7.2. Нанотранзисторы на основе структур хранения на сапфире
Последние пять десятилетий прогресс микроэлектроники соответствует закону Мура и обеспечивается линейным уменьшением размеров приборов и масштабируемым изменением параметров приборов.
В 2003г. при переходе к проектной норме 90 нм длины затвора L3 кремниевых металл – оксид – полупроводниковых (МОП) транзисторов достигла 60 нм, но рост производительности микросхем заметно снизился, из-за физических ограничений по масштабированию вследствие увеличения паразитных туннельных токов утечки p-n-переходов.
Для уменьшения длины канала МОП транзисторов без смыкания областей стока и истока требуется сильное легирование каналов. Такое легирование ведет к росту порога включения транзистора UПОР и уменьшению тока насыщения, за счет снижения подвижности носителей зарядов с ростом концентрации примеси.
Поиск отличных от объемного кремния материалов и конструкций ПТ выявил перспективность структур типа кремний на изоляторе (КНИ), зарубежная аббревиатура SOI. Ниже рассматриваются перспективные варианты КНИ транзисторных структуре исследованиях в ИФП СОРАН и описанных в монографии [26].
В КНИ транзисторах используется тонкий 100-400 нм и ультратонкий
5-10 нм слой кремния.
Фирма AMD разработала высококачественные тонкопленочные КНИ МОП-транзисторы с затвором длиной 25 нм и током насыщения 790 мкА/мкм. Разработчики фирмы IBM создали КНИ МОП-транзисторы с длиной затвора
6 нм при толщине слоя кремния 4 нм, однако, из-за сильного легирования канала ток насыщения в транзисторе составляет 130 мкА/мкм, что недостаточно для современных ИМС.
Основными достоинствами КНИ-транзисторов являются: низкое энергопотребление, высокое пробивное напряжение и высокое быстродействие.
Перспективность разработок новых наноэлектронных КНИ-транзисторов обусловлено возможностью решения проблем свойственных короткоканальным транзисторам, а также возможностью изготовления новых приборов, работающих на квантово-размерных эффектах.
Современные ИМС, содержащие десятки миллионов транзисторов выполняют на КМОП КНИ – транзисторах, к которым предъявляются жесткие требования. Для получения высокого быстродействия и высокой плотности упаковки необходимо получить максимально короткий канал. Для получения низкой рассеиваемой мощности ИМС транзисторы должны иметь токи утечки в закрытом состоянии не более 10-9 А.
Для создания короткого канал используют самосовмещенную технологию изготовления транзисторов, где затвор выступает еще и маской при имплантации стоков и истоков. В качестве затворов используют легированный до металлического состояния поликремний толщиной не менее 200 нм.
Для устранения токов утечки между отдельными транзисторами используют КНИ-подложки и создают каждый транзистор в отдельном кристаллическом кремниевом островке, лежащем на изолирующей поверхности (термическом оксиде кремния).
|
а)
|
|
б) |
Рис. 7.4. Схема КНИ МОП-транзистора: а) вид сверху; б) вид сбоку (сечение)
Для обеспечения достаточно малых токов утечки в канале, сильно возрастающих с уменьшением длины канала транзистора, необходимо понижать напряжение питания, так, при длине канала 100 нм при напряжении питания 3 В происходит смыкание стока и истока при отсутствии напряжения на затворе.
Поэтому при такой длине канала необходимо переходить на использование напряжения питания 1,5 В.
При напряжении питания 1,5 В необходимо обеспечить UПОР ≈0,5 В. Для получения низкого порога р-канальных транзисторов используют поликремневый затвор, легированный бором (В). Затвор n-канальных транзисторов легируют фосфором (Р).
Для предотвращения закорачивания стока и базы прокалыванием области стока, при создании контактов области стока и истока должны достигать скрытого оксида.
Поскольку в коротко-канальном транзисторе поле вблизи стока велико, нужно использовать слабое легирование стокового p-n-перехода возле затвора для уменьшения этого поля. В противном случае, электроны, сильно ускоряясь в области сильного поля, могут повреждать подзатворный оксид.
Конструкция КНИ МОП-транзистора приведена на рисунке 7.4.
Передаточные характеристики наноэлектронных КНИ транзисторов с длиной каналов порядка 100 нм и шириной затвора 5 мкм приведены на рисунке 7.5, а стоковые характеристики – на рисунке 7.6.
Рис. 7.5. Передаточные характеристики n- и p- канальных транзисторов
в линейном масштабе. UЗ=0, UС=0,1B. 1 – SOI = 500нм, 2 – SOI =20нм
Токи насыщения транзисторов при UС =1,5 В и UЗ =1,5 В составляют 220 мкА/мкм для n-канального и 90 мкА/мкм для p-канального транзисторов. Токи утечки не более 5∙10-9 А.
При интеграции 100 млн транзисторов на кристалле общий ток ИМС в ждущем режиме не превышает 5 А, что вполне допустимо.
Для подавления короткоканальных эффектов в n- и p-канальных КНИ МОП-транзисторах требуются напряжения различной полярности и использование подложки в качестве управляющего электрода, что не является оптимальным вариантом для ИС.
Рис. 7.6. Стоковые характеристики n- и p- канальных транзисторов
в линейном масштабе. UЗ=1,5B. 1 – SOI = 500нм, 2 – SOI =20нм
Более перспективными признаны конструкции КНИ МОП-транзисторов с двойным затвором, когда затворы расположены по обеим сторонам и в плоскости канала, а также конструкции, где пластинчатое тело транзистора лежит не в горизонтальной плоскости на изоляторе, а как бы поставлено на ребро – так называемый двухзатворный плавниковый транзистор (FinFET).
При этом каналы индуцируются напряжением на затворах вдоль обеих сторон вертикальной пластины.
Перспективны конструкции, в которых затвор опоясывает канал с трех сторон. В таких транзисторах инверсионные каналы образуются под затвором с трех сторон, что позволяет увеличить площадь протекания тока при той же занимаемой площади прибора.
По оценкам специалистов фирмы Intel при размерах транзистора около
30 нм, выполненного по традиционной технологии, тепловыделение становится неприемлемо большим. Трехмерная технология позволяет значительно снизить потери на тепловыделение.
Различные конструкции транзисторов КНИ представлены на рисунке 7.7.
Вариантом альтернативного наноэлектроного МОП-трнзистора является высоколегированная нанопроволочка играющая роль канала, проводимость которой управляется затвором. Нанопроволочка легирована однородно, что решает проблемы мелкозалегающих переходов. Устраняется эффект смыкания. Основной проблемой является наличие последовательных сопротивлений истоковой и стоковых областей. В транзисторе с одним сторонним затвором для обеспечения достаточной проводимости канала (500 мкА/мкм), необходим высокий уровень легирования отсеченного слоя кремния.
Это накладывает ограничения на ширину канала кремниевой нанопроволочки B и на ширину зазора между каналом и сторонним затвором d. Значение d ограниченно приемлемым значением порогового напряжения (<1 В). При концентрации N = 2∙1020 см-3 значение B не должно превышать 5 нм, d =1,5 нм при использовании в качестве подзатворного диэлектрика SiO2.
Столь низкие и жесткие для практической реализации значения d, которые определяются шириной электронного луча, можно увеличить выбором диэлектрика с более высокой диэлектрической проницаемостью.
Лучшие показатели плотности тока обеспечивают транзисторы с двумя и более затворами (рисунок 7.7, б, в, г). В роли дополнительного затвора КНИ-транзистора может использоваться подложка (рисунок 7.7, г, д).
Изготовление двухзатворных конструкций, когда дополнительный затвор распложен между скрытым оксидом и отсеченным слоем кремния технологически чрезвычайно сложно. Более перспективным является «вертикальный» вариант конструкции транзистора с двойным затвором, получивший название «FinFET».
а) |
б) |
в) |
г) |
д) |
|
Рис. 7.7. Варианты конструкций транзисторов КНИ: а) с одним сторонним затвором; б) с трехмерным затвором одно канального прибора; в) с трехмерным затвором многоканального прибора; г) с двойным вертикальным затвором FinFET; д) с трехмерным углубленным в оксид затвором Pi-gate |
|
В такой конструкции пластинчатое тело транзистора лежит не в горизонтальной плоскости на изоляторе, а как бы поставлено на ребро (рисунок 7.7, г). При этом канал индуцируется напряжением на затворах (Fin-плавниках) вдоль обеих сторон такой пластины. Затворы имеются не только по бокам, но и сверху канала. Однако, т.к. высота плавников гораздо больше ширины верхнего затвора, то вклад верхнего затвора в управление током канала незначителен (высота плавника 1 мкм, толщина подзатворного оксида 5 нм, длина канала 100 нм, ширина плавника 50 нм).
Реальные р-канальные FinFET имеют значение плотности тока
820 мкА/мкм, при UС=UЗ=1,2 В (длина затвора 45 нм, толщина Fina 30 нм).
Теоретически, оптимальным с точки зрения управления током канала является вариант, когда со всех сторон канала располагаются затворы (или круглый затвор). По свойствам к этому варианту приближается транзистор, называемый Pi-gate. Здесь используется трехмерный затвор, две боковые стенки которого углублены в скрытый оксид. Достаточно обеспечить углубление 20 нм.
КНИ-структурам свойственна проблема накопления заряда в скрытом диэлектрике при радиационном облучении. Транзисторы Pi-gate обладают повышенной радиационной стойкостью. При облучении происходит накопление положительного заряда в скрытом оксиде и формируется паразитный канал проводимости в n-канальных транзисторах вблизи границы раздела. Возможность «закрывать» паразитный транзистор напряжением на боковых затворах не только через боковой подзатворный оксид, но и через скрытый оксид за счет углубленных затворов, является преимуществом Pi-gate по сравнению с транзистором FinFET.
Проблемы малой проводимости каналов решают транзисторы с параллельно соединенными кремниевыми нанопроволочками.
На основе КНИ-структур возможно создание квантово-размерных транзисторов, в частности одноэлектронных приборов. Одноэлектронные приборы предполагают формирование в нанопроволочке КНИ квантово-размерных островков (в пределе квантовых точек), отделенных туннельными барьерами от остальной части нанопроволочки.
Если проводить утончение КНИ методом пошагового низкотемпературного термического окисления и травления, то при определенной толщине слоя кремния формируется структура, содержащая как проводящие каналы, так и массивы квантово-размерных кремниевых островков отделенных от каналов туннельными барьерами – система одноэлектронных транзисторов.
Каждый островок кремния обладает собственным набором локализованных энергетических состояний, и прохождение электронов через туннельные барьеры является вероятностным процессом.
Чтобы получить приборы, работающие при комнатной температуре с воспроизводимыми параметрами, либо их размеры должны быть меньше самоформирующихся квантовых точек, либо практически должно быть исключено влияние микрорельефа поверхности [3].
Вариация ширины КНИ-проволочки и литография должны обеспечивать воспроизводимость размеров прибора на уровне единиц нанометров.
На практике необходимо получать не отдельные транзисторы, а формировать из них блоки памяти в ИМС. При этом важно совмещение одноэлектронных транзисторов с остальной частью системы (в частности, с усилителями).
Достоинством КНИ-транзисторов является возможность создания гибридных схем (содержащих одноэлектронные и МОП-транзисторы).
Одноэлектронные КНИ-транзисторы обладают совместимостью с существующей кремниевой технологией.
Переход от объемного кремния к пластинам кремний на изоляторе является перспективным способом создания транзисторов нанометрового диапазона.