Предлагаем радиолюбителям познакомиться с новейшими разработками корпорации Intel - сверхминиатюрными полевыми транзисторами, на основе которых построены современные микропроцессоры и большие интегральные схемы.
Интегральный транзистор- основа СБИС
Современные микропроцессоры Pentium 4 корпорации Intel выпускаются в виде микросхем с проектной нормой разрешения в 130 нм (рис. 1), которые формируются на дисках из сверхчистого монокристалла кремния диаметром 300 мм. В последнее время в качестве проводящего материала вместо алюминия широко применяется медь, и в ближайшее время ожидается преодоление технологического барьера 100 нм. В частности, это достигается переходом от фотолитографии в видимом оптическом диапазоне к более коротковолновому излучению, что может на порядок улучшить разрешение элементов БИС и СБИС.
Рис.1.
Сколь бы ни был сложен современный микропроцессор (или любая СБИС), его "кирпичиками" являются полевые транзисторы. Обычные полевые транзисторы и их схемотехника достаточно подробно описаны в [1, 2]. Структура интегрального полевого транзистора представлена на рис. 2.
В полупроводниковой пластине из чистейшего кремния создаются области истока и стока с повышенной концентрацией донорной примеси. Из истока вытекают и втекают в сток носители электрического заряда, создавая ток стока. Между ними образуется канал с проводимостью n-типа. Поверх него расположен слой тончайшего диэлектрика и на нем „толстый” слой металла или иного проводящего материала- затвор.
Рис.2.
Рабочие токи микромощных интегральных транзисторов очень малы, хотя микропроцессоры с десятками миллионов транзисторов потребляют достаточно большой общий ток (единицы-десятки ампер). Более того, токи открытых интегральных полевых транзисторов становятся сравнимы с токами утечки, которые в первую очередь зависят от качества подзатворного диэлектрика, которым служит двуокись кремния (SiO2).
Терагерцовые полевые микротранзисторы
К 30-летию создания первого в мире микропроцессора 4004 корпорация Intel сделала себе подарок- объявила о создании нового переключающего и поистине сверхминиатюрного транзистора, получившего название терагерцового транзистора (TeraHertz) (рис. 3). Прибор способен работать с частотой переключения более 1000 ГГц (т.е. выше 1 ТГц).
Рис.3.
Новый транзистор способен работать в тысячу раз быстрее, чем обычный полевой транзистор с изолированным затвором. Прибор как бы утоплен в металле. Изолятором его затвора служит новый диэлектрик с высокой постоянной диэлектрической проницаемостью, который является "ноу-хау" Intel. Он имеет значительно меньшие токи утечки, что позволяет транзистору работать при очень малых рабочих токах.
Область транзистора- островок кремния ? ограничена оксидным слоем, истоком и стоком, что позволяет создавать тысячи транзисторов на той же площади кристалла, где ранее удавалось создать всего один (кстати, тоже очень маленький) транзистор. На рис. 4 показан терагерцовый транзистор в разрезе.
Рис.4.
Новый прибор выполняется на так называемом напряженном кремнии. Тонкая пленка кремния механически растягивается, что ведет к увеличению расстояния между атомами. Пользуясь автомобильной терминологией, это эквивалентно увеличению ширины полосы на автомобильной магистрали, что увеличивает ее пропускную способность. В данном случае напряженный кремний позволяет увеличить крутизну характеристики полевых транзисторов и их импульсные токи до 20% по сравнению с транзисторами, выполненными на обычном кремнии.
Дальнейшее развитие этих приборов возможно на пути применения так называемого "high-k" диэлектрика с увеличенной толщиной и повышенной диэлектрической постоянной. Однако этот диэлектрик плохо совместим с материалом затвора- поликристаллическим кремнием.
Поэтому в Intel был создан новый сплав металлов, способный выполнять функции затвора. Корпорации Texas Instruments, IBM и Mototola также ведут исследования в области разработки материалов для новых полевых транзисторов. Но пока удача, судя по всему, улыбнулась Intel. Предполагается, что новые приборы будут выполняться по технологии с разрешением 45 нм.
Летом 2003 года корпорация Intel выпустила микропроцессор Intel® Itanium® 2, ранее известный под кодовым названием "Madison", кристалл которого площадью всего 374 мм2 (меньше двухрублевой монеты!) содержит 410 млн. транзисторов. Так что не за горами преодоление очередного технологического барьера ? создание микросхем с миллиардом транзисторов на кристалле. Экспериментальные образцы транзисторов для таких процессоров, с проектной нормой до 15 нм, уже созданы в лабораториях Intel.
Кремниево-германиевые биполярные транзисторы
Еще в октябре 2002 г. на первом международном форуме разработчиков Intel в Москве было сообщено о разработке самого быстродействующего в мире кремниево-германиевого биполярного транзистора SiGe HBTs (рис. 5).
Рис.5.
Кремниево-германиевая база этого транзистора имеет уникально малую толщину. Прибор использует так называемые гетеропереходы (слои разных по свойствам материалов), в разработку которых внес большой вклад лауреат Нобелевской премии академик РАН Жорес Алферов. Впрочем, применительно к данным приборам этот вклад имеет скорее фундаментальное теоретическое, чем практическое значение: Жорес Алферов вел разработки не скоростных транзисторов, а лазерных светоизлучающих диодов.
Новые приборы обладают рекордными показателями по скоростям переключения, имеют меньшие шумы и работают при более низких рабочих напряжениях, чем полевые транзисторы со структурой "металл-диэлектрик-полупроводник" (МДП или MOS). Они используются в коммуникационных и тестовых микросхемах, применяемых для сверхскоростных электронно-оптических устройств.
Трехзатворные полевые транзисторы
Вслед за недавно предложенными терагерцовыми транзисторами, Intel объявила о создании новых трехмерных (или, точнее, трехзатворных) полевых транзисторов. Вообще говоря, трехмерные полевые транзисторы (в том числе многозатворные) давно известны. Например, трехмерную структуру имеют многие типы мощных полевых транзисторов [1, 2].
Новизна этого транзистора в том, что новые транзисторы как бы выступают над поверхностью кристалла, а не утоплены в ней. Если бугорок кремния в виде параллелепипеда создается на подложке, то возможны различные структуры на его основе ? с одним, двумя и тремя затворами (рис. 6). Структура новых транзисторов подробно рассмотрена в [3]. В этих приборах также возможно применение нового диэлектрика с большой диэлектрической постоянной и новых сплавов для затвора.
Рис.6.
Применение такой структуры позволило, не увеличивая общую площадь, занимаемую транзистором в целом, почти на треть увеличить площадь затвора, а следовательно увеличить крутизну характеристик транзистора. Заодно к минимуму сводятся межэлектродные емкости транзисторов, что увеличивает скорость переключения прибора.
О реальном виде новых приборов можно судить по микрофотографии участка микросхемы с такими транзисторами (рис. 7). На рисунке видно, что области прибора геометрически четко различимы и что их изготовление пока достаточно хорошо контролируется. Мы употребляем слово „пока” потому, что размеры некоторых областей таких приборов (прежде всего толщина диэлектрика затвора) приблизились к размерам атомов и толщина диэлектрика составляет несколько атомных слоев.
Рис.7.
В своем докладе [3] один из основателей корпорации Intel Гордон Мур приводит уникальные микрофотографии вырезки области канала у полевых транзисторов. Полученные с помощью электронного микроскопа с огромным увеличением (сотни тысяч раз) эти микрофотографии (рис. 8) позволяют наблюдать отдельные атомы, которые выглядят, как сферы.
У обычных полевых транзисторов, выполненных по 90 нм технологическому процессу (рис. 8 слева), толщина диэлектрика достигает 1,2 нм, а у новых транзисторов- всего 5 атомов. Такой тонкий слой не очень контролируем, что ведет к появлению заметных токов утечки. У новых транзисторов (рис. 8 справа) толщина нового диэлектрика заметно увеличена (до 3 нм).
Рис.8.
Это резко (примерно в сто раз) уменьшило токи утечки, что также позволяет уменьшить рабочие токи транзисторов. Однако управляющее действие затвора сохранено, поскольку новый диэлектрик имеет повышенную диэлектрическую проницаемость.
В целом все эти тонкости структуры и технологии изготовления интегральных полевых транзисторов означают уменьшение их размеров и повышение рабочих частот при одновременном снижении рабочих напряжений, токов и рассеиваемой мощности. Расчеты показывают, что плотность упаковки транзисторов в микросхеме возрастает в тысячи раз, и это означает новый технологический прорыв в производстве СБИС.
В работе B. Doyle, представленной в материалах второго форума IDF в Москве (конец 2003 г.), были представлены материалы по исследованию и математическому моделированию трехзатворных транзисторов. Исследуемый образец прибора (рис. 9) имеет ничтожно малые размеры.
Рис.9.
На рис. 10 представлено семейство вольт-амперных выходных и передаточных характеристик этого прибора. Они наглядно показывают на возможность работы новых приборов при рабочем напряжении 1В и ниже. Вслед за Intel о разработке трехзатворного скоростного полевого транзистора объявила и компания AMD. Ее транзисторы также создаются на основе структуры SOI- кремний на изоляторе.
Рис.10.
Сверхтонкая токопроводящая подложка, созданная из обедненного кремния на изоляторе (FDSOI), окружена с трех сторон затворами из силицида никеля. В такой структуре также происходит растяжение кремния на подложке и увеличивается подвижность носителей тока. AMD утверждает, что достигнут дополнительный прирост быстродействия транзисторов на 50%.
Перспективы развития полупроводниковой промышленности устанавливаются в проекте ITRS (Международный технологический план выпуска полупроводников). Новые трехзатворные полевые транзисторы превосходят показатели, представленные в этом проекте на 2009 год. Внедрение трехзатворных приборов в массовое производство ожидается в 2007 году.
Развитие производства микротранзисторов
Как известно, даже один транзистор позволяет строить массу полезных устройств: усилительный каскад, ключ или инвертор, генератор, управляемый аттенюатор и т.д. Десятка транзисторов вполне достаточно для построения современного супергетеродинного всеволнового радиоприемника, а полсотни транзисторов для построения приличного телевизора.
Однако в вычислительной технике ситуация иная: даже простейший калькулятор требует применения многих тысяч транзисторов. Он типичное детище микросхемотехники. А транзисторные ЭВМ содержали сотни тысяч транзисторов. И это не удивительно: ЭВМ должны хранить и обрабатывать огромные объемы информации, а один транзистор в сущности всего один ее бит.
Поэтому мир логично перешел от устройств на дискретных транзисторах к устройствам на интегральных микросхемах, каждая из которых содержит в наши дни уже десятки миллионов транзисторов. Микроэлектроника превратилась в огромную отрасль мировой экономики (рис. 11, как и последующие рисунки, взят из статьи Гордона Мура [3]).
Рис.11.
Кривая на рис. 11 в отдельные годы испытывала провалы- это годы кризисов в полупроводниковой промышленности, вызванные дисбалансом спроса и предложения на рынке полупроводниковых приборов. Зато кривая роста числа производимых транзисторов непременно уходила вверх (рис. 12).
В ней можно заметить некоторое изменение наклона, причем, слабо заметные точки перегиба приходятся на моменты коренного изменения технологии изготовления микросхем и появления описанных выше новинок технологии. В наши дни число производимых транзисторов приблизилось к 1018 штук. Если бы цена на них не снижалась, то людям не хватило бы всех денежных средств на покупку такого количества транзисторов.
Рис.12.
К счастью, появилась микроэлектроника и теперь подавляющее большинство транзисторов изготавливают огромными массивами: на кремниевом диске диаметром 300 мм в составе СБИС формируются сотни миллиардов транзисторов. При этом для всех транзисторов выполняются одни и те же операции. Это ведет к резкому снижению стоимости отдельного транзистора (рис. 13).
Рис.13.
Чтобы производить как можно больше транзисторов, одновременно нужно уменьшать их геометрические размеры, что означает переход к нанотехнологиям (рис. 14).
Рис.14.
Выводы
В производстве опытных и даже серийных БИС уже используются нанотехнологии и преодолен барьер разрешения в 0,1 мкм (100 нм). В электронных устройствах безусловно нужны не только микромощные, но и мощные приборы. Например, в энергетике нужны приборы с коммутируемой мощностью от десятков ватт до мегаватт. И для создания таких приборов полевые транзисторы предоставляют обширные возможности [1, 2].
Заметим, что в наше время большинство мощных полупроводниковых приборов строится на основе интеграции множества элементарных структур на одной подложке. Эти структуры, конечно, подчас сильно отличаются от структур микромощных транзисторов. Однако, генеральный путь разработки мощных приборов тот же микроэлектронное исполнение.
Появление новейших типов полевых микротранзисторов означает коренное изменение элементной базы электронных устройств. Прогнозы, в том числе следующие из закона Мура, показывают, что к 2010 году число транзисторов на кристалле СБИС, включая микропроцессоры, превысит 1 миллиард единиц, что позволит резко расширить функциональные возможности интегральных микросхем. Разработчикам электронной аппаратуры и службам сервиса придется уже в ближайшее время готовиться к появлению аппаратуры на таких СБИС и новой организации ее ремонта и сервиса.
В. Дьяконов
Литература:
- Бачурин В. В., Ваксембург В. Я., Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю./ Под ред. В. П. Дьяконова. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах. М.: Радио и связь, 1994.
- Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. /Под ред. В. П. Дьяконова. М.: Солон-Р, 2002.
- Гордон Мур. Ничто не бесконечно, но предел можно отодвинуть. ISSCC 2003/SESSION 1/PLENARY/1.1
РС6-2004
