Podręcznik

W części I wspomniane były dwie nowe struktury tranzystorów MOS: FinFET i FDSOI (punkt 4.2.3, rysunki 4-17 i 4-18). Z takimi tranzystorami można nadal wytwarzać układy CMOS. Ich główną zaletą jest redukcja prądu podprogowego o kilkadziesiąt procent, a tym samym ograniczenie mocy statycznej pobieranej przez układy cyfrowe. Można to wykorzystać na dwa sposoby, w zależności od zastosowania układu: albo pozostawić bez zmian częstotliwość taktowania układu, uzyskując obniżenie poboru mocy (na przykład w urządzeniach mobilnych – dłuższa praca po naładowaniu baterii), albo zwiększyć wydajność obliczeniową układu przez podniesienie częstotliwości taktowania, bo obniżenie mocy statycznej umożliwia zwiększenie mocy dynamicznej bez przekroczenia dopuszczalnej mocy całkowitej.

Tranzystory FinFET są trudne w produkcji. Wytrawienie milionów kanałów tranzystorów w postaci cienkich pionowych pasków krzemu w taki sposób, aby żaden z tych pasków nie uległ złamaniu (a krzem monokrystaliczny jest materiałem kruchym) to wyzwanie dla technologów. W porównaniu z tą technologią technologia tranzystorów FDSOI jest bez porównania prostsza, prostsza nawet od tradycyjnej technologii wytwarzania tranzystorów w układach CMOS, bo struktura tranzystora jest taka sama, jak w technologiach tradycyjnych, a w dodatku nie są potrzebne procesy wprowadzania domieszek w obszar kanału – tranzystor ma bardzo dobre parametry bez nich. Trudniej natomiast przygotować podłoże. Wytworzenie ultra-cienkiej monokrystalicznej warstwy krzemu odizolowanej dielektrykiem od krzemowego podłoża nie jest łatwe, ale proces ten jest już dobrze opanowany na skalę przemysłową.

Tranzystory FinFET przydatne są przede wszystkim do układów cyfrowych, natomiast do układów analogowych nie bardzo się nadają. Ich specyficzna geometria powoduje, że nie ma w ich przypadku możliwości swobodnego kształtowania stosunku szerokości do długości kanału W/L. Aby zwielokrotnić szerokość W, trzeba połączyć równolegle odpowiednią liczbę tranzystorów. Gdyby zaszła potrzeba zwiększenia długości kanału L, trzeba by łączyć tranzystory szeregowo. Natomiast tranzystory FDSOI są uniwersalne, nadają się równie dobrze do układów cyfrowych, jak i analogowych. Co więcej, w ich przypadku istnieje możliwość wykorzystania wyspy, nad którą znajduje się tranzystor, a która jest od niego odizolowana cienką warstwą SiO₂, jako drugiej bramki. 

Rysunek 5-4 ilustruje tę możliwość. 

Rysunek 5‑4. Przekrój przez tranzystory w technologii FDSOI pokazujący możliwość wykorzystania wysp jako drugich bramek

Napięcie V1 przyłożone jest do podłoża poprzez wyspę typu p i polaryzuje wszystkie wyspy tego typu, natomiast napięcie V2 polaryzuje tylko wyspę typu n, do której jest przyłożone. Musi być oczywiście zapewniona zaporowa polaryzacja tej wyspy względem podłoża. Można odizolować od podłoża także wyspę typu p, wprowadzając pod nią obszar typu n (obszar zwany trzecią wyspą, ang. „triple well”). Musi on być oczywiście spolaryzowany zaporowo wobec obszarów typu p poprzez doprowadzenie doń dodatniego napięcia zasilania – rysunek 5-5.

Rysunek 5‑5. Tranzystor nMOS w technologii FDSOI nad wyspą izolowaną

Stosując izolowane wyspy typu p można indywidualnie doprowadzać napięcia polaryzujące zarówno do wysp typu p, jak i do wysp typu n. Daje to zupełnie nowe możliwości w układach zarówno cyfrowych, jak i analogowych. Polaryzacja wysp pod tranzystorami może być wykorzystana do sterowania napięciem progowym tranzystorów, co daje w układach cyfrowych możliwość automatycznej zmiany warunków pracy układu: przyłożenie do wysp napięć obniżających napięcia progowe – układ działa szybciej przy większym poborze mocy; przyłożenie napięć podwyższających napięcia progowe – układ działa wolniej, ale oszczędza energię. W układach analogowych wyspy mogą być polaryzowane sygnałami zmiennymi, co stwarza zupełnie nowe możliwości rozwiązań układowych. 

Zarówno technologie FinFET, jak i FDSOI są już stosowane na skalę przemysłową. Są to niewątpliwie technologie, które będą stosowane równolegle przez następne lata. W technologii FinFET produkowane są układy z tranzystorami o długości bramki poniżej 10 nm, w FDSOI – obecnie najmniejsze tranzystory mają długość kanału 14 nm. Można się spodziewać, że wprowadzenie fotolitografii EUV pozwoli prędzej czy później produkować układy z tranzystorami o długości kanału 5 nm. Poniżej tej długości raczej nie da się zejść, bowiem na przeszkodzie stoją prawa fizyki. Jeszcze mniejsze tranzystory dałoby się zrobić, ale nie będą one prawidłowo działać, bo pojawi się prąd tunelowy bezpośrednio płynący między źródłem i drenem.

W laboratoriach są natomiast eksperymentalne tranzystory będące wersjami rozwojowymi tranzystorów typu FinFET. Pokazuje je rysunek 5-6.

Rysunek 5‑6. Rozwój koncepcji tranzystorów FinFET  (na rysunku angielskie nazwy struktur). Rysunek pokazuje przekroje pionowe przez tranzystory.

 W tych kolejnych wersjach celem jest jak najdokładniejsze otoczenie obszaru kanału bramką, co sprzyja dalszej redukcji prądu podprogowego.