Annons

Forskarträff pekar ut framtidens nanoelektronik

IEDM, årets ledande forskarkonferens inom mikro/nanoteknik, speglade senaste framsteg i att åstadkomma små transistorer, nya minnestyper, alternativa material till kisel och en blandning av halvledarmaterial samt forskning inom specialområden alltifrån kiselfotonik, och böjbara kretsar till interaktion med nervceller.

IEDM 2015, IEEE International Electron Devices Meeting, hölls på hotell Hilton i Washington 7-9 december. Vi ger här ett sammandrag av de viktigaste föredragen.

Nya halvledarminnen
På IEDM presenterade ett forskarlag från Taiwans nationella universitet Tsing-Hua hur man kan bygga ett resistivt minne, RRAM genom att använda en FinFET för den gate som används för ”select”. Dessutom använder man FinFETens resistiva dielektriska film av hafniumdioxid, HfO2 som minne i RRAM-cellen.
Med RRAM-cellen tillverkad i 16 nm processnod blir cellformatet bara 0,07632 µm2 utan att någon yttre mask eller extra processteg behövs.
Minnescellen uppvisar goda driftsförhållanden vid låg spänning, god återhämtning och totalt sett utomordentlig tillförlitlighet.

Skissen visar till vänster kretsens cellstruktur jämte hörnen på FinFETen som har fått en kontur för att öka det elektriska fältet.


Uppbyggnaden illustrerad från sidan och (nederst) från ovan. Mellan illustrationerna visas ett foto, taget med elektronmikroskop.

Två knep för mindre DRAM
DRAM är nu redo för gå mot processnoder som 20 nm, eller mindre.
Forskare vid Samsung beskrev på IEDM några smarta tekniker som kan användas för att krama ur betydande prestandaförbättringar av dagens ”vassaste” 20 nm DRAM utan behov av dyr och ännu oprövad EUV-litografi.
En viktig förbättring är en cellstruktur som formas likt en bikaka. Med den kan man ökar packningen av celler med 7,5 procent. Det leder till att cellkapacitansen kan ökas med 57 procent vilket ger förbättrad kvarhållning av data.

Förskjutningen av celler ger en bikakestruktur.

Ett annat knep är att lägga in ett luftgap vilket minskar kapacitansen för en bit-ledning med 34 procent. Därmed kan man öka snabbheten. Forskarna säger att dessa tekniker kommer att vara en grundförutsättning för att skapa DRAM i 20 nm processnod, eller lägre.

Luftspalt sänker kapacitansen.

Ny NAND-arkitektur
På  IEDM beskrev Macronix forskare en alternativ NAND-arkitektur som löser de problem som är förknippade med tredimensionella vertikala kanalstrukturer där gaten omger FETens kanal.

En jämförelse mellan GAA ("gate all around") och Macronix nya SGVC "singel-gate vertikal channel"-arkitektur.

De mest populära 3D NAND-arkitekturerna  har FET med omgivande gate (GAA, gate-all-around) som är arrangerade i en vertikala kanalstruktur. De uppvisar utmärkta prestanda. Tyvärr är de mycket känsliga för variationer av kritiska dimensioner (CD-variations)  och det är svårt att upprätthålla en exakt kontroll av dessa strukturer vid de höga sidoförhållanden som krävs.
Macronix beskrev på IEDM i sin uppsats  ”A Novel Double-Density, Single-Gate Vertical Channel (SGVC) 3D NAND Flash That Is Tolerant to Deep Vertical Etching CD Variation and Possesses Robust Read-disturb Immunity” en alternativt 3D NAND-arkitektur som inte är lika känslig för processvariationer.
Deras idé är att i stället skapa en 2D-liknande struktur, i vertikal riktning. Strukturen innebär en platt tunnfilmstransistor med single-gate och med en ytterst tunn kropp. Macronix kallar uppbyggnaden SGVC, Single-Gate Vertical Channel.
Förutom att konstruktionen inte är lika känslig för CD-variation sägs den potentiellt ha mer än fyra gånger så stor minnesdensitet som vid vertikala GAA-kanaler på samma skalningsnod.

Ett förslag till uppbyggnad av en minnesenhet.
 
Nanotrådar binder samman III-V med Si
Fördelen med halvledkanaler skapade ur periodiska systemet grupper III och V, som GaAs och InP, är högre elektronrörlighet än i kisel. Problemet är att kunna integrera III-V-halvledare med  traditionell CMOS-teknik i kisel.
Ett forskarlag vid Singapores nationella universitet har lyckats åstadkomma det genom att stapla III-V-nanotrådar på varandra.

Principiell uppbyggnad.

Kiselytan beläggs med ett mycket tunt (<150 nm) isolationsskikt av galliumantimon, GeSb. Ovanpå det byggde forskarna flera nFET av InAs och pFET av GaSb, förbundna med nanotrådar i respektive material.

De olika skikten visas här

Foto från scannande elektronstrålemikroskop

Tvådimensionella material
Kristallina material som består av ett enda skikt av atomer kallas tvådimensionella (2D) material.
Saungeun Park, och hans forskarlag vid Texas universitet i Austin, har utvärderat utsikterna för flexibel elektronik på 2D-material som grafen, fosforen (som har en liknande struktur som grafen, men på fosforatomer) och övergångsmetallerna dikalkogenider (Transmission Metal DichalcogenideS, TMDS).
Forskarna har genomfört en rad olika experiment där de nådde utmärkta resultat från dessa nanomaterial på flexibla substrat.
Gruppens målsättning är att bygga flexibla nanosystem där man integrerar halvledande, halvmetalliska och isolerande 2D-material. Här ser vi några exempel:

Flexibel CVD-MoS2.


Flexibel svart fosfor


Flexibel CVD-grafen

Tänkbara applikationer sträcker sig från bärbar elektronik till IoT med lågeffekts RF-kretsar, mikroprocessorer och transceivrar upp till THz-frekvenser. Nedan ser vi inom vilka områden de olika teknikerna kan användas:

I försöken hade InAs nFET 20 nm kanallängd och GaSb pFET 500 nm kanallängd.
Tekniken bedöms vara lämplig för framtida högpresterande, effektsnåla logikkretsar.

InGaAs FET på kisel

Dagen då man kommer att kunna lägga in III-V-kanaler på kisel kommer allt närmare. Ett gäng forskare från Imec har lagt in InGaAs nanotråds MOSFET på 300 mm kiselskivor!
Den höga konduktansen, gm=2200, visar att man, trots missanpassning i gitterkonstant mot substratet uppvisar InGaAs-kanalen hög bärarhastighet.

InGaAs FET med ”gate-all-around” på kisel.

Lågläckande RF-transistor
Ett team (Daisuke Matsubayashi et al) från japanska Semiconductor Energy Laboratory Co beskrev på IEDM hur de hade åstadkommit en MOSFET med den otroligt låga läckströmmen <0,1 pA.
Transistorn är av typen ”gate-all-around” MOSFET, alltså där kanalen omges av gaten. Trots utformningen, för att få så låg läckström, har transistorn en gränsfrekvens som ligger högre än 10 GHz.
Transistorerna är byggda med utgångspunkt i en tunnfilm av indium-gallium-zinkoxid (IGZO). En självlinjerande process användes för att förhindra överlappning från gaten till source och drain. Detta har utmynnat i en kanal som är immun från kort-kanaleffekter vilka i annat fall hade begränsat prestanda.
En DRAM-minnescell, byggd med dessa transistorer med extremt låg läckning i icke ledande tillstånd, höll kvar data i mer än 10 dagar vid 125°C.

I dessa bilder, tagna med ett scannande transmissions-elektronmikroskop, ser vi uppbyggnaden i kanalens riktning  på längden (a), respektive på tvären.

Effektstark GaN HEMT
Galliumnitrid används i allt fler transistorer för kombinationen hög effekt vid hög frekvens. Ett forskarteam vid Fujitsu/Tokyo institute of technology har byggt en transistor på nytt sätt för att få bättre tillförlitlighet.
GaN-transistorer har normalt ett barriärlager av InAlN för att separera kanalen från source och drain. Men forskarna, ledda av Fujitsu, visade på IEDM att materialet inte lämpar sig för högeffekttillämpningar eftersom det plötsligt kan kollapsa och ge strömrusning. Det sker när det uppstår ett antal elektronfällor vilket ändrar komponentens egenskaper.
I stället valde de ett högkvalitativt gränsskiktsmaterial, nämligen InAlGaN. Dessutom utnyttjade de en ny teknik med ett passiverande dubbellager av SiN.
Teamets InGalGaN/GaN-HEMT har visat sig kunna ge 3 W/mm vid 96 GHz, vilket är 60 procent mer än var man tidigare har uppnått.
Med så hög effekt och så god tillförlitlighet bör denna HEMT bli idealisk att använda i W-bandet, 75 – 110 GHz.

RF CMOS på flexibla substrat

En fransk forskargrupp presenterade hur man kunde överföra mycket tunna RF CMOS-chip till ett flexibelt substrat för att kunna åstadkomma böjbara högfrekvenskretsar.

Fysiskt böjbara kretsar kan möjliggöra bärbar elektronik (”wearables”), biomedicinska funktioner, säkerhetsprodukter och andra produkter. Men hittills har flexibla kretsar visat sig ha begränsade högfrekvensprestanda. Det beror på att tillverkningen av högpresterande CMOS-kretsar kräver tuffa högtemperaturprocesser som skadar de flesta flexibla material.
En grupp ledd av Frankrikes Institut d'Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie, har utvecklat en process som de kallar ”ultimate thinning and transfer-bonding”, UTTB. Med den kan de bygga CMOS-kretsar för radiofrekvenser på en mängd olika flexibla substrat: polyimid plastfilm, glas och rostfritt stål.
Först byggde de RF CMOS-kretsar på ett SOI-substrat som förtunnats till 30 µm genom att helt ta bort baksidan. Kretsarna överfördes sedan till de olika substrat med användning av en lamineringsprocess.
För plast- och glassubstrat fästes kretsen genom laminering med en torr polymer på film eller rulle. För substrat av rostfritt stål framställdes ett 400 nm tjockt indiumskikt som först deponerats. Sedan laminerades kretsarna på ett liknande sätt.
Småsignalprestanda för dessa komponenter var inte märkbart sämre än för det ursprungliga substratet, och oönskade övertoner minskade faktiskt.
Forskarna säger att deras UTTB-teknik kan anpassas för att möta applikationsspecifika krav i fråga om mekaniskt stor flexibilitet, värmeavledning och transparens.

Laser på CMOS
På forskarkonferensen IEDM 2015 beskrev en tysk forskargrupp hur man kan integrera en laser i CMOS. Det är en germanium-tenn-laser som ligger på en isolerad (germaniumbuffert) ö på kiselsubstratet.

Kisel är ett dåligt material för att tillverka lasrar och andra ljusemitterare. Alternativet, att integrera lasrar tillverkade i andra material med CMOS i kisel, innebär också problem. Om man kunde finna en metod att förenkla denna process skulle det bli möjligt att åstadkomma mycket kraftfulla datorer och andra digitala system.
På IEDM 2015 rapporterade en forskargrupp, ledd av Jülichinstitutet i Tyskland, om en kiselbaserad mikro-disk laser med direkt bandgap av germanium-tenn (GeSn). Lasern emitterar på våglängden 2,5 µm med en uteffekt på 221 kW/cm2.
 Enheten byggdes i en vanlig CMOS-kompatibel kiselprocess och integrerades monolitiskt.
Dess 560 nm tjocka epitaxiella GeSn-skikt odlades på ett buffertskikt av germanium på kiselsubstratet.
Laserljuset uppstår på grund av två viktiga utformningar:
* Dels har man skapat ett material av töjda epitaxiella skikt som möjliggör ett direkt bandgap.

Denna Raman-karta visar töjningen i förhållande till skivans ytterkant.
* Dels består arkitekturen av en mikro-disk med håligheter.
Skisserna nedan visar några viktiga tillverkningssteg:

Arbetet är ett viktigt steg mot integrerade kisel fotonik. Frågan är förstås hur långt steget är till en möjlig kommersiell lösning.
I en tidigare publicerad rapport (19 januari, 2015) från GeSn-lasern skriver forskarteamet att lasern vid försöken inte kunde arbeta över en temperatur av -183°C, men de förklarar dock att begränsningen låg i testsystemet.

Bättre modeller av STT-RAM
En lovande teknik för snabba, icke-flyktiga minnen kan vara ett magnetiskt RAM-minne som bygger på spinn-effekt (Spin-transfer-torque magnetic random access memory, STT-MRAM). Men den ingående magnetiska dynamiken i denna nya och komplexa teknik är inte helt klarlagd. Därför är det svårt att optimera och kommersialisera tekniken.
Att bygga datormodeller för att kunna simulera STT-MRAM är avgörande för att få en bättre förståelse.
Hittills har bygget av sådana komplexa modeller för kretssimulering har varit både mödosamt och tidskrävande. Därtill har noggrannheten brustit eftersom man har förlitat sig att ta in data från test av kretsar.
Samsungs forskare har utvecklat ett ramverk för en enklare, mer exakt datamodellering. Det gör det möjligt att studera alla möjliga magnetiska interaktioner som är involverade i omkopplingen av kretsars ferromagnetiska skikt, samt laddningstransport och överföring av spinn-moment i magnetiska tunnelförbindningar.

Datormodell för STT-MRAM (Klicka här för större bild) .

Forskarna kontrollerade riktigheten av sin modell genom att jämföra den med de faktiska uppgifter från 15 nm STT-MRAMs. Deras arbete lär komma att leda till bättre simuleringar av kretsar och system som innehåller dessa komponenter.

Nanoelektronik i vakuum
Vakuumelektronik kan låta som antik historia. Men ett forskarlag från MIT berättade på IEDM om en modern variant som bådar gott för framtiden.

Kallkatoder (små elektronkanoner) i nanoutförande  byggs avgrupper av fältemittrar av nanotrådar som kan integreras med traditionell kiselteknik. De integrerade kretsarna kan möjliggöra kompakta nya RF-förstärkare och signalkällor som kan generera terahertz, IR och röntgen.
De kombinerar de positiva aspekterna av halvledare (med hög förstärkning och lågt brus) med de vakuumelektronik (hög effekt och hög verkningsgrad). De visade en strömtäthet av mer än 100 A/cm2. Det är hundratals gånger mer än vad någon annan fältemissionskatod kan ge som drivs i kontinuerlig mod.
Samtidigt uppvisade komponenterna även lång livslängd och kunde arbeta på låg spänning. Varje sändare (6-8 nm spetsdiameter) ligger ovanpå en vertikal kiselnanotråd (10 µm lång och 100-200 nm i diameter). Nanotrådarna  fungerar som strömbegränsare som skyddar sändaren från eventuella skador från uppvärmning och överslag. Teamet (Stephen Guerrera et al, MIT)  byggde emitter-matriser så stora som 1000×1000.

På bilderna ovan, tagna med ett svepelektronmikroskop, ser vi till vänster en tvärsnittsvy av en strömbegränsande kiselnanotråd. Här är styroxiden avlägsnad för att detaljerna skall framgå. Till höger visas sändarna på 1 µm avstånd och med en gate-apertur av 350 nm.

Optoprob styr mushjärna

Optogenetik är en teknik som används för att studera nervceller genom att interagera med dem. Det sker med hjälp av synligt ljus för att stimulera dess ingående proteiner.

Nervcellerna skadas inte, vilket de kan om de i stället stimuleras elektriskt.
En grupp forskare, ledd av Imec, presenterade på halvledarkonferensen IEDM en implanterbar nervsond som har den högsta rapporterade tätheten av optroder (ljussändare) och elektroder (för att spela in svaren från de stimulerade nervcellerna).
Liksom med digitala kretsar i CMOS gynnas neurala probar av integration med hög densitet. Det görs genom att minska detaljernas storlek. Högre densitet leder till bättre rumslig upplösning och gör det även möjligt att åstadkomma mindre sonder som är mindre benägna att skada vävnaden.
För att bygga proben integrerade forskarna två olika CMOS-processer (fotonik i kiselnitrid och TiN-elektroder). De byggde probar som av 100 µm breda och 30 µm tjocka, som innehåller 12 optroder (6×20 μm2 i storlek) och 24 elektroder (10×10 μm2). De kapslade kretsarna och implanterade dem i en mushjärna. Man har framgångsrikt demonstrerat att man såväl kan påverka som spela in nervaktiviteter.
(Klicka här för större bild)

 

Comments are closed.