Проблемы трехмерных транзисторов

Сокращение размеров транзисторов умень­шает величину управляющих зарядов, а зна­чит, снижает силу тока, протекающего при переключении транзистора, что способст­вует уменьшению рассеиваемой мощности. Однако для увеличения быстродействия, то есть скорости переключения транзистора, при прочих равных условиях необходимо повышать напряжение на затворе (чем оно выше, тем быстрее затвор накопит или, на­оборот, сбросит заряд), что не только по­вышает рассеиваемую мощность, но еще и грозит электрическим пробоем и выходом транзистора из строя. Собственно, именно достижение некоего баланса между разме­рами транзисторов и необходимым напря­жением и является основной причиной то­го, почему уже длительное время рабочие частоты почти не повышаются, несмотря на непрерывное совершенствование техно­логического процесса.

К сожалению, реальные транзисторы да­леки от идеала. Основные проблемы вызы­вают два фактора. Во-первых, в теории ток между затвором и другими областями тран­зистора полностью отсутствует, ведь затвор отделен слоем изолятора-оксида. Однако на практике какое-то количество зарядов все-таки ухитряется проскочить через эту преграду.

Возникающий ток неприятен уже хо­тя бы тем, что увеличивает энергопотребле­ние и выделение тепла, но это далеко не все. По мере уменьшения размеров транзис­торов величина правильного (рабочего) то­ка все уменьшается, зато утечки растут.

На нынешнем уровне развития технологий, когда толщина слоя диэлектрика составляет всего несколько атомов, значения этих то­ков стали уже соизмеримыми, и небольшое увеличение паразитного тока способно на­рушить работу транзистора.

Эта проблема является настолько серьезной, что несколь­ко лет назад наиболее продвинутые произ­водители микросхем отказались от исполь­зования в качестве диэлектрика оксида кремния и перешли на оксид гафния (у Intel новый изолятор получил название High-k).

Другая проблема заключается в том, что ток через канал только в теории может быть перекрыт полностью. На практике этому препятствуют два обстоятельства. Во-первых, напряженность электрическо­го поля, создаваемого зарядами на затворе, быстро убывает по мере удаления от затво­ра. В нижней части канал «пережимается» куда хуже, чем в верхней, с чем борются, уменьшая толщину канала.

В результате транзистор получается очень тонким, но занимающим довольно приличную по срав­нению с его толщиной площадь. Собствен­но, поэтому он и называется планарным, то есть плоскостным. Во-вторых, кремний не зря называется полупроводником: под­ложка транзистора тоже способна прово­дить ток, хотя и хуже, чем специальным об­разом легированный инверсионный слой. Это приводит к появлению паразитного тока в слое подложки.

Для его уничтоже­ния или хотя бы уменьшения ряд произво­дителей перешли на новую технологию SOI (Silicon on Insulator, «Кремний на изо­ляторе»), при которой между подложкой и собственно транзистором присутствует слой изолятора.

Компания Intel, однако, не пошла этим путем. Возможно, ее разработ­чики к тому времени уже достаточно дале­ко продвинулись в освоении трехмерных транзисторов, которые позволяют в значи­тельной мере избавиться от обеих основ­ных проблем. Посмотрим, чем они отлича­ются от обычных планарных.