+ All Categories
Home > Documents > On May 4, Intel Corporation announced what it called the ...ee130/sp13/lectures/Lecture28.pdfmost...

On May 4, Intel Corporation announced what it called the ...ee130/sp13/lectures/Lecture28.pdfmost...

Date post: 20-May-2018
Category:
Upload: leanh
View: 213 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
32
On May 4, 2011, Intel Corporation announced what it called the most radical shift in semiconductor technology in 50 years. A new 3dimensional transistor design will enable the production of integratedcircuit chips that operate faster with less power… The 3D TriGate transistor is a variant of the FinFET developed at UCBerkeley, and is being used in Intel’s 22nmgeneration microprocessors.
Transcript

On May 4, 2011, Intel Corporation announced what it called the most radical shift in semiconductor technology in 50 years. A new 3‐dimensional transistor design will enable the production of integrated‐circuit chips that operate faster with less power… 

The 3‐D Tri‐Gate transistor is a variant of the FinFET developed at UC‐Berkeley, and is being used  in Intel’s 22nm‐generation microprocessors.

Lecture 28

OUTLINE

CMOS Technology Advancement

• The CMOS power crisis

• Advanced MOSFET structures

– Thin‐body MOSFET structures

– History and future of multi‐gate MOSFETs

Reading: Hu 7.8

Historical Voltage Scaling• Since VT cannot be scaled down aggressively, the supply voltage (VDD) has not been scaled down in proportion to the MOSFET gate length:

Source: P. Packan (Intel), 2007 IEDM Short Course

VDD

VDD – VT

3

Power Density Scaling – NOT!Po

wer Den

sity  (W/cm

2 )

1E‐05

1E‐04

1E‐03

1E‐02

1E‐01

1E+00

1E+01

1E+02

1E+03

0.01 0.1 1

Gate Length (μm)

Passive Power Density

Active Power Density

Source: B. Meyerson (IBM) Semico Conf.,January 2004

Power Density Trend

400480088080

8085

8086

286 386486

Pentium® procP6

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010Year

Power Den

sity (W

/cm

2 )

Hot Plate

Nuclear Reactor

Rocket Nozzle

Source: S. Borkar (Intel )

Sun’s Surface

Power Density Prediction circa 2000

4

Parallelism

• Computing performance is now limited by power dissipation.  This has forced the move to parallelism as the principal means of increasing system performance.

400480088080

8085

8086

286 386 486Pentium® proc

P6

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010Year

Pow

er D

ensi

ty (W

/cm

2)

Hot Plate

Nuclear Reactor

Rocket NozzleSun’s Surface

Core 2

Source: S. Borkar (Intel )100 101 102 103 1040

20

40

60

80

100

Nor

mal

ized

Ene

rgy/

op1/throughput (ps/op)

Operate at a lower energy point (lower VDD)

Run in parallel to recoup performance

singlecore

dualcore

Energy vs. Delay per operation

5

Intel Ivy Bridge Processor

6

CMOS Technology Scaling

• Gate length has not scaled proportionately with device pitch (0.7x per generation) in recent generations.– Transistor performance has been boosted by other means.

90 nm node 65 nm node 45 nm node 32 nm node

T. Ghani et al.,IEDM 2003

K. Mistry et al.,IEDM 2007

P. Packan et al.,IEDM 2009

XTEM images with the same scale courtesy V. Moroz (Synopsys, Inc.)

(after S. Tyagi et al., IEDM 2005)

7

MOSFET Performance Boosters

P. Packan et al., IEDM Technical Digest, pp. 659‐662, 2009

• Strained channel regions   eff

• High‐k gate dielectric and metal gate electrodes   Cox

Cross-sectional TEM views of Intel’s 32nm CMOS devices

8

Key to VDD Reduction: Gate Control

• The greater the capacitive coupling between Gate and channel, the better control the Gate has over the channel potential.

lower VDD to achieve target ION/IOFF

reduced short‐channel effect (SCE) and drain‐induced barrier lowering (DIBL)

9

log ID

VGSVDD

ION

Body

Gate

Drain

CoxCdep

Sourceox

total

CCS

Why New Transistor Structures?• Off‐state leakage (IOFF) must be suppressed as Lg is scaled down

– allows for reductions in VT and hence VDD

• Leakage occurs in the region away from the channel surface Let’s get rid of it!

DrainSource

Gate

LgThin‐BodyMOSFET:

Buried Oxide

Source Drain

Gate

Substrate

“Silicon‐on‐Insulator” (SOI)

Wafer

10

Thin‐Body MOSFETs• IOFF is suppressed by using an adequately thin body region.

– Body doping can be eliminated  higher drive current due to higher carrier mobility

Ultra‐Thin Body (UTB)

Buried Oxide

Substrate

Source Drain

Gate

TSi

Lg

TSi < (1/4)  Lg

Double‐Gate (DG)

Gate

Source Drain

Gate

TSi

TSi < (2/3)  Lg

11

Effect of TSi on OFF‐state Leakage

IOFF = 19 A/mIOFF = 2.1 nA/mLeakage CurrentDensity [A/cm2]@ VDS = 0.7 V

106

10‐1

3x102

0.0

4.0

8.0

12.0

16.0

20.0

G

G

S D

G

G

S D

Si Thickness [nm]

Lg = 25 nm; tox,eq = 12Å

TSi = 10 nm TSi = 20 nm

12

Double‐Gate MOSFET Structures

L. Geppert, IEEE Spectrum, October 2002 13

PLANAR:

VERTICAL FINFET:

DELTA MOSFETD. Hisamoto, T. Kaga, Y. Kawamoto, and E. Takeda (Hitachi Central Research Laboratory), “A fully depleted lean‐channel transistor (DELTA) – a novel vertical ultrathin SOI MOSFET,” 

IEEE Electron Device Letters Vol. 11, pp. 36‐39, 1990 

Wl = 0.4 m• Improved gate control 

observed for Wg < 0.3 m– LEFF= 0.57 m

14

Double‐Gate FinFET• Self‐aligned gates straddle narrow silicon fin• Current flows parallel to wafer surface

Sour

ce

Dra

inGate 2

Fin Width Wfin = TSi

Fin Height Hfin = W

Gate Length = Lg

Current Flow

Gate 1

GG

S

D

15

1998: First n‐channel FinFETsD. Hisamoto, W.‐C. Lee, J. Kedzierski, E. Anderson, H. Takeuchi, K. Asano, T.‐J. King, J. Bokor, and C. Hu, 

“A folded‐channel MOSFET for deep‐sub‐tenth micron era,” IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 1032‐1034, 1998 

• Devices with Lg down to 17 nm were successfully fabricated

Lg = 30 nmWfin = 20 nmHfin = 50 nm

Lg = 30 nmWfin = 20 nmHfin = 50 nm

Plan View

16

1999: First p‐channel FinFETsX. Huang, W.‐C. Lee, C. Kuo, D. Hisamoto, L. Chang, J. Kedzierski, E. Anderson, H. Takeuchi, Y.‐K. Choi, 

K. Asano, V. Subramanian, T.‐J. King, J. Bokor, and C. Hu, “Sub 50‐nm FinFET: PMOS,” IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 67‐70, 1999 

Lg = 18 nmWfin = 15 nmHfin = 50 nm

Transmission Electron Micrograph

17

18

Recognition

DARPA Significant Technical Achievement Award presented at DARPATECH 2000 Symposium

UC‐Berkeley FinFET Patent

+ 27 additional claims…19

2001: 15 nm FinFETs

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.010-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

10-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

N-body=2x1018cm-3

P+Si0.4Ge0.6Gate

NMOSPMOS

Vd=-0.05 V

Vd=-1.0 V

Vd=0.05 V

Vd=1.0 V

Dra

in C

urre

nt, I

d [A

/um

]

Gate Voltage, Vg [V]-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.50

100

200

300

400

500

600

0

100

200

300

400

500

600

Voltage step : 0.2V

|Vg-Vt|=1.2V NMOSPMOS

Dra

in C

urre

nt, I

d[uA

/um

]

Drain Voltage, Vd [V]Wfin = 10 nm; Tox = 2.1 nm

Transfer Characteristics Output Characteristics

Y.‐K. Choi, N. Lindert, P. Xuan, S. Tang, D. Ha, E. Anderson, T.‐J. King, J. Bokor, C. Hu, "Sub‐20nm CMOS FinFET technologies,” 

IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 421‐424, 2001

20

2002: 10 nm FinFETsB. Yu, L. Chang, S. Ahmed, H. Wang, S. Bell, C.‐Y. Yang, C. Tabery, C. Hu, T.‐J. King, J. Bokor, M.‐R. Lin, and D. Kyser, "FinFET scaling to 10nm gate length,"International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 251‐254, 2002 

SEM image:

• These devices were fabricated at AMD, using optical lithography.

TEM images

21

Tri‐Gate FET (Intel Corp.)

B. Doyle et al., IEEE Electron Device Letters, Vol. 24, pp. 263‐265, 2003 22

Lg = 60 nmWfin = 55 nmHfin = 36 nm

Bulk FinFET (Samsung Electronics)

C.‐H. Lee et al., Symposium on VLSI Technology Digest, pp. 130‐131, 2004

• FinFETs can be made on bulk‐Si waferslower costimproved thermal conduction

• 90 nm Lg FinFETsdemonstrated• Wfin = 80 nm• Hfin = 100 nmDIBL = 25 mV

23

2004: High‐k/Metal Gate FinFET

D. Ha, H. Takeuchi, Y.‐K. Choi, T.‐J. King, W. Bai, D.‐L. Kwong, A. Agarwal, and M. Ameen, “Molybdenum‐gate HfO2 CMOS FinFET technology,” IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 643‐646, 2004

24

Impact of Fin Layout Orientation

(Series resistance is more significant at shorter Lg.)

• If the fin is oriented || or  to the wafer flat, the channel surfaces lie along (110) planes.– Lower electron mobility– Higher hole mobility 

• If the fin is oriented 45° to the wafer flat, the channel surfaces lie along (100) planes.

L. Chang et al. (IBM), SISPAD 2004

25

May 4, 2011: Intel Announcement

• Ivy Bridge‐based Intel® Core™ family processors will be the first high‐volume chips to use 3‐D Tri‐Gate transistors.

• This silicon technology breakthrough will also aid in the delivery of more highly integrated Intel® Atom™ processor‐based products…

26http://newsroom.intel.com/community/intel_newsroom/blog/2011/05/04/intel‐reinvents‐transistors‐using‐new‐3‐d‐structure

22 nm node Tri‐Gate FETs

C. Auth et al., Symp. VLSI Technology 2012

• Lg = 30‐34 nm; Wfin = 8 nm; Hfin = 34 nm• High‐k/metal gate stack, EOT = 0.9 nm• Channel strain techniques

Transfer Characteristics

NMOSPMOS

IOFF vs. IEFF IOFF vs. IEFF

27

MOSFET Evolution32 nmplanar

P. Packan et al. (Intel), IEDM 2009

22 nmthin-body

K. Cheng et al. (IBM)Symp. VLSI Technology 2009

J. Kavalieros et al. (Intel)Symp. VLSI Technology 2006

beyond 10 nmnanowires?

C. Dupré et al. (CEA‐LETI)IEDM 2008

UC‐Berkeley DARPA AME 

proposal:(Feb. 1997)

28

J. Wang et al., IEDM Technical Digest, pp. 707‐710, 2002

Channel‐Length Scaling Limit• Quantum mechanical tunneling sets a fundamental scaling limit for the channel length.

SOURCE DRAIN

EC

EC

If electrons can easily tunnel through the source potential barrier, the gate cannot shut off the transistor.

nMOSFET Energy Band Diagram(OFF state)

29

Ultimately Scaled MOSFETsM. Luisier et al., IEDM 2011

Lg = 5 nm

30

National Science Foundation (NSF)Science and Technology Center (STC)for Energy Efficient Electronics Science

PI: Eli Yablonovitch (UC Berkeley)10‐yr project, started 15 Sep 2010

Contra Costa‐UC Berkeley‐MIT‐LATTC‐Stanford‐Tuskegee 

• Theme I: Nanoelectronics (Prof. Eli Yablonovitch)• Theme II: Nanomechanics (Prof. Tsu‐Jae King Liu)• Theme III: Nanomagnetics (Prof. Jeffrey Bokor)• Theme IV: Nanophotonics (Prof. Ming Wu)

31

Goal: Develop a new switch that can operate with VDD = 1 mV

A Vision of the Future

Information technology will be• pervasive• embedded• human‐centered

Philips Transportation

Healthcare Disaster response

Energy

Environment

Sensatex

32

• solving societal scale problems

The “Cloud”

The “Swarm”

Mobile Devices

J. RabaeyASPDAC’08

Market Growth

Better Energy Efficiency& Functionality,

Lower Cost

Diversification of Devices & MaterialsHeterogeneous

Integration

Investment


Recommended