АНАЛИЗ СТРУКТУР СОВРЕМЕННЫХ TRI-GATE ТРАНЗИСТОРОВ

Транзисторы являются самым важным компонентом электронных схем. В любом современном техническом устройстве, компьютере, автомобиле, самолете, космическом корабле используются микросхемы, содержащие транзисторы, количество которых составляет несколько миллионов, а то и миллиардов. Они настолько малы, что мы их попросту не замечаем. Но так было далеко не всегда, Созданные в начале 70-х годов XX века первые процессоры архитектуры x86 имели всего лишь 2300 транзисторов, а по производительности в тысячи раз уступали современным. За четыре десятка лет частоты процессоров с нескольких мегагерц выросли до тысяч, число транзисторов с десятков тысяч стало измеряться миллиардами, а длина волны, используемая в литографическом процессе уменьшилась до 22 нм. [1]

Самый первый транзистор, изготовленный в 1947 году учеными из Bell Labs, по размеру был с человеческую ладонь, а современный 45-нм транзистор от Intel в 400 раз меньше красной кровяной клетки человека и это далеко не предел. Толщина отдельных элементов транзистора сравнима с толщиной нескольких атомов. Однако постоянное стремление к уменьшение размеров приводит к некоторым затруднениям в проектировании технологического процесса изготовления устройства и в самом производстве.

Например, у процессора изготовленного по технологическому процессу в 65 нм, толщина компонента транзистора, отвечающая за прохождение электронов, иначе говоря толщина диэлектрика затвора, составляет всего 1,2 нм. Более 30 лет в качестве материала затвора использовался диэлектрик, который состоит из одного атома кремния и двух атомов кислорода. Толщина в 1,2 нм равна пяти атомарным слоям. Такой тонкий изолятор физически не в состоянии удержать токи утечки, электроны начинают туннелировать через диэлектрик. При толщине затвора меньше 1 нм, ток утечки повышается экспоненциально.

Эта проблема была решена компанией Intel путем  замены диоксида кремния на более качественный материал, используемый для изготовления затвора это так называемый изолятор high-k, изготовленный на основе гафния и обладающий высокой степенью диэлектрической проницаемости.

На Рисунке 1 представлены схемы транзисторов а) стандартный кремневый транзистор с затвором из диоксида кремния б) транзистор с изолятором из материала high-k.

Использование диэлектрика high-k позволило достичь увеличения полевого эффекта транзистора и уменьшить слой диэлектрика вместе с уменьшением тока утечки через затвор. Поиск необходимых материалов диэлектрика и затвора оказался для Intel сложнейшей задачей, и сегодня специалисты компании не намерены открывать точный их состав, однако отмечают, что им потребовалось найти компромисс, удовлетворяющий сотням различных требований.

Сложность транзисторов с момента их появления и до сегодняшнего дня возросла в миллион раз. Технологический процесс изготовления процессора включает следующие основные стадии: Очистка кремния -> плавление -> нарезка пластины -> полировка пластин -> литография -> базовая проверка работоспособности -> нарезка пластины на отдельные кристаллы.

Самым важным процессом в создании будущего процессора является литография, именно здесь и определяются будущие характеристики и потенциал. Типичный процесс создания процессора выглядит следующим образом: Изначально на кремниевую пластину наносится фоторезистивный слой – светочувствительный материал. Благодаря точечному засвету через трафарет-маску формируется будущая структура чипа. Затем пластина с помощью специальных жидкостей очищается от  участков,  подвергшихся засветке и операция повторяется вновь. По окончании литографии производится техническое легирование – операция введения примесей в поверхностный слой пластины, т.е. бомбардировка кремния ионами. Это позволяет формировать p-n переходы, лежащие в основе любого транзистора. Компоновка транзисторов в определенные блоки управления заканчивает процесс создания процессора.

Продолжить развитие полупроводниковой промышленности прежними темпами стало возможно за счет внедрения технологии Tri-Gate, разработанной корпорацией Intel. Теперь при производстве транзисторов будет использована трехмерная структура, переход на которую является революционным, поскольку до настоящего момента в массовой электронике использовалась исключительно планарная структура. На Рисунке 2 представлены схемы трехмерной структуры транзисторов.

Производительность трехмерных транзисторов 3D-структур, изготовленных на базе 22-нм техпроцесса и работающих на низком напряжении, на 37% выше с обычных. 3D Tri-Gate – это обновленная версия транзистора, где на смену традиционному плоскому слою затвора пришла невероятно тонкая кремниевая пластина, устанавливаемая перпендикулярно кремниевому субстрату. Прохождение тока контролируют затворы, расположенные на гранях пластины: по два с каждой стороны и один сверху. В плоской версии транзистора использовался только один затвор, расположенный сверху. Использование дополнительных затворов позволяет обеспечить максимальную величину потока тока во включенном состоянии, а в выключенном – максимально приблизить к нулю. В результате чего сокращается потребление энергии и ускоряется их переключение.

Рост токопроводящего канала в высоту с одной стороны дал возможность трехстороннего размещения затвора, позволяя увеличить мощность транзистора и толщину слоя диэлектрика. С другой стороны, использование сверхмаленького расстояния между истоком и стоком практически не оставляет заряда в кремниевой подложке, тем самым сводя токи утечки к минимуму. Себестоимость таких транзисторов лишь на 2- 3% выше традиционной конструкции

На Рисунке 3 представлена зависимость тока утечки от напряжения для планарного и Tri-Gate транзисторов.

На Рисунке 4 показана зависимость быстродействия Tri-Gate и планарных транзисторов от величины приложенного напряжения. Быстродействие транзисторов Tri-Gate выше своих предшественников на 37% при низких напряжениях и на 18% при напряжении около 1 вольта.

При сопоставимой скорости транзисторы Tri-Gate потребляют на 0,2V меньше традиционных планарных транзисторов.

Трехмерные транзисторы позволяют добиться невероятно высокой плотности размещения логических элементов в микросхеме.

Микропроцессоры Intel под кодовым названием IvyBridge предназначены  для ноутбуков, настольных компьютеров и серверов. Эти процессоры являются первыми массовыми чипами с транзисторами 3D Tri-Gate.

Таким образом, к преимуществам транзисторов Tri-Gate можно отнести: снижение токов утечек, улучшенные характеристики переключения, более низкое энергопотребление, увеличение мощности. Новая трехмерная конструкция значительно сокращает площадь, необходимую на размещение транзистора, при этом наблюдается небольшое удорожание производства, всего на 2-3% в сравнении с традиционной конструкцией.

Список литературы

1.     Транзистор: 60 лет Больших свершений маленького элемента. // 28 ноября 2007

      >

<   http://download.intel.com/newsroom/kits/22nm/pdfs/22nm-details_presentation.pdf  >