Společnost Freescale Semiconductors, nepatří mezi firmy, které technologie jen využívají, ale i vyvíjí, aby umožnila vzniknout novým zajímavým senzorům a obvodům s lepšími nebo úplně novými vlastnostmi, které zatím na trhu nejsou. Většina jejich vyráběných součástek je založena nebo využívá některou z následujících technologií (viz 1.):

• CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) - dnes tradiční a nejběžnější technologie nějak uplatněná ve většině integrovaných součástek. U Freescale se pak využívá vylepšené verze HiPerMOS.
  


• SiGe (Silicon Germanium) - polovodičová technologie využívaná hlavně jako součást technologie BiCMOS pro velmi rychlé vysokofrekvenční součásky pro drátovou i bezdrátovou komunikaci a analogově-digitální zpracování velmi rychlých signálů.
  


• SOI (Silicon On Insulator) - polovodičová technologie určená a využívaná pro výrobu rychlých digitálních obvodů s velmi nízkou spotřebou a napájecím napětím
  


• GaAs MOSFET - spojení struktury MOSFET s technologií GaAs využívané v oblasti součástek pro optoelektroniku a RF komunikaci
  


• ITFET (Inverted-T Field Effect Transistor - viz obr. 2.) - technologie vytvářející prostorové (3D) provedení FET tranzistoru pro zmenšení velikosti čipu a snížení potřebného napájecího napětí.

"Klasická" technologie CMOS

Technologie CMOS je všeobecně velmi dobře známá a využívá se ve většině polovodičových součástek (od levných obvodů, přes nízkopříkonové součástky pro mobilní telefony až po velmi výkoné mikroprocesory pro síťovou komunikaci a číslicové zpracování signálů.), někdy i v kombinaci s dalšími technologiemi. Jak název napovídá, jejím základem je symetrické uspořádání komplementárních unipolárních tranzistorů PMOS (MOSFET s kanálem vodivosti P) a NMOS (MOSFET s kanálem vodivosti N). Aby bylo možné dosahovat stále výkonějších (rychlejších), ale zároveň menších součástek vyžadujících menší napětí a spotřebují méně el. energie, je nutné stále zvyšovat vodivost propojovacích cest a snižovat parazitní odpor a kapacitu kanálu unipolárních tranzistorů. Freescale pro zvýšení a vylepšení vlastností jím vyvíjených SoC (System-On-Chip) systémů vyvinul a dále vyvíjí verzi označenou jako HiPerMOS. Ta se vyznačuje velmi nízkými parazitními a svodovými proudy a schopností rychlého přepínání i při zmenšení velikosti MOS kanálu až na 65 nm (zanedlouho 45 nm). Díky ní lze zakoupit stále populárnější nízkopříkonové mikrokontroléry řady Flexis QE, výkonné Power Architecture microprocesory a DSP a plně integrované senzory (např. akcelerometry MMA), kombinované analogově-digitální jednočipové systémy, nebo vytvořit obvody s RF částí na jednom chipu s procesorem. V současné době se již vyvíjí 32 nm CMOS technologie v rámci konzorcia Freescale, STMicroelectronics a Philips.

Technologie HiPerMOS se vyvíjena již od doby 0.5 mikronové technologie (od roku 1994), přičemž od nasazení velikosti 0.22 mikronů se již k vytvoření propojovacích cest (metalizaci čipu) využívá mědi místo sice jednodušeji implantovatelného, ale méně vodivého hliníku. Od velikosti 130 nm se využívá metody CVD (chemical vapor deposition) pro vytvoření materiálů s nízkou dielektrickou konstantou. Zvýšení vodivosti cest a snížení parazitních kapacit stojí za vzrůstem rychlosti přenosu signálů vrstvami polovodičového čipu a tím i zrychlení funkce celé součástky. Aby bylo možné tranzistory umístit co nejblíže k sobě a tím zmenšit i celý čip, ale zamezit jejich vzájemnému rušení, využívá se k vzájemné izolaci tranzistorů silné vrstvy oxidu křemíku.

Technologie SOI

Silicon on Insulator (SOI) je polovodičová sendvičová technologie významně vylepšující vlastnosti klasické objemové křemíkové (CMOS) technologie. V současné době se využívá hlavně pro výkonnější nízkopříkonové (dynamické) obvody, které nelze klasickou objemovou CMOS strukturou vytvořit. Hlavní charakteristikou SOI je umístění tenké nevodivové vrstvy (izolantu), jakým je například oxid křemíku nebo sklo mezi tenkou vrstvou křemíku a křemíkového substrátu. Tato struktura pomáhá snížit množství elektrického náboje, který se přesouvá během přepnutí tranzistoru, čímž se zrychluje jak proces přepnutí, tak je k tomu nutné vynaložit méně energie. Obvody založené na SOI jsou obvykle o 15% rychlejší a o 20% spotřebují méně výkonu než stejný obvod vyrobený běžnou objemovou křemíkovou CMOS technologií. Naopak technologie SOI je nákladnější na výrobu, takže i součástky jsou samozřejmě dražší. Proto se využívá jen tam, kde je to bezpodmíněčně nutné, jako u high-end aplikacích, jako jsou přenosné počítače nebo příruční rychlé nebo přesné měřící přístroje.

Konkrétně se Freescale aktivně podílí na vývoji SOI od roku 1980 a je pouze jednou z mála firem, která sériově vyrábí SOI obvody. V současné době jsou vyráběné velikosti 0.18micronů, 130 nm a 90 nm, přičemž se dokončuje příprava na výrobu generace 65 nm a vyvíjí se 45 nm. Vyšší rychlosti a menší příkon (napájecí napětí), které SOI poskytuje, je možné díky nižší kapacitě. V oblasti RF aplikací a obvodů pro směšování signálů jsou výhody technologie SOI velmi ceněné. Od roku 2001 pak Freescale nabízí SOI mikroprocesor MPC7455, který je čtvrtou generací (G4) PowerPC procesorů obsahující PowerPC jádra vyrobené 180 nm SOI technologií, která je však charakterizovaná 65 nm dlouhým hradlem tranzistoru a šestiúrovňovou měděnou metalizací. V současné době se využívá již 90 nm technologie a cílem v nejbližší době je 65 nm. V budoucnu se pak očekává její masivní využití v oblasti obvodů SoC.

V roce 2006 pak Freescale poprvé demonstroval dále vylepšenou CMOS technologii, která využívá tzv. sSOI substrát (strained Silicon-On-Insulator), což umožňuje dále výrazně snížit výkonovou spotřebu další generace obvodů. To je dáno tím, že sSOI zvyšuje pohyblivost nosičů náboje. U sSOI tranzistorů proti klasickým tranzistorům z objemového křemíku lze mluvit o zvýšení rychlosti zhruba o 30% a zároveň o snížení aktivního příkonu okolo 40%. Technologie sSOI je tvořena sedvičovou strukturou, kde vrstva křemíku je umístěna na substrátu ze SiGe. Atomy v křemíku se roztahují, aby se přiřadily atomům SiGe, které jsou od sebe vzdálenější. Takto "napnutý" (strained) křemík umožňuje elektronům se pohybovat volněji a tedy až o 70% rychleji díky většímu prostoru mezi atomy. Díky menším interakcím a hlavně srážkám s atomy je tedy potřeba menší množství energie k jejich urychlení nebo změně směru pohybu a tím i nižší napájecí napětí. Tím jsou sSOI tranzistory významně výkonější proti klasickým křemíkovým tranzistorům a generují malý šum i na velmi vysokých frekvencích přepínání v řádu desítek GHz. Toho se využívá u součástek pro realizaci bezdrátové RF komunikace v oblasti GHz. Díky vzájemné kompatibilitě s běžnou CMOS technologií, lze RF transcesivery a směšovače umístit na jeden čip společně s MCU a analogovými i digitálními periferiemi a vytvořit tak kompletní integrované SoC systémy a aplikace. Protože však technologie SOI a sSOI jsou na výrobu výrazně náročnější a tedy dražší než klasická struktura CMOS, využívají se zatím převážně jen právě tam, kde je to vysloveně potřeba, tedy RF a výkonné mobilní aplikace, kde vyšší cena je vyvážena výkonem. V budoucnu se však jistě bude určitě rychle rozšiřovat i do více součástek.

Technologie SiGe

Pro vytvoření velmi rychlých jednočipových analogově-digitálních integrovaných obvodů se využívá spojení křemíku s jiným významným polovodičovým materiálem, germaniem. Pro vysokofrekvenční produkty se u Freescalu využívá technologie SiGe:C BiCMOS (Silicon Germanium Carbon Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor). V tomto směru byl Freescale jedním z prvních výrobců, kterému se povedlo realizovat v této platformě tenkovrstvý měděný rezistor. Obvody kombinující technologii SiGeHBT (Silicon Germanium Heterojunction Bipolar Transistor) s CMOS mají frekvenční omezení až na 120 GHz nebo i vyšších frekvencích a umožňují komunikovat a přenášet data po síti rychlostí až 40 Gb/s. Zároveň se vyznačují velmi nízkým šumem.

Tuto vysokofrekvenční technologii obsahují součástky jako jsou 2.5/2.75/3G RF transceivery, iDEN transceivery, WPAN, nízkošumové zesilovače, transimpedanční zesilovače (TIA) a generátory hodinových taktovacích signálů.

Gallium Arsenide MOSFET (GaAs MOSFET)

Freescale pro rychlé výkonové součástky skombinoval Gallium Arsenidové polovodičové části (GaAs) s výhodami tradičních MOSFET technologií, aby vytvořily první komerční integrovaný GaAs MOSFET obvod. Tato technologie umožňuje vyvýjet nové třídy výkonových zesilovačů, nízkopříkonových, velmi rychlých polovodičů a třeba výrazně vylepšit analogově - digitálník převodník.

Křemíkovou MOSFET strukturu, která tvoří základ CMOS obvodů, a které se široce využívá v návrhu mikroelektronických procesů, je již možné v nějaké formě nalézt skoro u všech zařízení. Pokrok v provázání se strukturou GaAs je v posunutí základních fyzikálních limitů, které standardní MOSFET struktura má, aby se zajistilo menší generování šumu a až o 20% zvýšil přenos (vodivost) elektronů proti klasické MOSFET struktuře. Dřívější omezení spočívající v nemožnosti umístit oxid křemíku (SiO2) nebo jiný dielektrický materiál na obvody vytvořené technologií GaAs, neumožňovalo začlenit tradiční strukturu hradla kov-izolant, což je základem pro možnost jednočipové realizace GaAs-MOSFET obvodů. Freescalu se však povedlo najít materiály zároveň "kompatibilní" se strukturou GaAs i s křemíkem, které tak umožňují vytvořit GaAs MOSFET tranzistor, vyznačující se výrazně lepšími parametry proti klasickému "jen" křemíkovému MOSFET tranzistoru. Cílem není tradiční MOSFET nahradit, ale má sloužit jako výkonější alternativa pro potřeby vytvoření speciálních struktur pro bezdrátovou komunikaci a oblast optoelektroniky, kde se již samotná struktura GaAs dlouhodobě využívá.

Struktura ITFET

Vynalezení struktury ITFET tranzistoru (Inverted-T Field Effect Transistor) umožnilo Freescalu prolomit tradiční bariéry ve zmenšování velikosti tradiční CMOS struktury a vytvářet vertikální vícehradlové struktury pro kombinaci vertikální a tenké planární struktury v jednom tranzistoru. ITFET (rozšíření technologie FinFET- dvouhradlového MOSFETu) umožňuje významě zmenšit polovodičové struktury součástek, které pak vyžadují méně el. energie (mají menší spotřebu). ITFET v sobě kombinuje stabilitu a snadnou výrobu horizontální struktury polovodičových součástek a nízkých ztrátových proudů a malé plochy vertikální struktury.

Obr. 2. Fotografie struktury ITFET - trojrozměrného MOS tranzistoru

Technologie ITFET definuje vícehradlovou strukturu, kde se využívá vertikální i horizontální oblasti křemíku vytvarovaného jakoby do tvaru obráceného T ("inverted-T"), který poskytuje maximální velikost povrchu pro kanál a umožňuje tak optimalizovat vlastnosti důležitých obvodových prvků, jako například jsou SRAM cache paměti dnes všudypřítomné ve všech moderních digitálních CMOS produktech. Mezi výhody ITFET struktury patří lepší kontakt source/drain (snížení parazitního odporu), lepší mechanická odolnost, která tak umožňuje vytvářet menší struktury s nižším napájecím a řídícím napětím (u ITFET SRAM již 0.6 V). V současné době využívá k výrobě ITFET 90 nm SOI CMOS technologii, přičemž se již plánuje použití velikosti 45 nm. Další vývoj Freescalu v oblasti 3D struktury se pak ubírá směrem k MIGFET (Multiple Independent Gate Field Effect Transistor), který obsahuje dva nebo více elektricky nezávislých hradel napříč vertikálního kanálu menšího než 40 nm.

Závěr

V závislosti na očekávaných výkonech součástek se využívá té či oné technologie, která to je schopna zajistit. Čím náročnější je použitá polovodičová struktura, tím dražší je i pak samotný čip, potažmo součástka. Proto pokud je to možné, snaží se výrobci používat "klasickou", případně optimalizovanou technologii CMOS či BiCMOS. Pouze tam, kde je to opravdu potřeba, se navrhuje složitější struktura. Společnost Freescale pak v tomto směru patří ke špičce, protože nové technologie nejen využívá, ale i vyvíjí.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Freescale, výrobce integrovaných obvodů - www.freescale.com
• Portál o polovodičových technologiích - http://wps2a.semi.org
• Stránky podrobně se zabývající polovodičovými technologiemi - www.semiconductoronline.com