Воздушные прокладки для 10-нм чипов

Это третья из серии из четырех статей о докладах IBM, представленных на IEDM 2016.

Ежегодная международная конференция по электронным устройствам является «ведущим в мире форумом для сообщения о технологических достижениях в области полупроводниковых и электронных устройств, дизайна, производства, физики и моделирования». Поэтому исследователи IBM принесли свой сканирующий зонд-термометр, свою воздушную прокладку для 10-нанометрового чипа, свой 7-нм чип, и, чтобы не уступать кремнию, они также принесли свои углеродные нанотрубки. Эти доклады и презентации сотрудников IBM и многих партнеров примут участие в конференции на этой неделе в Сан-Франциско.

В рамках IEDM представлены четыре доклада IBM, которые являются одними из лучших примеров переосмысления вычислений на конференции - расширения закона Мура, создания новых архитектур и использования новых материалов, выходящих за рамки этого. Вот более подробный взгляд на эти документы и ученых, стоящих за работой. Третья часть посвящена статье «Воздушная прокладка для 10-нм FinFET CMOS и не только», написанная доктором Кангуо Ченгом, старшим техническим сотрудником и главным изобретателем в IBM Research.

Хотя 14-нм узловые чипы могут быть произведены сегодня, остаются серьезные проблемы с переходом к следующему узлу. По мере того, как транзисторы становятся меньше, паразитная емкость (нежелательный электрический заряд) вызывает две проблемы:переключение сигналов между транзисторами замедляется, а потребление энергии увеличивается. Ченг и его команда из центра нанотехнологий IBM в Олбани исследовали, как использовать воздух в качестве изолятора в 10-нм транзисторах. Их воздушные прокладки показали снижение емкости на уровне транзистора на целых 25 процентов и снижение емкости в испытательной цепи кольцевого генератора на целых 15 процентов.

Транзистор имеет четыре основных элемента:канал, два резервуара (так называемые исток и сток) на двух концах канала и затвор, управляющий каналом для включения или выключения транзистора. Контакты (металлические сплавы) используются для подключения истока, стока и затвора к проводам над транзисторами, которые затем подключаются для завершения остальной части схемы. По мере того, как транзисторы становятся все меньше и меньше, а также все ближе и ближе друг к другу, уменьшаются и зазоры между контактами транзистора. Некоторая часть электрического заряда вместо того, чтобы течь в канал для выполнения полезной работы, накапливается в этих промежутках. Когда транзистор переключается, накопленный заряд снова выходит, тратя энергию. Поскольку для перемещения этих дополнительных электронов вперед и назад требуется больше энергии, для работы чипа требуется больше энергии, что также делает его более горячим, иногда до такой степени, что он становится непригодным для использования.

Вверху слева: Изображение на просвечивающем электронном микроскопе FinFET-транзистора с воздушными прокладками (белые промежутки) при размерах 10 нм. Вверху справа: Повреждение после агрессивного процесса снятия проставки; в частности, эрозия ребра и эпитаксия истока / стока. Внизу посередине: Схема частичной конструкции воздушной прокладки. Воздушные прокладки образуются только над верхом ребра, чтобы минимизировать воздействие на стопку ворот. Диэлектрические вкладыши используются для дополнительной защиты стопки затворов во время процессов изготовления воздушных прокладок.

Таким образом, необходимо было поместить новый материал между близлежащими контактами, чтобы предотвратить застревание этих надоедливых электронов между контактами. Оказывается, лучший материал - это вообще не материал - это воздух. Команда IBM работала над тем, чтобы придумать, как создать крошечное пространство, заполненное воздухом, между контактами транзистора, чтобы контролировать, сколько электронов хранится в промежутках. Разработанный процесс приводит к транзисторам, которые потребляют на 25 процентов меньше энергии и, соответственно, на 15 процентов меньше энергии для всей схемы.

Воздушные прокладки помогут создать чипы 10 и 7 нм, а также потенциально более эффективные чипы 14 нм для систем следующего поколения.

Прочтите первую часть:Отображение горячих точек
Прочтите часть вторую:Еще один вид чипа с углеродными нанотрубками