Aufbruch in die dritte Dimension I

Forscher von Infineon haben auf dem VLSI-Symposium des IEEE in Kyoto/Japan erstmals Details einer neuen Transistorarchitektur vorgestellt, die viele Hindernisse zu noch kleineren, leistungsfähigeren elektronischen Schaltungen und Geräten beseitigt.

Klassische Halbleiterchips nutzen planare Strukturen, um den Transistor als Schaltelement zu realisieren. Die drei Elektroden Gate, Source und Drain befinden sich im Wesentlichen in einer Ebene. Bei Multigate-Feldeffekttransistoren umschließt das Gate den Leitungskanal des Transistors und nutzt so die dritte Dimension. Infineon hat nun einen MuGFET-Prozess entwickelt, der nicht nur das Schaltungsprinzip nachweist, sondern auch zur Höherintegration geeignet ist.

Zehnmal kleinere Ruheströme und rund 50 Prozent weniger Energiebedarf zum Schalten als bei heutigen 65-nm-Prozessen sind die herausragenden Eigenschaften des neuen MuGFET-Prozesses (Multi-Gate-Feldeffekttransistoren).

Infineons Prozessexperten haben als erste weltweit die Funktion von Transistoren mit dreidimensional geformter Gate-Elektrode und gleichzeitig integriertem Gate-Dielektrikum (HfSiON) mit hoher Dielektrizitätskonstante und Metall-Elektrode in hoch-komplexen digitalen Schaltkreisen (äquivalent zum 65-nm-Knoten) demonstriert und Rekorde in drei Disziplinen aufgestellt: Schaltgeschwindigkeit, Ruhestrom und Effizienz beim Schaltvorgang.

Schaltzeit in der selbst Licht nur 4 mm zurücklegt

Die Multi-Gate-Feldeffekt-Transistor ist im Gegensatz zur heute verbreiteten planaren Standard-Technologie dreidimensional modelliert. Infineon hat die neue Transistorarchitektur in 65-nm-Strukturgröße jetzt als weltweit erste mit einer komplexen Schaltung aus über 23 000 Transistoren getestet. Alle wichtigen Komponenten einer modernen Elektronikschaltung inklusive statischer Speicherzellen wurden dabei berücksichtigt. Mit der kürzesten jemals gemessenen Schaltzeit von 13,9 Pikosekunden (Inverter-Schaltung) wurde noch ein Rekord aufgestellt, der den alten um 40 Prozent überbietet. Selbst Licht kann in dieser kurzen Zeit nur knapp vier Millimeter zurücklegen.

Unter der Bezeichnung FinFET (= MuGFET) wurden bereits des Öfteren erste Ansätze mit dreidimensionaler Gate-Anordnung z.B. von Intel, Infineon und IBM, präsentiert, allerdings stand bisher mehr das Schaltungsprinzip im Vordergrund als die praktische Integrierbarkeit in Chips. Infineon ist es gelungen, MuGFET-Strukturen in CMOS zu implementieren, d.h. es wurde die Funktionsfähigkeit von p-MOS und n-MOS-Transistoren in einer Schaltung nachgewiesen. Diese wiederum wurden zur Synthese von NAND3- und NOR3-Gattern eingesetzt.

Für die Praxis bedeutet die MuGFET-Architektur eine deutlich verbesserte Energieeffizienz: während des aktiven Betriebs eines aktuellen Mobiltelefons würden die Batterien doppelt so lange halten. Während der Stand-by-Phase würde der digital arbeitende Basisbandprozessor sogar um den Faktor zehn weniger Leistung aufnehmen.

Doppelt so große Angriffsfläche für das elektrische Feld

Um Transistoren sicher ein- und ausschalten zu können und den Energiebedarf auf das absolut Notwendige zu reduzieren wird die Transistorstruktur zu einem dreidimensionalen Gebilde geformt. Der steuernde Kontakt des Transistors (Gate) umschließt den stromführenden Siliziumkanal nun von mehreren Seiten („Multi-Gate“) und bietet somit eine um den Faktor zwei größere Angriffsfläche für das elektrische Feld, um den Transistor wesentlich effizienter zu schalten.

Das Herstellungsverfahren für die MuGFET-Strukturen wurden im Rahmen einer Forschungskooperation von Infineon mit dem flämischen Forschungszentrum IMEC (Interuniversity Micro Electronics Center) im belgischen Leuven entwickelt und wird dort auch weiter erforscht. Beim 32-nm-Knoten könnte als Demonstrator beispielsweise ein kompletter ARM-Kern implementiert werden, so dass der MuGFET-Prozess beim 22-nm-Knoten in die Massenfertigung münden könnte.