1 Podstawy Mikroelektroniki dr hab. inż Piotr Płotka pok. 301 tel. 347-1634 e-mail: [email protected]konsultacje: środa 11:15 – 12:00 piątek 13:15 – 14:00 Podstawy Mikroelektroniki - materiały pomocnicze: Mikroelektronika eti.pg.edu.pl O Wydziale Katedry Katedra Systemów Mikroelektronicznych Dydaktyka Przedmioty
55
Embed
20150223 Technol Waszych IC · 2015-09-01 · Podstawy Mikroelektroniki - materia ... Accessibility from the Macroscopic World", Springer 2009 A. Korkin, F. Rosei, "Nanoelectronics
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Applications", Pan Stanford Publ. 2012G. Cerofolini, "Nanoscale Devices. Fabrication, Functionalization, and
Accessibility from the Macroscopic World", Springer 2009A. Korkin, F. Rosei, "Nanoelectronics and Photonics. From Atoms to Materials,
Devices, and Architectures", Springer 2008
Technologia Waszych Układów Scalonych CMOS?
4
3
Zamiast składać systemy z wielu typowych układów lub programować programowalne tablice bramek FPGA (Field ProgramableGate Arrays) inżynier elektronik projektuje
specjalizowane układy scalone. (ASICs – Application Specific Integrated
Circuits)
I będzie to robił coraz częściej.
5
6Największe firmy półprzewodnikowe w 2010 r.
"Analysis: Memory, foundries gain in 1H10 chip ranks", Solid State Technology, Aug. 2, 2010
(wartość sprzedaży w milionach US$)
- foundry – firmy produkujące wyroby zaprojektowane i sprzedawane przez inne (fabless)
- fabless – firmy projektujące i sprzedające wyroby, nie mają własnych fabryk, wytwarzanie zlecają innym (foundry)
4
7Fabless – Foundry Industry.
W 2011 r. łączne dochody półprzewodnikowych firm "fabless" i "foundry" przekroczyły łączne dochody firm projektujących i wytwarzających swoje wyroby, w tym procesory i pamięci.
Najwięcej tranzystorów, ponad 109, miał układ zaprojektowany w firmie "fabless" i wykonany w firmie "foundry".
FPGApołączenia międzybramkami programowane po wytworzeniu
CPLD – złożoneprogramowalne
przyrządy logiczne
13
Specjalizowane układy scalone (ASICs)
Całkowiciespecjalizowane
Style projektowania układów scalonych CMOS
ASIC – Application Specific Integrated Circuit
Wszystkie elementy i warstwy układu projektowane przez zamawiającego. Daje to wiele możliwości, ale wymaga olbrzymiego wysiłku projektowego. Duże ryzyko niepowodzenia
ASIC_full_custom
14
8
Specjalizowane układy scalone (ASICs)
Całkowiciespecjalizowane
Pół -specjalizowane
Standardowekomórki
Style projektowania układów scalonych CMOS
ASIC_std_cell
Wykorzystuje się biblioteki wzorów masek i opisów elektrycznych dla rozmieszczenia standardowych komórek (standard cell) lub podukładów na płytce krzemu. Możliwe różne stopnie złożoności podukładów.
15
ASIC_gate_array
Specjalizowane układy scalone (ASICs)
Pół -specjalizowane
Tablicebramek
Style projektowania układów scalonych CMOS
Wykorzystują prefabrykowane tablice bramek (gate arrays) rozmieszczone na płytce krzemowej. Projektuje się połączenia elektryczne – warstwy metalizacji
16
9
FPGA
Logikiprogramowalne
FPGApołączenia międzybramkami programowane po wytworzeniu
Style projektowania układów scalonych CMOS
FPGA (Field Programable Gate Arrays) wykorzystują prefabrykowane tablice bramek rozmieszczone na płytce krzemowej łącznie z wielu krzyżującymi się liniami metalizacji. Bramki są łączone z tymi liniami przez uruchomienie specjalnych programów. Na przykład poprzez włączenie bramek transmisyjnych, czyli pełniących rolę zwór. Coraz częściej używane są układy reprogramowalne.
17
FPGA w porównaniu z ASIC
• Tańsze w małych seriach i/lub przy niewielkich ilościach bramek.
• Łatwe i szybkie projektowanie i poprawianie.
• Szybsze.
• Dużo mniejszy pobór mocy.
• Wymagają pracochłonnego projektowania przez wysoko kwalifikowanych inżynierów, przy użyciu drogiego oprogramowania.
• Opłacalne w dużych seriach przy dużych ilościach bramek.
FPGA ASIC
18
10
Średnia Liczba Bramek w Specjalizowanych Układach Scalonych (ASIC)
Licz
ba b
ram
ek (m
iliony
)
Pamięć
Logika
• Przy odpowiednio dużej ilości bramek stosowanie specjalizowanych układów scalonych (ASIC) jest tańsze niż programowalnych tablic bramek (FPGA).
• Pobór mocy może być 10 razy mniejszy.
Rok produkcji
19
R. Kumar, Fabless Semiconductor Implementation, McGraw-Hill, 2008
20Development activities at a fabless IC company
ES - Engineering SampleQS - Qualifiable Samples, Customer Samples or Shippable SamplesRTL - Register Transfer LevelNL – NetlistGDSII - Graphic Data System II, photomask description formatIP - intellectual property block
QSES
11
R. Kumar, Fabless Semiconductor Implementation, McGraw-Hill, 2008
21Typical ASIC development time diagram at a fabless IC company
Źródło: Texas Instruments
22Schemat blokowy systemu Bluetooth zrealizowanego z komórek standardowych
SoC – System on Chip
12
R. Kumar, Fabless Semiconductor Implementation, McGraw-Hill, 2008
23Powiązania firmy „fabless” z innymi przy wytwarzaniu produktu
R. Kumar, Fabless Semiconductor Implementation, McGraw-Hill, 2008
24Firma „fabless” może zlecić fizyczny projekt lub nadzór wyspecjalizowanej firmie
FABLESS Schemat ideowy
Gotoweczęśći
13
R. Kumar, Fabless Semiconductor Implementation, McGraw-Hill, 2008
25
Typowe etapy projektowania systemu w
chipie (SoC)
R. Kumar, Fabless Semiconductor Implementation, McGraw-Hill, 2008
26Przykładowy podział bloków telefonu komórkowego na układy scalone
14
27Many designs on one wafer
R. Kumar, FablessSemiconductor Implementation, McGraw-Hill, 2008
Photograph of an MPW wafer along with an enlarged image of one reticlecontaining approximately 40 designs. (Source: MOSIS)
Plot of nine different designs assembled as one MPW reticle. (Source: EuroPractice)
28
Przykładowe koszty opracowania ASIC w technologii 180 nm
(w 2007 r.)
R. Kumar, FablessSemiconductor Implementation, McGraw-Hill, 2008
15
29Przykładowe układy scalone wyprodukowane z użyciem celowo wprowadzanych naprężeń sieci krystalicznej krzemu dla zwiększenia ruchliwości (szybkości przelotu)
dziur i elektronów
D.M. Fleetwood et al., Defects in Microelectronic Materials and Devices, CRC Press 2008
Technology Node [nm] – rozmiar charakterystyczny, połowa sumy szerokości najwęższego paska i najwęższej przerwy we wzorze na powierzchni półprzewodnika, w danej technologii.
INTEL 2010 r.Procesory firm Intel i AMD
30Przykładowy procesor firmy INTEL z tranzystorami „tri-gate” (FinFET)
2013: Procesor Core i7-4770K (Haswell)z tranzystorami CMOS tri-gate(FinFET) wykonanymi w technologii o rozmiarze charakterystycznym 22 nm.
electrode
Gate high-kdielectric
source: M. Bohr, K. Mistry, Intel’s Revolutionary 22 nm Transistor Technology, May, 2011
Sept. 2013:Intel – 14-nm BroadwellProcessor Consuming 30% Less Power Than 22nm Haswell
source: Intel, 2013
Oct. 07 2013:TSMC – 16-nm FinFETtechnology to be presentedin December at IEDM
16
Nagrody Nobla za odkrycia i wynalazki związane z przyrządami - 1/2
31
Willard S. Boyle, George E. Smith - za wynalezienie –sensora CCD
Charles K. Kao – za włókna optyczne do przesyłania światła na duże odległości
2009
Andre Geim, Konstantin Novoselov – zadoświadczenia nad dwuwymiarowym grafenem
2010
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura- za sprawne diody świecące niebieskim światłem, co pozwoliło wytworzyć jasne i energooszczędne źródła światła
2014
??
W. B. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain -za badania nad półprzewodnikami i odkrycietranzystora
1956
C. H. Townes, N. G. Basov, A. M. Prokhorov- za badania, które doprowadziły do laserówi maserów
1964
J. Bardeen, L. N. Cooper, R. Schrieffer - zateorię zjawiska nadprzewodnictwa (teorięBCS)
1972
B. D. Josephson - za teoriętunelowania w złączunadprzewodników
I. Giaever - za doświadczenianad tunelowaniem w nadprzewodnikach
Leo Esaki - za doświadczalne okryciadotyczące tunelowania w półprzewodnikach
1973
K. von Klitzing - za kwantowe zjawisko Halla1985
J. G. Bednorz, K. A. Müller - za odkryciewysokotemperaturowego nadprzewodnictwaw materiałach ceramicznyc
1987
R. B. Laughlin, H. L. Störmer, D. C. Tsui - zaodkrycie cieczy kwantowej ze wzbudzeniamio ładunkach ułamkowych - ułamkowekwantowe zjawisko Halla
1998
Jack S. Kilby - za wkład w wynalezienie układuscalonego
H. Kroemer - za opracowanietranzystora heterozłączowego
Z. I. Alferov - za opracowanie heterostrukturpółprzewodnikowych dla optoelektroniki
2000
A. J. Heeger, A. G. MacDiarmid, H. Shirakawa - za odkrycie i rozwijaniepolimerów przewodzących
2000
A. Fert, P. Grünberg- za odkrycie zjawiskagigantycznego magnetooporu
2007
Nagrody Nobla za odkrycia i wynalazki związane z przyrządami – 2/2
32
17
33
V.F. Pavlidis, E.G. Friedman, "Three-dimensional Integrated Circuit Design", MK 2008
Historia rozwoju przyrządów i głównych rodzin cyfrowych układów scalonych
34
International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS 2013 Edition
Klasyfikacja nowych przyrządów dla technologii informacyjnych
18
Układy Scalone Wynalezione przez
Jacka Kilby1958r. - Texas Instruments
• Elementy wykonane w pojedynczej płytce Ge,• trawionej na wskroś dla izolacji elementów;• drutowe połączenia między elementami
Strona z notatnika J.S. Kilby ukazująca generator z przesuwnikiem fazy wykonany z płytki Ge metodą dyfuzji.
Strona z notatnika J.S. Kilby ukazująca przerzutnik wykonany z płytki Ge metodą dyfuzji.
J.S. Kilby, IEEE Trans. Electron Dev., v.23, s.648, 1976
35
Pierwszy układ scalony na germaniewykonany przez J. Kilby
w Texas Instruments - 1958
Wczesne układy scalone – Texas Instruments
“A Solid State of Progress,” Fairchild Camera and Instrument Corporation, 1979,G.E.Moore, Proc. IEEE, v.86,s.53-62, 1998
Pierwszy planarny krzemowy układ scalony wykonany techniką planarną. Przerzutnik z aluminiową metalizacją, Fairchild, 1961 –pomysł Roberta Noyce, 1958
36
19
37Przykładowy inwerter CMOS z tranzystorami o długości kanałów 50 nm
VDD = 1,2 V
MN
MP
Vwy
Vwe
IDp
IDn
nMOS w CMOS _1
MN
IDN
MN
MP
VDD > 0 V
Vwy
Vwe
Idealny tranzystor nMOS w inwerterze CMOS
Prąd drenu ID idealnego tranzystora nMOS w funkcji napięcia dren-źródło VDS (charakterystyki wyjściowe). Napięcie progowe VTn=1,0 V.
38
Obszar nasycenia
Obsz
ar
linio
wy (tri
odow
y)
VGS < VTnodcięcieID ≈ 0
20
Prosty model charakterystyk tranzystora MOS – tranzystor MOS z kanałem typu n wzbogacanym
VGS > VTn
VDS > VGS – VTn > 0 V
• W zakresie nasycenia, gdy
Obszar nasycenia
Obsz
ar
linio
wy (tri
odow
y) Charakterystyka idealnego MOSFETa, VTn = 1,0 V
( )2
2TnGS
nDVVI −
⋅= β
VGS > VTn
0 V < VDS < VGS - VTn
• W triodowym, gdy
( ) ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−⋅−⋅=
2
2DS
DSTnGSnDVVVVI βS
G
D
VGS < VTnodcięcieID ≈ 0
ox
SiOox t
C 02εε=
39
LWCoxnn μβ =
gdzie: VTn – napięcie progowe nMOS,
Cox – pojemność bramki na jednostkę powierzchni,L, W – długość i szerokość kanału,µn - ruchliwość elektronów
IDn
Tranzystor pMOS w inwerterze CMOS
MN
MP
VDD > 0 V
Vwy
Vwe
MP
IDp
40
obszar nasycenia: VGS < VTp , VDS < VGS – VTp < 0 V
obszar triodowy: VGS < VTp , 0 V > VDS > VGS - VTp
( ) ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−⋅−⋅−=
2
2DS
DSTpGSpDpVVVVI β
obszar odcięcia: VGS >= VTp 0≈DpI
µp = µn/3 - dlatego |ID| ok. 3 razy mniejszy dla pMOS niż dla nMOSprzy jednakowych |VGS – VTn(p)|
S
G
D
ID
IDp < 0 VTp < 0
( )2
2TpGS
pDp
VVI
−⋅−= β
LWCoxpp μβ =
21
Przełączanie inwertera CMOS
Przy skoku Vwe od 0 V do VDD tranzystor Mpszybko jest zatykany. Pojemność obciążenia CLjest rozładowywana od Vwy = VDD do 0 V przez Mn.
przełączanie_nMOS_w_CMOS
VDD
0Mn
Mp
VDD > 0 V
Vwy
Vwe
CL
41
Przełączanie inwertera CMOS
Przy skoku Vwe od 0 V do VDD tranzystor Mpszybko jest zatykany. Pojemność obciążenia CLjest rozładowywana od Vwy = VDD do 0 V przez Mn.
( )2*
2 TNDDoxnwy
L VVL
WCdt
dVC −⋅⋅−=
μ
przełączanie_nMOS_w_CMOS - 2
Rozpatrzmy na razie pracę Mn w zakresie nasycenia, przy Vwy > VDD – VTN
Pojemność CL jest rozładowywana prądem drenu tranzystora Mn
Konstruktorom zależy często na zwiększaniu częstotliwości pracy układu, czyli zwiększaniu dVwy/dt. Zależność powyższa wskazuje, że w tym celu należy zmniejszać L.
Należy też pamiętać, że czas przełączania Mn nie może być krótszy niż czas przelotu elektronów ze źródła do drenu. To też wymaga skracania L dla skracania czasu przełączania.
Zmniejszenie długości kanału L nazywamy „skalowaniem tranzystora”.
VDD
0Mn Vwy
Vwe
CL
42
22
Pobór mocy przez inwerter CMOS
W nowszych rozwiązaniach technologicznych, przy grubości tlenku bramki mniejszej od 5 nm i przy zastosowaniu cienkiego dwutlenku hafnu moc związana z prądem upływu bramki może być porównywalna z mocą pobieraną na przeładowanie pojemności w układzie. Przy długościach kanałów krótszych niż 50 nm istotna może być też strata mocy związana z prądem upływu dren-źródło.
moc związana z prądem upływu D-S
moc tracona na przeładowanie CLmoc związana z prądem upływu bramki
Zmniejszenie rozmiarów tranzystorów, skalowanie, czyli zwiększenie upakowania na jednostce powierzchni krzemu, przy zachowaniu VDD prowadzi do zwiększania wydzielanej mocy na jednostce powierzchni. Wzrasta temperatura układu, co może prowadzić do zniszczenia.
Skalując tranzystory należy zmniejszać moc wydzielaną w pojedynczej bramce. Obniżać VDD, a zatem również napięcia progowe VTn i VTp. To powoduje konieczność zmniejszania grubości tlenku bramki tox.
Skalowanie tranzystorów CMOS przy zachowaniu stałego natężenia pola elektrycznego
P.K.K. Ko, "Approaches to scaling", Advanced MOS device physics, VLSI electronics microstructure science, Vol. 18, Academic Press, pp. 1-37, 1989
44
Chcemy:
• Produkować szybsze tranzystory w układach scalonych;• produkować bardziej skomplikowane układy – zmieścić więcej tranzystorów
na jednostce powierzchni półprzewodnika.
Osiągamy to przez:Zmniejszenie rozmiarów tranzystorów – długości kanałów w tranzystorach MOS λ razy. Zwiększenie upakowania tranzystorów – oczywiste.Zmniejszenie długości kanałów prowadzi do zmniejszenia czasów przelotu elektronów i dziur ze źródeł do drenów tranzystorów – w efekcie do zwiększenia „szybkości”.
Należy to robić przy :• zachowaniu stałych natężeń pola elektrycznego w tranzystorach – aby uniknąć
przebić elektrycznych;• zachowaniu stałej wartości mocy wydzielanej na jednostce powierzchni
układu scalonego – aby uniknąć przegrzania układu i jego stopienia.
23
4530 Years of CMOS Scaling 1978 - 2008
Mark Bohr, The New Era of Scaling in an SoC World, 2009 ISSCC
46Współczynniki skalowania tranzystorów CMOS przy zachowaniu stałych natężeń pól elektrycznych i gęstości mocy
P.K.K. Ko, "Approaches to scaling", Advanced MOS device physics, VLSI electronics microstructure science, Vol. 18, Academic Press, pp. 1-37, 1989
Zmie
niam
yO
trzym
ujem
y
26
FUJITSU - T.Miyashita et al. IEDM 2007 S10P03
32 nm CMOSFUJITSU - 2007
Obrazy przekrojów z elektronowego mikroskopu transmisyjnego
nMOS pMOS
Struktura z minimalnym odstępem, 140 nm, między bramkami z polikrystalicznego krzemu. Widoczne również obszary epitaksjalnego SiGe, o kształtach jak S.
Wykonane w technologii 45 nm.
51
Reguły Projektowania 32 nm CMOS - FUJITSU - 2007
FUJITSU - T.Miyashita et al. IEDM 2007 S10P03
52
27
53
International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS 2013 Edition
International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS 2009 Edition
28
55Maksymalna częstotliwość zegara, maksymalne napięcie zasilania VDD i (maksymalne wymagane) napięcie progowe VTn , VTp dla układów scalonych CMOS
S.Chatterjee et al., Circuit Design Techniques at 0.5V, Springer 2007
Rok
High performance – najlepsze właściwości.
Technology Node [nm] – połowa sumy szerokości najwęższego paska i najwęższej przerwy we wzorze na powierzchni półprzewodnika, w danej technologii.
Mniejsza długość kanału:
pozwala stosować większe częstotliwości zegara wewnątrz układu scalonego;
wymaga stosowania niższych napięć zasilania VDDaby uniknąć przebić elektrycznych i przegrzania,
a napięcia progowe tranzystorów VTn i VTp muszą być mniejsze niż VDD/2.
56Maksymalna częstotliwość zegara, maksymalne napięcie zasilania VDD i (maksymalne wymagane) napięcie progowe VTn , VTp dla układów scalonych CMOS
S.Chatterjee et al., Circuit Design Techniques at 0.5V, Springer 2007
Rok
Procesory są konstruowane dla dużej szybkości działania lub małego poboru mocy. Dopuszczalne są prądy upływu bramek. Obie optymalizacje wymagają cienkiego tlenku bramki (thin-oxide).
Duża szybkość działania wymaga krótkiego kanału, co wymaga stosowania niskich napięć zasilania VDD . Napięcia progowe tranzystorów VTn i VTp muszą być mniejsze niż VDD/2.
Bloki wejścia/wyjścia wymagają wyższych napięć przebicia, czyli dłuższych kanałów i grubszego tlenku bramki (thick-oxide), co wymaga stosowania wyższych napięć zasilania VDD .
Pamięci wymagają małych prądów upływu bramki, czyli grubszego tlenku bramki (thick-oxide), co wymaga stosowania wyższych napięć zasilania VDD . Wiążą sią z tym wyższe napięcia progowe tranzystorów VTn i VTp.
29
57TEM Images of High Performance MOSFETs
• Very little change in physical gate length, only ~0.9x per node• The gate pitch is scaling fast, as 0.7x per node and area scales as 0.5x• Most of the transistor innovation is in stress engineering and HKMG
All TEM images here have the same scale
90 nm node 65 nm node 45 nm node 32 nm node
source: V. Moroz, SYNOPSYSBerkeley Seminar 2011
100 nm
Skalowanie tranzystorów w układach CMOS
Zbliżanie się do granic możliwości materiałowych krzemu i dwutlenku krzemu wymusza odstępstwa od „klasycznych” reguł skalowania.
58
30
59Difficult to Solve Problem – Gate Current Due to Electron
Tunneling in Thin Oxide
Modern MOS FETs can not be scalled with the classical rules because of the quantum-mechanical tunneling of electrons in a gate dielectric. At very thin gate dielectric layers, about 1 nm, this effect results in a gate-source and gate-drain current flow.To avoid excessively large gate leak currents of this type:
• SiO2 gate dielectrics should not be made thinner than1.5 nm;
• or, better, instead of SiO2 , other dielectric of largepermittivity (large dielectric constant), like HfO2should be applied.
Gate_Tunneling_1a
Tunelowy Prąd Bramki W Tranzystorze MOS
Tunelowy prąd bramki w tranzystorze MOS z cienkim SiO2. W technologii 65 nmstosowano SiO2 bramki o grubości 2 nm.
Zmniejszenie grubości SiO2 było z jednej strony konieczne aby zmniejszyć długość kanału do 32 nm ( w technologii 45 nm), a z drugiej strony niemożliwe z uwagi na niedopuszczalnie duży prąd upływu bramki.
H.Momose i in, IEEE Trans. Electron Devices v50 s.1001 2003
Grubość SiO2 to tylko 5 atomów. Obraz SiO2 bramki z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) o atomowej rozdzielczości.
Gęstość prądu bramki w funkcji naięcia bramka źródło
60
31
Gate_Tunneling_1b
Tunelowy Prąd Bramki W Tranzystorze MOS
IEDM 2007, art. s10p02, Intel
Problem dużego prądu bramki rozwiązano stosując HfO2 jako izolator bramki.
Znor
mal
izow
any
prąd
upły
wu
bram
ki
• HfO2 ma większą przenikalność dielektryczną niż SiO2
• więc może być grubszy przy tych samych VGS i ID
• większa grubość dielektryka bramki prowadzi do mniejszego prądu tunelowego.
61
SiO2
Gate_Tunneling_2
Tunelowy Prąd Bramki W Tranzystorze MOS
Skalowanie grubości równoważnej grubości tlenku bramki tranzystora MOS w Intelu
IEDM 2007, art. s10p02, Intel
62
SiO2
32
Tunelowy Prąd Bramki W Tranzystorze MOS
Yeo, King, Hu, IEEE Trans. Electron Devices, v.50, s.1027-1035, 2003
maksymalna dopuszczalna gęstość prądu bramki
Gęs
tość
Prą
du B
ram
ki J
G[A
/cm
2 ]
Równoważna Grubość SiO2 tox,eq [nm]
63
64
Opracowanie zawansowanych nowatorskich krzemowych struktur CMOS:
• Nieplanarne MOSFETy z wieloma bramkami krótszymi od 10 nm.
• Opanowanie zjawisk krótkiego kanału.
• Inżynieria drenu dla zmniejszenia rezystancji szeregowych.
• Prędkość termiczna elektronów zwiększona przez naprężenia, niemal balistyczny transport.
Trudne do rozwiązania problemy dla Lg < 16 nm
Przyrządy inne niż krzemowy MOSFET?
• Opracować przyrządy i architektury układów scalonych.• Zintegrować je na sposób Si-CMOS.
International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS 2009 Edition
33
65Difficult to Solve Problem – Subthreshold Conduction and DrainInduced Barrier Lowering
Modern MOS FETs can not be scalled with the classical rulesbecause of:
• subthreshold conduction• and drain induced barrier lowering (DIBL).
These effects can be partially avoided in MOS FETs:
• of FinFET, or TriGate type, • of gate surround, or quantum-wire type,• or fabricated in extremely thin layers of semiconductor
on insulator.
DIBL - 0
Wpływ napięcia dren-źródło na wysokość bariery potencjału ΨB 66
N.Collaert, CMOS Nanoelectronics: Innovative Devices, Architectures, and Applications, Pan Stanford Publ. 2012
34
Przewodnictwo podprogowe - 1
Przewodnictwo podprogowe dren-źródło – przy VGS < VTn
R.J.Baker, CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation, Wiley 2008
Nachylenie podprogowe
VTn
słaba inwersja
średnia inwersja silna inwersja
w inwerterze CMOS
• W tranzystorze MOS ID nie jest całkowicie odcięty (płynie) nawet przy VGS<VTn.
• Podprogowa wielkość ID jest ograniczana przez wysokość bariery potencjału ΨB pomiędzy żródłem a kanałem, a nie przez transport w kanale jak w dla VGS<VTn.
• Podprogowa wielkość ID zależy wykładniczo od VGS.
• Przewodnictwo podprogowe problemem dla MOSów z krótkimi kanałami. Krótki kanał –małe nachylenie
S.M.Sze, Kwok K.Ng, Physics of Semiconductor Devices, 3ed. Wiley 2006
• Wysokość bariery potencjału ΨB pomiędzy żródłem a kanałem może być zmniejszona przez elektrostatyczne oddziaływanie obszaru drenu.
• W starych tranzystorach z długimi kanałami problem nieistotny wskutek ekranującego oddziaływania bramki.
• Wysokość bariery potencjału ΨB zmniejsza się ze wzrostem VDS.
• W tranzystorach z krótkimi kanałami, np. 50 nm, YB zmniejszone nawet przy VDS=0V.
• Mniejsza wysokość bariery potencjału ΨB prowadzi do zwiększenia ID.
ΨBźródło dren
VDS=0V
VDS>0VMOSFET
z długim kanałem
ΨBźródło dren
VDS=0V
VDS>0VMOSFET
z krótkim kanałem
69
DIBL - 2
W. Fichtner, IEEE Solid St. Circ. and Tech. Workshop on Scaling and Microlithography, New York 1980.
• Wysokość bariery potencjału ΨB zmniejsza się ze wzrostem VDS.
• W tranzystorach z krótkimi kanałami, np. 50 nm, ΨB zmniejszone nawet przy VDS=0V.
• Mniejsza wysokość bariery potencjału ΨB prowadzi do zwiększenia ID.
• Skutki DIBL można ograniczyć zwiękaszając domieszkowanie podłoża.
70Obniżanie bariery potencjału ΨB indukowane przez dren
(DIBL – drain induced barrier lowering)
36
71Odpornosc CMOS na zaklocenia - 3
Odporność inwertera na zakłóceniaVout1 Vout2
Odporność inwertera na zakłócenia (marginesy na zakłócenia) oceniamy rysując statyczną charakterystykę przenoszenia Vout1(Vin) , a następnie, w tym samym układzie współrzędnych Vout2(Vout1).
Tranzystor MOS z kanałem typu n. Tranzystor MOS z kanałem typu p.
VGS =1.0V
0.8V
0.6V
Charakterystyki ID(VDS) przy ustalonych wartościach VGS
Charakterystyki przejściowe ID(VGS) przy ustalonych wartościach VDS
ID(VDS)[mA/µm]
ID(VDS)[mA/µm]
-ID(VDS)[mA/µm]
-ID(VDS)[mA/µm]
Uwaga: • Prąd drenu |ID | nie wzrasta z kwadratem
|VGS|. • Napięcie VDS ma znaczący wpływ na ID
czyli rDS ≠ ∞.• To są skutki bardzo krótkiego kanału, 32
nm.
86
44
IEDM 2007, art. s10p02, Intel
Wielowarstwowa Metalizacja
metal (Cu)-ścieżka -przewodząca
powierzchnia krzemuz tranzystorami -niewidocznymi
Dielektryk między warstwami metalizacji, o możliwie małej stałej dielektrycznej,mniejszej od SiO2.
IBM Corp.
Warstwy miedzi po strawieniu dielektryka. Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM)
87
Bramki i Komórki Pamięci Statycznej CMOS Z tranzystorami o długości kanałów 32 nm; Intel - 2009r.
IEDM 2007, art. s10p02, Intel
Warstwy dyfuzyjne i polikrystalicznesześciotranzystorowej komórki SRAM o
powierzchni 0,346 µm2.
Węzeł technologiczny
Pow
ierz
chni
a K
omór
ki S
RA
M
Odl
egłość
pom
iędz
y br
amka
mi
Trend w skalowaniu bramek i komórek SRAM z 6 tranzystorami.
88
45
CMOS z 30 nm kanałem – TSMC 2007 - 3
CMOS z 30 nm kanałem – TSMC 2007
Tranzystory CMOS z 30 nm kanałem wykonane w technice 45 nm. Do litografii użyto światła o l = 193 nm w próżni, przy NA=1,2. Długość fali światła skrócono, 63%, wykonując naświetlanie w cieczy.
Widok z góry 6-tranzystorowej komórki pamięci statycznej, zajmującej powierzchnię 0,242 µm2
IEDM 2007, art. s10p01, TSMC
89
Rekord fT w tranzystorach CMOS IBM 2007 - a
IEDM 2007, art. s10p04, IBM
Rekordowo duże wartości częstotliwości granicznych fT w tranzystorach CMOS wykonanych w technologii 45 nm - IBM 2007
pMOS
nMOS
90
46
Oscylator Pierścieniowy
• Nieparzysta ilość inwerterówtworzy oscylator pierścieniowy (ring oscillator).
• Z generowanej częstotliwości fokreśla się czas przełączania bramki, czyli czas opóźnienia pojedynczego stopnia (delaytime)
td = 1/(2×n×f)
• Czas przełączania bramek z większą ilością wejść jest trochę dłuższy.
Vk/VDD - znormalizowane napięcia wyjściowe bramek w funkcji znormalizowanego czasu
91
Szybkość Przełączania Inwerterów CMOS
IEDM 2007, art. s10p02, Intel
Inwertery CMOS z tranzystorami o długości kanałów 32 nm (wykonane w technologii 45 nm, Intel – 2010 r.) mają czas opóźnienia td = 5,1 pS.
Opóźn
ieni
e st
opni
a [p
S]
Prąd w stanie odcięcia tranzystorów [nA/µm]
=VDD
=VDD
większa - mniejszagrubość izolatora bramki
92
47
R. Kumar, Fabless Semiconductor Implementation, McGraw-Hill, 2008
93Porównanie częstotliwości granicznych wzmocnienia prądowego fT przyrządów wykonanych w technologiach CMOS i SiGe przy różnych rozmiarach charakterystycznych procesów wytwarzania
94Historical Trend of Si MOSFET Performance Scaling
A. Khakifirooz, D. A. Antoniadis, "CMOS Performance Scaling", in R.Murali (ed.), "GrapheneNanoelectronics: From Materials to Circuits", p. 10, Springer 2012
Historical trend of the intrinsic transistor delay for some benchmark technologies. Filled symbols represent strain-engineered devices. Saturation of performance scaling is seen in the recent technology nodes, if strain engineering is not used.
48
95Historical Trend of Si MOSFET Performance Scaling
A. Khakifirooz, D. A. Antoniadis, "CMOS Performance Scaling", in R.Murali (ed.), "GrapheneNanoelectronics: From Materials to Circuits", p. 11, Springer 2012
Extracted virtual source velocity of electrons and holes for different technological nodes. Filled symbols represent strain-engineered devices. Saturation of virtual source velocity is seen for unstrained devices below a gate length of about 100 nm.
96Expected Electron & Hole Velocities for non-Si MOSFETs
A. Khakifirooz and D. A. Antoniadis, “MOSFET Performance scaling – Part II: Future directions,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 55, no. 6, pp. 1401–1408, 2008.
Hole virtual source velocity extracted from short-channel Ge PFETs from literature (symbols) compared with historical data for relaxed and uniaxially strained Si. Experimental data for both relaxed and biaxially strained Ge are included, demonstrating that without uniaxial strain, Gedoes not offer any benefit over relaxed Si.
Electrons - Comparison of virtual source velocity in deeply scaled III–V HEMTsand historical Si data.
49
HF transistors fmax-fT
Rekordowe częstotliwości fT i fmax tranzystorów oraz częstotliwości pracy układów fcircuit 97
fT – graniczna częstotliwość przy której tranzystor może wzmacniać prąd, to jest przy której, dla składowej zmiennej Id / Ig > 1
fmax – graniczna częstotliwość przy której tranzystor może wzmacniać moc, to jest przy której, dla składowej zmiennej Pout / Pin > 1
(2012 r)
98FinFET – solution to DIBL – drain induced barrierlowering and subthreshold conduction
NodeYear
90 nm(2003)
65 nm(2005)
45 nm(2007)
32 nm(2009)
22 nm(2011)
source: M. Bohr, K. Mistry, Intel’s Revolutionary 22 nm Transistor Technology, May, 2011
50
99Traditional planar MOS FET vs. tri-gate MOS FET (FinFET)
source: M. Bohr, K. Mistry, Intel’s Revolutionary 22 nm Transistor Technology, May, 2011
Traditional 2-D planar transistors form a conducting channel in the silicon region under the gate electrode when in the “on” state.
electrode
Gate
electrode
Gate high-kdielectric
3-D Tri-Gate transistors form conducting channels on three sides of a vertical fin structure, providing “fully depleted” operation.
Planar MOS FET Tri-gate MOS FET (FinFET)
100Traditional planar MOS FET vs. tri-gate MOS FET (FinFET)
source: M. Bohr, K. Mistry, Intel’s Revolutionary 22 nm Transistor Technology, May, 2011
32 nm planar MOS FET 22 nm tri-gate MOS FET (FinFET)
51
101INTEL processor with fully depleted 22-nm tri-gate MOS FET (FinFET)
source: Chris Auth, et. al., 2012 Symposium on VLSI Technology, Hawaii
TEM Image of nMOS Gate and Fin Structure
1022014 Aug. - 14-nm Intel Broadwell Processor with TrigateCMOS Transistors (FinFETs)
D. Jame, Intel’s 14nm Parts are Finally Here!, Solid State Technology, 2014.10.27
52
10314-nm Intel Trigate CMOS Transistors (FinFETs)
D. Jame, Solid State Technology, 2014.10.27
scale
Gmetal &contact
S/Dcontact
S/Dcontact
The gate metallisation looks similar to the 22nm, with tungsten gate fill as in the earlier process.
13 layers of metal + a MIM (Metal-Isolator-Metal) cap. Previously Intel used9 metal layers (IBM used 15 metal layers)
104
International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS 2009 Edition
Przyrządy wysokiej częstotliwości
53
105650 GHz, 160 GHz SiGe circuits
Mieszacz na 650 GHz z diodami metal-półprzewodnik z SiGe
Układ scalony mieszacza wejściowego odbiornika na 650 GHz.
Zawiera tranzystory, diody metal-półprzewodnik z SiGe oraz linie transmisyjne, sprzęgacze i dipol anteny sygnału wielkiej częstotliwości.
Heterozłączowe tranzystory bipolarne z SiGe o częstotliwościach granicznych fT= 260 GHz, fmax= 380 GHz wzmacniają sygnał LO o częstotliwości fLO=162,5 GHz.
Częstotliwość f=650 GHz jest przetwarzana przez mieszacz z diodą metal-półprzewodnik.
Układ wykonano w technologii BiCMOS 130 nm na podłożu Si.E. Öjefors et al., ISSCS 2010
1,2 mm
0,6
mm
106SiGe BiCMOS 160 GHz circuits
Układy na 160 GHz z heterozłączowymi tranzystorami bipolarnymi z SiGe
U.R.Pfeiffer et al., ISSCS 2010
Układ scalony nadajnika na 160 GHz – w technologii BiCMOS na podłożu Si.
Układ scalony odbiornika na 160 GHz.
Sygnały o częstotliwości 160 GHz są przetwarzane przez heterozłączowetranzystory bipolarne z SiGe o częstotliwościach granicznych fT= 260 GHz, fmax= 380 GHz.
Tranzystory wykonane w technologii 130 nm.
54
107sub-mm HEMT amp 480GHz - 2
Wzmacniacze z tranzystorami HEMT dla zakresu fal submilimetrowych
Niskoszumowy pięciostopniowy scalony monolityczny wzmacniacz dla f = 480 GHz z tranzystorami HEMT na podłożu z InP.HEMT: dugość kanału < 50 nm, transkonduktancja 2300 S/mm, fmax = 1200 GHz, fT = 580 GHz.
W.R.Deal et al., IEEE MWCL, vol. 20, pp. 289-291, 2010
Płytka InP 0,9 mm × 0,32 mm ze wzmacniaczem. Sygnały sprzężone z falowodami przy pomocy dipoli.
Metal z falowodami WR-2.2 - wejściowym i wyjściowym.
0,9 mm
0,32
mm
Parametry S wzmacniacza
2121 log20 SS dB =
10
2210
21
10dbS
SG
=
= G0 – hipotetyczna wartość wzmocnienia mocy przy dopasowaniu impedancji na wejściu i wyjściu oraz przy transmisji sygnału tylko z wejścia do wyjścia
Current-gain cutoff frequency fT vs. gate length for different field effect transistor technologies (InP, GaAs, Si)
G.Ghione,Semiconductor Devices for High-Speed Optoelectronics, Cambridge 2009
108
Si-nMOSFET
IIIV - HEMT
Breakdown voltage vs. current gain cutoff frequency fT
W. Snodgrass et al., 2006 IEDM, pp.1-4
55
Obecnie produkowane procesory z krzemowymi tranzystorami CMOS
Zaprojektujcie układy lepsze dla Waszych potrzeb, szybsze i zużywające mniej energii!
109
Procesor z tranzystorami w technologii o rozmiarze charakterystycznym 32 nm -Samsung dla Apple iPhone5 –2012 r.
2013: Procesor Core i7-4770K (Haswell)z tranzystorami CMOS tri-gate(FinFET) wykonanymi w technologii o rozmiarze charakterystycznym 22 nm.