Новая архитектура вертикальных транзисторов (дополнительные детали)

IBM и Samsung Electronics совместно объявили о прорыве в разработке полупроводников с использованием новой вертикальной транзисторной архитектуры, которая демонстрирует путь к масштабированию за пределы нанолиста (двумерной наноструктуры толщиной от 1 до 100 нм) и может снизить потребление энергии на 85% по сравнению с масштабируемым трехзатворным полевым транзистором (finFET). Глобальная нехватка полупроводников подчеркнула критическую роль инвестиций в исследования и разработки микросхем и их важность во всем: от высокопроизводительных вычислений до бытовой техники, устройств связи, транспортных систем и критически важной инфраструктуры.

Инновация в области полупроводников была достигнута в комплексе Albany Nanotech в Олбани, штат Нью-Йорк, где ученые-исследователи работают в тесном сотрудничестве с партнерами из государственного и частного секторов, чтобы раздвинуть границы логического масштабирования и возможностей полупроводников.

Такой совместный подход к инновациям делает Albany Nanotech Complex ведущей в мире экосистемой для исследований в области полупроводников и создает мощный поток инноваций, помогая удовлетворить потребности производства и ускорить рост мировой индустрии микросхем.

Новый прорыв в области вертикальных транзисторов может помочь полупроводниковой промышленности продолжить неустанный путь к значительным улучшениям. Так, станет доступной архитектура устройства, которая позволяет масштабировать полупроводниковые приборы за пределы нанолистов. Могут быть созданы батареи сотовых телефонов, которые будут работать без подзарядки больше недели. Энергоемкие процессы, такие как операции криптомайнинга и шифрование данных, будут выполняться при значительно меньших затратах энергии и иметь меньший углеродный след. Станет возможным постоянное расширение Интернета вещей и периферийных устройств с меньшими потребностями в энергии, что позволит им работать в более разнообразных средах, таких как океанские буи, автономные транспортные средства и космические корабли.

«Сегодняшнее сообщения о технологиях - это вызов общепринятым нормам и переосмысление того, как мы продолжаем развивать общество и внедрять инновации, которые улучшают жизнь, бизнес и снижают наше воздействие на окружающую среду, - сказал д-р Мукеш Харе (Mukesh Khare), вице-президент по гибридным облакам и системам, IBM Research. - Учитывая ограничения, с которыми в настоящее время сталкивается отрасль по нескольким направлениям, IBM и Samsung демонстрируют приверженность к совместным инновациям в разработке полупроводников и совместное стремление к тому, что мы называем «hard tech».

Сравнение композиции VTFET (слева) и FET (справа) с текущими через них токами

Раньше разработчикам удавалось поместить в микросхему больше транзисторов за счет уменьшения шага затвора и разводки. Физическое пространство, в котором помещаются все компоненты, называется шагом контактного затвора (CGP, Contacted Gate Pitch). Возможность уменьшения шага затвора и проводки в свое время позволила разработчикам интегральных схем перейти от тысяч к миллионам, а затем и к миллиардам транзисторов в чипах. Но и с самой передовой технологией FinFET все же остается не так много места для всех компонентов полевого транзистора и контактов.

Теперь же, ориентируя электрический ток по вертикали, появилось пространство для масштабирования CGP, сохраняя при этом работоспособность транзистора, контактов и изоляции (shallow trench isolation, STI). Освободившись от ограничений, связанных с боковой компоновкой и протеканием тока, удалось использовать более крупные контакты истока / стока для увеличения тока на устройстве. Длину затвора можно выбрать для оптимизации тока возбуждения устройства и утечки, а толщину прокладки можно независимо оптимизировать для снижения емкости. Отпала нужда идти на компромисс между затвором, прокладкой и размером контакта, что может привести к повышению скорости переключения и снижению энергопотребления.

Еще одна ключевая особенность VTFET - это возможность использовать STI для изоляции соседних цепей для достижения изоляции нулевого диффузионного прерывания (ZDB,  Zero-Diffusion Break) без потери шага активного затвора. Для сравнения, плотность схемы полевого транзистора с поперечным переносом зависит от двойных или одинарных диффузионных разрывов, необходимых для изоляции схемы, что влияет на возможность дальнейшего сокращения технологии.