在28nm芯片上,工程师会同时制造两种PMOS晶体管:一种是Core器件,用于核心逻辑电路;另一种是IO器件,用于与外界通信的输入输出接口。它们虽然做在同一颗芯片上,但内部结构却有明显差异。
从图片可以清楚看到两者的不同。Core器件追求极致速度,它的栅极堆叠采用了High-k介质加金属栅极,等效氧化层厚度(EOT)薄到只有约1.1纳米。薄的EOT能让栅极对沟道有更强的控制,提升驱动电流(Idsat),缩小晶体管尺寸,从而实现更高的逻辑密度。
IO器件则完全不同。它的EOT厚度达到2.5到3.5纳米,几乎是Core器件的三倍。厚栅氧牺牲了一些速度和集成度,但换来了更高的耐压能力。IO器件需要承受更高的电压(1.8V),如果栅氧像Core那么薄,很容易被击穿。
再看沟道区域。Core器件采用了SiGe(锗硅)沟道,这是通过外延工艺在硅沟道中掺入锗原子形成的。锗的原子比硅大,晶格失配会在沟道中引入压应力,提高空穴迁移率,让PMOS跑得更快。而IO器件的沟道就是普通硅,没有SiGe,因为它的主要任务是耐受电压,不是追求速度。
侧墙宽度也有区别。Core器件的侧墙较薄,有利于减小寄生电容。IO器件的侧墙较宽,有助于缓冲突变的电场,提高可靠性。图片中两者的源漏结深也有差异,Core器件的结更浅,有利抑制短沟道效应;IO器件的结略深,能承受更高电压。
简单来说,Core器件为速度而生,用薄栅氧、SiGe沟道、浅结等一切手段让晶体管跑得更快;IO器件为接口而生,用厚栅氧换取耐压能力,牺牲性能换取可靠性。同一颗芯片上的这两套“班子”,各自为不同的使命而优化。这也是现代芯片设计“一芯多用”的体现。
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