Air spacers voor 10nm chips

Dit is de derde van een vierdelige serie over IBM-papers op IEDM 2016.

De jaarlijkse International Electron Devices Meeting is "'s werelds meest vooraanstaande forum voor het rapporteren van technologische doorbraken op het gebied van halfgeleider- en elektronische apparaattechnologie, ontwerp, fabricage, fysica en modellering." Dus IBM-onderzoekers brachten hun scansonde-thermometer, hun luchtafstandsstuk voor een 10 nanometer-chip, hun 7 nm-chip, en om niet te worden overtroffen door silicium, brachten ze ook hun koolstofnanobuisjes mee. Deze papers en presentaties van IBMers en vele partners zullen deze week deelnemen aan de conferentie in San Francisco.

IEDM bevat vier IBM-papers als enkele van de beste voorbeelden van de conferentie van deze herinterpretatie van computergebruik:het uitbreiden van de wet van Moore, het bouwen van nieuwe architecturen en het gebruik van nieuwe materialen om verder te gaan. Hier is een nadere blik op deze artikelen en de wetenschappers achter het werk. Deel drie gaat over de paper "Air Spacer for 10nm FinFET CMOS and Beyond", door Dr. Kangguo Cheng, senior technisch staflid en Master Inventor bij IBM Research.

Hoewel er tegenwoordig 14 nm node-chips kunnen worden gemaakt, blijven er aanzienlijke uitdagingen bestaan ​​bij het maken van de sprong naar het volgende knooppunt. Naarmate transistors kleiner worden, veroorzaakt de parasitaire capaciteit (ongewenste elektrische lading) twee problemen:het signaal dat tussen transistoren schakelt, vertraagt, terwijl het stroomverbruik toeneemt. Cheng en zijn team in het Albany Nanotech Center van IBM onderzochten hoe lucht als isolator in 10 nm-transistors kan worden gebruikt. Hun luchtafstandhouders hebben aangetoond dat ze de capaciteit op transistorniveau met maar liefst 25 procent verminderen, en de capaciteit in een ringoscillator-testcircuit met maar liefst 15 procent.

Een transistor heeft vier essentiële elementen:een kanaal, twee reservoirs (zogenaamde source en drain) aan twee uiteinden van het kanaal, en een poort die het kanaal bestuurt om de transistor aan of uit te zetten. Contacten (metaallegeringen) worden gebruikt om source, drain en gate aan te sluiten op de draden boven de transistors die vervolgens worden aangesloten om de rest van het circuit te voltooien. Naarmate transistors kleiner en kleiner worden, en ook steeds dichter bij elkaar, nemen ook de openingen tussen de contacten van een transistor toe. Een deel van de elektrische lading wordt in deze gaten opgeslagen in plaats van in het kanaal te stromen om nuttig werk te doen. Wanneer de transistor schakelt, komt de opgeslagen lading weer naar buiten, energieverspilling. Omdat er meer kracht nodig is om deze extra elektronen heen en weer te bewegen, is er meer energie nodig om de chip te laten werken, waardoor hij ook heter wordt, soms zelfs onbruikbaar.

Linksboven: TEM-afbeelding van een FinFET-transistor met luchtafstandhouders (de witte ruimtes) op 10nm-afmetingen. Rechtsboven: Schade na een agressief pulldown-proces van de spacer; specifiek, erosie van de vin en source/drain epitaxie. Midden onder: Schema van een gedeeltelijke luchtafstandhouderstructuur. Luchtafstandhouders worden alleen boven de vintop gevormd om de impact op de poortstapel te minimaliseren. Diëlektrische voeringen worden gebruikt om poortstapels verder te beschermen tijdens fabricageprocessen van luchtafstandhouders.

Er was dus nieuw materiaal nodig om tussen nabijgelegen contacten te plaatsen om te voorkomen dat die vervelende elektronen tussen de contacten blijven plakken. Het blijkt dat het beste materiaal helemaal geen materiaal is - het is lucht. Dus het IBM-team werkte om erachter te komen hoe een kleine ruimte gevuld met lucht tussen de contacten van de transistor kon worden gecreëerd om te helpen bepalen hoeveel elektronen in de gaten worden opgeslagen. Het ontwikkelde proces resulteert in transistors die 25 procent minder stroom verbruiken, en bij uitbreiding 15 procent minder stroom voor het hele circuit.

Luchtafstandhouders zullen helpen om 10 en 7 nm-chips te bereiken, evenals potentieel efficiëntere 14 nm-chips, voor systemen van de volgende generatie.

Lees deel één:hotspots in kaart brengen
Lees deel twee:Een ander soort chip met koolstofnanobuisjes