Попов_НГТУ-2015 ноябрь 16

Более реалистические оценки мощности

Сверху:									The International Technology Roadmap for Semiconductors,
									edn. 2005
P = P		+ P				100 Вт·см-2
stat			dyn
где Pstat = VDD · Ioff
P = C · V						2·f
dyn					DD
Снизу:
	N		mbf						2
kTLn						C		V
							L
								min

Vmin =

	N
kTLn			mbf
	C
		L

1 2

10 мВ Т = 300 К, CL = 0.4 fF (tox= 1 нм) N = 109, = 10 ps, mbf= 1000 h

ITRS-2013:

Vmin 200 мВ 21

21

Масштабирование по принципу электростатического подобия*

P	= N I	on	V	DD	k-2	k k = const k ~ 0.7
dyn

fdyn = Ion / (Cox W L VDD ) k / (k-1 k k k) = k-1 = ~1.4

- Снижение температуры

- Уменьшение ёмкости оксида

- Увеличение скорости носителей заряда

	* Lg = 5 nm n-MOSFET	.....или инженерия канала?
	Lch = 6 1 nm из-за флуктуаций n+S,D

*R. Dennard et.al. IEEE JSSC, 1974

22

Принцип электростатического подобия Деннарда и закон Мура

1990’ые: «Золотая эра» масштабирования уменьшение Vcc, Tox & Lg и увеличение Idsat

Проблема 1 :

•Уменьшение толщины диэлектрика

- ключевой параметр для Lgate

Проблема 2 :

•Сверхмелкие p-n переходы

- важный параметр для Lgate

- резкий профиль (REXT )

Проблема 3 :

•Масштабирование Vcc

- снижение XD (меньшие ОПЗ и SCE)

-Но, не выполняется Efield = const !

R. Dennard et.al. IEEE JSSC, 1974

23

Конструирование канала: толщина, затвор, ориентация

 Пороговое напряжение для металл-оксид-полупроводникового транзистора (МОПТ):

V	V	2		qN		t	OX		w
			F		A
th	FB								dep
								OX
						0

 МОПТ с полным обеднением на кремнии на изоляторе

w		4
		0	Si		F
dep		q N
				A

(SOI):

V	V	2	F
th	FB

 МОПТ с двойным затвором:

qN		t	OX		t
	A					Si
				OX
		0

V	V	2		qN	t	OX		t	Si
th	FB		F		A			2
							OX
					0

 Плавниковый (Fin) МОПТ с тремя затворами (FinFET) :

Vth VFB 2F qN A	tOX		tSi
		3
	0 OX

…конструкция затворановая возможность для масштабирования МОПТ

24

МОП транзистор – триод с модуляцией проводимости поперечным полем

FinFET

SOI FinFET

n,14

25

МОП транзистор – триод с модуляцией проводимости поперечным полем

26

Решения и проблемы в технологии 10 нм КМОП транзисторов

Новые технологии, материалы затвора и эволюционный дизайн обеспечили для 14 нм КМОПТ решение 3 проблем и предельные параметры …

Ion > 1000 μA/μm

Ioff < 1000 pA/μm Ion/Ioff > 105

умеренное тепловыделение

Нерешенные 4 проблем для 10 ÷ 3 нм КMOП транзисторов:

(4) подвижность носителей

(5) квантование:

-уменьшение DOS -квантовая ёмкость

-ориентация канала и подложки -дальнодействующее кулоновское (плазмонное) рассеяние

(6) утечки туннeлирования (Source-to-Drain & Band-to- Band Tunnelling – SDT & B2BT

(7) альтернативные материалы А3В5, 2D (графен, нанотрубки и т.д.)

27

КМОП нанотразисторы в модели неоднородного канала А.А. Французова

Проблема 4 :

Виртуальный исток/сток

2,0

A	1,5	1.	3.6 m
5
-
10	1,0	2.	1.7
,
W		3.	3.8
JL /		4.	0.8
	0,5	5.	0.3
	0,0	0	1		2
			V	,	V
			G

1 3

2 4

5

r , kOm 0

Rs = Rd = Rsd /2 = rS(D)+r0

5				500
4				400
3				300
2				200
1				100
0	1,5	2,0	2,5	0
		VG,	V

, cm2 V -1c -1 0

j1=1/L1 Cox {VG -j(rS+ r0)-Vt -0.5[VD -j(rS+ rD+2r0)]} [VD -j(rS+rD+2r0)] j2=1/L2 Cox {VG -j(rS+r0)-Vt -0.5[VD -j(rS+rD+2r0)]} [VD -j(rS+rD+2r0)]

A. A. Frantsuzov , N. I. Boyarkina and V. P. Popov. Semiconductors, 42, (2) 215-219 (2008).

28

Зависимость подвижности от длины канала LG

а

б

50 nm

КНИ остров

		в
контакт (Al)
Source	Gate	Drain
Изолятор
(SiO2)		1018см-3
		а)микрофотографияРЭМ вид сверху
10 m		б)нанометровый затвор из поликремния
		в) рас п ред еле ние примес ей и p-n
		переходов в сечении б).

A. A. Frantsuzov , N. I. Boyarkina and V. P. Popov. Semiconductors, 42, (2) 215-219 (2008).

29

Зависимость подвижности от длины канала LG

1			1		L
	eff			0
	Vc				8
					6
-2
	cm				4
-3
	,10				2
	1/mu
					0
					0

2L		2		L		1			2L		1				1			1			A
00				00					00													Vs
L				L					L												L	/
																0						2
			00				0					00							0			Mobility, cm
									Part 2
Part 1

				2
1		2	3	1/ , Vs / cm
	1/L, m	-1

A. A. Frantsuzov , N. I. Boyarkina and V. P. Popov. Decrease of effective electron mobility in channel of metal-oxide-semiconductor field effect transistor with gate length decreasing. Semiconductors, 42, (2) 215-219 (2008).

S.Cristoloveanu, J.Appl.Phys. 2007

4x102

3x102

2x102
								SOI
1x102								sSOI
								bulk Si
								bulk sSi
0
10	100		1000				10000
		Gate length, nm
0,014	SOI
	sSOI
	bulk SI				= 150
0,012	bulk sSi		0
0,010					= 250
			0
0,008
					= 415
0,006			0
0,004					= 460 cm			2	/ Vs
			0
0,002
0,00	0,01	0,02		0,03			0,04		0,05
			1 / L , nm			-1

C. Dupré, T. Ernst, J.-M. Hartmann, F. Andrieu, et al. Carrier mobility degradation due to high dose implantation in ultrathin unstrained and strained silicon-on-insulator films.

J. Appl. Phys., 102, 104505(8), 2007

V.P. Popov. “Quasiballistic Transport of Charge Carriers in Nanometer FETs…”. ECS Transactions, 25 (7) 411-417 (2009).

30