Yarı iletken araştırmaları alanının önde gelen merkezlerinden imec, 2017 yılında Çok Yönlü Kapı (GAA) transistörlerin doğal bir uzantısı olarak forkshet transistörü tanıtmıştı. Ancak, imec'in VLSI Sempozyumu 2025'teki son duyurusuna göre, bu tasarımın yüksek hacimli üretimdeki zorluklarına dair şüpheler ortaya çıkmıştı. Bu endişeleri gidermek için araştırma devi, transistör teknolojisinin ilerlemesini sağlayacak, çığır açan forkshet transistör tasarımı için yeni bir yaklaşım geliştirdi.
imec araştırmacıları, 'dış duvar forkshet' adını verdikleri yeni bir transistör yerleşimi tanıttı. Bu yeni tasarımın, A10 neslinden (1nm, 10 Angstrom) başlayarak A7 nesline kadar kullanılması bekleniyor.
Bu yeni 'dış duvar forkshet' transistörlerin seri üretiminden elde edilecek bilginin, gelecek nesil Tamamlayıcı FET (CFET) transistörlerin üretimi için de faydalı olabileceği belirtiliyor.
Günümüzde Intel, TSMC ve Samsung gibi önde gelen çip üreticileri, 18A, N2 ve SF3E gibi üretim teknolojileriyle FinFET transistörlerden GAA transistörlere geçiş yapıyor. GAA transistör yapıları, akımların yatay olarak istiflenmiş silikon katmanlarından akmasına izin verir ve sızıntıyı azaltmak için her yönden çevrelenir. Bu, performans ve güç tüketimi için daha iyi kontrol sağlar ve daha küçük hücre boyutlarına olanak tanır. Ancak imec'e göre, bu yaklaşımla üç neslin ötesine ölçeklendirme yapmak zor.
Bir sonraki büyük mimari olan CFET, n-tipi ve p-tipi transistör tiplerini dikey olarak üst üste istifleyerek, temel olarak bir transistörün kapladığı alana iki transistör sığdırmayı ve aynı zamanda performansı artırıp güç tüketimini azaltmayı hedefler. Ancak CFET'lerin üretimi son derece zordur. Bu nedenle, çip üreticileri ve imec gibi araştırma merkezleri, GAA transistörleri ile CFET'ler arasında bir ara adım olarak forkshet transistörleri kullanmayı amaçlıyor.
Ancak, 2017'de sunulan forkshet tasarımının ilk versiyonunun, kabul edilebilir maliyet ve verimle üretim için fazla karmaşık olduğu görüldü. Şimdi imec, forkshet transistör tasarımının yenilenmiş bir versiyonunu sundu. Bu yeni tasarım, gelecek nesil üretim teknolojileri için güç, performans ve alan avantajları sağlarken, üretiminin daha kolay olacağını vaat ediyor.
Yeni dış duvar forkshet transistörlerin seri üretimindeki deneyimin, önümüzdeki on yıl içinde CFET'e nihai geçişe ışık tutabileceği düşünülüyor. Bu, dış duvar forkshet transistörlerin sadece CFET'e bir köprü görevi görmekle kalmayıp, aynı zamanda CFET'in nasıl üretilebileceği konusunda da bilgi sağlayabileceği anlamına geliyor.
Forkshet Transistörler: Neden Gerekliler?
Forkshet transistörler, CFET'lerin 2030'larda bir noktada kaçınılmaz olarak devralmasından önce, GAA transistörlerinin yeteneklerini birkaç nesil boyunca genişletmek için tasarlandı. İlk 'iç duvar forkshet' transistör tasarımında, n-tipi ve p-tipi cihazların elektriksel girişime neden olmadan daha sıkı yerleştirilmesini sağlamak için transistör kanalları arasına veya yanına bir dielektrik duvar yerleştiriliyordu. Bu tasarım, mevcut nanosheet üretim adımlarının çoğunu yeniden kullanarak daha sıkı aralıklar ve daha kompakt yerleşimler sağlıyordu.
Ancak, kağıt üzerinde etkili olsa da, bu iç duvar yapısı üretilebilirlik ile ilgili sorunlarla karşılaştı.
90nm hücre yüksekliğine ulaşmak için, bir iç duvar forkshet'in yalıtkan bölmesinin 8 ila 10nm civarında son derece dar olması gerekiyordu. Duvar, kapı desenlendirmeden önce yerleştirildiği için, sonraki her işleme adımına maruz kalıyor ve bu da aşınmasına neden olabiliyordu. Bu durum, kullanılan malzeme için katı gereksinimler getiriyordu.
Ek olarak, n-tipi ve p-tipi bölgeler için seçici özelliklerin yerleştirilmesi zorlaşıyordu, çünkü maskenin ince duvar üzerinde tam olarak hizalanması gerekiyordu. Çoğu devrede her iki transistör tipi de tek bir kapıyı paylaşır, ancak duvar bu bağlantıyı engeller, bu da kapının duvar üzerine uzatılmasını gerektirir ve istenmeyen kapasitansa yol açar.
Son olarak, iç duvar forklu kapı, kanalın yalnızca üç tarafını kapsıyordu, bu da GAA tasarımlarına kıyasla kontrolünü zayıflatıyordu, özellikle kanal uzunlukları küçüldükçe bu durum daha belirgin hale geliyordu.
Yeni Tasarım: Dış Duvar Forkshet
İç duvar forkshet'lerin üretimindeki potansiyel zorluklar göz önüne alındığında, imec mühendisleri yerleşimi yeniden tasarlamaya karar verdiler ve 'dış duvar forkshet' adını verdikleri yeni bir tasarımla ortaya çıktılar.
Bu güncellenmiş versiyon, yalıtkan bölmeyi (veya duvarı) kenara, bitişik standart hücreler arasına taşır. Tek bir hücre içindeki farklı polariteleri ayırmak yerine, şimdi hücre sınırları boyunca aynı polaritedeki cihazları ayırır. Bu yerleşim, kompakt hücre yüksekliğini etkilemeden duvarın yaklaşık 15nm'ye kadar genişletilmesine olanak tanır.
Ayrıca, duvarın, kaynak/dren oluşumu ve nanosheet kanal serbest bırakma gibi önemli adımlardan sonra, işlem akışının daha geç bir aşamasında inşa edilmesine olanak tanır. Sonuç olarak, duvar önceki adımlardan kaynaklanan hasardan kaçınır ve iyi bilinen silikon dioksit malzemesi ve araçları kullanılarak inşa edilebilir.
Duvarın kalınlığının artık 15nm olması, transistör yoğunluğunu etkileyebilir, çünkü dış duvar forkshet cihazları iç duvar forkshet transistörlerine kıyasla daha büyüktür. Ancak, dış duvar forkshet transistörlerin sunduğu üretilebilirlik ve performans avantajları, ilk versiyonun potansiyel avantajlarından daha ağır basabilir.
Üretilebilirliğin Artırılması
Dış duvarı tanıtma sırasındaki bu değişiklik, iki önemli fayda sunar: daha basit üretim ve daha iyi kapı entegrasyonu. Kapı elektrodu artık bir engeli geçmeye gerek kalmadan her iki transistör tipini de bağlayabilir, bu da devre tasarımını basitleştirir.
Dahası, son adımlar sırasında bölmenin birkaç nanometre inceltilmesi, kapının kanalın daha büyük bir kısmını sarmasına olanak tanır. Simülasyonlar, duvarın 5nm'sinin kaldırılmasının, gelişmiş elektriksel kontrol sayesinde sürüş akımında yaklaşık %25'lik bir artışa yol açtığını göstermektedir, bu da performansı artıracaktır.
Dış duvar forkshet transistörünün bir diğer avantajı, kanala mekanik gerilim uygulama yeteneğinin iyileştirilmesidir. İlk adımlar sırasında, duvarın daha sonra yerleştirileceği bölgeyi koruyucu bir maske kaplar. Bu maskenin altındaki silikon, kaynak ve dren bölgelerinin etrafındaki büyüme için sürekli bir kristal şablon görevi görür.
Bu sürekli yapı, p-tipi cihazlar için silikon-germanyum gibi gerinim oluşturan malzemelerin, boşluk hareketliliğini ve sürüş akımını artırarak performansı iyileştiren sıkıştırıcı gerilimi doğrudan kanala uygulamasına olanak tanır.
GAA nanosheet'ler ve ilk forkshet dahil olmak üzere önceki tasarımlarda bu gerinim sürekliliği yoktu. Kılavuz bir yapı olmadan, malzeme büyümesi sırasında istenmeyen dikey uyumsuzluklar oluşuyor, bu da mekanik gerilimi azaltıyor ve performansa zarar veriyordu. Yeni tasarım bu kusurlardan kaçınarak, gerinim teknikleriyle akımın tutarlı bir şekilde artırılmasına olanak tanır.
Umut Veren Sonuçlar
imec'e göre, simüle edilmiş bellek düzenleri ve osilatör devreleri aracılığıyla yapılan testler faydaları doğruladı. Statik bellek hücrelerinde, A10'daki yeni yerleşim, benzer tipteki cihazların daha sıkı paketlenmesi ve azalan kapı aralığı sayesinde A14 nanosheet tasarımlarına kıyasla %22'lik bir alan azalması sağladı.
Osilatör sonuçları, tam gerinim uygulandığında yeni yerleşimin A14 ve 2nm tasarımlarının performansına eşit veya daha yüksek olduğunu gösterdi. Gerinim olmadan sürüş akımı yaklaşık %33 düştü.
Forkshet transistörlerin üretimindeki deneyim, CFET'lerin geliştirilmesiyle son derece alakalıdır, çünkü birçok işlem adımı, malzeme ve tasarım konsepti örtüşmektedir. Forkshet transistörler, p-tipi ve n-tipi cihazları yan yana yerleştirir. Buna karşılık, gelecek nesil CFET'ler iki farklı transistör tipini dikey olarak istifler, ancak temel teknikler aynıdır.
Bu doğrultuda imec, bu yerleşimin gelecek CFET tasarımlarına nasıl adapte edilebileceğini araştırıyor. Araştırmacılar, en son forkshet tasarımlarının, gelecek dikey cihaz mimarileri için bir geçiş adımı görevi görebileceğine ve gelecek nesil üretim teknolojileri için daha sorunsuz bir evrim yolu sağlayabileceğine inanıyor.
