Microsoft PowerPoint - MK_SOI_novo

Транскрипт

1 OI: Između aktivnog dijela tranzistora i podloge nalazi se sloj io 2 Jednostavnija struktura Klasični CMO Parazitni tranzistori, otpori, kapaciteti LDD se lako realizira Plitki pn spojevi, lako se realiziraju Manji problem prohvata Odlična izolacija, nema parazita, visoka gustoća pakiranja OI: Nema otoka (well): jednostavnija struktura Ne treba izolacija Manji broj maski Kompaktnija struktura, bliža 1D školskom primjeru Potencijalno veći prinosi manja cijena 2 oksidan sloja: Ukopani (engl. buried oxide - BOX) Upr. elektrode ( oxide GOX) Litografska dimenzija Troškovi: OI waferi su skuplji od čistog (bulk) silicijskog wafera Razlika je manje izražena za manje rezolucije litografije (OI slojevi su tanji) Procesiranje OI wafera sadrži manji broj tehnoloških koraka: manja cijena Razlika izraženija za manje rezolucije litografije (veća cijena tehnoloških mašina, maski, procesa) Ukupni troškovi (cijena wafera + trošak procesiranja) su usporedivi Parazitni kapaciteti: U OI tehnologiji smanjeni su svi parazitni kapaciteti C ox, ostaje isti Veća brzinarada Manja potrošnja Kašnjenje (ps/stupnju) Disipacija / frekvencija (μw/mhz) OI Veća brzina: Manji parazitni kapaciteti: manja opterećenja Kompaktniji layout, kraći putevi signala Manja potrošnja: Manji kapacitet manji P AC Manja površina pn spojeva manja struja curenja manji P off Bolje električke karakteristike??? Bolja izolacija Manja preslušavanja Eliminiran latch-up Lakša integracija različitih elemenata Rad u nestandardnim uvjetima Visoka temperatura: manje površine pn spojeva: OK Otpornost na zraćenja: svemirske aplikacije 1

2 Izrada OI wafera OI - ograničenja Veći termički otpor zbog BOX-a: samozagrijavanje: Manji μ eff Manja I Dmax Viša početna cijena wafera i slabija kvaliteta kristala Kompliciranija zaštita od elektrostatskih izboja (ED) kontakt tijela Debljina OI sloja ista na cijelom waferu: Problem; integracija različitih tipova MOFET-a Kompliciraniji i nerazvijeni fizikalni modeli Ponuda OI wafera Implantacija kisika (200keV, cm -2 ) Nakon implantacije 1150 C 2h 1185 C 6h 1300 C 6h IMOX (eparation by Implanted Oxigen) Prednosti: Debljina slojeva uniformna Prihvatljiv br.wafera / dan Nedostaci: Ograničene debljine (t i 200nm, t BOX nm) Mogući defekti u kristali zbog visoke doze implantacije laba kvaliteta BOX-a poro, potrebne posebne mašine Izrada OI wafera Izrada OI wafera Bondanje topirajući sloj Poliranje elektivno jetkanje / poliranje BEOI (Bonding and Etch-back) Prednosti: Dobra kvaliteta kristala i oksida Fleksibilna debljina kristala i oksida Nedostaci: Potreban stopirajući sloj Manja uniformnost t i Dvostruka količina materijala se troši Bondanje kritično: čestice i procjepi Rješenje: lokalno stanjivanje plazmom Recikliranje Implantacija vodika Ukopani sloj vodika (H) Bondanje na sobnoj temp martcut TM (Bond and Break) Prednosti: Dobra kvaliteta kristala i oksida Fleksibilna debljina oksida i doping u podlozi Uniformna t i Reciklirani wafer: višestruko iskoristiv Nedostaci: Visoka cijena Bondanje kritično: čestice i procjepi Zagrijavanje na 600 C Wafer se razlomi Napuštanje i blago poliranje 2

3 Podjela OI CMO-a Prema debljini i sloja: Djelomično osiromašeni (engl.: partially depleted - PD) CMO t i > x pmax dio tijela je neutralan Potpuno osiromašeni (engl.: fully depleted - FD) CMO t i < x pmax cijelo tijelo je osiromašeno Djelomično osiromašeni CMO Tijelo je plivajuće U B >0 Kink efekt, progib u izlaznoj karakteristici: U D lavinska multiplikacija tijelo se nabija (I sub ) U B U G0 I D U B ne raste kontinuirano sa U D nagli porast ID Probojni napon niži zbog pojačanja I sub povratnom vezom (slično kao BV CEO kod bipolarnog tranzstora) Kink i niži proboj mogu se eliminirati kontaktiranjem tijela tranzistora (komplicirano) Djelomično osiromašeni OI CMO Kink i niži proboj mogu se eliminirati kontaktiranjem tijela tranzistora (komplicirano) Periferno kontaktiranje: potrebna dodatna površina, dodatni C par Kontaktiranje p+ područjem na strani : manja dubina pn spoja, dodatni kapaciteti truja podloge odlazi u p+ Frekvencijska ovisnost izlaznog otpora Pri višim frekvencijama, lavinska multiplikacija ne može pratiti promjene Kink efekt nestaje Izlazni otpor raste pri višim frekvencijama Kontaktiranje p+ područjem na strani : manja dubina pn spoja, dodatni kapaciteti U D U D Djelomično osiromašeni OI CMO Potpuno osiromašeni OI CMO amozagrijavanje i negativni otpor Povećanjem U D disipacija raste viša radna temperatura Manja pokretljivost U D T μ eff I D Također frekvencijski ovisno amozagrijavanje i negativni otpor t i < x pmax cijelo tijelo je osiromašeno, jaka inverzija Nema neutralnog dijela u tijelu Nabijanje minimalno Nema kink efekta U D Ipak, smanjeni proboj Povratno djelovanje parazitnog bipolarnog tranzistora U D 3

4 Potpuno osiromašeni OI CMO Potpuno osiromašeni OI CMO C-U karakteristika FD OI nmofet-a C ox >> C BOXef Imunost na efekte kratkog kanala labiji efekt prohvata Manje vertikalno polje, manja degradacija pokretljivosti Gotovo idealna karakteristika ispod napona praga (60mV/dek) Problem: Tanko tijelo, veliki serijski otpor trukture sa debljim uvodom i odvodom U G0, V Debljina tijela, Å U G0 ovisi o debljini tijela Q D = qn A t i Općenito U G0 je manji Mogućnost N A, ali μeff degradira i problem fluktuacije broja dopanada Korištenje materijala upravljačke elektrode sa različitim radovima izlaza Metali sa radom izlaza u sredini zabranjeong pojasa i (engl. Mid-gap metal) Potpuno osiromašeni OI CMO manjenje DIBL efekta kod FD OI MOFET-a 1 E-polje E-polje Problem: Potpuno osiromašeno tijelo Između i D, svejedielektrik Električno polje se prenosi preko BOX-a DIBL Prohvat Polje se prenosi i kroz i tijelo Rješenje: Korištenje napona na podlozi Nepraktično: različiti naponi za nmo i pmo Body Buried Oxide i ubstrate D D Buried Oxide i ubstrate OI MOFET tanjiti debljinu tijela MOFET sa ultra tankim tijelom Ultra Thin Body (UTB) MOFET Još uvijek polje prodire kroz BOX D Buried Oxide i ubstrate tanjiti debljinu BOX-a Manje prodiranje polja kroz BOX Tehnološki zahtjevno Nothing i ubstrate ilicij-ni-na-čemu MOFET ilicon On Nothing (ON) MOFET D manjiti ε BOX-a Idealno: vacuum 4

5 manjenje DIBL efekta kod FD OI MOFET-a Body D Korištenje druge upravljačke elektrode MOFET sa dvostrukom upravljačkom elektrodom (Double MOFET DG MOFET) Električno polje završava na upravljačkoj elektrodi, a ne na ili podlozi Primjer tehnologije planarnog procesa MOFET-a sa dvostrukom upravljačkom elektrodom Problem Komplicirana tehnologija Primjer tehnologije planarnog procesa MOFET-a sa dvostrukom upravljačkom elektrodom Vertikalni MOFET Jednostavnije: Vertkalno tijelo Upravljačka elektroda na boku Vertikalni MOFET FinFET (Ω-FET, Tri gate) Duljina kanala ne ovisi o litografiji Komplicirana tehnologija 5

6 FinFET FinFET FinFET (Ω-gate FET, Tri-gate MOFET): Najjednostavnija implementacija DG MOFET-a: manjeni efekti kratkog kanla, blokirano E-polje, Bolje skaliranje <30nm, Intrinsični kanal, nema fluktuacije broja dopanada Veća brzina, balistički transport, Manji kapaciteti Jedan od kandidata za nasljednika klasičnog MOFET-a Napregnuti silicij (engl. trained ilicon) Naprezanje (stres) u silicijskoj rešetci uzrokuje promjenu pokretljivosti elektrona i šupljina ilicid Napregnuti silicij (engl. trained ilicon) Naprezanje (stres) u silicijskoj rešetci: Mijenja se konstanta rešetke razmak između atoma silicija Mijenja se efektivna masa nosilaca (elektrona i šupljina) Mijenja se pokretljivost, μ eff Mijenja se struja MOFET-a, I ON Rastavnik Ovisnost s smjeru i iznosu naprezanja (stresa): 1. Biaksialno tenzitivno (rastezljivo) naprezanje = uniaksialno kompresivno naprezanje Tok struje Normalni tok elektrona ilicijska rešetka bez stresa Poboljšani tok elektrona ilicijska rešetka sa stresom Povećanje μ eff i za elektrone i za šupljine 6

7 Napregnuti silicij (engl. trained ilicon) Ovisnost s smjeru i iznosu naprezanja (stresa): 2. Biaksialno kompresivno naprezanje = uniaksialno tenzitivno (rastezljivo) naprezanje Kako uzrokovati stres u kanalu MOFET-a? Epitaksijalnim rastom materijala sa različitom konstantom rešetke u odnosu na i Npr. silicij-germanij (ige). Ge ima 4% veću konstantu rešetke od i Nastaje i 1-x Ge x, obično x = 0-30% Depozicijom materijala sa ugrađenim stresom Npr. nitrid (čak i oksid) Povećanje μ eff za šupljine; smanjenje μ eff za elektrone Primjenom stresa u području kanala MOFET-a može se utjecati na pokretljivosti nosilaca: Može se povećati struja bez utjecaja na druge parametre tranzistora (npr. efekte kratkog kanala) Graduirani ige sloj Biaksijalno rastezljivo naprezanje u i kanalu Napregnuti (rastegnuti) i 3 N 4 sloj Uniaksijalno rastezljivo naprezanje u kanalu lučaj garduiranog ige sloja: Defekti u gornjem silicijskom sloju, različite konstante rešetke Potreban deblji sloj, skupo Nepraktično za CMO visoke gustoće tranzistora elektivni ige rast (koristi se u 90nm CMO, Intel) Objavljeni podaci: Oko 20% povećanje struje I ON Uniaksijalno rastezljivo naprezanje u kanalu: nmo tranzistor Uniaksijalno kompresivno naprezanje u kanalu: pmo tranzistor elektivni ige i D Uniaksijalno kompresivno naprezanje u i kanalu 7

8 Usporedba pojedinih MO struktura Usporedba pojedinih MO struktura Klasični nmo tranzistor (na silicijskoj podlozi) ONFET, tj. FD OI nmo Usporedba pojedinih MO struktura Napredne MO strukture u proizvodnji nmofet s dvostrukom upravljačkom elektrodom Prakticira se jedna nova tehnologija u generaciji 8

9 Napredne MO strukture u proizvodnji Potrošnja MO čipova Poboljšani -faktor znači manji I OFF uz isti I ON ili veći I ON uz isti I OFF Vrlo visoke gustoće snage u čipovima: male dimenzije Zbog sporijeg skaliranja napona Prinos CMO tehnologije Vremenom se koncentracija defekata smanjuje, prinos tehnologije se povećava Vrijeme učenja se skraćuje u naprednijim tehnološkim čvorovima (iako su složeniji) 9