CC BY
4
14. Куликов, А. В. Значимость курсового проектирования по дисциплине «Логистика грузовых перевозок» в компетентном обучении бакалавров направления «Технология транспортных процессов» / А. В. Куликов, Я. О. Ткаченко, В. В. Горина // Мир науки и инноваций. - 2016. - Вып. 1, т. 1 «Транспорт. Безопасность». - С. 4-15.
УДК 621.382.323
Бутенко Е.Е. студент 3 курса бакалавриата Севастопольский государственный университет
Россия, г. Севастополь
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ПЕРЕХОДА НА ТРАНЗИСТОРЫ С ТРЕХМЕРНОЙ СТРУКТУРОЙ ЗАТВОРА
Аннотация. В данной статье рассматриваются основные негативные эффекты, проявляющиеся в каналах МОПТ, спровоцировавшие переход на новый тип транзистора. Так же перечисляются трудности, связанные с разработкой и производством микросхем, в которых применяется новая технология транзистора с трехмерной структурой затвора.
Ключевые слова. Интегральная микросхема, транзистор, MosFet, FinFet, пороговое напряжение, короткоканальные эффекты, электрическое поле.
Butenko E.E.
3rd year undergraduate student Sevastopol state university Russia, Sevastopol
THE POSITIVE AND NEGATIVE ASPECTS OF THE TRANSITION TO TRANSISTORS WITH THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE OF
THE GATE
Abstract. This article presents the main negative effects that manifesting in the channels of MosFet, provoking a conversion to a new type of transistor. Also emphasis is placed on difficulties associated with the development and production of chips, which use a new transistor technology with a three-dimensional structure of the gate.
Keywords. Integrated circuit, transistor, MosFet, FinFet, threshold voltage, short-channel effects, electric field.
В рамках данного исследования важно подчеркнуть, что при движении полупроводниковой технологии по направлению уменьшения элементов интегральных схем, использование привычных планарных MosFet теряет свою актуальность. Связано это с тем, что электрическое поле в канале распределяется не одномерно, как в большеразмерных транзисторах, а двумерно (рисунок 1).
Рисунок 1 - Распределение электрического поля в длинном (слева) и коротком (справа) каналах MosFet
Такое распределение поля влечет за собой проявление различных негативных физических короткоканальных эффектов, при размерах канала -180 нм и менее. Рассмотрим основные эффекты.
Отсутствие зависимости порогового напряжения от длины канала. Говоря о длинноканальных транзисторах можно утверждать, что заряд под затвором в области обеднения, а, следовательно, и выходное напряжение транзистора строго зависит от напряжения на затворе. Однако, это справедливо лишь тогда, когда ширина зоны обеднения много меньше, чем длина канала (далее - L) [1]. А при условии, что ширина зоны обеднения пропорциональна L, пренебрегать зарядами зоны обеднения стока и истока нельзя. Иначе говоря, уменьшая L транзистора, мы меняем конфигурацию распределения электростатического поля. Вследствие этого происходит увеличение модуля поверхностного потенциала и уменьшение величины порогового напряжения (далее - Uth). Данное проявление называется эффектом короткого канала.
Узкоканальные эффекты. В данном случае конечным, меняющимся в зависимости от размера канала параметром, также является Uth. Вид проявления зависит от способа боковой изоляции в канале транзистора.
В одном случае (при прямом проявлении) Uth растет при уменьшении ширины канала (далее W). Происходит это тогда, когда применяется технология LOCOS (изоляция локальным окислением кремния). В другом случае (при обратном эффекте узкого канала), наоборот, величина Uth уменьшается при сужении канала. Это связано с применением £Т/-изоляции (shallow trench isolation) - изоляции мелкими канавками.
Следует отметить, что короткоканальный и узкоканальный эффекты действуют в противоположных направлениях и, как бы, частично компенсируют друг друга. Однако, эффект узкого канала оказывается доминирующим и в большей мере подавляющим другие эффекты, связанные с изменением Uth. Так, при пропорциональном уменьшении W и L, наблюдается увеличение Uth [2].
DIBL-эффект. При увеличении напряжения на стоке, область обеднения стока распространяется в направлении истока и индуцируется дополнительный заряд в канале. Это влияние также распространяется на значение Uth? явление называется DZSL-эффектом {Drain Induced Barrier
Lowering). Потенциальный барьер drain-source контролируется в том числе стоком [3].
Действие всех этих эффектов повлекло переход от MosFet к новым видам. В частности, к FinFet (транзисторы с трёхмерной структурой затвора или транзисторы плавниковой структуры). Принципиальным отличием является то, что канал у FinFet окружен затвором с трех сторон (рисунок 2).
Рисунок 2 - FinFet
Технология плавниковой структуры позволяет избежать некоторых проблем, связанных с ухудшением характеристик нанометрового транзистора. Однако, переход на новую технологию влечет за собой определенные трудности.
К ним относятся:
- рост числа слоев металлизации в кристалле;
- колоссальное количество ребер в кристалле;
- разброс размеров ребер, приводящий к несоответствию характеристик некоторых транзисторов заданной норме;
- появление дополнительных паразитных ёмкостей из-за избыточной многомерности структуры;
- появление паразитных резистивно-ёмкостных цепей и т. д.
Перечисленные последствия способствуют усложнению процесса
разработки и процесса тестирования произведенных образцов, поскольку данные паразитные эффекты необходимо учитывать при создании компьютерной модели транзисторов. В следствие этого происходит значительное увеличение стоимости всего цикла разработки и производства FinFet транзистора.
Именно в связи с данными трудностями, один из четверки мировых гигантов по разработке и производству полупроводниковых интегральных схем, таких как Intel, TSMC, GlobalFoundries и Samsung, перешедших границу в 20 нм, отвалился. Конкретно, американская компания GlobalFoundries, на одной из своих конференций в 2018 году, объявила о приостановке работ в области технологической нормы в 7 нм и менее, аргументировав это экономической нерентабельностью.
Но с другой стороны, тенденция к удешевлению конечного продукта с
использованием FinFet технологии, все равно может присутствовать. Одна из основных компаний по производству полупроводниковых пластин «Applied Materials», переходит на все большие размеры диаметра пластины, а также снижает процент брака при производстве. Кроме того, с уменьшением норм техпроцесса растет плотность компоновки и уменьшается энергопотребление, а соответственно — и тепловыделение изделия. В свою очередь, это снижает общую стоимость отдельного процессора.
На основе проведенного анализа можно сделать вывод, что закон Гордона Мура давно перестал действовать. Возможно, предел кремниевой наноэлектроники уже близок, поскольку расстояние между атомами кремния составляет 0,5 нм. И современным ученым, постепенно подбирающимся к границам, каждый раз придется идти на различные ухищрения, для того, чтобы переходить к новым технологическим нормам.
Использованные источники:
1. Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. Издание 2-е, исправленное. Изд-во Москва: Техносфера, 2011. - 800 с.
2. Зебрев Г. И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: учебное пособие для вузов / Г. И. Зебрев. - М. : Изд-во БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 240 с. : ил. - (Нанотехнологии).
3. Гуртов, В. А. Твердотельная электроника: Учеб. пособие / В. А. Гуртов. -Изд-во Москва, 2005 - 492 с.
