Приборы наноэлектроники

Mикроминиатюризация и
приборы наноэлектроники
История создания транзисторов
• Биполярный транзистор 1947г.
• МОП (МДП) транзистор 1960г.
• Комплементарный МОП (КМОП)
транзистор 1963г.
МОП транзистор
КМОП транзистор
Технология производства комплементарных МОП транзисторов
заключается в формировании n- и p- канальных транзисторов на одном
кристалле
КМОП транзистор
Металлические
межэлементные
соединения
Контакты
Масштабирование МОП ИМС
параметры
Коэффициент
масштабирования
Длина канала L
1/αМ
Ширина канала Z
1/αМ
Толщина оксида dox
1/αМ
Глубина p-n перехода hj
1/αМ
Концентрация примеси Nпр
Напряжение питания UDD
αМ
1/αМ
Масштабирование МОП ИМС
параметры
Электрическое поле в оксиде Eox
Коэффициент
масштабирования
1
Ширина ОПЗ Loj
1/αМ
Емкость затвора Cox
1/αМ
Задержка сигнала tзр
1/αМ
Мощность постоянного тока Pстат
1/α2М
Динамическая мощность Pдин
1/α2М
Фактор качества F=Ptзр
1/α2М
Площадь затвора Aзат
1/α2М
Плотность тока J
αМ
Плотность мощности P/A
1
Сопротивление межсоединений r
αМ
Постоянная времени межсоединений rC
1
Падение напряжения на линии
1
Микроминиатюризация параметров МДП-приборов
Параметр прибора
n-МОП с
обогащенной
нагрузкой
1972
n-МОП с
обедненной
нагрузкой
1976
Высококачественный
МОП
1979
МОП
Коэффициент
изменения
1980
Длина канала L, мкм
6
6
3,5
2
1/αМ
Поперечная диффузия LD, мкм
1,4
1,4
0,6
0,4
1/αМ
Глубина p-n переходов x, мкм
2,0
2,0
0,8
0,8
1/αМ
Толщина затворного окисла dox,
мкм
0,12
0,12
0,07
0,04
1/αМ
Напряжение питания Vпит, В
4-15
4-8
3-7
2-4
1/αМ
Минимальная задержка вентиля 12-15
τ, нс
4
1
0,5
1/αМ
Мощность на вентиль P, мВт
1,5
1
1
0,4
1/α2М
Произведение быстродействия
на мощность, пДж
18
4
1
0,2
1/α3М
Сравнение важнейших эксплуатационных показателей
МОП ИС
Размеры транзистора
10
1
Длина
канала,
мкм
0,1
0,01
1970
1980
1990
2000
год
2010
2020
Уменьшение длины канала
Год
Тех.процесс
Длина затвора
1993
0,50
0,50
1995
0,35
0,35
1997
0,25
0,20
1999
0,18
0,13
2001
0,13
0,07
2003
0,10
0,05
2005
0,07
0,03
Минимальную длину канала ограничивает эффект,
связанный со смыканием областей истока и стока при
приложении напряжения к стоку VDS. Поскольку ширина
lоб p-n-перехода, смещенного в обратном направлении,
равна
то минимальная длина канала должна быть больше
удвоенной ширины p-n-перехода Lmin > 2lоб и быть
прямо пропорциональна корню квадратному от
напряжения питания и обратно пропорциональна корню
квадратному от уровня легирования подложки.
Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика
Важным параметром, ограничивающим уменьшение размеров
подзатворного диэлектрика, является величина туннельного тока из
затвора в канал транзистора
Зависимость плотности тока через затвор от величины напряжения на
затворе для различных толщин диэлектрика
Миниатюризация процессоров
Intel
Модель
Год
Кол-во тр-ров
Тех.процесс
Тактовая частота
4004
1971
2 250
10 мкм
108 kHz
8008
1972
2 500
10 мкм
200 kHz
8080
1974
5 000
6 мкм
2 MHz
8086
1978
29 000
3 мкм
5-10 MHz
286
1982
120 000
1,5 мкм
6-12,5 MHz
386
1985
275 000
1,5-1 мкм
16-33 MHz
486DX
1989
1 180 000
1-0,6 мкм
25-100 MHz
Pentium
1993
3 100 000
0,8-0,35 мкм
60-200 MHz
Pentium II
1997
7 500 000
0,35-0,25 мкм
233-450 MHz
Pentium III
1999
24 000 000
0,25-0,13 мкм
450-1300 MHz
Pentium 4
2000
42 000 000
0,18-0,13 мкм
>1400 MHz
Миниатюризация процессоров
Intel
Физические ограничения микроминиатюризации
Параметр
Физическое ограничение
Минимальная величина
одного элемента, 0,03 нм
Статистические флуктуации легирования
подложки, разрешение фоторезиста,
космические лучи и радиоактивность,
конечная ширина p-n перехода
Толщина подзатворного
диэлектрика, 2,3 нм
Туннельные токи через диэлектрик
Минимальное напряжение
питания 0,025 В
Тепловой потенциал kT/q
Минимальная плотность
тока, 10-6 А/см2
Дискретность заряда электрона,
флуктуации встроенного заряда
Минимальная мощность,
10-12 Вт/элемент при f=1
кГц
Шумы, тепловая энергия, диэлектрическая
постоянная
Предельное
быстродействие, 0,03 нс
Скорость света
Физические ограничения микроминиатюризации
Параметр
Физическое ограничение
Максимальное
напряжение питания
Пробой подзатворного диэлектрика,
смыкания областей истока и стока
Максимальное
легирование подложки
Туннельный пробой p-n перехода стока
Максимальная плотность
тока
Электромиграция, падения напряжения на
паразитных сопротивлениях контактов
Максимальная мощность
Теплопроводность подложки и компонентов
схемы
Количество элементов на
кристалл, 109
Совокупность всех ранее перечисленных
ограничений
Транзисторы, созданные в лабораториях Intel
Длина канала
30 нм
Декабрь 2000
20 нм
Июнь 2001
15 нм
Декабрь 2001
Возможные направления для дальнейшей
миниатюризации и повышения быстродействия
• Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика
• Наращивание областей истока/стока
• Технология «Кремний-на-изоляторе» (SOI)
• Транзистор с SiGe-каналом
Наращивание областей истока/стока
уменьшается вероятность пробоя подзатворного диэлектрика
Технология «Кремний-на-изоляторе»
(SOI)
Создание дополнительного слоя SiO2 сокращает паразитные емкости,
а следовательно, позволяет добиться более высокой скорости
переключения транзистора
МОП транзистор с SiGe каналом
Применение SiGe канала увеличивает скоростные характеристики
транзистора за счет более высокой подвижности дырок. Однако
преимущество уменьшается при сокращении длины канала.
Важнейший процесс в микро- и
наноэлектронных производствах –
литография
Виды нанолитографий :
1) Оптическая нанолитография
2) Электронная нанолитография
3) Наноимпринт
4) Применение приемов самосовмещения
при использовании оптической литографии
(например, i-линия)
Оптическая нанолитография
Длина
волны, нм
Достижимое
разрешение,
нм
Преимущества
Недостатки
193,4 (ArF)
90-70
Высокая
производительность
-
157 (F2)
13,4
65-50
30-10(?)
Оптика должна строиться
на GaF2, что увеличивает
стоимость процесса
литографии
Пока нет источника
излучения с нужными
параметрами для
промышленного
применения
Альтернативные методы
нанолитографии
Метод
Достигнутое
разрешение
нм
Примечание
Электронная
нанолитография
30-7
Энергия электронов 100-200
кэВ в пучке диаметром 1-10
нм. Низкая
производительность
Наноимпринт
10-6
Совмещение нескольких
штампов проблематично
40-35
Только для наиболее
критичных элементов
топологии
Применение приемов
совмещения при
использовании оптической
литографии
( например, i-линия )
Гибридная интегральная микросхема
Схема формирования
суб-100 нм щели
а - литография по фоторезисту,
б - контролируемый подтрав
металлической пленки под
резист,
в - нанесение металлической
пленки,
г - удаление фоторезиста
методом "взрыва",
д - фотография структуры на
стадии (в)