Luftabstandshalter für 10-nm-Chips

Dies ist der dritte einer vierteiligen Serie über die von IBM vorgestellten Vorträge auf der IEDM 2016.

Das jährliche International Electron Devices Meeting ist „das weltweit führende Forum für die Berichterstattung über technologische Durchbrüche in den Bereichen Halbleiter- und Elektronikgerätetechnologie, Design, Fertigung, Physik und Modellierung“. Also brachten IBM-Forscher ihr Scanning-Sonden-Thermometer, ihren Luftabstandshalter für einen 10-nm-Chip, ihren 7-nm-Chip mit, und um nicht von Silizium übertroffen zu werden, brachten sie auch ihre Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit. Diese Papiere und Präsentationen von IBMern und vielen Partnern werden an der Konferenz in dieser Woche in San Francisco teilnehmen.

IEDM präsentiert vier IBM-Beiträge als einige der besten Beispiele der Konferenz für diese Neuinterpretation des Computing – die Erweiterung des Mooreschen Gesetzes und den Aufbau neuer Architekturen und die Verwendung neuer Materialien, um darüber hinauszugehen. Hier ist ein genauerer Blick auf diese Papiere und die Wissenschaftler hinter der Arbeit. Im dritten Teil geht es um das Paper „Air Spacer for 10nm FinFET CMOS and Beyond“ von Dr. Kangguo Cheng, einem leitenden technischen Mitarbeiter und Master Inventor bei IBM Research.

Während 14-nm-Knotenchips heute hergestellt werden können, bleiben beim Sprung zum nächsten Knoten erhebliche Herausforderungen bestehen. Wenn Transistoren kleiner werden, verursacht die parasitäre Kapazität (unerwünschte elektrische Ladung) zwei Probleme:Die Signalumschaltung zwischen den Transistoren verlangsamt sich, während der Stromverbrauch steigt. Cheng und sein Team am Albany Nanotech Center von IBM untersuchten, wie Luft als Isolator in 10-nm-Transistoren verwendet werden kann. Ihre Luftabstandshalter haben gezeigt, dass sie die Kapazität auf Transistorebene um bis zu 25 Prozent und die Kapazität in einer Ringoszillator-Testschaltung um bis zu 15 Prozent reduzieren.

Ein Transistor hat vier wesentliche Elemente:einen Kanal, zwei Reservoirs (sogenannte Source und Drain) an zwei Enden des Kanals und ein Gate, das den Kanal steuert, um den Transistor ein- oder auszuschalten. Kontakte (Metalllegierungen) werden verwendet, um Source, Drain und Gate mit den Drähten über den Transistoren zu verbinden, die dann verbunden werden, um den Rest der Schaltung zu vervollständigen. Da Transistoren immer kleiner werden und immer näher zusammenrücken, werden auch die Lücken zwischen den Kontakten eines Transistors. Ein Teil der elektrischen Ladung wird in diesen Lücken gespeichert, anstatt in den Kanal zu fließen, um nützliche Arbeit zu leisten. Wenn der Transistor schaltet, kommt die gespeicherte Ladung wieder heraus und verschwendet Energie. Da mehr Energie benötigt wird, um diese zusätzlichen Elektronen hin und her zu bewegen, wird mehr Energie benötigt, um den Chip zum Laufen zu bringen – was ihn auch heißer macht, manchmal bis zur Unbrauchbarkeit.

Oben links: TEM-Bild eines FinFET-Transistors mit Luftabstandshaltern (die weißen Zwischenräume) bei Abmessungen von 10 nm. Oben rechts: Schäden nach einem aggressiven Spacer-Pulldown-Prozess; insbesondere Erosion der Finne und Source/Drain-Epitaxie. Unten Mitte: Schema einer partiellen Luftspacerstruktur. Luftabstandshalter werden nur oberhalb der Rippenoberseite gebildet, um die Auswirkung auf den Gatestapel zu minimieren. Dielektrische Auskleidungen werden verwendet, um Gatestapel während der Herstellung von Luftspacern weiter zu schützen.

Daher wurde ein neues Material benötigt, das zwischen nahe gelegenen Kontakten gelegt wurde, um zu verhindern, dass diese lästigen Elektronen zwischen den Kontakten haften bleiben. Es stellt sich heraus, dass das beste Material überhaupt kein Material ist – es ist Luft. Also arbeitete das IBM-Team daran, einen winzigen, mit Luft gefüllten Raum zwischen den Kontakten des Transistors zu schaffen, um zu kontrollieren, wie viele Elektronen in den Lücken gespeichert werden. Der entwickelte Prozess führt zu Transistoren, die 25 % weniger Strom verbrauchen, und damit 15 % weniger Strom für die gesamte Schaltung.

Luftspacer werden dazu beitragen, 10 und 7-nm-Chips sowie potenziell effizientere 14-nm-Chips für Systeme der nächsten Generation zu erreichen.

Lesen Sie Teil 1:Kartierung von Hotspots
Lesen Sie Teil zwei:Eine andere Art von Chip mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen