CNT 트랜지스터 스케일링 및 통합 돌파구, 차세대 칩 길 열다

카본 나노튜브(CNTs)는 실리콘보다 훨씬 얇은 1nm 두께로 뛰어난 전기 전도도를 제공해 반도체 분야에 매력적입니다. 그럼에도 CNT 기반 칩은 주류 기기에서 찾아볼 수 없습니다. 걸림돌은 여전히 대규모 통합과 트랜지스터 확장성입니다. 우리가 Science와 Nature Nanotechnology에 공동 저술한 최근 논문들이 두 과제 모두에 유망한 해결책을 제시합니다.

풋프린트 성과가 나노스케일을 기울이다

스케일링이 첫 번째 장애물입니다. 3차원 핀펫 실리콘 소자는 7nm 게이트 길이에서 전력과 성능 한계에 접근합니다. 최신 5nm 실리콘 나노시트 트랜지스터도 더 높은 밀도와 속도를 제공하지만 결국 자체 한계에 도달할 것입니다.

트랜지스터는 게이트만으로 구성되지 않습니다. 소스, 드레인, 스페이서가 모두 합쳐져 총 풋프린트를 이룹니다. 40nm 풋프린트 CNT 트랜지스터 모습. ("40나노미터 풋프린트로 스케일된 카본 나노튜브 트랜지스터", Science 게재, Figure 1B)

우리 Science 논문 "40나노미터 풋프린트로 스케일된 카본 나노튜브 트랜지스터"에서 ITRS 40nm 풋프린트 목표(2015년 이후 불변)를 충족하는 완전한 CNT 트랜지스터를 시연했습니다. 비교하면 가장 진보한 상용 14nm 소자는 약 90nm 칩 면적을 차지합니다.

CNT의 고유 1.2nm 두께로 10nm까지 게이트 길이 단축이 가능해 우수한 정전기 제어와 누설 감소를 제공합니다. 또한 CNT 캐리어 이동도가 실리콘을 능가해 전체 소자 속도를 높입니다.

그러나 CNT를 소스와 드레인과 통합하려면 새로운 컨택트 전략이 필요했습니다. 이전 엔드본드 컨택트는 850°C에 가까운 처리 온도를 요구해 채널 길이를 60-100nm 이하로 줄이는 것을 금지했습니다. 배선 소재를 코발트-몰리브덴 합금으로 대체해 열 예산을 650°C로 낮추고 10nm 채널 간격을 가능하게 했습니다.

주저자 칭 차오 박사팀은 이 40nm 풋프린트 내에서 CNT 트랜지스터가 현대 실리콘 소자의 성능 지표를 충족하거나 초과함을 확인했습니다.

링 오실레이터에서 CNT 요소들이 하나로 모이다

단일 고확장성 트랜지스터가 비이상적 공정에도 불구하고 가능함을 보인 것이 포괄적 CNT 통합 추구를 이끌었습니다. 지난 5년간 반도체 CNT 선별, 웨이퍼 전반 자기조립 유도, 금속 산화로 인한 열화에 강한 견고한 n채널 CNT 전계효과 트랜지스터 생산 기술을 개선해왔습니다.

기능적 링 오실레이터에서 모든 요소가 동시에 작동해야 합니다. 5단계 CNT 링 오실레이터와 트렌치에 배치된 CNT들 평면 주사전자현미경 이미지. ("용액 처리 자기조립 카본 나노튜브로 고속 로직 집적 회로", Nature Nanotechnology 게재, Figure 1B)

초기 단계 파괴적 기술에서 한 문제 해결책이 다른 소자나 회로 구성요소를 의도치 않게 손상시킬 수 있습니다. 이 트레이드오프는 나노기술 시연(CNT 포함)을 역사적으로 낮은 통합 수준으로 제한해 실용적 생존 가능성에 대한 우려를 낳았습니다.

우리 Nature Nanotechnology 논문 "용액 처리 자기조립 카본 나노튜브로 고속 로직 집적 회로"는 돌파구를 보여줍니다: 로직 기술의 널리 사용되는 벤치마크인 완전 기능적 CMOS 링 오실레이터에 모든 필수 구성요소를 조립했습니다.

지안시 탕 박사와 협력자들은 확립된 정제 및 배치 기술(용액 속 고립된 '페네 파스타' CNT로 시각화)을 사이드월 산화물이라는 중추적 추가 요소와 결합했습니다. 이 수정은 제작 전반에 걸쳐 n-FET 채널을 보호하여 수율을 3배로 높여 링 오실레이터 모든 요소가 신뢰성 있게 동작하도록 보장했습니다.

기술 표준 1V에서 동작하는 설명된 5단계 CMOS 링 오실레이터는 채널 내 가시적 CNT 6개에 불과한 적당한 CNT 밀도에도 불구하고 2.8GHz(355ps) 단위 스위칭 주파수를 달성했습니다. 이는 1GHz 임계값을 초과한 최초의 나노기술 시연입니다. 적절히 스케일된 소자로 100 CNTs/µm 초과 밀도로 외삽하면 서브피코초 단 지연이 예상되어 현재 실리콘 기술을 훨씬 능가합니다.

논문에서 적었듯이:

CMOS 링 오실레이터가 기술 성숙도를 직접 반영하므로, 이 유망한 소재를 실제 기술로 전환하는 중요한 문제들이 적극적으로 해결되고 있음을 오랫동안 기다려온 증거입니다.