Imec introduit des matériaux 2D dans la feuille de route de mise à l’échelle des dispositifs logiques

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par Iuliana Radu, Zuhair Ahmed, Inge Asselberghs, Dennis Lin et Quentin Smets,

Imec introduit les matériaux 2D dans la feuille de route de mise à l'échelle des dispositifs logiques
Image TEM d’un appareil 2D fabriqué avec des processus de 300 mm. Crédits: imec

La mise à l’échelle continue des transistors à base de Si est remise en question par des effets de canal court qui limitent la mise à l’échelle de la longueur de grille. Transistors à effet de champ (FET) avec dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs (MX2, tels que WS2 ou MoS2) car le canal semi-conducteur promet cependant d’être relativement immunisé contre ces effets de canal court. Les FET avec canal semi-conducteur 2D doivent cette promesse à la capacité de créer des canaux atomiquement minces combinée à la capacité théorique de maintenir une mobilité de porteuse plus élevée, indépendamment de l’épaisseur du canal. Ces deux propriétés confèrent à la tension de grille un meilleur contrôle électrostatique sur le canal. Iuliana Radu, directrice de programme chez imec, déclare: «Les FET 2-D sont considérés comme les meilleurs candidats pour étendre davantage la feuille de route de mise à l’échelle des dispositifs logiques. Notre équipe d’imec a préparé le terrain pour l’adoption de ces semi-conducteurs 2D dans un flux d’intégration de 300 mm— une exigence clé pour l’adoption industrielle. Nous avons également obtenu des progrès significatifs dans l’amélioration des performances des appareils et dans la construction d’une compréhension fondamentale.  »

Extension de la feuille de route de mise à l’échelle des dispositifs logiques avec des FET 2-D: une analyse DTCO

«En utilisant notre cadre de co-optimisation de la technologie de conception (DTCO), nous montrons comment les transistors avec canal semi-conducteur 2D peuvent étendre davantage la feuille de route de mise à l’échelle logique», déclare Zubair Ahmed, chercheur imec et premier auteur de l’article sur DTCO. «Une évaluation de la zone de puissance-performance au niveau du circuit (PPA) à 2 nm a révélé par exemple que les dispositifs dans une configuration de nanoparticules 2-D empilées surpassent leurs homologues à base de Si et ont un encombrement réduit. Dans le modèle, l’équipe a utilisé autant que possible des hypothèses réalistes basées sur des données expérimentales.

Une plate-forme de 300 mm pour les FET 2-D à double ouverture

Il y a plusieurs années, imec a commencé un travail d’orientation sur l’intégration 300 mm des dispositifs WS2 et MoS2-FET, une condition essentielle pour l’adoption industrielle. Inge Asselberghs, responsable du programme Exploratory Logic chez imec et premier auteur de l’article sur l’intégration 300 mm: «Ce travail a abouti à un véhicule de test unique de 300 mm pour les FET 2-D, permettant la fabrication de dispositifs fonctionnels avec des longueurs de porte allant jusqu’à 18 nm . Le flux a été utilisé pour étudier l’impact de diverses conditions de traitement, telles que le processus de dépôt et de transfert en canal.  » L’équipe a également identifié les défis restants, notamment la qualité de la croissance 2D, la formation du diélectrique de grille, le dopage et la résistance de contact.

Dans le travail mentionné ci-dessus, une structure de dispositif à double ouverture a été mise en œuvre. C’est un facteur important pour un meilleur contrôle électrostatique. «Nous avons montré expérimentalement que les 2-D-FET avec des portes supérieure et arrière connectées surpassent leurs homologues à porte unique en termes de courant d’entraînement, de transconductance et d’oscillation sous-seuil – des mesures importantes pour évaluer les effets de canal court», explique Dennis Lin, scientifique principal à l’imec et premier auteur de l’article sur les 2-D-FET à double ouverture. Le concept à double porte est également prometteur pour un fonctionnement MOS complémentaire (CMOS).

Sources de variabilité

Les travaux d’intégration et de performance des dispositifs ont été complétés par la toute première étude de variabilité d’un grand ensemble de dispositifs 2-D-FET à l’échelle nanométrique. L’équipe a étudié diverses sources de variabilité – y compris l’épaisseur du canal 2-D, la présence d’îlots bicouches et le modèle de croissance 2-D – et leur impact respectif sur les performances électriques (principalement sur le régime sous-seuil). Quentin Smets, chercheur senior à l’imec et premier auteur de l’article sur la «variabilité»: «En guise de conclusion principale, nous avons constaté que la variabilité peut être fortement réduite si nous réduisons le canal basé sur 2-D à une seule monocouche uniforme. un résultat encourageant, car des canaux très minces seront nécessaires pour une nouvelle mise à l’échelle des transistors.  »


Imec montre d’excellentes performances dans les FET ultra-dimensionnés avec canal de matériau 2-D

Plus d’information: Présentation des FET 2D dans la feuille de route de mise à l’échelle des appareils à l’aide de DTCO, Z. Ahmed et al. Conférence IEDM 2020

Intégration à l’échelle de la tranche de WS à double porte2-transistors en fab Si CMOS 300 mm, I. Asselberghs et al. Conférence IEDM 2020

WS synthétique double grille2 MOSFET avec 120 µS / µm Gm 2,7 µF / cm2 capacitance et canal ambipolaire, D. Lin et al. Conférence IEDM 2020

Sources de variabilité de la MoS mise à l’échelle2 FETs, Q. Smets et al. (Article marquant de l’IEDM) Conférence IEDM 2020

Citation: Imec introduit des matériaux 2D dans la feuille de route de mise à l’échelle des dispositifs logiques (2021, 12 janvier) récupérée le 13 janvier 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-01-imec-d-materials-logic-device.html

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