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Prozesstechnologien

Designen mit FinFETs

17. November 2014, 8:22 Uhr | Ralf Higgelke

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Verändertes Timing

Die Doppelstrukturierung der 14-nm- und 16-nm-Generation FinFET-basierter Prozesse lässt die Pfadverzögerung erheblich abweichen. Verschiebt sich eine der zwei Masken, die zur Abbildung der Interconnect-Muster verwendet werden, nur leicht, kann sich die Kopplungskapazität zwischen Gate-Elektrode und Verdrahtung erhöhen, sodass die Pfadverzögerungen ansteigen. Da die Verschiebung über die gesamte Maske gleich ist, korreliert die Verzögerung der entsprechenden Transistoren auf dieser Maske. Fortschrittliche Analysewerkzeuge können dies berücksichtigen und das Verhalten und die internen Verbindungen jeder Standardzelle »verstehen«. Werden diese Beziehungen mit berücksichtigt und entsprechende Korrekturen durchgeführt, lassen sich Abweichungen bei der Kopplungskapazität verhindern und die Taktgeschwindigkeit erhöhen (Bild 2).

Parasitäre Komponenten bei Interconnects, vor allem der hohe Widerstand metallischer Verbindungen in FinFET-basierten Prozessen, begrenzen ebenfalls die Leistungsfähigkeit des Taktbaums, der eine große Zahl langer Verbindungen aufweist, um ein durchgehendes Timing im gesamten IC zu gewährleisten. Herkömmliche Techniken, wie das Einfügen von Puffern, erhöhen den Stromverbrauch. Mit einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden Standardzellen erfolgt eine »intelligentere« Optimierung des Taktbaums, was Timing-Signale mit geringerer Verschiebung ohne zusätzliche Stromaufnahme garantiert.

Die geringere Zahl an Bauteilgeometrien erhöht auch die Wahrscheinlichkeit von Einzelereignisstörungen durch ionisierende Strahlung, was zu falschen Ergebnissen und Systemabstürzen führen kann. Eine Analyse der Zellenstruktur in ihrem Schaltkreiskontext und deren Austausch durch festverdrahtete Versionen, kann die Wahrscheinlichkeit eines Fehlverhaltens bei einwirkenden Alphateilchen verringern.

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Was kommt nach FinFETs?
Derzeit vollzieht die Halbleiterindustrie einen großen Wechsel – ab Fertigungstechnologien von 22 nm kommen anstelle der klassischen, in Planarbauweise gefertigten Transistoren FinFETs mit dreidimensionalem Aufbau zum Einsatz. Intel setzt seit 2012 in seiner 22-nm-Technologie erstmals FinFETs in der Massenproduktion für Prozessoren ein. Seit 2014 bietet auch TSMC einen 16-nm-FinFET-Prozess an. Aber was kommt danach? Im Labor haben IBM, Intel und andere Hersteller bereits gezeigt, dass heutige FinFETs bis etwa zur 5-nm-Technologie skaliert werden können. Falls oder wenn die Fertigung mit FinFETs eines Tages an ihre Grenzen stößt, gibt es nicht weniger als 18 potentielle Lösungsansätze, welche die heutigen CMOS-FinFETs ablösen könnten. Tatsächlich sortiert die Halbleiterindustrie bereits die ersten Kandidaten aus. 2005 gründete die Semiconductor Research Corporation (SRC) – ein Forschungs- und Entwicklungskonsortium – die Nanoelectronics Research Initiative (NRI). Bis jetzt hat die NRI eine Hand voll ernsthafter Technologien für die Zeit der 2020er Jahre ausgewählt: Gate-All-Around (GAA), Siliziumnanodrähte (Silicon Nanowires), Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFET), Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes), Graphen und zweilagige Pseudospin-Feldeffekttransistoren (bilayer pseudo-spin field-effect transistors, BiSFET). »Im Moment ist es noch zu früh vorauszusagen, welcher Transistortyp sich in Zukunft durchsetzen wird«, so Steven Hillenius, Vice President von SRC. »Es gibt noch keine Einigung, aber wir sind von ungefähr zwanzig auf weniger als zehn mögliche Lösungen gekommen«.

Was kommt nach FinFETs?

Derzeit vollzieht die Halbleiterindustrie einen großen Wechsel – ab Fertigungstechnologien von 22 nm kommen anstelle der klassischen, in Planarbauweise gefertigten Transistoren FinFETs mit dreidimensionalem Aufbau zum Einsatz. Intel setzt seit 2012 in seiner 22-nm-Technologie erstmals FinFETs in der Massenproduktion für Prozessoren ein. Seit 2014 bietet auch TSMC einen 16-nm-FinFET-Prozess an.

Aber was kommt danach? Im Labor haben IBM, Intel und andere Hersteller bereits gezeigt, dass heutige FinFETs bis etwa zur 5-nm-Technologie skaliert werden können. Falls oder wenn die Fertigung mit FinFETs eines Tages an ihre Grenzen stößt, gibt es nicht weniger als 18 potentielle Lösungsansätze, welche die heutigen CMOS-FinFETs ablösen könnten.

Tatsächlich sortiert die Halbleiterindustrie bereits die ersten Kandidaten aus. 2005 gründete die Semiconductor Research Corporation (SRC) – ein Forschungs- und Entwicklungskonsortium – die Nanoelectronics Research Initiative (NRI). Bis jetzt hat die NRI eine Hand voll ernsthafter Technologien für die Zeit der 2020er Jahre ausgewählt: Gate-All-Around (GAA), Siliziumnanodrähte (Silicon Nanowires), Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFET), Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes), Graphen und zweilagige Pseudospin-Feldeffekttransistoren (bilayer pseudo-spin field-effect transistors, BiSFET).

»Im Moment ist es noch zu früh vorauszusagen, welcher Transistortyp sich in Zukunft durchsetzen wird«, so Steven Hillenius, Vice President von SRC. »Es gibt noch keine Einigung, aber wir sind von ungefähr zwanzig auf weniger als zehn mögliche Lösungen gekommen«.

Quelle: www.halbleiter.org