Novos transistores de alta eficiência

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/09/2003

A indústria está agressivamente buscando novas formas de fazer com que as cargas elétricas movam-se mais rapidamente através dos canais dos circuitos.
[Imagem: IBM]

Silício tensionado

A IBM anunciou o desenvolvimento do primeiro transístor utilizando silício expandido - ou tensionado e, por decorrência, deformado ("strained") - diretamente sobre isolante.

A tecnologia, que já atende pela sigla SSDOI ("Strained Silicon Directly On Insulator"), elimina problemas de fabricação, ao mesmo tempo em que oferece alto desempenho.

Para o melhor desempenho auxilia também o fato de que a empresa conseguiu combinar duas camadas diferentes de silício na base do dispositivo, aumentando o rendimento dos semicondutores CMOS, presentes em todos os aparelhos eletrônicos, de telefones celulares a supercomputadores.

A tecnologia CMOS oferece grande desempenho com baixo consumo de energia, o que tem permitido sua intensa utilização na eletrônica.

Por ser escalável, ela tem sido responsável pela manutenção da Lei de Moore nas últimas três décadas. Entretanto, manter esta tendência de aumento do desempenho tem se mostrado uma tarefa cada vez mais desafiadora, uma vez que a indústria já está atingindo os limites físicos fundamentais da tecnologia CMOS.

Mobilidade dos elétrons

A indústria está agressivamente buscando novas formas de fazer com que as cargas elétricas movam-se mais rapidamente através dos canais dos circuitos, já que isto significaria o aumento da velocidade dos circuitos e a diminuição do consumo de energia.

O silício expandido fornece alta mobilidade dos elétrons ao desenvolver uma camada superior de silício com uma camada subjacente de silício-germânio (SiGe). A IBM já havia anunciado um aumento no desempenho entre 20 e 30% graças à utilização do silício expandido.

Entretanto, a presença da camada de SiGe tem colocado novos desafios de integração e manuseio dos materiais. O que a IBM agora conseguiu fazer foi fabricar transistores utilizando estruturas SSDOI ultra-finas sem a utilização da camada SiGe, fornecendo alta mobilidade eletrônica ao mesmo tempo que elimina os problemas de materiais e de integração.

Outra forma de aumentar o desempenho da tecnologia CMOS é aumentar a mobilidade de suas cargas positivas, ou lacunas, ao longo dos canais do dispositivo.

A IBM conseguiu integrar dispositivos com duas vezes e meia mais mobilidade das lacunas em circuitos CMOS convencionais combinando dois substratos na mesma pastilha. Isto resultou em um aumento de desempenho entre 40 e 65 por cento.

xFETs

A estrutura SSDOI foi criada transferindo silício expandido crescido epitaxialmente sobre SiGe, camada por camada, sobre uma camada "enterrada" de óxido. A retenção da excitação foi confirmada na camada de silício expandido após o processo de transferência da camada e dos ciclos termais.

O aumento na mobilidade dos elétrons e das lacunas foi confirmado em MOSFETS fabricados sobre SSDOI. Os pesquisadores também demonstraram a fabricação de FETs utilizando tecnologia abaixo de 60 nanômetros.

Os circuitos CMOS são feitos de dois tipos de transistores: transistores PFET ("Positively-charged Field Effect Transistor": transistores de efeito de campo positivamente carregados) e NFET ("Negatively-charged Field Effect Transistor": transistores de efeitos de campo negativamente carregados). Nos PFET, a mobilidade das lacunas é cerca de duas vezes e meia maior.

A IBM criou uma tecnologia híbrida ("HOT": Hybrid-Orientation Technology) onde o CMOS é fabricado sobre um substrato híbrido com diferentes orientações cristalinas para conseguir um significativo melhoramento do desempenho. Na nova tecnologia HOT, tanto o processo de transferência das camadas como o desenho das trilhas em bloco e o crescimento epitaxial foram feitos utilizando o processo CMOS convencional. Atingiu-se um aumento entre 40 e 65% para os PFET, utilizando-se tecnologia de 90 nanômetros.

A IBM irá demonstrar a nova tecnologia em duas apresentações no International Electron Devices Meeting (IEDM), que acontecerá em Washington (Estados Unidos) de 7 a 10 de Dezembro deste ano.

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