3D 電晶體你真的懂嗎?完全看懂多閘極電晶體的奧祕

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平面型MOS電晶體的通道問題

3D 電晶體你真的懂嗎?完全看懂多閘極電晶體的奧祕▲改良型MOS半導體結構

上圖是最近比較常用的MOS元件結構,我們可以發現和之前列出來的簡圖有不少差異,事實上增加的部份都是為了避免通道產生速度過慢、短通道效應、性能不良等等問題而來。但是這些解法也會帶來副作用,互相牽制以致沒有一個完美的解決方案。(不然大家趕著變成3D幹嘛?)

影響推動力的最主要因素還是來自於短通道效應,特別是本身就已經夠短的30nm閘極通道更容易發生。為了解決短通道效應,有人會預先在通道形成的部位加入雜質,使得原本的NP接面導通電壓下降。其原理就是讓P型半導體不要這麼偏向P型,有點接近N型,但是這樣一來也造成了通道切斷時很可能會有漏電流,因為介面的能障變小,而且加入雜質會創造許多自由電子和電洞成對出現的機會。

3D 電晶體你真的懂嗎?完全看懂多閘極電晶體的奧祕▲短通道效應:通道提早縮水了

關不掉的電晶體

在沒有外部電場的情況下,這成對的電子和電洞因靜電力平衡會再度中和掉對方而消失;但是當有外部電場(源極有電壓的時候)時,這些隨機產生的電子就會變成額外的導電品,使得電晶體永遠關不起來。原本我們希望閘極在拉高電位一到飽和態後,電晶體就可以把源極的輸出降到零,現在辦不到了?這就叫做關閉態的漏電流。就算我們不加入雜質讓能障變小,當閘極電壓小於汲極電壓太多時,這個能障一樣會變小,在30nm以下的電晶體中產生漏電流的比例就會遠高於過去90nm或120nm的電晶體了。

3D 電晶體你真的懂嗎?完全看懂多閘極電晶體的奧祕

▲關不起來的電壓

閘極太短的漏電流

3D 電晶體你真的懂嗎?完全看懂多閘極電晶體的奧祕▲閘極過短導致的漏電

在上圖中,我們又看到了另一種漏電流的產生原因,當我們的電場施加於3個極時,我們可以看到因靜電力之故,某些區域的電子、電洞都飄往源極以及汲極,並且閘極為了形成通道也會吸取中間部位大多的電子、電洞聚集到通道,這些被吸走電洞、電子的區域形成了空乏區,這空乏區沒什麼能障,原本也沒什麼作用,但是若是閘極通道很短就好玩了。

我們看到圖中的汲極到源極之間除了通道外全部被空乏區連起來了,任何不小心落入這空乏區的電荷都會被來自汲極的電場用力一推,就往源極跑出去了!(額外不受控制的電流輸出,又是一個漏電的來源)

推動力不足也可能是因為形成通道的電荷量就是不夠,造成通道太薄太小,如果我們使用增加電晶體寬度的方法解決這種問題,就會造成製造成本升高,但是如果增加通道形成區附近的雜質,又會漏電。所以最好的方法恐怕只有換一個電晶體結構了!

寄生電容

由於材料介接的影響,對於高頻訊號來說,原本良好的導體其實訊號跑起來並沒這麼良好。會跑出訊號經過電容器一般的濾波效應,讓訊號變差,但是我們明明沒有在導體上面放電容器,這個電容效應是導體自發的物理現象,所以我們叫它寄生電容。

本徵電子

就如同高中提到的酸鹼平衡一樣,水的成分是氧化氫,但是就算是純水,其中也會固定解離出等量的氫離子和氫氧根離子。我們在材料中放進雜質以利產生電洞時,也會因熱效應而產生一些等量的電子和電洞,但是他們出現一下子就又會結合在一起了,就好像情人暫時分手但是馬上又復合一樣。而當某一對分手的電子電洞復合的時候,又會有另一對分手,所以材料中永遠會有一些自由電子,這叫本徵電子(洞)。

丟掉平面,來個 3D 吧

老實說3D製程在Intel發表Tr i-Gate 前,台積電早就公開了FinFET。而且這二者長得還很像!1999年前台積電技術長胡正明先生在一篇論文中就提到:為了解決短閘極元件大量漏電問題,他創造了一種全新的超薄立體結構。現在我們就先來看看新店台雞店新竹台積電公司的FinFET結構吧。

有別於以往埋在井裡的汲極與源極,這會兒大家可都浮在水面上了,這樣子的做法從一開始就很適合做成SOI(因為3個極都可以放在一層不導電的氧化物上),先天上漏電流就少了。對現有晶圓廠最大的好處是,材料和製程機乎都不用換就可以做到。

而通道呢?就是連接在汲極和源極中間那一根細細的東西,就像連結2棟建物的走廊一樣,據說它長得像魚鰭所以叫FinFET(鰭式場效電晶體),還好當年不是台灣水電工取名,不然一定叫走廊電晶體或者是啞鈴電晶體,當然串燒電晶體也很符合⋯⋯。

大家一定覺得奇怪,為什麼這會通道變成了長相有如電線的東西呢?事實上它的功能和傳導方式真的和電線一樣呀!基本上它就是電子的走廊。傳統電晶體的通道反正就是薄薄一層,你把它攤平了也只有那一點點可以導電,把它折起來立起來也一樣可以導電。所以我們觀察Fin的剖面圖就可以發現,通道形成原理是一樣的,只是形狀變了,和閘極的相對位置也不一樣了,這有什麼好處呢?

3D 電晶體你真的懂嗎?完全看懂多閘極電晶體的奧祕▲台積電FinFET結構圖

 

(下一頁還有:3D 電晶體世代)

Jazzbear
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阿婆
2.  阿婆 (發表於 2015年4月07日 13:14)
不明覺厲<( ̄︶ ̄)>。

話說回來,為什麼每次看到mos都會想到漢堡╯-__-)╯ ╩╩

果然是餓了吧〒ˍ〒
小維
3.  小維 (發表於 2015年4月07日 18:57)
讓我想起電子學老師的教材了
以前這些都要知道原理直接講出來
但現在根本只知道大概而已
JackyCCC
4.  JackyCCC (發表於 2015年4月07日 19:10)
3D晶片的話不就已經要用在NAND Flash上了
Samsung跟intel都要出產品了不是?
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