Лекция 6 Транзисторы технологии «кремний-на-изоляторе»
План лекции
6.1. Мотивация КНИ
6.2. Преимущества КНИ МОПТ
6.3. Различные конфигурации КНИ МОПТ
6.4. Частично обедненные КНИ МОПТ
6.5. Полностью обедненные КНИ МОПТ
6.6. Ультратонкие КНИ МОПТ
6.7. Сравнение полностью и частично обедненных КНИ МОПТ
6.8. Масштабирование КНИ МОПТ
6.8.1 Короткоканальные эффекты
6.8.2 Эффекты узкого канала
6.8.3 Толщина пленки
6.8.4 Объемная инверсия
6.9. Технологии многозатворных МОПТ
6.1. Мотивация КНИ
Технология «кремний-на-изоляторе» (КНИ) рассматривается как естественная преемница объемной технологии (рис. 6.1). Считается, что последовательное развитие технологии КНИ должно привести к достижению предельных характеристик кремниевых КМОП схем.
Рис. 6.1. Сравнение объемной (а) и КНИ технологии (б)
Исторически МОП транзисторы, изготовленные по технологии «кремний-на-изоляторе» (КНИ МОПТ, международный термин «Silicon-On-Insulator», SOI MOSFET), появились достаточно давно как элементы схем специального применения. Первые КНИ транзисторы имели структуру «кремний-на-сапфире», и их главным достоинством считалось отсутствие радиационно-индуцированных токов в p-n переходах стока и истока. До начала 90-х гг. XX в. КНИ технологии не рассматривались как серьезная альтернатива коммерческой объемной технологии, главным образом, из-за своей дороговизны. Со временем выяснилось, что КНИ МОПТ имеют существенные функциональные преимущества перед транзисторами обычных объемных технологий с неизолированной подложкой.
В настоящее время КНИ структуры активно проникают в коммерческие технологии. Предполагается, что этот процесс будет идти еще быстрее по мере повышения степени интеграции и, в конце концов, КНИ станет доминирующей коммерческой технологией.
Активная область КНИ МОП транзистора, именуемая базой или «телом» (международный термин body), представляет собой тонкую кремниевую пленку между контактами стока и истока, изолированную со всех сторон слоями окислов (см. рис.6.1). Скрытый или «захороненный» окисел (международный термин buried oxide, BOX), в КНИ структурах изолирует активную область прибора от подложки, а вертикальная изоляция (как правило, STI) делает невозможными токи утечки и тиристорный эффект между двумя соседними приборами.
6.2. Преимущества кни мопт
Транзисторы, изготовленные по технологии КНИ, обладают рядом важных преимуществ над транзисторами объемных технологий с аналогичной проектной нормой.
Область стока/истока расположена прямо над скрытым окислом, поэтому изоляция скрытым окислом имеет существенно меньшую емкость, чем изоляция pn-переходом в объемных транзисторах, что объясняется большей толщиной скрытого окисла и меньшей диэлектрической проницаемостью окисла по сравнению с кремнием. Это дает уменьшение паразитных емкостей (на 30…50%) и соответствующее увеличение быстродействия из-за уменьшения времени задержки.
По той же причине, из-за уменьшения паразитной емкости, уменьшается динамическое энергопотребление (приблизительно на 30% при той же тактовой частоте и напряжении питания).
Улучшается электростатическое качество транзисторов за счет подавления геометрических короткоканальных эффектов. Повышается (на ~ 15%) плотность интеграции за счет уменьшения расстояния между транзисторами.
В КНИ схемах отсутствуют эффекты влияния общей подложки на пороговые напряжения, как это имеет место в схемах объемной КМОП технологии.
КНИ транзисторы могут иметь очень малое (близкое к минимальному) значение подпорогового размаха (S-фактор ~ 60мВ/декаду при комнатных температурах), что позволяет снизить пороговое напряжение до 0,3В, не увеличивая статические токи утечки. Соответственно, это позволяет уменьшать напряжения питания и динамическое энергопотребление.
Из-за высокой степени изоляции перекрываются пути для развития паразитного тиристорного эффекта (эффекта «защелки»), часто имеющего место в n-p-n-p структурах объемных КМОП технологий.
7. Боковая изоляция (например, изоляция типа «птичий клюв» (LOCOS), мелкими канавками (STI)) дает возможность более компактного расположения элементов и более простой технологии изготовления, поскольку нет необходимости в карманах и глубоких канавках, как это имеет место в объемной технологии.
8. Отсутствуют ионизационные токи в p-n переходах при внешних импульсных ионизационных воздействиях. Поэтому КНИ МОПТ чрезвычайно устойчивы к воздействию импульсной радиации.