Достижения по быстродействию и планы по «high-К»

Рекордной частоты усиления по мощности/_тах = 135 ГГц достигли сотрудники Mitsubishi в Si полевом транзисторе (MOSFET), сформированном на подложке «кремний на изоляторе» (SOI) и имеющем длину затвора 70 нм. Другой важной характеристикой транзистора является частота отсечки/_т (частота, на которой коэффициент усиления по току становится равным единице) и является внутренним свойством транзистора, в то время как частота/_тах характеризует его работу в радиочастотной/аналоговой или логической схеме. Резкого увеличения частоты отсечки /_т до 140 ГГц добились путем уменьшения длины затвора транзистора до 70 нм. Однако при этом частота/_тах осталась на уровне 60—80 ГГц. Нынешнее достижение сотрудников Mitsubishi приблизило MOSFET к рекордам гетероструктурных SiGe-транзисторам: /_т=122ГГц,/_т" = 98ГГц.

Определяющим для повышения /_тах является снижение емкости исток-сток, емкости и сопротивления затвора, что и получено в Mitsubishi.

Толщина слоя кремния в структуре SOI составляла 150 нм, заглубленного окисла — 400 нм, толщина подзатворного термического окисла составляла 2 нм. По особой технологии на SOI формируется затвор длиной 70 нм. В качестве материала затвора используется силицид кобальта. По бокам затвор покрывается спейсерами, ширина которых изменялась в диапазоне от 0 до 20 нм для оптимизации высокочастотных свойств транзистора. Канал транзистора, расположенный под затвором, не легировался. Исток и сток «подтягивались» к нему от электродов истока и стока за счет сильного легирования слоя кремния. Эта процедура выполнялась с помощью низкоэнергетической имплантации, причем затвор и спейсеры служили при этом масками, предохраняющими от попадания примеси в канал транзистора. Для изготовления транзистора использовалась технология с критическим размером 0,18 мкм. Очень возможно, что на снимке (рис. 5.37), полученном на сканирующем электронном микроскопе, представлен лучший в мире кремниевый полевой транзистор.

Рис. 5.37. Кремниевый полевой транзистор.

Совершенствование технологии кремниевых полевых транзисторов позволило фирме Intel на обычной объемной кремниевой подложке изготовить с хорошими параметрами транзистор, имеющий длину затвора всего 30 нм. Считалось, что короткоканальные эффекты не позволят это реализовать по причине того, что в закрытом состоянии транзистора по каналу течет слишком большой ток из-за смыкания областей обеднения р-п-переходов. Чтобы этого не происходило, следует использовать мелкозалегающие р-п-переходы, т. е. производить мелкое легирование, что и сделали сотрудники Intel Согр.

Другим способом подавления короткоканальных эффектов является уменьшение подзатворного слоя Si0₂, но это приводит к увеличению туннельного тока в затвор транзистора. Выход найден в использовании материалов с высокой в, тогда толщину подзатворного диэлектрика можно делать гораздо больше. Специалисты Intel использовали и этот путь, в качестве подзатворного диэлектрика применяя Zr0₂, Hf0₂ и Si0₂ с равной эффективной толщиной. Лучшие высокочастотные свойства показал транзистор с НЮ₂, у которого длина затвора составляла 0,1 мкм, а ширина 7 мкм:/_т = 83 ГГц,/_тах = 35 ГГц (NMOS) и/_Т = 41 ГГц,/_тах = 25 ГГц (NMOS). Это не очень хорошие показатели.

Указанные приемы использованы и фирмой IBM, которая кроме развития традиционной технологии выполнила исследования совершенно новых структур, например использование в качестве диэлектрика таких материалов, как Hf0₂, А1₂0₃, Hf0₂/Al₂0₃, Zr0₂, АШ_у(О_х). Результаты исследований подтверждают, что наличие большого числа заряженных поверхностных ловушек и есть главное препятствие к внедрению материалов с высокой 8 в технологию.

Вышел на новый уровень и транзистор FinFET, получив в качестве канала узкий брусок Si диаметром порядка 10 нм. Длина затвора может быть 10 нм и меньше (University of California, Berkeley). В настоящее время усилия направлены на формирование нескольких каналов (брусков), что обеспечивает требуемую величину тока транзистора в открытом состоянии. Достоинством FinFET является то, что в нем затвор огибает с трех сторон канал транзистора, улучшая управление проводимостью канала транзистора напряжением на затворе. Однако реальная подвижность носителей в канале транзистора из-за рассеяния на шероховатостях бруска (fin), формируемого методами травления, значительно снижена.