Прорывы CNT в масштабировании транзисторов и интеграции пролагают путь к чипам следующего поколения

Углеродные нанотрубки (CNT) привлекательны для полупроводникового сектора, потому что они доставляют исключительную электрическую проводимость, будучи толщиной всего 1 нм — далеко тоньше кремния. Несмотря на это обещание, CNT-базированные чипы отсутствуют в мейнстрим устройствах. Дорожные блоки остаются большая-масштабная интеграция и транзисторная масштабируемость. Недавние статьи, которые мы соавторили в Science и Nature Nanotechnology, представляют обещающие решения для обоих вызовов.

Достижение footprint переворачивает наноскалу

Масштабирование — первая преграда. Трехмерные FinFET кремниевые устройства подходят к своему потолку мощности и производительности на 7-нм длине гейта. Даже последние 5-нм кремниевые нанолистовые транзисторы, в то время как доставляющие более высокую плотность и скорость, в конечном счете достигнут своих собственных пределов.

Транзистор — больше, чем его гейт. Source, Drain и спейсеры все складываются для общего footprint. Изображено: CNT транзистор с 40-нм footprint. (Рисунок 1B в «Carbon nanotube transistors scaled to a 40‑nanometer footprint», опубликованном в Science.)

В нашей Science статье, «Carbon nanotube transistors scaled to a 40‑nanometer footprint», мы продемонстрировали полный CNT транзистор, соответствующий ITRS цели 40 нм footprint — бенчмарку, неизменному с 2015. В сравнении, самые передовые коммерческие 14-нм устройства занимают примерно 90 нм чип-площади.

Внутренняя 1.2 нм толщина CNT позволяет длины гейта до 10 нм, доставляя превосходный электростатический контроль и уменьшенную утечку. Более того, подвижность носителей в CNT превосходит кремний, бустя общую скорость устройства.

Однако интеграция CNT с их source и drain требовала новой контактной стратегии. Ранние end-bonded контакты требовали обработки температур около 850 °C, запрещая длины канала ниже 60–100 нм. Заменяя проводящий материал на кобальт-молибденовый сплав, мы снизили тепловой бюджет до 650 °C, позволяя 10-нм канальные интервалы.

Ведущий автор д-р Цин Цао и коллеги подтвердили, что в этом 40-нм footprint CNT транзисторы соответствуют или превосходят метрики производительности современных кремниевых устройств.

CNT элементы собираются вместе на кольцевом осцилляторе

Показ того, что единственный, высокомасштабированный транзистор выполним — несмотря на неидеальный процесс — привел к нашему поиску комплексной CNT интеграции. За прошедшие пять лет мы уточнили техники для сортировки полупроводниковых CNT, направления их само-сборки по вейферам, и производства надежных n-канальных CNT полевых транзисторов, устойчивых к деградации от металлической оксидации.

Все элементы должны работать одновременно в функциональном кольцевом осцилляторе. Изображено: Top-view SEM изображение 5-стадийного CNT кольцевого осциллятора и CNT в траншеях. (Рисунок 1B в «High‑speed logic integrated circuits with solution processed self‑assembled carbon nanotubes», опубликованном в Nature Nanotechnology.)

На ранних стадиях разрушительных технологий решения для одной проблемы могут нечаянно компрометировать другие устройства или схемные компоненты. Этот компромисс исторически ограничивал нанотехнологические демонстрации — включая CNT — низкими уровнями интеграции, поднимая беспокойства о их практической жизнеспособности.

Наша Nature Nanotechnology статья, «High‑speed logic integrated circuits with solution‑processed self‑assembled carbon nanotubes», демонстрирует прорыв: сборку всех необходимых компонентов в полностью функциональный CMOS кольцевой осциллятор, широко используемый бенчмарк для логических технологий.

Д-р Цзяньши Тан и коллеги слияли наши установленные очистки и размещения — визуализированные как изолированные 'пенне-паста' CNT в растворе — с ключевым дополнением: боковым оксидным слоем, защищающим n-FET канал через фabricацию. Эта модификация утроила выход, обеспечивая, что каждый элемент кольцевого осциллятора работает надежно.

5-стадийный CMOS кольцевой осциллятор, описанный — работающий на индустриально-стандартном 1 В — достигает стадийной частоты переключения 2.8 ГГц (355 пс) несмотря на modeste CNT плотность (только шесть CNT видимых в канале). Это отмечает первую нанотехнологическую демонстрацию, превышающую 1 ГГц порог. Экстраполируя к CNT плотности превышающей 100 CNT µm⁻¹ с адекватно масштабированными устройствами, мы проецируем суб-пикосекундные задержки стадий, далеко опережая текущую кремниевую технологию.

Как мы пишем в статье:

Поскольку CMOS кольцевые осцилляторы напрямую отражают зрелость технологии, это долго ожидаемое доказательство того, что важные вопросы перехода этого обещающего материала в реальную технологию активно решаются.