СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 26 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2015 Преимущества FPGA с технологией Tri-Gate В данной статье исследуется влияние перехода дизайна транзисторов в полупроводниковой промышленности от традиционной планарной к 3D-структуре, что обеспечивает значительный рост возможностей высокоэффективных программируемых логических схем. Райан Кенни, Джефф Ватт, Altera Corporation В ВЕДЕНИЕ В феврале 2013 года компании Altera и Intel Corporation объявили, что сле- дующее поколение высокоэффектив- ных FPGA-продуктов (программируе- мых логических интегральных схем), выпускаемых компанией Altera, будет производиться с использованием 14-нм транзисторов с 3D Tri-Gate технологи- ей от компании Intel. Благодаря этому компания Altera становится основным поставщиком эксклюзивных полупро- водниковых технологий. Чтобы понять полезность технологии Tri-Gate для высокоэффективных FPGA, необхо- димо ознакомиться с основными эта- пами её разработки и структуры, а так- же с сопутствующими технологиями. О СНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ТРАНЗИСТОРОВ В 1947 году в исследовательском центре Bell Laboratories был представ- лен первый транзистор германие- вой «точечно-контактной» структуры. В начале 1954 года кремний использо- вали, чтобыпроизводить двухполюсные транзисторы, но только в 1960 году был построен первый кремниевый МОП- транзистор (MOSFET – полевой тран- зистор со структурой металл-оксид- полупроводник). Самые ранниеMOSFET были 2D-планарными устройствами с током, текущим по поверхности про- водника под затвором. Более 50 лет базо- вая структура устройствMOSFET остава- лась практически неизменной. Со времён появления в 1965 году закона Мура в изготовление и опти- мизацию технологии MOSFET, с целью закрепления закона в номенклатуре и циклах планирования производства полупроводниковой промышленности, было внесено немало усовершенствова- ний и улучшений. Последние 10 лет все улучшения эффективности и произво- дительности MOSFET происходили бла- годаря прорывам в областях внедрения технологий «напряжённого кремния» (который обладает растянутой кристал- лической решёткой) и High-K техноло- гией металлического затвора (материал с высокой диэлектрической проница- емостью или высокой диэлектриче- ской постоянной, использующийся как диэлектрик затвора). Потенциал технологии «опоясыва- ющего» затвора транзистора с целью повышения продуктивности MOSFET и устранения короткоканального эф- фекта был описан в 1991 году в статье Дига Хисамото (Digh Hisamoto) и его коллег из научно-исследовательской лаборатории Hitachi (Hitachi Central Research Laboratory): по мере умень- шения длины канала МОП-транзистора свойства последнего начинают резко отличаться от свойств обычных длин- ноканальных приборов. Публикация называлась «Влияние вертикальной структуры SOI «DELTA» на планарную технологию устройства» [1]. В 1997 году Управлением перспективных иссле- довательских проектов (DARPA) груп- пе разработчиков из Калифорнийско- го университета в Беркли был выдан грант на проектировку транзистора со сверхтонким подзатворным изолято- ром, основанного на принципе DELTA. В одной из первых статей, посвящённой описанию результатов проведённых исследований, устройству, за тонкую структуру в центре геометрии транзи- стора, было дано название «FinFET» [2]. П ОВОРОТНЫЙ МОМЕНТ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ Оптимизация и технологические ис- следования 3D-структур транзисторов продолжились в научно-исследователь- ских организациях ведущих компаний, занимающихся полупроводниковым оборудованием. Часть процессов и запа- тентованных разработок были опубли- кованы, а некоторые так иостались в сте- нах корпоративных лабораторий. Инвестициями научных исследова- ний в полупроводниковой промышлен- ности распоряжаются согласно Меж- дународной дорожной карте для полу- проводников (International Technology Roadmap for Semiconductors – ITRS). ITRS является одним из наиболее известных международных исследо- вательских проектов. Спонсорами проекта выступают организации, счи- тающиеся ведущими разработчиками и производителями полупроводнико- вого оборудования. ITRS сосредота- чивается на прогнозировании появ- ления новых технологий в области полупроводников, которые позволят перейти к выпуску продуктов с более высокими характеристиками. Доку- ментальные заключения ITRS и реко- мендации по вопросам производствен- ных возможностей таких технологий, как «напряжённый кремний» и метал- лические затворы с диэлектриком High-K, а теперь и использование 3D-транзисторов, призваны подчер- кнуть справедливость закона Мура. За прошедшее десятилетие исследования в области 3D-транзисторов, основан- ные на докладах ITRS, а также экспер- тизе научных статей и патентов, суще- ственно расширились. В НЕДРЕНИЕ И ИСПЫТАНИЯ Транзисторы с 3D-структурой попа- ли в центр внимания промышленности и заняли своё место в истории техно- логии транзисторовMOSFET благодаря двум важным заявлениям, которые были сделаны в течение последних 4 лет. Первое заявление было озвуче- но 4 мая 2011 года компанией Intel Corporation. В нём сообщалось о тран- зисторах с технологией Tri-Gate, ото- бранных для планирования и изготов- ления полупроводникового оборудова- ния по 22-нм техпроцессу. Заявлению предшествовало десятилетие исследо- ваний и разработок. При этом исполь- зовались работы господина Хисамо- то (Hisamoto) и других исследовате- лей в сфере развития и оптимизации FinFET. Оно подтверждало целесообраз- ность и рентабельность транзисторов с технологией Tri-Gate в производстве полупроводников, а также деклариро- вало лидерство компании Intel в полу- проводниковой промышленности. Второе заявление являлось публи- кацией технологической дорожной карты ITRS. Многие компании-произ-