22-нм технология FinFET от Intel: официальные и неофициальные подробности

В начале мая компания Intel анонсировала свое очередное достижение в области эволюции транзистора — основы основ современных микросхем.

Впервые с момента изобретения планарных кремниевых транзисторов полвека назад были запущены в серийное производство транзисторы с трехмерной структурой. О своем решении приступить к разработке объемной транзисторной структуры Tri-Gate компания Intel известила общественность еще в 2002 г. Однако кристаллы с такими транзисторами, изготовленные по 22-нм технологии, корпорация начала продавать только в апреле: новые процессоры Intel носят кодовое имя Ivy Bridge.

Видеопрезентацию новой транзисторной 3D-структуры проводит Марк Бор (Mark Bohr), старший заслуженный инженер-исследователь Intel

3-D, 22 нм: беспрецедентная комбинация производительности и высокой эффективности

Появление новых транзисторов свидетельствует о том, что Intel продолжает идти в ногу с законом Мура и потребители могут рассчитывать на дальнейшее технологическое совершенствование продукции этой компании.

До сих пор транзисторы, составляющие основу микропроцессоров, были планарными (2D). Создание транзистора с трехмерной (3D) структурой затвора (Tri-Gate) и возможность серийного производства этих устройств говорят о значительных переменах в фундаментальной структуре компьютерных кристаллов. Кроме того, это значит, что Intel продолжает оставаться технологическим лидером в создании систем, начиная с суперкомпьютеров самой высокой производительности и заканчивая миниатюрными мобильными устройствами.

В традиционных планарных транзисторах проводящий канал образуется в кремниевой структуре под затвором в состоянии включения (см. рис.).

Схема традиционного планарного транзистора: gate – затвор, high-k dielectric – подзатворный диэлектрик с высокой проницаемостью, drain – сток, source – исток, oxide – оксид кремния, silicon substrate – кремниевая подложка.

Однако у трехзатворных транзисторов может быть несколько каналов (в виде плавников), обеспечивающих более высокую производительность, см. рис.

Схема трёхзатворного транзистора: gate – затвор, oxide – оксид кремния, silicon substrate – кремниевая подложка.

Объемные транзисторы

Размер и структура транзистора являются определяющими параметрами для конечного пользователя. Чем меньше и энергоэффективнее транзистор, тем лучше. Intel последовательно становилась пионером в освоении новых проектных норм: 45 нм, технология high-k/metal gate – 2007 г.; 32 нм – 2009 г.; запуск крупносерийного производства первого в мире 22-нм 3D-транзистора – 2011 г.

В 3D-транзисторе Tri-Gate используются три затвора, расположенных вокруг кремниевого канала в объемной структуре, что обеспечивает уникальное сочетание производительности и очень малого потребления – преимуществ, востребованных как в смартфонах и планшетах, так и для мощных процессоров для ПК и серверов.

Схематичный вид трехзатворного (FinFET) транзистора Intel: gate – затвор, oxide – оксид кремния, silicon fin – кремниевый канал, silicon substrate – кремниевая подложка.

Микрофотография объемных транзисторов Intel: gates – затворы, fins – каналы.

3D-транзисторы, изготовленные по меньшей проектной норме, позволяют создавать более мощные процессоры и SRAM с более высокой энергоэффективностью. Технология Tri-Gate обеспечивает реализацию инновационных микроархитектур, систем на кристаллах и другой новой продукции, начиная с серверов и ПК и заканчивая смартфонами и другими новинками в сегменте потребительской электроники.

Высокая эффективность новых транзисторов при низком напряжении питания позволяет создавать новые микроархитектуры и на базе 22-нм процессоров Intel Atom. В новых проектах максимально используются преимущества транзисторной технологии 3D Tri-Gate, обеспечивающей очень малое потребление. Системы на кристаллах Intel следующего поколения, построенные на 22-нм транзисторах, будут потреблять менее 1 мВт в нерабочем режиме.

22-нм транзисторы Tri-gate крупным планом

Инженеры компании Chipworks произвели демонтаж новейших кристаллов Intel с кодовыми именем Ivy Bridge и поделились полученными впечатлениями на своем технологическом блоге.

Внешний вид серверного ЦП Intel Xeon E3-1230V2

Кристалл Intel Xeon E3-1230V2

В Chipworks получили образцы центральных четырехъядерных серверных 3,3-ГГц процессоров Xeon E3-1230V2. На фотографии поперечного сечения структуры процессора видно, что в нем по-прежнему используются девять металлических слоев, как и в предыдущих двух поколениях этих процессоров (см. рис.):

Поперечный вид структуры процессора Intel Xeon E3-130V2

На микрофотографии при большем разрешении (см. следующее фото) виден нижний металлический слой и два многозатворных транзистора NMOS и PMOS. Это сечение расположено параллельно затвору и перпендикулярно его каналам. На фото виден алмазоподобный эпитаксиальный слой SiGe, образованный на затворах PMOS-транзистора.

Микрофотография нижних металлических слоев и транзисторов NMOS (слева) и PMOS (справа). Gate contact – контакт затвора, S/D contact – контакт истока/стока, Gate – затвор, Si substrate – кремниевая подложка.

На этом стрелками помечен затвор и контактные полоски. Видно, что на вертикальные каналы в форме плавника (fin) транзистора PMOS S/D нанесен эпитаксиальный слой. Скошенная форма этих каналов отличается от их схематического вида, представленного Intel в прошлом году (см. схематичный вид выше).

Следует пояснить, что именно видно на этих микрофотографиях, полученных с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM). Как правило, данный метод позволяет изучать образцы толщиной 80–100 нм. Они достаточно прозрачны для построения изображения с помощью электронного пучка. Кроме того, при этой толщине сохраняется физическая жесткость, не позволяющая образцам изгибаться или распадаться. На данных микрофотографиях запечатлена структура кристалла с длиной затвора менее 30 нм. При использовании среза образца, параллельного затвору и выровненного относительно его центра, получается изображение затвора, части кремниевой структуры истока/стока (source/drain, S/D) и контактов с каждой стороны кристалла.

При увеличении фотографии затвора PMOS (МОП-структуры с каналом р-типа) становятся видны слои, нанесенные на затворные каналы и вокруг них (см. следующий рисунок). Тонкая темная линия, примыкающая к каналу, представляет собой слой диэлектрика с высокой проницаемостью, поверх которого находится слой рабочего материала из нитрида титана (TiN), как и в 32- и 45-нм компонентах.

Микрофотография затвора и структуры канала PMOS-транзистора

На другом рисунке представлено поперечное сечение транзистора NMOS. Позади затвора виден «призрак» контакта. В отличие от PMOS-транзистора, рабочий материал находится непосредственно над слоем диэлектрика.

Микрофотография затвора и структуры канала NMOS-транзистора

На следующем фото показана решеточная структура канала NMOS-транзистора, изображение которой было получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа FEI Technai. На фото видна точечная структура, образованная рядами атомов кремния. Это изображение свидетельствует о том, что исследуемый образец был сориентирован в направлении <110>, т.е. канал затвора был также сориентирован в этом направлении.

Решеточная атомарная структура канала NMOS-транзистора

Чтобы лучше понять структуру исследуемого кристалла, необходимо увидеть, как она выглядит в ортогональном направлении вдоль канала, а также получить поперечное сечение затвора. На рисунке ниже виден массив PMOS-транзисторов над одним каналом, четыре рабочих и два нерабочих затвора по краям канала. Поскольку рассматриваемый образец имеет достаточно большую толщину по сравнению с размерами элементов, затвор виден по краям канала. Верхушки каналов сходятся на конус, как это видно из фото выше.

Изображение PMOS-транзисторов

Как следует из заявления Intel, в основании истоков/стоков находится полость SiGe закругленной формы, не протравленная в плоскостях <111>, как в 32- и 45-нм изделиях. Эта структура выглядит так, как если бы верхушки затворов были протравлены и заполнены диэлектриком, а контакты самосовместились, как в кристаллах памяти.

Изображение PMOS-транзистора на следующем рисунке немного размыто, однако на нем хорошо видна SiGe-полость. По бокам канала не видны грани, заметные на одном из фото выше.

Микрофотография PMOS-транзистора

Структура NMOS-транзистора схожа с PMOS:

Микрофотография NMOS-транзисторов

На этих фотографиях трудно рассмотреть затворы из-за большой толщины образцов. Виден срез, на котором затвор расположен по обеим сторонам канала, и сам канал.

На следующем рисунке представлено совмещенное изображение затворов транзисторов NMOS и PMOS таким образом, чтобы подчеркнуть различия между ними. Темная линия, окружающая затворные структуры, соответствует диэлектрику с высокой проницаемостью на основе оксида гафния. Внутри этих структур находятся два рабочих материала – TiN в случае с PMOS-транзистором и TiAlN – в NMOS-транзисторе. (Столбчатая структура TiN PMOS-транзистора видна в правой части этого рисунка).

Совмещенное изображение затворов транзисторов NMOS и PMOS

Если в компонентах предыдущего поколения использовался сплав титана с алюминием (TiAl) в качестве наполнителя, то в новых кристаллах применяется вольфрам. Эта перемена наиболее заметна в затворах транзисторов NMOS, а не PMOS, т.к. в состав PMOS-структуры входят оба рабочих металла, а в затворах NMOS нитрид титана был вытравлен.

На рисунке ниже представлен образец без эпитаксиальных слоев, что позволяет лучше рассмотреть транзисторы. Затворы и каналы хорошо просматриваются. Кроме того, видны небольшие выступы SiGe-структуры в истоках/стоках PMOS-транзистора. Столбики между каналами в NMOS-транзисторе – остатки металла контактов.

Микрофотография транзисторов NMOS/PMOS

Почему изменилась форма FinFET-транзисторов Intel?

Между тем, недавно канадская исследовательская фирма Chipworks указала на изменение формы FinFET-транзисторов Intel с первоначально заявленной тупоконечной на треугольную, которую имеют уже произведенные образцы.

По мнению Майка Брайанта (Mike Bryant), главного инженера Future Horizons, треугольная форма транзисторов обеспечивает больший выход годных и надежность. При этом облегчается вертикальное протравливание транзисторной структуры и достигается более надежное осаждение диэлектрической пленки.

По словам Асена Асенова, профессора Университета Глазго и президента компании Gold Standard Simulations, в настоящее время широко обсуждаются возможные преимущества и недостатки трапециевидной (или почти треугольной) формы FinFET-транзисторов. Асенов с коллегами попробовали воссоздать объемную конструкцию FinFET-транзистора с использованием симулятора GARAND. На рисунке ниже сравнивается изображение, полученное инженерами Chipworks с помощью просвечивающего электронного микроскопа, с моделью исследователей из Gold Standard Simulations. Поскольку у них не было данных о распределении легирующих примесей в FinFET-транзисторах Intel, ученые построили модель исходя из предположения о небольшой концентрации примесей в канале.

Сравнение микрофотографии транзистора FinFET, полученного специалистами Chipworks, с моделью, созданной симулятором GARAND

Плотность электронов и распределение потенциала по «плавнику» транзистора показаны на следующем рисунке. При моделировании было сделано предположение о том, что в нижней части затвора концентрация примесей очень высокая. По словам Асенова, FinFET-транзисторы представляют собой намного более сложные устройства для понимания и визуализации, чем хорошо известные MOSFET-транзисторы.

Распределение концентрации электронов и потенциала «плавника» транзистора

Распределение плотности тока по «плавнику» посередине канала при различном напряжении смещения на затворе показано на рисунке ниже.

Распределение плотности тока по затвору при разных напряжениях смещения

При низком напряжении на затворе максимальная плотность тока наблюдается посередине канала, где затвор в наименьшей степени способен контролировать переключение устройства. Обедненная область, появление которой связано с высоколегированной областью в самой нижней части канала, предотвращает протекание тока в этой зоне, что является недостатком архитектуры FinFET. При высоком напряжении затвора ток протекает в направлении поверхности раздела. Плотность тока в этой области максимальна за счет фокусирующего действия поля затвора и квантово-механического эффекта концентрации заряда в малой кольцевой зоне. На следующем рисунке показано, как область с максимальной плотностью тока смещается к краю затвора.

Область высокой плотности тока смещается кверху по мере увеличения напряжения смещения на затворе

По словам Асенова, исследователям удалось получить очень интересные результаты. На рисунке ниже сравнивается зависимость порогового напряжения от длины затворов трапециевидной и прямоугольной форм, причем у этих затворов одинаковая высота плавников, а ширина второго равна среднему значению ширины первого. Моделирование показало, что у плавника прямоугольной формы утечка тока между истоком и стоком меньше. Возникает вопрос о том, действительно ли Intel планирует выпускать FinFET-транзисторы с трапециевидной формой затвора, или она появилась в результате травления плавника?

Зависимость порогового напряжения от длины затвора двух форм: трапециевидной и идеальной прямоугольной

Источники: Intel, Chipworks, Gold Standard Simulations, Electronics Weekly

Оставьте отзывОтмена