В предыдущем выпуске ПерсТ'а (вып. 13/14 с.г.) сообщалось о двух короткоканальных транзисторах (30 и 8нм). Ввиду важности этого направления исследований для будущего вычислительной техники мы снова обращаемся более подробно к этой теме.

Большой коллектив сотрудников IBM и Massachusetts Institute of Technology сообщают о создании кремниевого полевого транзистора (MOSFET) с длиной канала меньше 10нм. Отправной точкой в изготовлении транзистора является структура кремний на изоляторе (SOI) с тонким (~15нм) слоем нелегированного кремния
(p^-~5x10¹⁴см^-3) с ориентацией (100). Этот слой в дальнейшем играет роль канала транзистора. С помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на нем выращивается слой кремния толщиной 30нм. Он сверхсильно (n⁺⁺) легирован сурьмой до концентраций порядка 10²⁰см^-3. Изготовление такого слоя именно с помощью МЛЭ авторы называют самым принципиальным моментом, поскольку граница сильнолегированного слоя (n⁺⁺) и слаболегированного слоя (n^-) должна быть исключительно резкой (менее 0.5нм толщиной). Для предотвращения проникновения примеси в канал транзистора в результате дальнейших технологических операций, в частности, при термическом выращивании окиси кремния в качестве подзатворного диэлектрика, все операции проводятся при сравнительно низкой температуре (<600K). В итоге, эти предосторожности должны обеспечить высокую баллистическую проводимость канала и малое последовательное сопротивление контактов истока и стока.

Далее необходимо разрезать n⁺⁺-слой V-образной канавкой на две области истока и стока, разделенных как можно меньшим зазором. Слой нелегированного кремния в этом зазоре и будет каналом транзистора. Для формирования V-образной канавки используется анизотропное травление, при котором плоскость кремния {100} травится в 400 раз быстрее, чем плоскость {111}. Травление прекращается, когда встречаются две плоскости {111}. Глубина канавки t_Si связана простым соотношением с шириной окна в маске W₀ : t_Si W₀ /O 2. Отсюда видно, что выбор ширины окна критичен: если окно узкое, то канавка не достигает канала транзистора (слой n^-), если окно слишком широкое, то протравливается канал транзистора, в результате исток и сток оказываются изолированными друг от друга. Поскольку в реальности стенки канавки несколько закругляются, невозможно получить сколь угодно короткий канал транзистора, но канал длиной 10нм уже получен. Маска для травления V-образной канавки формируется из окиси кремния с использованием нанолитографической техники: электронно-лучевой литографии или анодного окисления с помощью атомно-силового микроскопа (AFM). После вытравливания канавки на ее поверхности выращивается слой окиси кремния толщиной 2.5нм. Несмотря на сравнительно низкую температуру проведения процесса термического окисления, качество окисной пленки сравнимо с качеством пленки, сформированной при высокой температуре в атмосфере сухого кислорода.

Заключительная стадия в изготовлении транзистора состоит в формировании металлического затвора: вначале на поверхность с помощью электронно-лучевого испарения наносится слой вольфрама толщиной 50нм, а затем он покрывается алюминием. Авторы считают, что именно вольфрам станет главным при изготовлении контактов в будущих микросхемах.

На рисунке показан поперечный разрез структуры (a) и его изображение, полученное с помощью трансмиссионного электронного микроскопа (b); хром осажден для контрастности. На электронном изображении хорошо виден 10нм зазор между истоком и стоком .

В открытом состоянии транзистора при напряжении на затворе выше порогового (0.5В) электроны из сильнолегированного слоя заливают канал и обеспечивают его проводимость. В закрытом состоянии электроны вытесняются из канала при понижении напряжения ниже порогового значения.

Авторы произвели измерения только статических характеристик транзистора. Подпороговые характеристики (100мВ напряжение на затворе на декаду тока) оказались не хуже, чем у длинноканальных MOSFETтов (обычно 80мВ на декаду), но это исключительно заслуга изолирующей подложки в структуре SOI. Измеренная крутизна транзистора, характеризующая чувствительность тока через канал к напряжению на затворе, составляет 120мС/мм и значительно уступает расчетной. Это связано с технологией вытравливания V-образной канавки. Ширина окна должна быть строго постоянна, но поскольку это невозможно, в большей части зазора между истоком и стоком канал оказывается "стравленным". Последовательное сопротивление контактов истока и стока, измеренное по линейному участку вольтамперной характеристики, оказалось неожиданно гораздо больше, чем предполагалось 18кОм, поэтому и ток насыщения транзистора тоже оказался меньше расчетного. Но самое главное, такое большое последовательное сопротивление может значительно испортить высокочастотные свойства транзистора, ради которых все и затевалось.

J. Appenzeller et al. Appl.Phys.Lett. 2000,77(2), pp.298-300

ПерсТ
(Перспективные Технологии - наноструктуры, сверхпроводники, фуллерены)