Többkapuos eszköz - Multigate device

Kettős kapu MOSFET és sematikus szimbólum

A többkapu-eszköz , többkapu MOSFET vagy többkapu -térhatású tranzisztor ( MuGFET ) olyan fém-oxid-félvezető mezőhatású tranzisztorra (MOSFET) utal , amelynek több kapuja van egyetlen eszközben. A több kaput egyetlen kapuelektródával lehet vezérelni, ahol a több kapu felület elektromosan egyetlen kapuként működik, vagy független kapuelektródákkal. A független kapuelektródákat használó többnyílású eszközt néha többszörös független kapu mezőhatású tranzisztornak ( MIGFET ) nevezik . A legszélesebb körben használt többkapu -eszközök a FinFET (fin field-effect transistor) és a GAAFET (gate-all-around field-effect transistor), amelyek nem síkbeli tranzisztorok, vagy 3D tranzisztorok .

A többkapu- tranzisztorok egyike azon stratégiáknak, amelyeket a MOS félvezetőgyártók fejlesztenek ki , hogy egyre kisebb mikroprocesszorokat és memóriacellákat hozzanak létre , amelyeket köznyelven Moore-törvény kiterjesztésének neveznek (a sűrűség skálázására vonatkozó szűk, specifikus változatában, figyelmen kívül hagyva a történelmi összetévesztést) a Dennard méretezés ). A többpólusú tranzisztorok fejlesztéséről az Elektrotechnikai Laboratórium , a Toshiba , a Grenoble INP , a Hitachi , az IBM , a TSMC , az UC Berkeley , az Infineon Technologies , az Intel , az AMD , a Samsung Electronics , a KAIST , a Freescale Semiconductor és mások számoltak be , és az ITRS helyesen jósolta meg hogy az ilyen eszközök a 32 nm alatti technológiák sarokkövei lesznek . A széles körű megvalósítás elsődleges akadálya a gyárthatóság, mivel mind a síkbeli , mind a nem síkbeli kialakítás jelentős kihívásokat jelent, különösen a litográfia és a mintázás tekintetében. Az eszközök skálázásának további kiegészítő stratégiái közé tartozik a csatornafeszítés- tervezés , a szilícium-szigetelő- alapú technológiák és a magas κ /fém kapuanyagok.

A kétkapu MOSFET-eket általában nagyon nagyfrekvenciás (VHF) keverőkben és érzékeny VHF előerősítőkben használják. Kaphatók olyan gyártóktól, mint a Motorola , az NXP Semiconductors és a Hitachi .

Típusok

Több multigate modell

Több tucat multigate tranzisztor variáns található az irodalomban. Általánosságban elmondható, hogy ezek a változatok differenciálhatók és osztályozhatók az architektúra (sík és nem sík kialakítás) és a csatornák/kapuk száma (2, 3 vagy 4) alapján.

Sík kettős kapu MOSFET (DGMOS)

A sík kettős kapu MOSFET (DGMOS) hagyományos, sík (rétegről rétegre) gyártási eljárásokat alkalmaz kettős kapu MOSFET (fém-oxid-félvezető mezőhatású tranzisztor) eszközök létrehozására, elkerülve a nem síkhoz kapcsolódó szigorúbb litográfiai követelményeket. , függőleges tranzisztoros szerkezetek. A sík kettős kaputranzisztorokban a lefolyó-forrás csatorna két egymástól függetlenül gyártott kapu/kapu-oxid köteg között van elhelyezve. Az ilyen szerkezetek gyártásának elsődleges kihívása a felső és az alsó kapu közötti kielégítő önigazítás.

Miután a MOSFET-et először bemutatta Mohamed Atalla és Dawon Kahng, a Bell Labs munkatársa 1960-ban, a kettős kapuval ellátott vékonyrétegű tranzisztor (TFT) koncepcióját a HR Farrah ( Bendix Corporation ) és az RF Steinberg javasolta 1967-ben. a kettős kapu MOSFET-et később Toshihiro Sekigawa, az Elektrotechnikai Laboratórium (ETL) javasolta egy 1980-as szabadalomban, amely leírja a sík XMOS tranzisztorokat. Sekigawa 1984-ben gyártotta az XMOS tranzisztorokat Yutaka Hayashival az ETL-en. Megmutatták, hogy a rövidcsatornás hatások jelentősen csökkenthetők, ha egy teljesen kimerült szilícium-szigetelő (SOI) eszközt helyeznek el két egymással összekapcsolt kapuelektróda között .

Az ETL demonstráció arra inspirálta a Grenoble INP kutatóit, köztük Francis Balestra, Sorin Cristoloveanu, M. Benachir és Tarek Elewa, hogy 1987-ben kettős kapu MOSFET-et gyártsanak szilikon vékonyréteg felhasználásával. (interfész rétegek és hangerő) erős inverzióban („Volume-Inversion MOSFET”) vagy erős felhalmozódásban („Volume-Accumulation MOSFET”). Ez a tranzisztoros működési módszer, amely bemutatja a többnyílású eszközök elektrosztatikus tulajdonságait és skálázhatóságát, erős eszköz teljesítményt nyújtott, különösen jelentősen megnövelve a küszöb alatti meredekséget , az átvezetést és a leeresztő áramot. Az eszköz tanulmányozásához szimulációs programot és SIMOX -struktúrákon végzett kísérleteket használtunk.

A Sekigawa 1987-ben gyártott 2 µm kapu hosszúságú XMOS eszközt . 1988-ban egy IBM kutatócsoport Bijan Davari vezetésével 180 nm és 250 nm közötti kétkapu CMOS eszközöket gyártott . 1992 -ben a Sekigawa gyártott egy 380 nm -es XMOS készüléket. 1998 -ban E. Suzuki gyártott egy 40 nm -es XMOS készüléket. A DGMOS kutatás-fejlesztés (K + F) középpontjában ezt követően a síkbeli DGMOS-technológiáról a nem-planáris FinFET (fin field-effect transistor) és a GAAFET (gate-all-around field-effect transistor) technológiák irányába tolódott el .

FlexFET

A FlexFET egy sík, egymástól függetlenül kettős kapuval rendelkező tranzisztor, damaszcén fém felső MOSFET kapuval és beültetett JFET alsó kapuval, amelyek önállóan illeszkednek a kapuárokba. Ez az eszköz nagymértékben skálázható a szub-litográfiai csatornahossz miatt; nem beültetett ultra-sekély forrás- és lefolyóhosszabbítók; nem epi emelt forrás és lefolyó régiók; és kapu-utolsó áramlás. A FlexFET valódi kettős kaputranzisztor abban az értelemben, hogy (1) mind a felső, mind az alsó kapu tranzisztoros működést biztosít, és (2) a kapuk működése úgy van összekapcsolva, hogy a felső kapu működése befolyásolja az alsó kapu működését, és fordítva. A Flexfet -et az American Semiconductor, Inc. fejlesztette ki és gyártja.

FinFET

Kettős kapuú FinFET eszköz

Egy SOI FinFET MOSFET

Az NVIDIA GTX 1070 , amely 16 nm-es FinFET-alapú Pascal chipet használ, amelyet a TSMC gyárt

A FinFET (fin field-effect transistor) egy nem síkbeli tranzisztor, vagy "3D" tranzisztor (nem összetévesztendő a 3D mikrochipekkel ). A FinFET a hagyományos MOSFET -ek egyik változata, amelyet egy vékony szilícium "uszony" inverziós csatorna jelenít meg az aljzat tetején, lehetővé téve a kapu számára, hogy két érintkezési pontot hozzon létre: az uszony bal és jobb oldala. Az uszony vastagsága (a forrástól a lefolyóig terjedő irányban mérve) határozza meg az eszköz tényleges csatornahosszát. A körbefutó kapuszerkezet jobb elektromos vezérlést biztosít a csatorna felett, és ezáltal csökkenti a szivárgási áramot és leküzdi a többi rövidcsatornás hatást .

Az első finfet tranzisztor-típust "Depleted Lean-channel Transistor" vagy "DELTA" tranzisztornak hívták, amelyet először a Hitachi Központi Kutatólaboratórium Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto és Eiji Takeda gyártott 1989-ben. Az 1990-es évek végén , Digh Hisamoto kezdett együttműködni egy nemzetközi kutatócsoport további fejlesztésével DELTA technológia, beleértve a TSMC „s Chenming Hu és UC Berkeley kutatócsoport beleértve Tsu-Jae király Liu , Jeffrey Bokor Xuejue Huang, Leland Chang, Nick Lindert, S. Ahmed, Cyrus Tabery, Yang -Kyu Choi, Pushkar Ranade, Sriram Balasubramanian, A. Agarwal és M. Ameen. 1998-ban a csapat kifejlesztette az első N-csatornás FinFET - eket és sikeresen gyártott eszközöket 17 nm-es folyamatig. A következő évben kifejlesztették az első P-csatornás FinFET - eket. Egy 2000. decemberi dokumentumban megalkották a "FinFET" (fin field-effect tranzisztor) kifejezést.

A jelenlegi használatban a FinFET kifejezés definíciója kevésbé pontos. Között mikroprocesszor gyártó, az AMD , IBM , és a Freescale leírják kettős kapu fejlesztési erőfeszítések FinFET fejlesztése, mivel az Intel kerüli el a kifejezést, amikor leírja, hogy szorosan kapcsolódó tri-gate építészet. A szakirodalomban a FinFET-et némileg általánosan használják bármilyen uszonyalapú, multigate tranzisztoros architektúra leírására, a kapuk számától függetlenül. Gyakran előfordul, hogy egyetlen FinFET tranzisztor több bordát tartalmaz, amelyek egymás mellett helyezkednek el, és mindegyiket ugyanaz a kapu borítja, amelyek elektromosan egyként működnek, hogy növeljék a hajtás erősségét és teljesítményét. A kapu kiterjedhet az uszony (ok) egészére is.

A TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) 2002 decemberében bemutatott egy 25 nm -es, mindössze 0,7 voltos feszültségen működő tranzisztort . Az "Omega FinFET" kialakítás a görög omega (Ω) betű és a kapu forrás-/leeresztőszerkezete körüli forma hasonlóságáról kapta a nevét . A kapu késleltetése mindössze 0,39 pikoszekundum (ps) az N-típusú tranzisztoroknál és 0,88 ps a P-típusnál.

2004-ben a Samsung Electronics bemutatta a "Bulk FinFET" konstrukciót, amely lehetővé tette a FinFET eszközök tömeggyártását. 90 nm-es tömeges FinFET eljárással gyártott dinamikus véletlen hozzáférésű memóriát ( DRAM ) mutattak be . 2006 -ban a Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) és a National Nano Fab Center koreai kutatói csapata kifejlesztett egy 3 nm -es tranzisztorot, a világ legkisebb nanoelektronikai eszközét, amely FinFET technológián alapul. 2011-ben a Rice Egyetem kutatói, Masoud Rostami és Kartik Mohanram bebizonyították, hogy a FINFET-ek két elektromosan független kapuval rendelkezhetnek, ami nagyobb rugalmasságot biztosít az áramkör tervezőinek a hatékony, kis teljesítményű kapuk tervezéséhez.

2012 -ben az Intel elkezdte használni a FinFET -eket jövőbeli kereskedelmi eszközeihez. A szivárgások azt sugallják, hogy az Intel FinFET-je szokatlan formájú háromszög, nem pedig téglalap, és feltételezések szerint ez lehet azért is, mert egy háromszög nagyobb szerkezeti szilárdsággal rendelkezik, és megbízhatóbban előállítható, vagy azért, mert a háromszögprizma nagyobb területtel rendelkezik -térfogatarány, mint egy téglalap alakú prizma, ezáltal növelve a kapcsolási teljesítményt.

2012 szeptemberében a GlobalFoundries bejelentette, hogy 2014-ben 14 nanométeres folyamattechnológiát kínál FinFET háromdimenziós tranzisztorokkal. A következő hónapban a rivális TSMC vállalat bejelentette, hogy 2013 novemberében megkezdi a 16 nm-es FinFETS korai vagy "kockázatos" gyártását.

2014 márciusában a TSMC bejelentette, hogy közeledik számos 16 nm - es FinFET szerszámos ostya gyártási folyamatának megvalósításához :

16 nm FinFET (2014. negyedik negyedév),
16 nm FinFET+ ( kb . 2014. negyedik negyedév),
16 nm FinFET "Turbo" (becslések szerint 2015–2016).

Az AMD 2016 júniusában adta ki a Polaris chip -architektúrájukat használó GPU -kat, amelyek 14 nm -es FinFET -en készültek. A vállalat megpróbált olyan konstrukciót kidolgozni, amely "generációs ugrást eredményez az energiahatékonyságban", miközben stabil képkockasebességet is kínál a grafika, a játékok, a virtuális valóság, és multimédiás alkalmazások.

2017 márciusában a Samsung és az eSilicon bejelentette a 14 nm -es FinFET ASIC 2.5D csomagban történő gyártását.

Háromkapu tranzisztor

A háromkapu tranzisztor, más néven hármaskapu tranzisztor, a MOSFET egyik típusa, amelynek három oldalán kapu van. A hármaskapu tranzisztorokat 1987-ben mutatták be először egy Toshiba kutatócsoport, köztük K. Hieda, Fumio Horiguchi és H. Watanabe. Rájöttek, hogy egy keskeny, Si -alapú tranzisztor teljesen kimerült (FD) teste segített javítani a kapcsolást a csökkent test -torzító hatás miatt. 1992-ben Hon-Sum Wong IBM kutató demonstrált egy hármas kapu MOSFET-et .

A háromkapu-gyártást az Intel használja az Ivy Bridge , Haswell és Skylake processzorokban használt nem sík tranzisztoros architektúrához . Ezek a tranzisztorok egyetlen kaput alkalmaznak két függőleges kapu tetejére (egyetlen csatorna a csatorna három oldalára tekerve), ami lehetővé teszi az elektronok felszínének lényegében háromszorosát . Az Intel jelentése szerint a háromkapu tranzisztorok csökkentik a szivárgást és sokkal kevesebb energiát fogyasztanak, mint a jelenlegi tranzisztorok. Ez akár 37% -kal nagyobb sebességet vagy energiafogyasztást tesz lehetővé az Intel által használt korábbi típusú tranzisztorok 50% -a alatt.

Az Intel kifejti: "A kiegészítő vezérlés lehetővé teszi a lehető legnagyobb mennyiségű tranzisztoráram áramlását, amikor a tranzisztor bekapcsolt állapotban van (a teljesítmény érdekében), és a lehető legközelebb a nullához, amikor" kikapcsolt "állapotban van (az energia minimalizálása érdekében) ), és lehetővé teszi, hogy a tranzisztor nagyon gyorsan váltson a két állapot között (ismét a teljesítmény érdekében). " Az Intel kijelentette, hogy a Sandy Bridge utáni összes termék ezen a kialakításon fog alapulni.

Az Intel 2002 szeptemberében jelentette be ezt a technológiát. Az Intel bejelentette a "tripla-gate tranzisztorokat", amelyek maximalizálják a "tranzisztoros kapcsolási teljesítményt és csökkentik az energiapazarlást". Egy évvel később, 2003 szeptemberében az AMD a Solid State Devices and Materials nemzetközi konferencián bejelentette, hogy hasonló technológián dolgozik. Erről a technológiáról további bejelentések nem érkeztek az Intel 2011. májusi bejelentéséig, bár az IDF 2011 -en elhangzott, hogy az IDF 2009 -ben bemutattak egy működő SRAM chipet, amely ezen a technológián alapul.

2012. április 23-án az Intel kiadta a CPU-k új sorát, Ivy Bridge néven , amelyek háromkapu tranzisztorokat tartalmaznak. Az Intel 2002 óta dolgozik a három kapu architektúráján, de 2011-ig tartott a sorozatgyártási problémák megoldása. A tranzisztor új stílusát 2011. május 4 -én írták le San Franciscóban. Az Intel gyárai várhatóan 2011 és 2012 folyamán korszerűsítik az Ivy Bridge CPU -kat. Amellett, hogy az Intel asztali számítógépekhez készült Ivy Bridge chipjeiben használják, az új tranzisztorokat az Intel Atom chipjeiben is használni fogják az alacsony fogyasztású eszközökhöz.

A „ tri-gate” kifejezést néha általánosan használják bármely többnyílású FET jelölésére, három hatékony kapuval vagy csatornával.

Gate-all-around FET (GAAFET)

Az átjáró (GAA) FET, rövidítve GAAFET, vagy más néven körbejáró kaputranzisztor (SGT), fogalmában hasonló a FinFET-hez, kivéve, hogy a kapu anyaga minden oldalról körülveszi a csatorna régiót. A kialakítástól függően a kapu-körbefutó FET-ek két vagy négy hatékony kapuval rendelkezhetnek. Az átjárható FET-eket elméletileg és kísérletileg is sikeresen jellemezték. Sikeresen marattak az InGaAs nanoszálakra is , amelyek nagyobb elektronmobilitással rendelkeznek, mint a szilícium. A GAAFET -ek a FinFET -ek utódai, mivel 7 nm alatti méretben is működhetnek. Az IBM ezeket használta az 5 nm -es folyamattechnológia bemutatására .

Az átjárható (GAA) MOSFET-et 1988-ban mutatta be először egy Toshiba kutatócsoport, beleértve Fujio Masuokát , Hiroshi Takatót és Kazumasa Sunouchit, akik bemutattak egy függőleges nanohuzalt, a GAAFET-et, amelyet "környező kaputranzisztornak" (SGT) neveztek. . Masuoka, a flash memória feltalálójaként ismert , később otthagyta a Toshibát, és 2004-ben megalapította az Unisantis Electronics-et, hogy a Tohoku Egyetemmel együtt kutassa a környező kapuk technológiáját . 2006-ban egy csapat koreai kutatók a Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) és az Országos Nano Fab Center kifejlesztett egy 3 nm -tranzisztor, a világ legkisebb nano- alapú készülék kapu-minden-körül (GAA) FinFET technológia .

2020 -tól a Samsung és az Intel bejelentette a GAAFET tranzisztorok (különösen az MBCFET tranzisztorok) tömeggyártásának terveit, míg a TSMC bejelentette, hogy továbbra is használni fogják a FinFET -ket 3 nm -es csomópontjukban, annak ellenére, hogy a TSMC GAAFET tranzisztorokat fejleszt.

Többhídú csatorna (MBC) FET

A többhídú csatorna FET (MBCFET) hasonló a GAAFET-hez, kivéve a nanolapok használatát a nanohuzalok helyett. Az MBCFET az Egyesült Államokban bejegyzett szóvédjegy (védjegy) a Samsung Electronics számára. A Samsung MBCFET tranzisztorokat tervez tömegesen gyártani a 3 nm -es csomóponton öntödei ügyfelei számára. Az Intel MBCFET "nanoribbon" tranzisztorokat is fejleszt.

Ipari igény

A sík tranzisztorok több évtizede az integrált áramkörök magját képezik, ezalatt az egyes tranzisztorok mérete folyamatosan csökkent. A méret csökkenésével a sík tranzisztorok egyre inkább szenvednek a nemkívánatos rövidcsatornás hatástól , különösen az "off-state" szivárgási áramtól, ami növeli az eszköz által igényelt üresjárati teljesítményt.

Többnyílású eszközben a csatornát több kapu veszi körül több felületen. Így jobb elektromos vezérlést biztosít a csatorna felett, lehetővé téve a "kikapcsolt" szivárgási áram hatékonyabb elnyomását. Több kapu is lehetővé teszi a megnövelt áramot "be" állapotban, más néven hajtásáramot. A többpólusú tranzisztorok jobb analóg teljesítményt is biztosítanak a nagyobb belső erősítés és az alacsonyabb csatornahossz -moduláció miatt. Ezek az előnyök alacsonyabb energiafogyasztást és javított eszköz teljesítményt jelentenek. A nem sík eszközök kompaktabbak is, mint a hagyományos sík tranzisztorok, lehetővé téve a nagyobb tranzisztor sűrűséget, ami kisebb általános mikroelektronikát eredményez.

Integrációs kihívások

A nem planáris többnyílású eszközök hagyományos félvezetőgyártási folyamatokba történő integrálásának elsődleges kihívásai a következők:

Vékony, tíz nanométer széles szilícium "uszony" gyártása
Összeillő kapuk gyártása az uszony több oldalán

Kompakt modellezés

Különböző FinFET struktúrák, amelyeket a BSIM-CMG modellezhet

A BSIMCMG106.0.0, amelyet az UC Berkeley BSIM Group hivatalosan 2012. március 1 -jén adott ki , a FinFET -ek első szabványos modellje. A BSIM-CMG a Verilog-A-ban van megvalósítva . A fizikai felületi potenciálon alapuló készítmények mind belső, mind külső modellekhez származtathatók, véges test doppingolással. A forrás- és lefolyóvégek felszíni potenciáljait analitikusan oldják meg polikimerüléssel és kvantummechanikai hatásokkal. A véges test dopping hatását perturbációs megközelítéssel rögzítjük. Az analitikus felületi potenciál megoldás szorosan egyezik a 2-D eszköz szimulációs eredményeivel. Ha a csatorna dopping koncentrációja elég alacsony ahhoz, hogy elhanyagoljuk, a számítási hatékonyság tovább javítható egy adott zászló beállításával (COREMOD = 1).

Ez a modell rögzíti az összes fontos többkapu (MG) tranzisztor viselkedést. A Poisson-egyenlet megoldása tartalmazza a térfogat-inverziót, ezért a későbbi I – V megfogalmazás automatikusan rögzíti a térfogat-inverziós hatást. Az elektrosztatikus potenciál elemzése az MG MOSFET-ek testében modell egyenletet adott a rövidcsatornás hatásokra (SCE). A végső kapuk (felső/alsó kapuk) (három- vagy négykapu) extra elektrosztatikus vezérlését a rövidcsatornás modell is rögzíti.

Languages

In other projects