Обзор технологических норм производства транзисторов

16 декабря 2011 г. 18:06

(удвоение за два года) действовать поныне (то есть в течение почти 30 лет!), в последнее время немного ускорившись до удвоения за 18 месяцев, что можно наглядно проследить на примере деятельности лидера современной полупроводниковой индустрии - корпорации Нйе1.

В действительности, закон Мура базируется на экономике. Ведь каждая новая технологическая генерация требует существенных инвестиций в оборудование, сооружения. технологии, обучение персонала. Эти затраты должны окупиться и принести прибыль, из которой финансируются новые научные исследования. Для этого требуется около полутора - двух лет. Казалось бы, дальнейшая эксплуатация этих ресурсов даст наибольшую прибыль, однако здесь вступают в силу законы конкуренции и, как правило, за этот период (2 года) появляется целый ряд компаний, владеющих такой же технологий, что заставляет лидеров переходить к следующему, более высокому уровню интеграции элементов.

Интересные цифры

В 2003 г. Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10.000.000.000.000.000.000 (10|д).

Разрабатываемый сейчас в 1ме1 метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе составит одну десяти-тысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.

В 1978 г. авиабилет по маршруту Ныо-Йорк - Париж стоил около 900 долл., а перелет длился 7 часов. Нели бы авиаиндустрня развивалась в соответствии с законом Мура, то сегодня авиабилет на тот же маршрут стоил бы менее цента, а перелет занял бы менее одной секунды.

За время существования корпорации (с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что теперь обходится примерно во столько же. сколько стоит напечатать любой типографский знак например, запятую.

В процессе разработки микропроцессоров, содержащих один миллиард транзисторов, удалось уменьшить величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн. таких элементов.

Динамика уменьшения топологических размеров

электрический выключатель полтора триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тысяч лет.

Перспективы

За истекшие 44 года скептики сотни раз предсказывали закону Мура скорую «кончину», но ученые и инженеры своими открытиями и неустанным трудом снова и снова подтверждали провидческий дар и безупречность выводов одного из основателей корпорации.

На весеннем Форуме ІпйеІ дія разработчиков (ЮН), проходившем в 2002 г.. главный технический директор корпорации Патрик Гелсннгер сказал:

Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закону Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области». «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура, как долго мы еще сможем пользоваться его плодами? говорит Гелсингер В 1980 г., когда я пришел в Іпіеі, мы ломали голову над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцес-соров в I микрон. В 90-е годы перед нами встала задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась недостижимой. А сегодня мы думаем о том. как преодолеть барьер в сотую долю микрона... Закон Мура будет жить. Уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».

Нанотехнологии для подзатворного диэлектрика

. .ШйШ кШшЛ

Рис. 3. Динамика уменьшения топологических размеров

Современные транзисторы производства корпорации 1ме1 открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить

Рис. 4. Нанотехнологии для подзатворного диэлектрика

Одной из «непреодолимых» проблем считалась невозможность дальнейшего уменьшения толщины подзатворного диэлектрика, что требовалось для сохранения емкости при уменьшении топологических размеров транзистора. Действительно, уже при 65 нм технологии толщина подзатворного диэлетрика составляет 1,2 нм (5 молекулярных слоев!), н дальнейшее ее уменьшение неизбежно приводит к катастрофическому росту токов утечки. Однако инженеры 1п1е1 решили эту проблему кардинально: они отказались от традиционного материала диэлектрика - диоксида кремния - и перешли к новому компоненту с существенно большей диэлектрической константой (Ы^-к) - оксиду гафния. Это позволило достичь требуемой емкости при приемлемых толщинах диэлектрика. Это был столь существенный технологический скачок, что Гордон Мур написал:

Реализация Ы^Ь-к... означает наиболее революционное изменение в технологии со времени изобретения

89

MOS-транзисторов с поликремниевыми затворами в конце 60-х годов».

В своем выступлении на осеннем IDF 2005 г. Паоло Джарджини. директор по технологической стратегии корпорации Intel, подтвердил, что закон Мура продолжает действовать, что в полном соответствии с ним Intel продолжает вводить новые технологические процессы каждые два года. Залогом успешной деятельности в этом направлении служат ежегодные многомиллиардные вложения корпорации в исследова-ния и ра¡работки, постоянную модернизацию и расширение своих производственных мощностей.

В 2005 г. началось производство чипов по технологии 65 нанометров, в 2007 г. был осуществлен переход на 45-наномстровый процесс, 2009 г. — внедрение 32-нанометрового, а в 2011 г. настанет черед 22 нм.

Значительное снижение стоимости накопителей на базе твердотельной памяти будет наблюдаться в 2011 г. после перехода на 20 нм техпроцесс производства. Мы уже были свидетелями ощутимого снижения цен после перехода компании Intel на 34 нм твердотельную память, а в ближайшие месяцы Intel может перейти на использование 30 нм памяти.

По мнению участников симпозиума в Китае, именно переход на 20 нм техпроцесс позволит обеспечить качественные сдвиги в темпах экспансии твердотельных накопителей в потребительском секторе. Однако, 20 нм технологические нормы будут освоены не ранее 2011 года, поэтому пока за право обладания SSD приходится переплачивать.

Компания Toshiba заявила о разработке новой технологии создания слоев кремния с включениями примесей, которая, по ее словам, позволит решить ключевые проблемы. связанные с использованием недорогой комплементарной логики на транзисторах металл-оксид-полупроводник (KMOII. CMOS) для производства чипов по 20-нм нормам. Технология была представлена в ходе Международной встречи по электронным устройствам в Ьалтиморе - одной из крупнейших мировых конференций. посвященных полупроводникам. Изначально, в Toshiba планировали увеличить объем выпускаемых заводом продуктов на архитектуре 32 им до 50% к концу 2009 г.. однако производитель, как сообщается, значительно отстает от своего графика.

nMOS pMOS

^Epi

—-La Д-—

В-doped region

region

В-<к>ре<1-5» Е|и

Рис. 5. Формирование 3-х слоев в каиалепо технологии 20км

Новая технология предполагает формирование трех слоев в канале: эпитаксиального кремния, кремния, легированного углеродом (БкС), и слоя ЭкС, легирован-ного бором. При этом верхний слой эпитаксиального кремния выполняет роль проводника с низким сопротивлением для электронов и дырок; средний слой ЭкС препятствует диффузионному распространению примеси, а нижний слой БкС, легированный бором, подаатяет утечки, вызванные формированием слоя вгС. По данным ТоэЫЬа.

применение новой структуры позволяет получить выигрыш в производительности на 15-18% по сравнению с традиционными технологиями. Предложенная структура может быть использована для формирования как nMOS, так н pMOS транзисторов, причем переход на ее использование требует внесения всего лишь нескольких относительно простых этапов в обычный процесс изготовления CMOS-чипов.

Массовое производство 32-гигабайтных чипов памяти NAND Flash на основе технологии ЗЬрс 34-нм активно ведется у совместного предприятия IM Flash Technologies. Технология ЗЬрс NAND производства NAND-памяти на базе многоуровневой структуры ячеек, при которой каждая ячейка способна хранить три бита данных, создана на 34-наиомсгровом процессе и предназначена для изготовления чипов памяти, которые применяются в устройствах хранения данных - картах памяти и твердотельных накопителях (SSD). Внедрение нового техпроцесса 20 нм позволит значительно снизить расходы на производство SSD-накопителей и ускорить процесс замены обычных жестких дисков.

Компания Intel в начале следующего года представит первые центральные процессоры, сделанные на основе 32 нм техпроцесса. В четвертом квартале 2011 г. она обещает завершить разработку 22 нм техпроцесса. А это означает, что Intel до сих пор старается придерживаться своего плана, согласно которому компания переходит на новый техпроцесс каждые два года.

После 22 нм должен последовать 15 нм. Он будет разработан в четвертом квартале 2013 г. А уже в четвертом квартале 2015 г. Intel представит 11 нм процессоры.

Вслед за 11 нм техпроцессом будет представлен, скорее всего, 7 нм. Но когда же именно Intel сможет достичь производства столь крошечных транзисторов, пока не известно. Ожидается, что главный конкурент Intel в гонке за минимизацию техпроцесса, компания Globaltoundrics завершит разработку 32 нм и 22 нм техпроцессов па полгода позже.

Высокая стоимость оборудования для производства полупроводников сегодня делает будущий прогресс слишком дорогим для промышленных объемов, отмечают специалисты iSuppli. Это ведет к тому, что закон Мура может в ближайшем будущем остаться действующим лишь для лабораторий, но не для экономической модели индустрии. Следует напомнить, что закон Мура заключается в следующем: количество транзисторов, размещаемых на одной интегральной схеме, удваивается каждые два года. В течение последних 8 лет техпроцессы, используемые для производства полупроводников, продолжали умснь-шаться, что позволяло закону Мура оставаться верным.

"Ограничение для технологии производства полупроводников будет достигнуто, когда техпроцесс перешагнет отметку в 20 нм и остановится на 18 нм. На этом этапе индустрия столкнется с проблемой, когда производство в промышленных объемах таких маленьких полупроводников окажется слишком дорогим", - объясняет Лен Джелинек из iSuppli.

90

»0 35-MwrpOH

’ о 35 -»-м. РОИ »018- Ml« рои  0.15-ммфОм к 013-ммфОИ

•$20,000

Рис. 6. Прыбиль на рынке полупроводников по техпроцессам

Но. как подчеркивает Паоло Джарджшш, вплоть до 2020 г. Intel сможет создавать транзисторы по современной схеме работы с двумя электродами и ¡атвором между ними. К тому времени, однако, размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных и уменьшать их дальше будет невозможно. Следовательно, уже сейчас необходимо искать новые подходы. Один из них организация передачи сигнала с использованием спиновых волн.

В лабораториях уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только через 10—15 лет. Одна чисто теоретическая идея заключается в многократном использовании электронов. В соврсмен-ных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются. При утилизации вы просто переносите электрон в другое место, пишет Джарджшш в одной из своих работ. Можно производить множество операций, не теряя электронов».

Другая альтернатива — углеродные нанотрубки и кремниевые панопровода. в которых можно достичь более высокой скорости электронов. Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоста-вимыс размеры. Диаметр углеродных напотрубок составляет 1-2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине. Это позволяет повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию, однако размер сильно ис сократится.

Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки. могут найти применение в технологии KMOII (комплементарные металл-окендные полу-проводннки) не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или. возможно. упрощения их изготовления, пишет Джарджи-ни. Даже если для цифровой логики будет изобретено принципиально иное средство перемещения электронов, возможности его масштабирования для повышения плотности и производительности не зайдут много дальше пределов. достижимых технологией КМОП, главным образом, из-за ограничений, налагаемых требованием отвода тепла».

Другое решение — изготавливать чипы больших размеров. наращивая их площадь или строя трехмерные многослойные микросхемы. Такие решения предлагал сам Гордон Мур, а также профессор Стэнфордского университета Том Ли и некоторые другие исследователи. Каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников — покажет время.

Отметим так же. что главная проблема современных флэшек и SSD-дисков на их основе — слишком короткий срок жизни микросхем. Несмотря на все ухищрения, сейчас одна ячейка выдерживает всего лишь около 10 000 циклов записи-стирания. Из-за недолговечности микросхем невозможно уменьшить размер ячеек и сделать более емкую память, потому что при производстве транзисторов с техпроцессом мснсс 20 нм срок жизни флэш-памяти уменьшится вообще до критических значений. Именно в этом направлении сейчас работают лучшие умы в R&D-ucirrpax крупнейших компаний из индустрии микроэлектроники. Еще о двух интересных разработках.

Инженеры из Numonix, дочерней компании Intel, предложили для покрытия ячеек те же материалы, которые применяются в производстве компакт-дисков, то есть слоистую структуру из теллурия, германия и сурьмы. Теоретически, такая структура Phase Change Memory (PCM) может позволить уменьшить размер ячеек до 5 нм. При этом сохранится чрезвычайно высокий срок жизни (до 1 млн. циклов записи-стирания), как и в уже созданном ими тестовом модуле на 128 МБ. Это в сто раз больше. чем при существующей технологии.

Японские ученые придумали альтернативный способ. Они предлагают внедрить в существующую флэш-память нечто вроде механизма «горячей замены», когда выход из строя отдельных ячеек не сказывается на работе всего модуля. По расчетам японцев, срок жизни «ферро-электрического» модуля NAND увеличивается до 100 млн циклов, а техпроцесс можно уменьшить до 10 нм.

Литература

1. \\\\ л* ikipedia.ru

2. ..'dnews.ru

Л. www.digjtimcs.com 4. www.intel.com

5 Переоаскнн Л.В.. Петров М.К). Интегральные микросхемы Перспективные изделия. М.: ДОДЭКА. 1998. - 84 с.

6 Королев М.Л., Крункина Т.Ю., Ревелева М.А. Технология. конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. Издательство: Бином. Лаборатория знаний. - 397 с.

91