有充足的空间在顶端：想象微型机电开关在低功耗计算应用中的运用

第一台计算机采用机电元件构建，与现代的电子系统有所不同。阿兰·图灵的密码分析乘法器和康拉德·祖沙的Z2是20世纪上半叶发明和建造的计算机之一，也是有史以来最早的计算机之一。这些机器使用机电开关和继电器执行逻辑操作。即使在计算机首次使用真空管和电子晶体管构建后，一些早期的机电（基于继电器）计算机仍然在使用中，因为它们较慢的速度被优越的可靠性所弥补。现在，大多数计算机采用纳米级、基于晶体管技术的逻辑和存储设备。

图2：包括机电开关的标准CMOS的示意图，该开关单片集成到BEOL中 [2]。图片提供：加州大学伯克利分校。

发展基于纳米机电系统（NEMS）的逻辑或存储器的一个动机是为了降低能耗。能耗已经成为现代计算机技术的主要瓶颈。这对于新兴的低能耗计算应用尤其是问题，例如用于物联网中的自主传感器节点、无线通信设备和边缘计算中使用的新型移动计算机。所有这些应用都需要具有极高能效的逻辑电路。

基于NEMS的开关在关闭状态下提供几乎零泄漏电流，具有尖锐的开关特性和高开通电流性能（在开通电流状态下具有低电阻）。这项技术的潜在好处包括能效提高一个数量级。此外，静电作用下的NEMS已经证明它们在低温（-150°C）和高温（300°C）下运行效率高，使它们能够在恶劣的环境条件下工作。

纳米机电系统（NEMS）可以利用标准CMOS（互连线）后端线（BEOL）金属层进行制造。BEOL工艺可以与器件的前端（FEOL）部分集成。FEOL部分包括器件的有源（晶体管）部分，并包括任何计算机芯片的主要工艺模块。BEOL制造的层叠由多个金属和介电层组成，形成互连线和via（互连结构）。

随着电子器件的缩小，这些图案结构（所谓的pitch）的最小特征尺寸和间距越来越小，而金属层数的数量也在增加。这些小尺寸的特征尺寸代表着一个潜在的技术挑战，也为新一代基于NEMS的器件提供了巨大的机遇。迄今为止，已经使用0.35微米、0.18微米、65纳米和16纳米CMOS制造工艺实验演示了基于NEMS的逻辑电路。

图3：可重构BEOL NEM开关的Coventor MEMS+®模型（左），模拟的瞬态响应行为（中）和作为有效刚度和接触粘附力函数的最小（重新）编程能量等高线图（右）[3]。图片提供：加州大学伯克利分校

图2展示了一个使用标准65nm CMOS工艺设计的BEOL NEMS继电器，该继电器是静电作用下驱动的，包括一个可移动梁、两个编程电极（标记为Program 0和Program 1）和两个接触电极（标记为D0和D1）。

图（a）显示了继电器的平面视图，图（b）显示了沿着切线a-a'的金属/过孔层的横截面视图。图（c）和（d）中的模拟结果显示了当继电器编程为状态“0”（c）和状态“1”（d）时的位置。在（c）和（d）中，颜色比例显示了由于静电作用而产生的位移大小。图（e）中显示了模拟瞬态响应，包括程序电压波形（上图）和随时间变化的梁尖位置（下图）。多个NEMS继电器可以组合在一起形成阵列，以执行逻辑或存储功能。

BEOL NEMS开关能够满足低功率操作电压、非易失性和可编程性等设计要求。为了优化器件性能，需要考虑NEMS设计的不同物理方面。可供NEMS开关设计者选择的设计参数包括梁的长度、厚度和宽度，以及作动接触间隙和接触面积等。其中一些参数可以由设计者选择，另一些则取决于制造技术，随着每个新的工艺代数而缩小。

使用MEMS+®中的预测模型，可以在不同技术节点上计算最小的程序电压，以获得优化的设计。较小的电压和电极电容将减少程序能量。随着缩放，机械程序延迟将减小，因为接触间隙需要较小的梁位移，而梁的质量减小会导致电静力作用速度更快。随着每个新的CMOS技术节点，最小特征尺寸都会减小，从而使间隙变得更小。因此，BEOL NEMS开关的密度、开关能量和开关延迟预计将随着技术的缩放而改善[4,5]。