотолитографии плавника- вставки толщиной 20 нм и высотой 180 нм. Области стока-истока изготовляются с помощью ионной имплантации под углом 45^о с че­тырех сторон пластины. Также создаются транзисторы с длиной ка­нала порядка 30 нм. Пороговое напряжение транзистора составляет порядка 0.1 В, управляющий ток не превышает 60 нА/мкм. Порого­вое напряжение насыщения составляет 0,15 В при рабочем токе 55 нА/мкм и токе утечки 7 нА/мкм. Сверху плавника канал не возникает, т.к. там находятся технологические 50 нм окисла кремния плюс 50 нм нитрида кремния (см. ниже рис 3.6).

Одной из разновидностей FinFET-транзистора является конструкция, представленная на рис. 3.6. В этой конструкции с длиной канала менее 20 нм размеры кремниевой вставки задаются промежутками между поликремниевыми затворами. Области истока-стока формируются в процессе фо­толитографии.

Структура затвора состоит из термически выращенной пленки оксинитрида толщиной 2,4 нм и SiGe толщиной 400 нм. Затворы длиной Lзатв, формируют каналы, которые индуцируются напря­жением та затворах вдоль обеих сторон.

Рис. 3.6. Структура FinFET-транзистора с двойным затвором SiGe: 1— нитрид кремния толщиной 50 нм; 2 — оксид кремния толщиной 50 нм; 3 - кремниевая вставка толщиной 50 нм; 4 — задавае­мые спейсером вставки.

Рис. 3.5. ВАХ FinFET- транзистора: L_зат — длина затвора; а — ширина тела; W - высота тела.

Предложена модифицированная FinFET-структура. В ней полевой транзистор с двойным затвором объединен со структурой КНИ МОП-транзистора с одним затво­ром. Прибор получил название (Invertered-TFET или ITFET) — полевой транзистор опрокинутой Т-образной формы. По сравнению с обычным FinFET он занимает меньшую площадь кристалла и эф­фективен для ячеек памяти СОЗУ.

Транзистор с тройным затвором (Tri-Gate transistor) (рис. 3.7) предложен конструкторами нанотранзисто­ров фирмы Intel. Особенностью та­кой конструкции является трехмерная структура, представляющая собой "микробрусок", который с трех сторон облегают изолятор и проводник затвора. Подобная структура позволяет посылать электрические сигналы как по верхней части "бруска", так и по обеим его вертикальным сторонам. "Микробрусок" превращается в исток (сток) за пределами затвора. Увеличенная таким образом площадь, доступная для прохождения сигнала, дает возможность пропускать на 20% больше тока по сравнению с традиционной планарной конструкцией, занимающей аналогичную площадь. Подобная технология позволяет создавать транзисторы, которые работают на частотах переключения порядка терагерц и обладают способностью к масштабированию.

Тройной затвор строится на сверхтонком слое полностью обедненного кремния. В результате обеспечиваются малый ток утечки, высокое быстродействие в процессах переключения и значительно сокращается потребляемая мощность.Он имеет наращенные сток и исток, позволяющие избежать роста сопротивления при уменьшении размеров транзистора. Кроме того, в новом транзисторе может использоваться диэлектрик High K, дополнительно снижающий ток утечки затвора.

Six Fins Each

Рис. 3.7 Структура TriGate транзистора.

Чтобы обеспечить условия полного обеднения подложки носите­лями, необходимо подобрать соответствующее соотношение ширины и высоты тела транзистора — кремниевой вставки. Оптимальным считается равенство ширины и высоты тела-вставки и длины затво­ра транзистора. Удалось создать р- и п -канальные транзисторы с длиной затвора 60 нм. Новый прибор превосходит транзисторы с размерами 65 нм по мощности переключения на 35%, а также по времени выхода в режим насыщения.

Рассмотренные альтернативные транзисторные структуры позво­ляют надеяться на дальнейшее развитие микроэлектроники, а также на становление наноэлектронных схемотехнических вычислитель­ных устройств и систем. В частности, на основе FinFET-транзисторов энергозависимая flash-память емкостью 32 Гбит. Компания Intel планирует освоить микросхемы на базе этих структур с топологиче­скими нормами 32 нм.

Обратим внимание на любопытный факт. Первые транзисторы, созданные шесть десятилетий назад, имели трехмерную структуру. Их вытесняли планарные транзисторы, позволившие получить вы­сокую степень интеграции. Трехзатворные транзисторы вернули разработчиков снова в мир трехмерной микроэлектроники. Хотя из­готовление трехмерных транзисторных структур является весьма сложным технологическим процессом, затраты не повлияют на сто­имость интегральных схем.

The Tri-Gate design is called 3D because there is more exposure of the gate (two sides and top) than the flatter planar design, which has been the norm for a long time.

Дата добавления: 2015-10-28