Исследователи Imec изучают стратегию, которая может сделать память более эффективной и упаковывать больше транзисторов.
Когда производители объявляют, что им удалось собрать еще больше цепочек на чип, все внимание привлекает меньший транзистор. Но соединения, соединяющие транзисторы для формирования цепей, также должны быть сжаты. Теперь некоторые из них просто не могут быть меньше, не создавая серьезных последствий для скорости цепи и энергопотребления.
Проблема, пожалуй, наиболее очевидна в SRAM, самой распространенной памяти на процессорах на сегодняшний день. Но исследователи бельгийского нанотехнологического исследовательского центра imec придумали схему, которая могла бы поддерживать хорошую работу SRAM и в конечном итоге привести к созданию еще большего количества транзисторов на интегральных схемах.
ИС изготавливаются путем строительства транзисторов на кремнии, а затем добавляют слои соединений над ними, чтобы соединить их вместе. В IEEE Electron Device Letters команда imec описала способ извлечения соединений, питающих ячейки SRAM из этих слоев, и их захоронения в кремнии. Затем они использовали освободившееся пространство, чтобы сделать другие ключевые соединения большими и, таким образом, менее устойчивыми. В симуляциях скорость считывания с результирующих ячеек памяти была примерно на 31 процент выше, чем у обычной SRAM, а запись в них занимала на 340 милливольт меньше, чем требуется для питания ячеек памяти, чьи соединения не захоронены.
SRAM, состоящая из шести транзисторов, особенно чувствительна к более устойчивым соединениям, поскольку эти два соединения, которые управляют чтением и записью (называемые строкой бита и строкой слова), являются относительно длинными, объясняет Шайрфе М. Салахуддин, старший научный сотрудник imec. Длинные, узкие линии имеют большее сопротивление, ограничивая ток и замедляя сигналы.
Это является проблемой при записи в ячейку SRAM, так как сопротивление вызывает разницу напряжения между началом и концом линии бита. Для записи строка бита должна быть установлена на ноль вольт. Из-за сопротивления, установка последнего транзистора на линии долота на ноль означает, что начинается с отрицательного напряжения, которое инженеры должны были увеличить на несколько сотен милливольт за последние три поколения чипов.
Сопротивление взаимоподключения может также препятствовать считыванию показаний ячейки памяти. Более резистивные линии приводят к более длительной задержке переключения с высокого на низкое напряжение, и задержки в линии битов и линии слов объединяются во время операции считывания.
Будущим поколениям микросхем, созданным, например, с использованием предстоящего 3-нанометрового процесса обработки узлов, понадобятся более широкие, менее резистентные линии битов и строки слов. Тем не менее, в целом, процессы должны производить больше схем для данной области. Салахуддин и остальная команда имикеров наткнулись на путь и то, и другое. "Мы обнаружили, что если мы сможем удалить линии электропередач из ячейки SRAM, то у нас будет дополнительное пространство" на уровне межсоединений,
- говорит он.
"Мы можем использовать это пространство, чтобы расширить металлические дорожки для линии бита и строки слова."
Более широкие линии битов были почти на 75 процентов менее устойчивы, а новые линии слов сократили сопротивление более чем на 50 процентов, что привело к повышению скорости чтения и снижению напряжения записи.
Шесть блочных 3D-иллюстраций красного, золотого и зеленого (и синего) цветов показывают шаги по прокладке скрытых линий электропередачи в ячейке SRAM.
Первым шагом при прокладке заглубленных линий электропередач является протравливание через диэлектрики [синий] и кремний [красный] два траншеи. Затем траншеи покрываются инкапсулянтом [зеленым], а затем заполняются металлом [золотом]. Часть металла удаляется и закрывается диэлектриком перед установкой затворов FinFET [серого цвета].
Погребение линий электропередач, однако, было нелегкой задачей. Каждая ячейка SRAM контактирует как с высоковольтной шиной, так и с шиной заземления, и их нужно было зарыть между транзисторными ребрами. Более того, они не могли быть очень сопротивляющимися сами, поэтому они должны были быть достаточно большими. Решение заключалось в том, чтобы протравить глубокую, узкую траншею между транзисторными ребрами и затем заполнить ее рутением. (Из-за определенных проблем со стабильностью меди, чиповая промышленность переходит на кобальт или рутений для своих самых узких соединений). Глубокие, узкие траншеи трудно построить, говорит Салахуддин. К этому следует добавить инкапсулирование рутения, чтобы предотвратить его возможное взаимодействие с кремнием.
Далее технология должна увидеть, какие преимущества она дает в логических элементах микропроцессоров, геометрия которых гораздо менее равномерна, чем у микропроцессоров с технологией SRAM. Если он будет работать там, исследователи планируют расширить технологию таким образом, чтобы она могла привести к еще более мелким цепям. Эта технология, называемая обратной подачей энергии, заключается в контакте с подземными линиями электропередач с помощью вертикальных соединений, которые простираются через кремний с задней стороны микросхемы. Это позволило бы сэкономить еще больше места в соединительных слоях, возможно, уменьшив площадь, необходимую для цепей на 15 процентов. Это также позволит сэкономить электроэнергию, поскольку закопанные рельсы будут иметь более короткий путь к источнику питания микросхемы с меньшим сопротивлением.
