Поддерждание электростатической целостности в ультра-миниатюризированных КМОП

ПОЯВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПЛАНА ИЗГОВТОЛЕНИЯ НЕКЛАССИЧЕСКИХ КМОП

Так как инвестиции по отношению к большинству неклассических структур КМОП, представленных выше, могут быть весьма существенными, было бы весьма полезно оценить обещанный выигрыш в производительности. Данная осведомленность, вероятно, внесет свой вклад в техническое обоснование и адекватность стратегических R&D решений, которые будут востребованы при разработке и реализации одного или более из этих вариантов. Эта задача, по ряду факторов, является очень сложной. Во-первых, свойства новых материалов могут преподнести какие-нибудь сюрпризы. К примеру, знания о свойствах этих материалов часто основываются на отдельных образцах большого объема, в то время как в случае КМОП, наиболее распространены устройства с очень тонкими слоями и в небольшом объеме. Во-вторых, интеграция этих материалов в технологический процесс КМОП может привести к нежелательным взаимодействиям и подвергнуть механическим напряжениям данные материалы, или привести к взаимной диффузии, которая может изменить их свойства. В-третьих, физические процессы новых приборных структур могут быть не всегда полностью изученными. Ну и наконец, даже правдоподобные результаты численного моделирования и методы часто становятся предметом обсуждения, что иногда приводит к большим расхождениям во взглядах, в зависимости от выбора методов, моделей и параметров. Часто, после первых попыток интеграции новые структуры или материалы дают посредственные результаты, таким образом, препятствуя возможности калибровки инструментов моделирования и экспериментальной проверки теории. Иногда необходимы годы тяжелых R&D усилий, чтобы подтвердить реальную стоимость технологических нововведений.

Учитывая стратегическую важность данной задачи, предлагается к обсуждению пример одного из возможных возникающих планов размещения топологической карты устройства. Учитывая все меры предосторожности и неопределенности, обсуждаемые ранее, требуются качественные руководящие принципы и сравнительные оценки, а не количественная точность.

Применяемая методология для решения этой задачи заключается в использовании простых и широко используемых аналитических выражений, описывающих обычные физические процессы планарного МОПТ. Система уравнений (MASTAR) [93] - [94] служит в качестве вспомогательного инструмента в таблицах Excel, используемых для разработки представленных таблиц по логическим, технологическим требованиям в «процессе интеграции, устройствах и структурах" (PIDS) в главе ITRS 2003 [1]. [Исполняемый файловый код MASTAR вместе с Пользовательским Руководством доступны как часть справочной документации в ITRS 2003 через метасоединение, находящееся в тексте онлайн документации ITRS 2003 (в конце раздела неклассических КМОП в главе о Развивающихся Исследовательских Устройствах), или по запросу [e-mail] или [e-mail].] Основные уравнения были согласованы и откалиброваны между двумя методами, чтобы обеспечить очень хорошее соответствие для всех трех технологических таблиц PIDS ITRS (HP, LOP, и LSTP) [1]. Методология, используемая в электронной табличной модели для сбора таблиц по технологическим требованиям PIDS, заключается в удовлетворении собственной скорости (CV/I)^-1, улучшенном росте (17% в год), при необходимых значениях I_on ("прямой"–ток транзистора), но без привязки этих требования к данной технологической реализации. Тем не менее, требуемый ток Iполученный из (CV/I)^-1 сочетается со значением I_on в результате электронной табличной модели (очень близкой к MASTAR), в которой некоторые параметры усиливаются в соответствии с новыми материалами и новыми приборными структурами в неявном виде (без какой-либо прямой связи между ними). Такой подход, как полагают исследователи, способен повысить надежность теоретических предположений. Усилительные значения были согласованы между PIDS ITRS и рабочими группами Развивающихся Исследовательских Устройств (ERD), но их природа была оставлена на изучение более глубоким анализом, проведенным группой ERD. В отличие от этого, следующий анализ направлен на поиск связи усиливающих параметров и новых материалов и приборных структур, и оценку величины улучшения элементов, представленных в Таблице неклассических КМОП 1(а) и (б).

Для того, чтобы это выполнить, была создана таблица модификаций под названием «Технология Усиления Производительности", приведенная в Таблице 2. Преобразования, использованные в уравнениях MASTAR, позволяют сделать грубые оценки выигрыша в производительности с точки зрения I_on, C_gate, иI_off. Таким образом, в дополнение к мерам предосторожности, связанным с новыми материалами и структурами, нужно знать, что применяемая методология не может дать оценки больше первого порядка. Технологический эффект усиления производительности обсуждается относительно электростатической целостности устройства, из соотношения, I_on-I_off и (CV/I)^-1.

ПОДДЕРЖДАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ В УЛЬТРА-МИНИАТЮРИЗИРОВАННЫХ КМОП

Электростатическая целостность (EI) устройства отражает его устойчивость к паразитным двумерным (2-D) эффектам, таким как коротко-канальные эффекты (SCE) и эффект понижения сток-индуцированного барьера (DIBL). SCE определяется как разница в пороговом напряжении между длинно-канальными и коротко-канальными ПТ и измеряется с помощью небольшого V_ds. DIBL эффект определяется как разница в V_t, измеренных для коротко-канальных ПТ с использованием малых и номинальных значений V_{ds .}

Хорошая EI означает одномерное (1-D) распределение потенциала в устройстве (как в случае с длинным каналом), в то время, как плохая EI означает 2-D распределение потенциала, который приводит к 2-D паразитным эффектам. В результате было получено простое соотношение между SCE и DIBL, с одной стороны, и EI с другой, как следует из выражений [94] - [95]:

где является потенциалом p-n-перехода в переходе исток-канал, является смещением сток-исток, а EI определяется по формуле:

В данном выражении, означает расширение глубины перехода, означает электрическую длину канала (расстояние от перехода к переходу), означает эффективную электрическую толщину окисла в состоянии инверсии (равную сумме эквивалентной толщины оксидного слоя диэлектрика затвора, глубины обеднения затвора поли-Si, и так называемого "темного пространства"), и означает глубину обеднения канала. ("Темное пространство" является максимальным расстоянием слоя с инверсионным зарядом, находящимся в глубине канала, от границы раздела SiO₂/Si из-за квантования энергетических уровней в квантовой яме канала.)

Возможности неклассических КМОП структур, в частности устройств с UTB, явно продемонстрированы в выражении при применении перевода параметров, относящихся к устройствам с UTB (приведенным в Таблице 2). Замена и на (структуру с одним затвором и UTB) или (двухзатворная структура с UTB) позволяет значительно снизить отношение и , с условием, что при кремниевых пленках будет доступна. В связи с этим, ключевой вопрос заключается в том, должен ли для поддержания хорошей EI в усовершенствованных МОПТ быть уменьшен размер каждой подложки или толщины канала?

Рисунок 1 сравнивает EI между крупноразмерным планарным и двухзатворным устройством вдоль расстояния между элементами ITRS 2003. Важно отметить, что миниатюризация , хотя и очень резкая (к концу топологической карты требуется 4-х и 5-ти нм Si пленка для HP, и LOP/LTSP, соответственно), но имеет потенциал для миниатюризации КМОП до конца топологической карты с величинами SCE и DIBL на тех же уровнях, что и при технологии 90-нм элементов. [EI ≤ 10% (то есть DIBL составляет < 25% от V_ds), рассматривается в качестве приемлемого диапазона, представленного желтой областью на Рисунке 1.] Стоит отметить, что EI крупноразмерных планарных или классических устройств выходит за пределы допустимой зоны при 100-нм элементах для HP, вблизи 65-нм элементов для LOP, и 90- и 65-нм элементов для LTSP.

ПОДДЕРЖАНИЕ СООТНОШЕНИЯ I_on-I_off

Степень технологической завершенности некоторых усилителей производительности выше, чем у других. Например, уже было объявлено, что приборы с каналом из напряженного-кремния были внедрены в технологию КМОП на 65-нм элементах, в то время как концепция металлического перехода исток/сток еще находится на стадии исследования. Не делая попыток сделать точные прогнозы на введение элементов для данного усиления технологической производительности, в хронологической последовательности предлагается рассмотреть элементы в качестве правдоподобного плана для их последовательного внедрения:

✦ Каналы из напряженного-Si

✦ ПТ с одним затвором и с UTB

✦Металлический электрод затвора (вместе с диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью k)

✦Двухзатворный ПТ с UTB

✦Устройства на баллистическом или квази-баллистическом транспорте носителей

✦Элементы со сниженной краевой (и/или перекрывающей) емкостью

✦Металлический переход исток/сток.

Рисунок 2 демонстрирует эволюцию топологических карт I_on-I_off (HP, LOP, и LSTP) [1] с учетом введения технологии усилителей производительности, определенных в Таблице 2, в соответствии с вышеупомянутой последовательностью и по нарастающей. Крупноразмерные планарные устройства в основном достаточны для удовлетворения технических характеристик (I_on-I_off) КМОП до 90-нм элементов для HP и до 65-нм элементов для LOP и LSTP. За пределами таких элементов, для удовлетворения технологических требований внедрение технологии усилителей производительности становится обязательным. Расширение спецификации представляется возможным, если все усилители считаются коинтегрированными. Следует также отметить, что продукты HP использовали наибольшее число усилителей эффективности (все, кроме устройств с металлическими исток/сток переходами) для решения всей топологической карты HP, в то время как топологическая карта для LSTP может быть выполнена на устройстве с одним металлическим затвором на UTB.

Этот анализ предполагает, что ток I_off определяется как максимально допустимый подпороговый ток утечки истока/стока. Максимальный ток утечки затвора относится к максимальному току утечки истока/стока на пороговом участке. Для выполнения поставленных задач, в 2006 году должны быть введены затворные диэлектрики с высоким k (коэффициентом диэлектрической проницаемости) для LOP и LSTP, и в 2007 году для быстродействующих логических схем [1].

УСИЛЕНИЕ СОБСТВЕННОЙ СКОРОСТИ (CV/I)^-1

Некоторые усилители производительности могут привести к увеличению I_on с параллельным увеличением скорости роста C_gate, таким образом, получая небольшое или незначительное влияние на CV/I (в качестве примера, рассмотрим металлический затвор в Таблице 2). Другие усилители, такие как пониженные краевые или перекрывающие емкости могут снизить C_gate без изменения I_on. Изменение собственной скорости устройства (CV/I)^-1 под влиянием усилителей производительности может, таким образом, несколько отличаться от изменения I_on-I_off. Рисунок 3 демонстрирует, приблизительную оценку развития собственной скорости устройств для последовательных элементов КМОП. Стратегия миниатюризации оптимизирована вплоть до 65-нм элементов (в основном совпадает с ITRS 2001) и является достаточной для LOP и устройств с LTSP для достижения годового прироста производительности в 17%. Продукты HP, опять же, требуют самого интенсивного использования усилителей производительности, как например, каналов из напряженного-Si, начиная с 65-нм элементов. За пределами этих элементов, последовательное введение усилителей производительности является обязательным для поддержания темпа годового прироста производительности в 17%. В случае с 22-нм элементами, требуется понижение краевой (и/или перекрывающей) емкости в соответствии с требованиями в отношении скорости выхода продукции HP и LOP. Тем не менее, коинтегрирующие усилители вплоть до и включая квази-баллистический транспорт, придерживаясь последовательности, представленной в таблице 2, могут удовлетворить требования к LTSP. Важно отметить, что усилители металлического перехода не используются в нынешней топологической картой, тем самым оставляя запас для его расширения технологии за пределы 22-нм элементов без потерь в скорости повышения производительности.

Дата добавления: 2015-08-09