Vi mạch bán dẫn được tạo thành từ các transistor. Có 2 cấu trúc transistor được dùng phổ biến hiện nay là CMOS và FinFET. Hôm nay chúng ta sẽ đi tìm hiểu về công nghệ CMOS.
Về CMOS
CMOS là viết tắt của “Complementary Metal-Oxide-Semiconductor”.
Có 2 loại MOS transistors là NMOS và PMOS.
- NMOS được chế tạo trên một tấm đế p-substrate, có 2 vùng pha tạp mạnh n+ tạo thành 2 cực nguồn (S-Source) và cực máng (D-Drain). Cực cổng (G-Gate) được làm từ polysilicon (Poly) đặt phía trên giữa 2 vùng n+ của D và S và được cách điện bằng một lớp SiO2 (Oxide) mỏng với phần p-substrate. Phần đế p-substrate được nối ra cực B (bulk, body) qua vùng pha tạp mạnh p+ để cấp điện áp phân cực cho phần đế. Hạt dẫn trong NMOS là hạt điện tử (electron).
- PMOS sẽ cấu tạo ngược lại với NMOS là được chế tạo trên một tấm đế loại n-type. Để chế tạo PMOS và NMOS trên cùng một tấm đế silicon, người ta sẽ tạo ra một vùng pha tạp n-type trong phần đế p-subtrate gọi là N-Well để chế tạo PMOS. Cực D và cực S của PMOS sẽ nối với vùng pha tạp mạnh p+ và cực B sẽ nối với vùng pha tạp mạnh n+. Hạt dẫn trong PMOS là lỗ trống (hole).
Ở đây ta sẽ thấy có một thông số L, chiều dài kênh dẫn, là khoảng cách giữa 2 vùng pha tạp của cực D và S. Chúng ta có các công nghệ chế tạo 180nm, 65nm, 28nm,… chính là kích thước của kênh dẫn này.
Với công nghệ CMOS, khi tiếp tục thu hẹp kênh dẫn để giảm kích thước transistor sẽ gặp vấn đề về short-channel effects và dòng dò lớn. Công nghệ FinFET với cấu trúc 3D cho phép giải quyết các vấn đề trên của CMOS khi giảm chiều dài kênh dẫn và cho phép giảm kích thước transistor xuống kích thước nhỏ hơn.
Công nghệ FinFET
Công nghệ FinFET (Fin Field Effect Transitor) là một dạng cải tiến của công nghệ CMOS truyền thống, sử dụng thiết kế 3D với kênh hình vây (fin) để kiểm soát dòng điện tốt hơn, giúp giảm rò rỉ và tăng hiệu suất. Trong khi CMOS sử dụng cấu trúc phẳng, FinFET bao quanh kênh bằng cổng giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa cổng và kênh dẫn do đó giúp cải thiện hiệu suất và giảm dòng rò rỉ.
Ưu điểm chính của FinFET:
- Hiệu suất cao hơn: Diện tích tiếp xúc lớn hơn giữa cổng và kênh dẫn giúp kiểm soát dòng điện tốt hơn, dẫn đến hiệu suất cao hơn
- Giảm dòng rò rỉ: Cấu trúc 3D giúp giảm dòng rò rỉ khi kênh dẫn ngắn, giúp tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu suất
- Tăng mật độ và giảm kích thước: FinFET cho phép các nhà sản xuất tạo ra các thiết bị bán dẫn nhỏ hơn và mật độ cao hơn
So sánh FinFET với CMOS:
- Cấu trúc: FinFET có cấu trúc 3D hình vây, trong khi CMOS có cấu trúc phẳng 2D
- Diện tích tiếp xúc: FinFET có diện tích tiếp xúc lớn hơn giữa cổng và kênh dẫn so với CMOS cùng chiều dài kênh dẫn
- Hiệu suất: FinFET có hiệu suất cao hơn do kiểm soát dòng tốt hơn và dòng rò rỉ ít hơn so với CMOS
Các tiến trình tiên tiến hiện nay như 7nm, 5nm, 3nm đều dựa trên công nghệ FinFET, với các tiến trình 3nm trở xuống ta có công nghệ mới hơn là GAAFET (Gate All Around Field Effect Transitor)