Недавние статьи подробно описывают масштабируемость углеродных нанотрубок, прорывы в интеграции

Углеродные нанотрубки (УНТ) привлекательны для полупроводниковой промышленности, потому что они являются лучшими электрическими проводниками по сравнению с кремнием при толщине тела всего 1 нанометр. Так почему же у нас пока нет чипов CNT во всем, от мэйнфреймов до мобильных устройств? Масштабируемость транзистора и крупномасштабная интеграция по-прежнему остаются большими проблемами. Но две статьи, которые мы с коллегами недавно опубликовали в Science и Nature Nanotechnology показать многообещающие прорывы в этих двух областях, критически важных для реальности чипов CNT.

Достижение следа подсказывает наноразмеры

Первое:масштабирование. Мы знаем, что кремниевые чипы 3D FinFET могут достичь предела своей мощности и производительности на уровне 7 нанометров. И хотя недавнее объявление о 5-нм кремниевых нанолистовых транзисторах увеличивает масштаб, мощность и производительность следующего узла, мы также знаем его пределы.

Транзистор больше, чем его ворота. Источник, сток и распорки составляют общую площадь. На фото:УНТ-транзистор с размером основания 40 нм. (Рисунок 1B в «Транзисторы из углеродных нанотрубок в масштабе 40-нанометрового размера», опубликованный в Science.)

В нашей науке В статье «Транзисторы с углеродными нанотрубками, масштабируемые до 40-нанометрового размера», мы масштабировали весь CNT-транзистор в соответствии с целью Международной дорожной карты технологий для полупроводников (ITRS) по достижению транзисторами площади 40-нанометрового покрытия - цели, которую они поставили и не менялись с 2015 года. Для справки:современные 14-нм транзисторы высшего класса занимают около 90 нм площади микросхемы.

Мы потенциально можем масштабировать УНТ-транзисторы дальше кремния по той причине, что их толщина составляет всего 1,2 нм. Эта худоба имеет эффект домино, заключающийся в уменьшении длины затвора до 10 нм, поскольку он обеспечивает лучший электростатический контроль затвора и помогает минимизировать утечку тока. Кроме того, электроны перемещаются в УНТ быстрее, чем в кремнии, что повышает производительность устройства.

Но нам нужен был новый способ подключения УНТ к их истоку и стоку (на фото). Нам нужно было найти идеальное сочетание материалов, которое могло бы «спечь» эти 10-нанометровые элементы вместе при технологической температуре. Наши предыдущие рабочие концевые контакты между истоком и УНТ и стоком и УНТ требовали такой высокой температуры обработки, около 850 ° C, что канал не мог быть короче 60–100 нм. Переход на кобальт-молибденовый сплав для проводки между элементами эффективно снизил температуру до приемлемых 650 ° C, уменьшив расстояния до 10 нм.

Доктор Цин Цао, ведущий автор статьи, и другие коллеги в команде продемонстрировали, что - при этой недавно достигнутой площади - транзистор CNT может достичь производительности на уровне, сопоставимом с сегодняшними стандартами транзисторов.

Элементы CNT собираются вместе на кольцевом генераторе

Демонстрация такого чрезвычайно масштабированного одиночного транзистора, даже с менее технологичным процессом, дала нам мотивацию для решения проблем интеграции для практических технологий CNT. И последние пять лет моя команда занималась разработкой отдельных элементов технологии CNT. Мы знаем, как разделять полупроводниковые УНТ, заставлять УНТ «самоорганизовываться» на пластине и изготавливать надежные n-канальные полевые транзисторы УНТ или «полевые транзисторы» (которые обычно быстро разрушаются из-за контактного окисления металлов) с использованием различных методов.

Все элементы должны работать одновременно в работающем кольцевом генераторе. . На фото:вид сверху, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, 5-ступенчатого кольцевого генератора УНТ и размещенных в канавках УНТ. (Рисунок 1B в «Быстродействующих логических интегральных схемах с самоорганизующимися углеродными нанотрубками на основе раствора», опубликованном в Nature Nanotechnology.)

Проблема в разработке прорывной технологии на ранней стадии заключается в том, что некоторые методы, используемые для решения одной проблемы, могут в конечном итоге привести к разрушению других элементов устройства и схемы. Это основная причина, по которой все демонстрации, основанные на нанотехнологиях, например с использованием УНТ, были ограничены очень низким уровнем интеграции. И это ставит под сомнение возможность их практического использования.

Но мы сделали большой шаг вперед в решении этой проблемы интеграции в нашей Nature Nanotechnology документ «Высокоскоростные логические интегральные схемы с самоорганизующимися углеродными нанотрубками на основе раствора», в котором мы показываем, как собрать все части вместе, чтобы создать стандартную контрольную схему в любой логической технологии - кольцевой КМОП-генератор.

Доктор Цзяньши Тан и другие члены моей команды объединили наши ранее разработанные методы для очистки и размещения УНТ вместе (по отдельности они выглядят как паста пенне, плавающая в растворе), но внесли одну ключевую поправку, добавив оксид боковой стенки для защиты канала n-FET. от разрушения во время производственного процесса (боковая стенка привела к увеличению выхода продукции в три раза, что дополнительно гарантирует одновременное выполнение требований всех элементов кольцевого генератора).

Функциональные 5-каскадные кольцевые генераторы CMOS, описанные в статье (и изображенные выше), уже могут работать при напряжении 1 В (промышленный стандарт). Несмотря на низкую плотность УНТ в канале (вы можете увидеть шесть УНТ на одном рисунке) и расслабленные параметры, частота переключения каскадов достигает 2,8 ГГц (355 пикосекунд) - первый пример преодоления барьера ГГц для любых демонстраций на основе нанотехнологий. Предполагается, что с плотностью более 100 УНТ на микрометр и правильно подобранными размерами устройства мы сможем достичь субпикосекундной задержки каскада, что значительно быстрее, чем у современных кремниевых чипов.

Как мы пишем в статье:

Поскольку кольцевые генераторы КМОП напрямую отражают зрелость технологии, это долгожданное доказательство того, что важные вопросы по превращению этого многообещающего материала в реальную технологию активно решаются.

Сохранить