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下一代晶体管王牌:何种技术领跑22nm时代?
提供电子工程最新解决方案和设计趋势 oFweeK Ee ofweek. com 电子工程网 中国领先的电子工程专业媒休 EE, ofweek. com 事实上,包含 FinFet在内的所有下一代晶休管技术,都有一个共同的概念: 仝耗尽型沟道。这个概念能在沟道中赋予栅极更多在电场上的控制能力,让栅极 能完全耗尽沟道载流子。这当然也消除了沟道中的主要传导机制,并有效地让昌 体管关闭。 FinFet解决方案的优势使在其沟道,可以选择硅表面或是绝缘氧化层,并 在生成的fin上悬垂HKG栅极堆叠。这些鳍状(fin- shaped)沟道非常薄(图 2),而且可三面运作,其栅极可成功地建构一个完全阻塞沟道的耗尽区。 FinFet元件为电路设计人员提供了自130nm以来他们使梦寐以求的V-I曲 线。但也同时带来一些问题。其中之一种是便是如何构建这种元件。“要制造这 些Fin结构,并在后续的处理过程中维持它们是非常困难的任务,”应用材料 ( Applied materials)公司硅晶系统部门副总裁兼技术长 Klaus schuegraf说。 “你必须对高耸结构的边缘进行蚀刻,对复杂3D表面进行均匀的掺杂,并在栅 极堆叠中放置所有不同的薄膜,让他们能完仝符合这些fin的表面。这些需求都 为材料和设备带来了许多变化。掩膜层的数量或许没有太多改变,但制程步骤必 然会增加许多。” 图2:Fin结构非常复杂和微妙 Fin以及其他选择 提供电子工程最新解决方案和设计趋势 oFweeK Ee ofweek. com 电子工程网 中国领先的电子工程专业媒休 EE, ofweek. com 这也可能为芯片设计带来一些问题。Fin的宽度将是最小的制程尺寸。为了 形成这些fin,双重图案( double- patterning)光刻技术或许会成为必要方法 之一。但双重图案将会施加“非常严格的设计规则,” Schuegraf说。英特尔元 件研究总监 Mike Mayberry则表示:“大多数的设计规则是光刻为主。一旦你能 在22mm进行表征,一部份规则是具体针对三栅极结构的。” FinFEt也将改变电路设计。其中最明显的一点,是你无法改变fin的宽度 或高度以增加驱动电流。“每个『in都是一个驱动电流的量级,” Mayberry说 fin的高度取决于抛光步骤,因此它是不变的。但fin的宽度则相当不灵活 Dixit表示,这不仅是由于光刻技术的限制,主要是因为一旦你将fin拉大, 阈值电压使会开始滚降。若想扩大fin以获得更多的动电流,你很可能一不小 心就改变阈值电压。顺道一提,这也意味着在最小几何图形上的任何线宽变异, 就像是任何在fin形成期间的多晶硅深度变化,都可能在晶伓管级转化为阈值变 化 为了获得更大电流,你得将更多fin平行放置。当然,只能藉由固定増量来 改变驱动电流将对电路设计者带来新的局限,特别是在客制化模拟设计领域。但 英特尔并不担心这一点。“我们已绎建构了广泛用于开关和放大器应用的三栅极 电路蓝本,我们相信,需要修改的电路设计不会太多,” Mayberry说。但其他 人就没那么乐观了。“针对更大电流,你必须平行放置这些fin,”IMEC业务开 发执行副总裁 Ludo deferm说。“但这需要晶体管之间的互连,而且,在高频应 用屮,互连阻抗将成为影响电路性能的因素。” 另一种完全耗尽方法 完全耗尽型SOI( FDSOT)的支持者认为,他们完全可以提供 finFet的V-I 特征。或许,更关键的重点在于阈值电压控制。由于 FDSOI的沟道是未掺杂的, 因此不会有因沟道掺杂而引阈值变异的问题—一这是在平面和fin元件中因掺 杂原子进入沟道所引发的主要问题。此外,在制程中提供多个阈值电压也是一大 问题。平面和fet会因为掺杂程度变化而改变阈值电压。不过,Leti实验室主 管0 livier faynot指出, FDSOL可透过超薄埋入氧化层对沟道底部施加偏置电 压,来动态地控制阈值电压。 但 FDSOT仍然面临挑战。首先, FDSOI晶圆比传统晶圆更加昂贵。不过,稍 早前晶圆供应商 Soitec引用分析公司 IC Knowledge的报告,指出由于可在 FDSOT 提供电子工程最新解决方案和设计趋势 oFweeK Ee ofweek. com 电子工程网 中国领先的电子工程专业媒休 EE, ofweek. com 品圆上大幅简化提供多阈值电压的处理程序,因此在22/20nm节点时, FDSOI的 晶圆成本不会比平面或 FinE制程来得高。 其次是风险性。 Soitec公司是唯一的 FDSOL晶圆供货来源,要建构这种晶 圆,需要该公司的氧化沉积、品圆切割和原子级精密度的抛光步骤。第三是这个 业界的惯性。许多资深的决策者并不会考虑SOI。不过,这个产业仍有许多公司 不断推动该技术的发展。包括逶过 Global foundries持续与该技术接轨的AMD、 IBM以及ST等,都致力于在22rm节点实现 FDSOI技术。事实上, Globalfoundries 过去并未积极对其客户推动其SOI技术,但很可能将FSOⅠ作为对抗来自英特尔 和台积电的王牌。 不过,该领域最近也加入新的角逐者。新创业者 Suvolld最近公布一项技术, 使用沉积制程在传统块状平面 MOSFET沟道下建构埋入式接面。将这个接面反向 偏置即可建构岀一个沟道下的耗尽区,能有效地模仿 FDSOI的埋入氧化层,薄化 沟道的活动区域,直到栅极儿乎耙尽。 Suvolta的技术相当有趣,但尚未广为人知。不过,该公司的技术可能会成 为一些较小型晶圆厂的选择。以富士通为例,这家公司并未挹注资金在 FinFet 的技术竞赛中,而月也不打算为 FDSOI晶圆支付额外的初始成本。 因此,目前在下一代晶体管的竞争中,可看到台积电正致力于提供20nm平 面制程。不过,台积电可能很快进行调整,在推岀l6nm制程前针对行动应用提 供 FinFet选项。英特尔仍持续专注在其 FinFEt上。IBM和 Globalroundr ies以 及ST可能会在22nm使用FDS0I。富士通可能持续与 SuVolta共同发展其技术 而其他业者的下一步,则将取决于其客户需求。如果说28mm有带来什么启示 那就是新制程不一定都会运作得很顺畅

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