Die Halbleiterindustrie vollzieht derzeit einen großen Wechsel - ab Fertigungstechnologien von 22 nm kommen anstelle der klassischen, in Planarbauweise gefertigten Transistoren neuartige FinFETs mit dreidiomensionalem Aufbau zum Einsatz.
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.
Aber selbst große Firmen haben nicht die Zeit und Kapazitäten, an allen möglichen Nachfolgern zu arbeiten. "Wir können nicht alle 18 nehmen", so Mike Mayberry, Vice President und Director of Components Research bei Intel. "Wir werden nur ein paar davon entwickeln".
Mayberry sagte, dass letzten Endes die Kosten, die Funktionalität und die Fertigungsmöglichkeit über Sieg und Niederlage im Rennen der Next-Generation-Transistoren entscheiden werden. "Das beste Bauteil ist das, das du herstellen kannst".
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). Die NRI befasst sich mit der Erforschung von zukünftigen Bausteinen, welche die CMOS-Transistoren in den 2020er Jahren ablösen könnten. Mitglieder der NRI sind GlobalFoundries, IBM, Intel, Micron und Texas Instruments.
Bis jetzt hat die NRI eine Hand voll ernsthafter Technologien ausgewählt: Gate-All-Around (GAA), Siliciumnanodrähte (Silicon Nanowires), Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFET), Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes), Graphen und zweilagige Pseudospin Feldeffekttransistoren (bilayer pseudo-spin field-effect transistors, BiSFET).
"Im Moment sei 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 20 auf weniger als 10 mögliche Lösungen gekommen".
Derzeit verlässt sich die Halbleiterindustrie auf die FinFET-Technologie um die Miniaturisierung in der absehbaren Zukunft zu bewerkstelligen. Das gegenwärtige Denken ist, dass heutige FinFETs wahrscheinlich zwei Generationen, bis hin zu 10 nm, zum Einsatz kommen können, sagte Subramani Kengeri, Leiter von Advanced Technology Architecture bei GlobalFoundries. Dann, ab 7 nm, wird die Industrie FinFETs der nächsten Generation auf Basis von III-V-Halbleitern einsetzen.
Tatsächlich ist die Zukunft ab 10 nm und darüber hinaus unklar. Nach der International Roadmap for Semiconductors 2011 gibt es eine unüberschaubare Anzahl an möglichen Optionen für die zukünftige Halbleiterfertigung: III-V-Kanal-FinFETs, carbon nanotube FETs (CNFET), graphene nanoribbon FETs, nanowire FETs, tunnel FETs (TFET), spin FETs (SFET), IMOS, negative gate capacitance FETs, NEMS-Schalter, MOTT FETs, spin wave devices, nanomagnetic logic, excitonic FETs, BiSFETs, Spin Torque Majority Logicgates und All-Spin-Logic.
Die zukünftigen Lösungen werden wahrscheinlich neue Materialien und Fertigungsverfahren benötigen. Bei SRC gibt es ein grundlegendes Kriterium zur Eingrenzung zukünftiger Technologien: "Die vielversprechendsten Strukturen sind die, die man in den bestehenden Prozessfluss integrieren kann. Die neuen Materialen werden zusammen mit bestehenden Lösungen verwendet", so Steven Hillenius.
Aus diesem Grund könnte der Tunnel-Feldeffekttransistor (TFET) das Rennen um die FinFET-Ablösung machen. Nach Chenming Calvin Hu, Professor für Mikroelektronik an der Universität von Californien, scheint der TFET mit III-V-Halbleiterkanälen die beste Option zu sein. In TFETs wird am Source-Anschluss eine Tunnelbarriere erzeugt, die den Steuerstrom ansteigen lässt, gegenüber heutigen MOSFETs lässt sich dadurch die achtfache Leistung erzielen.
"Wahrscheinlich wird die Industrie bei 22 und 14 nm auf die aktuelle FinFET-Technologie setzen. Der früheste Einsatz von III-V-MOSFETs wird ab dem 10-nm-Knoten erwartet, damit sei mit der Einführung von III-V-FinFETs nicht vor dem 7-nm-Knoten zu rechnen", so Suman Datta, Professor für Elektrotechnik an der Pennsylvania State University.
Im Labor hat Intel bereits TFETs basierend auf III-V-Halbleitern, wie InGaAs, hergestellt. "Bei allen TFETs handelte es sich um n-Kanaltransistoren, die Arbeit an p-Kanaltransistoren ist noch nicht sehr weit vorangeschritten. Die nächste Herausforderung besteht in schnell schaltenden p-Kanal-TFETs für komplementäre TFET-Logik. Die größte Hürde ist die Einführung von III-V-Verbindungshalbleitern in State-of-the-art-Halbleiterfabs. So müssen auf 300-, bzw. zu diesem Zeitpunkt vermutlich 450-mm-Wafern III-V-"Inseln" aufwachsen, die ein geringes Defektlevel bei einer Hochvolumenfertigung besitzen", so Datta.
"Neben TFETs könnten Siliciumnanodrähte als Erweiterung für FinFETs eingeführt werden", sagte Gary Patton, Vice President vom Semiconductor Research and Development Center bei IBM. Siliciumnanodraht-FETs sind Bauteile, in denen die klassischen Kanäle durch winzige Nanodrähte ersetzt werden.
Nanodrähte ermöglichen auch das, was als ultimative Lösung in der Halbleiterindustrie gilt: Gate-all-around (GAA) FinFETs. GAA-FETs besitzen zwei oder mehrere Gates, die einen Kanal aus Nanodrähten umschließen. In einem kürzlich veröffentlichten Paper demonstrierten die Universitäten von Harvard und Purdue GAA-III-V-MOSFETs mit 1, 4, 9 und 19 Nanodrahtkanälen. Einer der Schlüsselprozesse dabei ist die Ausformung von niederohmigen InGaAs-Nanodrähten.
TFETs, Nanodraht-FinFETs und GAA-FETs sind die meist diskutierten Nachfolger für die heutige CMOS-Technik. Zwei weitere vielversprechende, aber auch exotischere Ansätze, sind Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes) und auf Graphen basierende Bauteile.
Laut einem kürzlich erschienen Paper von H. S. Philip Wong, Professor für Elektrotechnik an der Stanford University, sind Carbon-Nanotube-FETs (CNFETs) die einzigen Feldeffekttransistoren, die das von der ITRS gesetzte Ziel beim 11-nm-Knoten übertreffen können. So können mit CNFETs drei wesentliche Herausforderungen bei kleinsten Strukturen gemeistert werden: hohe Packungsdichte, stabile n- und p-Gebiete auf einem Wafer und niederohmige Metall-Halbleiterkontakte.
Im Gegensatz zu Kohlenstoffnanoröhren besteht Graphen aus einlagigen, bienenwabenförmigen Kohlenstoffschichten. Die Technologie ist teuer und schwierig in die heutige Fertigung zu integrieren. Da Graphen keine Bandlücke besitzt, können Bauteile nicht ein- und ausgeschaltet werden. Jedoch konnten kürzlich Graphenmonooxid-Schichten hergestellt werden, die Halbleitercharakter besitzen.
Seitens der Industrie besteht Interesse an Graphen als Ersatzmaterial in Transistorkanälen. IBM demonstrierte bereits einen Graphen-FET (GFET) mit 155 GHz und einer Kanallänge von 40 nm.
An einem anderen Ansatz arbeitet die University of Texas in Austin. Dort entwickelt man einen BiSFET, der eine um drei Größenordnungen geringere Leistungsaufnahme besitzen soll als herkömmliche CMOS-Technik. In diesem Bauteil sind eine p- und eine n-dotierte Graphenschicht durch eine dielektrische Tunnelbarriere getrennt. Jede Graphenschicht hat einen Metallkontakt und ist elektrostatisch mit einer Gateelektrode gekoppelt.
"Das Bauteil befindet sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase. Während wir in der Theorie gezeigt haben, dass es funktionieren sollte, haben wir noch Probleme, die Funktion im Labor zu demonstrieren. Somit ist es noch zu früh, an eine Massenfertigung zu denken", sagte Sanjay Banerjee, Professor für Elektro- und Computertechnik und Direktor des Mikroelektronikforschungszentrums an der University of Texas in Austin.
Forscher suchen auch nach alternativen Technologien - so weckt die All-Spin-Logik (ASL) das Interesse. ASL nutzt Magnete, um nichtflüchtige binäre Daten darzustellen, während die Kommunikation zwischen den Magneten durch Spinströme ermöglicht wird.
Trotz vielversprechenden Ansätzen in der Spin-Logik und anderen zukünftigen Technologien tut sich die Industrie schwer, den richtigen Nachfolger für heutige FinFETs zu finden.
(http://semimd.com/)