Также впервые был применен оптимизированный КМОП-процесс для интеграции нанопроволочных GAA-транзисторов в работоспособную схему кольцевого осциллятора. Этот пример продемонстрировал потрясающие перспективы использования новой технологии для реализации технологических процессов с нормами менее 5 нанометров.

Полевые МОП-транзисторы GAA-архитектуры с окружающим затвором на основе вертикально расположенных горизонтально-направленных нанопроволок или нанолистов являются перспективными заменителями архитектуры FinFET при нормах технологических процессов менее 5 нанометров, тем самым они расширяют возможности масштабирования сегодняшней технологии КМОП. Эта инновационная архитектура построения транзисторов позволяет заметно уменьшить шаг затвора по сравнению с FinFET, так как в этом случае обеспечивается лучший контроль над электростатическими эффектами. Кроме того, в сильно уменьшенных стандартных ячейках, где допускается наличие только одного плавникового прибора, нанолисты обеспечивают больше тока в расчете на площадь под прибором на подложке, и, следовательно, могут работать с большими емкостными нагрузками. Наконец, интеграция приборов на основе нанолистов с переменной шириной прибора на одной платформе позволяет с высокой точностью оптимизировать параметр мощности на производительность.

Как и любая прорывная инновация, эта новая архитектура требует оптимизации процессов. На конференции IEDM группа исследователей из imec и компании Applied Materials продемонстрировала наличие нескольких факторов оптимизации изготовления многослойных кремниевых нанопроволочных и нанолистовых полевых транзисторов. Первый фактор оптимизации – внедрение нитрид-кремния (SiN) для создания поверхностных канавок (STI), которые подавляют индуцированную окислением деформацию плавников и улучшают контроль над формой нанопровода или нанолиста. Второй фактор – было применено травление типа SelectraTM для обеспечения формовки нанопроводов/нанолистов и внутренней спейсерной полости с высокой селективностью, не вызывающей оплавления кремния. Наконец, впервые схемы кольцевых осцилляторов были созданы на основе многослойных кремниевых нанопроволочных полевых транзисторов, включающих в себя двухрежимные металлические затворы для управления пороговым напряжением.

На конференции IEDM сотрудники imec также представили исследование о надежности нанопроволок GAA-архитектуры, показавшее, что механизмы деградации и их причины аналогичны имеющим место в планарных устройствах. Моделирование деградации, включая различные режимы канального горячего носителя (CHC), а также режимы неустойчивости температуры с положительным смещением (PBTI), позволяет экстраполировать период службы на срок до 10 лет во всем диапазоне смещений. Полученная безопасная рабочая область (SOA) использовалась для оптимизации работы устройства.

Дополнительный механизм деградации, который необходимо учитывать, — это самонагревание, что очень важно в таких замкнутых структурах. Наконец, в своем исследовании ESD-диодов на нанопроволочной GAA-архитектуре с топологическими нормами менее 7 нанометров специалисты imec показали, что эффективность диодов значительно зависит от некоторых параметров процесса, и что необходимо проводить дополнительную оптимизацию, такую как применение охватывающего контакта (Wrap Around Contact), которая может увеличить контактную область при масштабировании шага между плавниками и может комбинироваться с GAA-архитектурой.

«Нанопроволочные транзисторы GAA-архитектуры – ключевое звено в дальнейшем масштабировании технологии КМОП, — заявил Наото Хоригучи (Naoto Horiguchi), почетный член технической команды imec. Ранее в этом году мы провели демонстрацию интеграции отдельных транзисторов с КМОП, теперь сделан следующий шаг с полным демонстрационным макетом, показывающим огромные возможности, которые эта технология даёт для реализации техпроцессов с нормами менее 7 нанометров».

Показатель времени задержки распространения сигнала на логический элемент у кольцевого осциллятора в зависимости от напряжения стока полевого транзистора (VDD) для многослойных кремниевых нанопроволочных полевых транзисторов: время задержки уменьшается с увеличением VDD и с уменьшением LG, что подтверждает работоспособность кольцевого осциллятора.

Исследования imec по расширенному масштабированию логических элементов выполняются в сотрудничестве с ключевыми партнерами КМОП-программы imec, включая такие компании, как GlobalFoundries, Huawei, Intel, Micron, Qualcomm, Samsung, SanDisk/Western Digital, SK Hynix, Sony Semiconductor Solutions, TOSHIBA Memory и TSMC.