К симпозиуму VLSI Technology 2018 бельгийский центр Imec подготовил два связанных документа, в которых раскрыл варианты производства транзисторных структур с технологическими нормами менее 5 нм. Данная разработка призвана преодолеть фундаментальное ограничение, связанное с необходимостью уменьшать размеры транзисторных элементов. По мере снижения размеров элементов, в частности — сечения транзисторных каналов, снижаются также максимально допустимые значения токов, которые можно пропускать через транзистор.
Схематическое изображение транзисторных каналов в поперечном сечении: а) FinFET, б) нанопровода, в) наностраницы
Чтобы продолжить уменьшать размеры транзисторов и не терять в производительности решений, Imec предлагает в качестве материала канала транзистора использовать не кремний, а германий. В первом документе исследователи с цифрами на руках доказали ценность практического использования германия в каналах полевых транзисторов с p-проводимостью (pFET) для техпроцессов с нормами менее 5 нм. При этом канал транзистора выполняется в виде нанопроводника (nanowire).
К сожалению, даже выполненный из германия один нанопроводной канал не может обеспечить достаточных токовых характеристик для транзисторов требуемой функциональности. Поэтому во втором документе исследователи рассказывают о кольцевых затворах вокруг нанопроводников-каналов (gate-all-around) и о технологии стековой компоновки каналов, когда каждый транзисторный канал представляет собой совокупность нескольких уложенных друг на друга нанопроводников-каналов каждый со своим кольцевым затвором. Суммарное сечение всех каналов оказывается достаточным, чтобы не создавать току высокого сопротивления. Также в такой стековой конструкции паразитная ёмкость оказывается меньше, чем если бы у транзистора был один общий канал.
Реальное изображение сечения транзисторных каналов с затворами вокруг наностраниц (IBM, техпроцесс 5 нм)
Ещё одна тонкость заключается в том, что в качестве материала для канала используется не просто германий, а так называемый напряжённый германий. Это не новая технология, её для кремния используют все производители процессоров. Смысл этого действа — растянуть атомарную решётку материала и улучшить мобильность передвижения электронов. Тем самым германий, который и так обладает лучшей мобильностью электронов, чем кремний, становится ещё лучше.
Всё выше сказанное специалисты Imec воплотили в «железе», создав и продемонстрировав полевой транзистор p-типа с кольцевым затвором и каналом из нанопроводов. Правда, для этого была использована производственная платформа 14/16 нм. Но принцип понятен и он работает. Партнёрами центра по этой программе выступают компании GlobalFoundries, Huawei, Intel, Micron, Qualcomm, Samsung, SK Hynix, Sony Semiconductor Solutions, TOSHIBA Memory, TSMC и Western Digital, чьи имена говорят сами за себя.
