Устройства Nanosheet запланированы для 3-нанометрового узла уже в 2021 году.
Форма грядущих вещей: Полевые транзисторы с нанолистовым эффектом протекают через несколько стопок кремния, которые полностью окружены транзисторным затвором. Конструкция уменьшает вероятность утечки тока и увеличивает ток, который может протекать через устройство.
Современный микропроцессор является одной из самых сложных систем в мире, но в его основе лежит очень простое, и мы думаем, красивое устройство - транзистор. Сегодня их миллиарды в микропроцессоре, и все они почти идентичны. Поэтому улучшение производительности и увеличение плотности этих транзисторов является самым простым способом сделать микропроцессоры и компьютеры, на которых они работают, более эффективными.
Это предпосылка Закона Мура, даже сейчас, когда он (почти) подошел к концу. Видите ли, изготовление более компактных, лучших транзисторов для микропроцессоров становится все труднее, не говоря уже о фантастически дорогих. Только Intel, Samsung и Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (ТСМЦ) оснащены для работы на этой границе миниатюризации. Все они производят интегральные микросхемы, эквивалентные тому, что называется 7-нанометровым узлом. Это название, остаток первых дней существования Закона Мура, уже не имеет четкого физического значения, но, тем не менее, отражает степень миниатюризации функций и устройств интегральной микросхемы.
В настоящее время 7 узлов - это передний край, но Samsung и TSMC объявили в апреле о начале перехода к следующему узлу, 5 узлов. У Samsung появились дополнительные новости: было решено, что тип транзистора, который используется в индустрии уже почти десять лет, не изменился. Для следующего узла, 3 нм, который должен начать ограниченное производство около 2020 года, он работает над совершенно новой конструкцией.
Этот транзистор имеет различные названия - обходные ворота, многомостовые каналы, нанолучи - но в исследовательских кругах мы называем его нанолистом. Имя не очень важно. Важно то, что эта конструкция не просто следующий транзистор для логических чипов, она может быть последней. Конечно, будут вариации на эту тему, но с этого момента, вероятно, все дело в нанолистах.
Хотя форма и материалы изменились, полупроводниковый полевой транзистор с оксидным эффектом металла, или MOSFET - транзистор, используемый в микропроцессорах, - имеет те же основные структуры, что и в 1959 году: затвор, область канала, электрод-источник и дренажный электрод. В первоначальном виде источник, дренаж и канал устройства представляют собой, в основном, кремниевые области, которые легируются атомами других элементов для получения области с большим количеством подвижного отрицательного заряда (n-тип) или области с большим количеством подвижных положительных зарядов (p-тип). Вам нужны транзисторы обоих типов для технологии CMOS, составляющей современные компьютерные чипы.
Стек затворов MOSFET расположен чуть выше региона канала. Сегодня створка ворот изготовлена из металла (для электрода ворот) поверх слоя диэлектрического материала. Комбинация предназначена для проецирования электрического поля в область транзисторного канала и предотвращения протекания заряда.
При подаче достаточно большого напряжения на затвор (относительно источника) образуется слой мобильных носителей заряда вблизи границы раздела между диэлектриком и кремнием. Как только этот слой полностью перекроет пролет от источника к дренажу, ток может протекать через него. Снижение напряжения затвора почти до нуля должно сжать этот проводящий канал.
Конечно, для того, чтобы ток протекал через канал от источника до слива, сначала необходимо напряжение через него. Поскольку транзисторные структуры становились все меньше и меньше, влияние этого напряжения в конечном итоге привело к самому большому в истории транзистора смещению формы.
Это связано с тем, что напряжение отвода воды из источника может создать свою собственную токопроводящую область между электродами. По мере того, как с каждым новым поколением транзисторов область канала становилась все короче и короче, влияние дренажного напряжения становилось все более значительным. Заряд просочился бы наружу, просачиваясь под ворота. В результате получился транзистор, который никогда не был полностью выключен, тратя энергию и вырабатывая тепло.
Чтобы затруднить нежелательный поток заряда, область канала должна была стать тоньше, ограничивая проход заряда для проникновения внутрь. А ворота должны были окружать канал с других сторон. Таким образом, родился современный транзистор - FinFET. Это конструкция, в которой область канала наклонена в сторону, образуя тонкий плавник кремния между источником и сливом, обеспечивая более широкий путь прохождения тока. Затем затвор и диэлектрик наматываются на плавник, окружая его с трех сторон, а не только с одной.
Эволюция ФЭТ
С момента своего появления в 1959 году полевой транзистор был в основном встроен в плоскость кремния. Но для того, чтобы лучше контролировать утечку тока, он принял форму выступающего плавника и теперь станет сложенным листом.
FinFET, несомненно, имел большой успех. Хотя он был изобретен более десяти лет назад, FinFET был впервые коммерчески представлен в 2011 году на 22-нм узле Intel, а затем Samsung, TSMC и другими компаниями. С тех пор это была рабочая лошадка новейшей кремниевой логики на этих заключительных этапах масштабирования закона Мура. Но все хорошее заканчивается.
С 3-нм узлом FinFET не справляется с этой задачей. Мы втроем, как и другие, более десяти лет назад видели, как это происходило в той или иной форме.
Как бы то ни было, у FinFET есть свои проблемы. Во-первых, он ввел конструктивное ограничение, которое не было фактором для старого "планарного" транзистора. Чтобы увидеть проблему, вы должны понимать, что всегда есть компромисс между скоростью транзистора, энергопотреблением, производственной сложностью и стоимостью. И этот компромисс во многом связан с шириной канала, который в кругах разработчиков устройств называется Weff. Большая ширина позволяет пропускать больше тока и быстрее включать и выключать транзисторы. Но это также требует более сложного и дорогостоящего производственного процесса.
В плоском устройстве вы можете сделать этот компромисс, просто отрегулировав геометрию канала. Но плавники не обеспечивают такой гибкости. Металлические соединения, соединяющие транзисторы для формирования цепей, расположены слоями выше самих транзисторов. По этой причине транзисторные ребра не могут сильно отличаться по высоте - эквивалентно ширине в плоских конструкциях - не мешая взаимодействию с соединительными слоями. Сегодня разработчики чипов решают эту проблему, создавая индивидуальные транзисторы с несколькими плавниками.
Еще одним недостатком FinFET является то, что его ворота окружают прямоугольный кремниевый ребро только с трех сторон, оставляя нижнюю часть соединенной с корпусом кремния. Это позволяет некоторому количеству тока утечки протекать при выключенном транзисторе. По мнению многих исследователей, чтобы получить полный контроль над регионом канала, ворота должны были полностью его окружить.
Исследователи доводят эту идею до логического завершения по крайней мере с 1990 года. В том же году исследователи сообщили о первом кремниевом устройстве с воротами, которое полностью окружает район канала. С тех пор целое поколение исследователей работает над так называемыми устройствами обхода ворот. К 2003 году исследователи, стремясь минимизировать утечку, превратили область канала в узкую нанопроволоку, которая соединяет источник и дренаж и со всех сторон окружена затвором.
Так почему бы не создать основу для новейшего транзистора на основе круговой нанопроволоки? Опять же, все дело в ширине канала. Узкий провод дает мало возможностей для выхода электронов, удерживая тем самым транзистор от включения, когда он должен быть выключен. Но он также предоставляет мало места для протекания электронов при включенном транзисторе, ограничивая ток и замедляя переключение.
Вы можете получить больше Weff, а значит, и тока, складывая нанопроволоку друг на друга. И инженеры Samsung представили версию этой конфигурации в 2004 году, называемую многомостовым каналом FET. Но у него было несколько ограничений. Например, как и плавник FinFET, стек не может быть слишком высоким, иначе он будет мешать слою соединения. С другой стороны, каждая дополнительная нанопроволока увеличивает емкость устройства, замедляя скорость переключения транзистора. Наконец, из-за сложности изготовления очень узких нанопроволок, они часто оказываются шероховатыми по краям. Такая шероховатость поверхности может препятствовать скорости носителей заряда.
В 2006 году инженеры, работающие с одним из нас (Эрнст) в CEA-Leti, Франция, продемонстрировали лучшую идею. Вместо того, чтобы использовать стопку нанопроволок для соединения источника и дренажа, они использовали стопку тонких листов кремния. Идея заключалась в том, чтобы увеличить ширину канала в меньшем транзисторе, сохраняя при этом жесткий контроль над током утечки, и тем самым обеспечить лучшую производительность и низкую мощность устройства. И это работает: Под руководством другого из нас (Khare), IBM Research в 2017 году продолжила работу над концепцией, показав, что транзистор, изготовленный из стопорных нанолистов, на самом деле предлагает больше Weff, чем FinFET, занимающий такое же количество площади микросхемы.
Но дизайн нанолиста дает еще один плюс: он восстанавливает гибкость, утраченную при переходе на FinFET. Листы могут быть сделаны широкими для увеличения тока или узкими для ограничения потребления энергии. IBM Research производит их в стопках по три штуки размером от 8 до 50 нм в поперечном направлении.
Как сделать нанолисты
Для изготовления нанолистов необходимы искусственные слои, селективные химические протравки и передовые технологии нанесения атомарно точных покрытий.
Как изготовить наноструктурный транзистор? Это может показаться сложной задачей, учитывая, что большинство процессов производства полупроводников разрезают прямо с верхней части кремния или заполняют прямо с открытой поверхности. Нанолисты должны удалять материал между слоями другого материала и заполнять зазоры как металлом, так и диэлектриком.
Главный трюк заключается в создании так называемой сверхрешетки - периодического многослойного кристалла из двух материалов. В данном случае это кремний и кремний германий. Исследователи сделали сверхрешетки с 19 слоями, но из-за механических напряжений, а также из-за емкости, использование этого большого количества слоев не рекомендуется. После выращивания соответствующего количества слоев мы используем химическое вещество, которое селективно травит кремний германий, но ничего не делает с кремнием, оставляя только кремниевые нанолисты подвешенными в качестве мостов между источником и сливом. На самом деле это не новая идея; инженеры France Telecom и STMicroelectronics использовали ее 20 лет назад в экспериментальных транзисторах "кремний-на-ничто", устройствах, которые пытались ограничить воздействие коротких каналов, закапывая слой воздуха под область транзисторного канала.
После того, как вы построили кремниевые нанолисты каналов, необходимо заполнить щели, окружающие каналы сначала диэлектриком, а затем металлом, чтобы сформировать стопку затворов. Оба эти шага выполняются с помощью процесса, называемого осаждением атомного слоя, который был внедрен в производство полупроводников всего чуть более десяти лет назад. В этом процессе газообразные химические вещества поглощают открытые поверхности стружки, даже нижнюю часть нанолиста, образуя единый слой. Затем добавляется еще одно химическое вещество, вступающее в реакцию с первым, оставляя слой необходимого материала в атомном масштабе, например, диэлектрик гафния-диоксид. Процесс настолько точен, что толщина осажденного материала может регулироваться вплоть до одного атомного слоя.
Одна из удивительных особенностей конструкции нанолиста заключается в том, что он может продлить срок действия Закона Мура до такого уровня, что на самом деле он превышает срок службы кремния в канале. В значительной степени, проблема здесь в жаре.
Плотность транзисторов продолжает расти с каждым технологическим узлом. Но количество тепла, которое ИС может разумно удалить - плотность мощности - застряло на уровне около 100 ватт на квадратный сантиметр в течение десяти лет. Производители химикатов приложили огромные усилия, чтобы не превысить этот фундаментальный предел. Чтобы сохранить тепло, тактовая частота не должна превышать 4 гигагерца. И процессорная промышленность перешла на многоядерные конструкции, правильно аргументируя это тем, что несколько более медленных процессорных ядер могут выполнять ту же работу, что и одно быстрое, при этом выделяя меньше тепла. Если мы когда-либо захотим снова увеличить тактовую частоту, нам понадобятся более энергоэффективные транзисторы, чем сам кремний.
Одним из возможных решений является введение в канал новых материалов, таких как германий или полупроводники, состоящие из элементов из колонок III и V периодической таблицы, таких как арсенид галлия. Электроны могут двигаться более чем в 10 раз быстрее в некоторых из этих полупроводников, позволяя транзисторам, изготовленным из этих материалов, переключаться быстрее. Более важно, поскольку электроны движутся быстрее, вы можете управлять устройством при более низком напряжении, что приводит к более высокой энергоэффективности и меньшему тепловыделению.
Наноструктурированные нанолисты также имеют большие перспективы для сложных полупроводников, таких как арсенид индия галлия [выше], и для кремниевых альтернатив, таких как германий.
Лес Наношита: Наноструктурированные нанолисты также имеют большие перспективы для сложных полупроводников, таких как арсенид индия галлия [выше], и для кремниевых альтернатив, таких как германий.
В 2012 году, вдохновленный предыдущей работой над нанопроволочными транзисторами и сверхрешеточными структурами, один из нас (Ye) создал несколько трехлистовых устройств с использованием арсенида индия галлия, полупроводника III-V. В 2012 году компания "Ye" создала ряд трехлистовых устройств с использованием арсенала индия. Результаты оказались лучше, чем ожидалось. Этот наноструктурный транзистор допускал токи 9000 микроампер на каждый микрометр ширины канала. Это примерно в три раза лучше, чем лучшие плоские МОП-транзисторы InGaAs на сегодняшний день. Производительность устройства все еще далека от того, что могли бы дать такие транзисторы, если бы процесс производства был еще более усовершенствован. Возможно, мы сможем увеличить производительность в 10 и более раз, сложив больше нанолистов. (Исследователи из лабораторий HRL в Малибу, Калифорния, в настоящее время работают над десятками нанолистов для разработки устройств питания на основе нитрида галлия). Поэтому мы считаем, что эта стратегия так важна для будущего высокоскоростных и энергоэффективных интегральных микросхем.
И InGaAs - не единственный вариант для будущих наноструктурных транзисторов. Исследователи также исследуют другие полупроводники с высокомобильными носителями заряда, такие как германий, арсенид индия и антимонид галлия. Например, исследователи из Национального университета Сингапура недавно построили полную ИС КМОП с использованием комбинации транзисторов n-типа из арсенида индия и p-типа транзисторов из антимонида галлия. Но потенциально более простым решением является использование германия с допингом, поскольку скорости электронов и проходящих через него носителей положительного заряда (отверстий) очень высоки. Однако германий все еще испытывает некоторые проблемы с производственным процессом и надежностью. Таким образом, промышленность может сначала пойти навстречу друг другу, используя кремний германий в качестве материала канала.
В целом, штабелирование нанолистов является наилучшим возможным способом создания будущих транзисторов. Производители уже достаточно уверены в технологии, чтобы включить ее в свои "дорожные карты" на ближайшее будущее. А благодаря интеграции высокомобильных полупроводниковых материалов наноструктурные транзисторы могут унести нас в будущее так далеко, как сейчас может себе представить любой желающий.
