9.6.6. Сопротивление сток-исток

Масштабирование размеров устройства также включает в себя глубину залегания перехода. Это приводит к увеличению поверхностного сопротивления стока и истока. Это сопротивление приводит к падению напряжения , которое снижает имеющиееся напряжение между затвором и внутренним электродом истока. Это паразитное последовательное сопротивление может дать значительное снижение тока в короткоканальных транзисторах. Такие методы, как аморфизационное внедрение для неглубоких переходов или лазерный отжиг переходов статут важными для получения низкого поверхностного сопротивления в неглубоких переходах.

9.6.7. Примесные флуктуации

У малоразмерных транзисторов количество легирующей добавки в области канала, которая контролирует пороговое напряжение, становится очень малым. Случайность количества и расположения этих примесей будет приводить к значительным изменениям порогового напряжения от устройства к устройству.²⁰ Например, транизистор с длиной затвора 100 нм и шириной 400 нм имеет в своём инверсном слое приблизительно 1000 атомов легирующей примеси. Когда длина затвора уменьшается до 25 нм, количество легирующего компонента уменьшается приблизительно до 120. Число флуктуаций задаётся стандартным отклонением, равным квадратному корню из числа атомов примеси. Для длины затвора 25 нм оно составляет около 11 из 120 атомов примеси, что является очень существенным колебанием. Это оказывает непосредственное влияние на изменение порогового напряжения от устройства к устройству, так как число ионизированных примесей определяет значение порогового напряжения. Эти изменения могут быть уменьшены путём тщательного контроля профиля легирования примеси в области канала, например в ретроградно-легированном канале. Ретроградно-легированный канал состоит профилей низкого и высокого легирования. Колебания легирования в этом случае удалены от канала, чтобы уменьшить их влияние на пороговое напряжение.

Транзисторы с физической длиной затвора 15 нм были продемонстрированы ранее.^3,4 Эти размеры транзистора значительно опережают планы ITRS (рис. 9.21). Одна статья описывает транзистор, изготовленный с толщиной нитрадного/оксинитридного подзатворного диэлектрика 1.4 нм (эффективной толщиной оксида 0.8 нм) связанного с поликристаллическим электродом затвора, с ультра-неглубоким переходом сток-исток и компактными гало-профилями в области канала для уменьшения короткоканальных эффектов. NMOS и PMOS-устройства получили задержку на затворе (CV/I) величиной с 0.29 пс и 0.68 пс, соответственно, при напряжении питания 0,8 В. Это показывает, что планарная CMOS технология имеет потенциал чтобы оставаться основной технологией в течение следующего десятилетия. Однако, будут необходимы постоянные усилия для преодоления конструктивных и технологических барьеров устройства для достижения плана ITRS.

9.7. Наноразмерные mosfet транзисторы: удлинение классических cmos-тразисторов

Размеры транзисторов уменьшались приблизительно на 30% каждые 2-3 года, позволяя полупроводниковой промышленности следовать закону Мура, который гласит, что число элементов на чипе удваивается каждые 18 месяцев.

По мнению Промышленной Ассоциации Международной Технологической Дорожной карты Полупроводников, уменьшение масштаба печатных и физических длин затвора транзисторов в обозримом будущем будет продолжаться, и к 2016 году они достигнут величины 13 и 9 нм соответственно.² Следующая таблица дает некоторые из ключевых требований и параметров, спрогнозированных на ближайшие 15 лет. Технологический процесс в таблице представляет собой размер половины шага ячейки DRAM, которая исторически была двигателем технологии. Однако начиная с 90-х технология изготовления высокопроизводительных микропроцессоров (MPU) ускорилась и в настоящее время управляет самыми передовыми процессами. Длина затвора транзисторов используемая в микропроцессорах имеет размеры, которые значительно меньше, чем половина шага DRAM, что можно увидеть в Таблице 9.2.

Физическая длина затвора транзистора будет уменьшаться от 45 нм в сегодняшних передовых процессах, приблизительно до 9 нм за следующее десятилетие. Рисунок 9.21 показывает эту тенденцию для физической и печатной длины затвора транзисоров, используемых в MPU. Как можно увидеть, длина затвора уменьшается на коэффициент 0,7 каждые 2 года на протяжении последних 5 лет, что намного быстрее, чем предполагалось вначале. Предполагается, что такое ускорение будет продолжаться примерно до 2005 года, после чего масштабирование будет производиться за 3-летний цикл вместо 2-летнего цикла. В результате интенсивного масштабирования, малоразмерные эффекты, описанные в предыдущем разделе, станут более выраженными и ограничения, налагаемые на физику и материалы будут представлять собой серьёзные проблемы. Традиционные решения, использующие комклексные легирующие профили канала и областей истока/стока станут недостаточными для удержания малоразмерных эффектов от снижения производительности транзисторов.

Как уже говорилось ранее, среди основных проблем, связанных с пределами масштабирования – эффекты короткого канала, действия толщины подзатворного диэлектрика, в частности, токи утечки, включая ток утечки затвора, причиной которого является квантово-механическое туннелирование, подпороговые токи утечки, ток утечки перехода, межзонное туннелирование между стоком, смещённом в обратном направлении и сильнолегированной подложкой и прямое туннелирование между истоком и стоком через потенциальный барьер канала. Замена традиционного изолятора на альтернативные high-k диэлектрические материалы должна резрешить некоторые из этих проблем утечки.

Так как подпороговый ток утечки не подавляется за счёт внедрения новых материалов, он будет одним из самых главных ограничений масштабирования. Это означает, что пределы масштабирования будут зависеть от приложения. К низкомощным устройствам принимаются более строкие ограничения токов утечки, чем к высокопроизводительным.

Кроме того, поликремниевый электрод затвора имеет ограничение, связанное с инверсным слоем и обратной диффузией бора, снижающее полезное действие масштабирования устройства. В результате, будут необходимы новые металлические материалы затвора в сочетании с high-k диэлектриками. Инновации и в структурах устройства, и в материалах позволят обеспечить работу высокопроизводительных наноразмерных электронных устройств. Некоторые из наиболее перспективных подходов обсуждаются ниже.