Транзистори сьогодні і завтра

"Документація" - технічна інформація щодо застосування електронних компонентів. особливості побудови різних радіотехнічних та електронних схем. а також документація щодо особливостей роботи з інженерним програмним забезпеченням і нормативні документи (ГОСТ).

Зміст

Мікропроцесори стали настільки звичними, що ми абсолютно вже не цікавимося їх пристроєм і роботою. Тим часом процеси, що відбуваються в мікросвіті, надзвичайно цікаві і цікаві.

Подорож у світ напівпровідників обіцяє бути захоплюючим і пізнавальним, і почнемо ми його з транзисторів (і принципів їх роботи), які є основою будь-якого сучасного мікропроцесора.

Принцип роботи транзистора

Традиційною планарний транзистор являє собою крихітну кремінну пластинку, збагачену домішкою р-типу і звану підкладкою. У підкладці формуються дві леговані області, збагачені домішкою n-типу. Одна така область називається стоком, а інша - витоком. На кордоні областей n-р відбуваються вельми цікаві фізичні процеси: за рахунок всюдисущої дифузії прикордонні електрони з n-областей перескакують в р-область, багату вільними дірками. Не зробивши і пари кроків, електрон «провалюється» в першу ж зустрілася на його шляху дірку. Якщо ж йому вдасться вискочити звідти, він тут же захоплюється іншої вільної діркою (а вільних дірок В р-об-ласті дуже багато). Частина цих дірок під тиском дифузних обставин зривається з насидженого місця і емігрує в n-обдасть, де їх вже чекає натовп «голодних» електронів, і після нетривалої рекомбінації тут не залишається ні дірок, ні електронів (зрозуміло, електрони нікуди не зникають, але, потрапивши в дірки, втрачають рухливість і перестають бути вільними).

Таким чином, на кордонах областей n-р утворюється збіднена зона, в якій відсутні носії заряду, і тому протягом струму між витоком і стоком виявляється неможливим. Для того щоб транзистор міг переносити заряд, конструкторам довелося додати третій електрод - затвор. На відміну від пристрою біполярних транзисторів, вірою і правдою служили у вітчизняній побутовій апаратурі з вісімдесятих років, затвор електрично не пов'язаний з р-областю і відділений від неї тонким шаром ізолятора (в ролі якого зазвичай виступає оксид кремнію). Управління перенесенням заряду здійснюється не електричним струмом, а електромагнітним полем. При подачі позитивного потенціалу на затвор створюване їм електромагнітне поле витісняє дірки вглиб підкладки і затягує в збіднений шар електрони з навколишніх n-областей. Через короткий час простір між n-областями насичується вільними носіями заряду, в результаті чого в подзатворного області утворюється насичений канал, здатний безперешкодно проводити електричний струм. Такий стан транзистора умовно називають відкритим. При зникненні потенціалу на затворі канал швидко забивається дірками, що набігли з р-шару. Електрони провалюються в дірки, і провідність каналу починає катастрофічно падати. Зрештою канал руйнується, і транзистор переходить в закрите (замкнене) стан.

Перспективи використання транзисторів

Мал. 1
Фотографія транзистора, призначеного для використання в 90 нм техпроцесу. Як бачите в цьому випадку ширина затвора складе всього 50 нм

Якщо поспостерігати за транзистором за допомогою осцилографа, то ми можемо помітити, що його закриття відбувається не відразу після зникнення потенціалу на затворі, а через деякий час. Це пояснюється тим, що насичений електронами канал не може миттєво «розсмоктатися», і аж до повного завершення процесу рекомбінації між електродами транзистора буде продовжувати текти паразитний струм. званий струмом витоку (Off-state Leakage).

Для досягнення більшої швидкості перемикання транзистора ми можемо або збільшити робочу напругу, або зменшити товщину підкладки. Дійсно, як відомо з шкільного курсу фізики, ток прямо пропорційний прикладеній напрузі, а тому, чим більша напруга ми подаємо, тим більше вільних носіїв потрібно для його переміщення і, відповідно, швидше «розсмоктується» паразитний канал. Зрозуміло, збільшення напруги живлення призводить до неминучого збільшення розсіювання транзистором потужності і викликає ще цілий ряд неприємних фізичних ефектів.

Зваживши всі за і проти, інженери з Intel вирішили піти іншим шляхом. Залишивши величину робочої напруги в спокої (точніше, навіть знизивши його з 0,85 до 0,8-0,75 В), вони спрямованим інтелектуальним штурмом скоротили тол-щину р-каналу до розумного фізичного мінімуму. Якщо раніше леговані області стоку і витоку наносилися безпосередньо на саму підкладку, обо-гаситься акцепторною домішкою, то транзистори нового покоління виявилися відокремлені від підкладки шаром оксиду кремнію, що грає роль ізолятора. Паразитний заряд, переважно накопичується на кордоні р- і n-про-ластей, тепер змушений миритися з тим, що площа його володінь значно скоротилися, а значить, зменшився і сам заряд!

Мал. 2
SOI-транзистор (нагорі) і DST-транзистор (внизу). У DST оксидна плівка впритул притиснута до підкладки

Як стверджує компанія Intel, технологія кремнію на ізоляторі (SOI - Silicon On Insulator) збільшує швидкодію транзисторів приблизно на 25% і - найголовніше - не вимагає істотних змін у виробничому процесі. Подальший розвиток цієї ідеї призвело до створення транзистора DST (Depleted Substrate Transistor), впритул притиснутого до підкладки і володіє рекордно вузької шириною каналу.

На жаль, за скорочення ширини насиченого каналу доводиться розплачуватися збільшенням його опору, тобто для досягнення хороших показників роботи величину робочої напруги доводиться збільшувати. Воістину тут справедлива прислів'я «одне лікуємо, інше калічимо». Аби не допустити підвищувати робочу напругу, конструктори стали знаходити інші шляхи для обходу цієї проблеми, і, уявіть собі, вони їх знайшли! Рішення виявилося простим, як і все геніальне: всього лише збільшенням висоти легованих областей витоку / стоку вдалося зменшити опір насиченого каналу до 30%.

Мал. 3
Звичайний SOI-транзистор (нагорі) і SOI-транзистор зі збільшеною висотою легованих областей (внизу)

Ви напевно помітили, що область затвора на наведеному малюнку зображена як би «втопленою» всередину транзистора, в той час як раніше затвор розташовувався на верхній кромці легованих областей. Збільшення висоти легованих областей без коригування положення затвора призводить до утворення своєрідного «підвалу», в який стікаються діри, виштовхує електромагнітним полем затвора з області каналу. Образно кажучи, на дні каналу осідає мул, і при певних обставинах він злітає вгору, в результаті чого транзистор веде себе зовсім не так, як гадалося. Оскільки стан «придонного шару» сильно залежить від роду і виду попередніх операцій з каналом, поведінку транзистора стає практично некерованим. Опустивши затвор вниз, конструктори домоглися того, що придонна область каналу стала повністю «промиватися» електромагнітним полем затвора, тому заряджені частинки дочиста розсмоктувалися в процесі відкриття / закриття транзистора.

До речі, якщо вже ми заговорили про процеси відкриття / закриття транзистора, не зайве буде згадати про згубний вплив жорсткого випромінювання. Космічні промені високих енергій (так само як і горезвісна радіація) проникають всередину підкладки і стикаються з атомами кристалічної решітки. Якщо удар виявляється досить сильний для того, щоб вибити валентні електрони з їх законних ор-біталей, в транзисторі утвориться деяка кількість вільних носіїв зарядів, які на короткий час створять насичений канал, і незалежно від стану затвора транзистор відкриється. Помилкові відкриття транзисторів вкрай негативно позначаються на стабільності і надійності роботи комп'ютерної системи.

Тонкий шар ізолятора, що відокремлює леговані області SOI-транзистора від підкладки, виявляється нездоланним бар'єром для всіх іонізованих частинок, породжених радіацією або космічними променями, а тому такий транзистор виявляється більш стійким до жорсткого випромінювання, ніж його предки. Звичайно, якщо гамма-квант потрапить в область між стоком і витоком, то транзистор все-таки відкриється. Однак імовірність такої події вкрай невелика.

Інша кардинальне поліпшення транзисторів нового покоління стосується багаторазового зменшення струму витоку в області затвора (не варто плутати його з вже розглянутими струмом витоку між джерелом і стоком). Як ізолятора, що відокремлює про затвор від насиченого каналу, аж до теперішнього моменту використовувалася найтонша плівка оксиду кремнію товщиною всього в 0,8 нм (для порівняння: розмір самих транзисторів минулого покоління становив 30 нм). Така тонка плівка була обрана неспроста, і дороговказною метою розробників були навіть не габарити транзистора, а зменшення величини робочої напруги.

Звичайно, існують і більш якісні ізолятори, але нанести субмікронних плівку ізолятора на кремнієву пластину з дотриманням всіх вимог технологічного процесора набагато важче, ніж просунути канат в вушко голки, і розробка такої методики вимагає величезних розумових, фізичних і фінансових витрат. Не дивно, що творці транзистора відтягували проводи оксиду кремнію на пенсію як тільки могли. Але ось переломний момент настав: Intel заявила про створення транзисторів на основі оксиду стронцію, діелектрична проникність якого в 6,4 рази перевершує оксид кремнію. У готовому вигляді рішення компанії виглядає до смішного просто: спочатку на поверхню кремнію осаджують хлорид стронцію (ZrCl4), а потім направляють на нього струмінь звичайного водного пара. Під впливом високої температури молекули обох речовин дислокують, і утворилися іони водню захоплюються іонами хлору. Іони стронцію, в свою чергу, з'єднуються з киснем, утворюючи такий необхідний нам оксид. Однак якщо не вжити жодних заходів щодо негайного видалення хлороводню з зони реакції, з оксидом відбудеться зворотній процес - під впливом соляної кислоти він знову перейде в хлорид!

Мал. 4
Накопичення мулу в природної області каналу (нагорі) можна уникнути, якщо опустити затвор вниз (внизу)

Перехід на оксид стронцію дозволяє значно збільшити товщину діелектрика, одночасно з цим зменшуючи величину робочої напруги. Зокрема, при збільшенні товщини діелектрика в шість з половиною разів ми отримуємо таку саму ємність, яку дає оксид кремнію 0,8 нм, але струм витоку скорочується приблизно в десять тисяч разів!

Нарешті, в процесі своєї еволюції транзистори неухильно скорочувалися в розмірах, що, з одного боку, зменшувало споживаний ними струм, а з іншого - збільшувало їх швидкодія. Що ж, все логічно: чим менше обсяг легованих областей, тим вище їх реакційна здатність, а чим ближче ці області розташовані один до одного, тим менше часу потрібно току для перетину насиченого каналу.

Мал. 5
Формування хлориду стронцію на поверхні кремнієвої пластини

транзистори майбутнього

Дослідження, проведені компанією Intel, показали, що при подоланні кордону в 30 нм ток затвора витоку різко зростає, і подальше зменшення габаритів планарних транзисторів наштовхується на непереборні фізичні обмеження. Схоже, що планарная технологія досягла своєї межі, і транзисторів майбутнього доведеться рости не тільки вглиб, але і вшир!

Зміни торкнулися і геометрію двох інших електродів транзистора. Для полегшення просування струму по поверхнях витоку і стоку їх висота була значно збільшена. Тепер електрику отримало можливість поширюватися не тільки по «даху», а й бічних стінок цього імпровізованого «хмарочоса». Слід зазначити, що такий захід не тільки знижує рассеиваемую транзистором теплову потужність, але і зменшує мінімально необхідний для роботи транзистора струм.

Мал. 6
Двоканальний тривимірний транзистор з потрійним затвором

Інша важлива обставина: транзистори нового покоління зводяться нема на ізоляторі (як це було з транзисторами S0I), а на надтонкий шарі повністю збідненого кремнію, що ооеспечівает ще більше зниження струму витоку і дозволяє транзистору швидше перемикатися навіть при значно зниженому напрузі.

Таким чином, технологія потрійного затвора дозволяє створювати сверхмалі транзистори, що забезпечують ще більшу продуктивність і володіють зниженим енергоспоживанням. Причому виробництво тривимірних транзисторів цілком по зубах існуючим нині літографічним процесам, тобто будувати нову фабрику, спочатку орієнтовану на їх виробництво, не потрібно.

Ще один плюс тривимірної архітектури полягає в можливості створення багатоканальних транзисторів, один затвор яких обслуговує безліч електродів одночасно. Керуючи проходженням струму між декількома парами витоків / стоків, такий транзистор дозволяє одним махом створювати безліч насичених каналів, рівномірно розподіляють між собою проходить через них струм. Багатоканальна архітектура спрощує завдання більш щільного компонування транзисторів на кристалі і збільшує пропускну здатність кожного з них.

Транзистори сьогодні і завтра