Тихая революция в микроэлектронике
Архив17 ноября в Москве состоялся брифинг под претенциозным названием «Второе дыхание закона Мура», на котором вице-президент подразделения Intel Corporate Technology Group Фрэнк Спиндлер (Frank E. Spindler) рассказал о последних достижениях корпорации в разработке новых технологий производства микросхем.
17 ноября в Москве состоялся брифинг под претенциозным названием «Второе дыхание закона Мура», на котором вице-президент подразделения Intel Corporate Technology Group Фрэнк Спиндлер (Frank E. Spindler) рассказал о последних достижениях корпорации в разработке новых технологий производства микросхем.
Наибольшего интереса заслуживает часть доклада Спиндлера, которая была посвящена недавнему технологическому прорыву, совершенному в стенах интеловских лабораторий и рассматриваемому как одно из самых выдающихся изменений в структуре транзисторов начиная с 1960-х годов. Благодаря этому становится вполне реальным производство микросхем по техпроцессам с нормами не только 45 и 32 нм, но даже 22 нм (см. также статью на www.terralab.ru/system/29227). Что, разумеется, поможет продлить действие закона Мура как минимум еще лет на десять (см. табл.).
Несколькими днями ранее на международной конференции International Workshop on Gate Insulator 2003 в Токио специалисты Intel сделали сенсационное заявление о разработке новых материалов для полупроводниковых транзисторов. Речь идет о диэлектрике затвора транзистора с высокой диэлектрической проницаемостью (так называемый high-k-материал), а также о металлических сплавах, совместимых с ним. Предложенное решение снижает ток утечки в сто раз и рассматривается экспертами как переломный момент в микроэлектронной технологии.
Чтобы лучше понять суть дела, взглянем на МОП-транзистор [1], если можно считать «обычным» наисовременнейший полупроводниковый прибор с размером рабочей области меньше диаметра вируса, являющейся основой процесса 90 нм.
В нем затвор из проводящего поликристаллического кремния отделен от канала транзистора тончайшим (толщиной всего 1,2 нм или пять атомов1, рис. [2]) слоем диоксида кремния (SiO2) — материала, десятилетиями используемого в качестве подзатворного диэлектрика, без которого немыслимы нынешние КМОП-транзисторы. Столь малая толщина диэлектрика необходима для получения не только малых габаритов транзистора в целом, но и для высочайшего быстродействия — такой транзистор способен работать на частотах в десятки гигагерц!
Однако оборотной стороной этого является бо,льшая «прозрачность» такого тонкого диэлектрика для паразитных электронов утечки из затвора в канал (идеальный МОП-транзистор должен пропускать ток от истока к стоку и не пропускать — между затвором и истоком/стоком). И в современных высокоинтегрированных микросхемах с сотнями миллионов транзисторов на одном кристалле токи утечки затворов становятся одной из фатальных проблем, препятствующих дальнейшему наращиванию количества транзисторов на кристалле [3]. Более того, чем меньше транзистор, тем тоньше должен быть подзатворный диэлектрик. Но при толщине менее 1 нм резко (по экспоненте) возрастают туннельные токи утечки, что делает принципиально невозможным создание быстродействующих транзисторов менее определенных «горизонтальных» размеров. По оценкам экспертов, в современных чипах почти 40% энергии может теряться из-за утечек.
После пяти лет исследований ученые Intel разработали специальный материал, позволяющий заменить традиционный диоксид кремния в производстве микросхем. Требования к такому материалу весьма серьезны: высокая химическая и механическая (на атомарном уровне) совместимость с кремнием, удобство производства в едином цикле традиционного кремниевого техпроцесса, но главное — низкие утечки и высокая диэлектрическая проницаемость.
Если мы боремся с утечками, толщину диэлектрика нужно повысить хотя бы до 2–3 нм [4]. Чтобы при этом сохранить прежнюю крутизну транзистора («крутизна» — в данном случае это научный термин, свидетельствующий о быстродействии МОП-прибора), необходимо пропорционально увеличить диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика. Если проницаемость объемного диоксида кремния равна 4 (или чуть меньше в сверхтонких слоях), то разумной величиной диэлектрической проницаемости нового интеловского диэлектрика можно считать величину в районе 10–12. Cудя по показанному Спиндлером слайду [4], эта цифра близка к истине. Безусловно, материалов с такой диэлектрической проницаемостью немало (конденсаторные керамики, оксиды алюминия, титана, тантала, циркония, гафния), однако тут уже в игру вступают факторы технологической совместимости материалов. И общей проблемой при использовании high-k-диэлектриков является переход из аморфного в кристаллическое состояние при относительно низких температурах, а также возрастающие утечки по границам зерен. Поэтому был разработан высокоточный процесс нанесения high-k-материала, позволяющий формировать один молекулярный слой оксилов циркония или гафния за один цикл [5].
В научной литературе неоднократно сообщалось о попытках заменить диоксид кремния различными high-k-материалами в микроэлектронике (традиционные варианты — TiO2, Al2O3, Ta2O5), однако всегда возникали те или иные технологические проблемы, и Intel первой смогла их решить, подобрав нужные материалы и способы их нанесения. Идем на www.asiinstr.com/dc1.html и content.aip.org/JAPIAU/v93/i1/712_1.html и смотрим значения диэлектрической проницаемости: диоксид циркония — 12,5, гафния — 10–14. А утечка у HfO2 меньше, чем у SiO2 той же толщины.
Потребовалось, однако, сменить не только диэлектрик, но и материал самого затвора — привычный, используемый десятилетиями поликристаллический кремний. Дело в том, что замена диоксида кремния на high-k-диэлектрик ведет к проблемам взаимодействия с поликристаллическим кремнием. В частности — к фононному рассеянию (электроны теряют подвижность, замедляются), а также «пиннингу» порогового напряжения транзисторов (точнее — уровня Ферми в МОП-структуре: дефекты, возникающие на границе проводника затвора и подзатворного диэлектрика, ведут к повышению рабочих напряжений, из-за чего невозможно использовать ставшее стандартом в современных приборах низкое, около 1 вольт, напряжение работы). Эти проблемы удается устранить, если в сочетании с особым технологическим процессом использовать специальные сплавы (состав которых тоже пока держится в секрете), различные для затворов транзисторов обоих типов (n-МОП и p-МОП). Благодаря этой комбинации материалов удается достичь рекордной производительности транзисторов и уникально низких токов утечки, на два порядка меньших, чем при нынешних материалах. В этом случае уже не возникает искушения использовать для борьбы с утечками значительно более дорогую технологию SOI (кремний на изоляторе), как делают некоторые крупные производители микропроцессоров.
Отметим также еще одно технологическое новшество Intel — технологию напряженного (strained) кремния, о которой в общих чертах мы уже говорили (см., например, www.terralab.ru/system/23898) и которая впервые используется в грядущих 90-нанометровых процессорах Prescott и Dothan. Как мы помним, КМОП-ячейка состоит из двух транзисторов: n-МОП и p-МОП [6]. Соответственно и механизмы формирования напряженного кремния в этих двух случаях различны. Для n-MOП-транзистора используется внешнее покрытие слоем высоконапряженного нитрида кремния (Si3N4), которое за счет механических напряжений немного (на доли процента) растягивает (в направлении протекания тока) кристаллическую решетку кремния под затвором, в результате чего рабочий ток канала возрастает на 10%. Фактически инженеры корпорации извлекли пользу из известного и вредного прежде эффекта механических напряжений при использовании нитрида кремния в традиционной технологии. В p-MOП-транзисторах все наоборот: в качестве материала для областей стока и истока используются селективно осажденные на кремнии области из соединения кремния с германием (SiGe), что немного сжимает кристаллическую решетку кремния под затвором в направлении канала. Поэтому рабочий ток канала возрастает на 25%. Сочетание же обеих технологий дает 20–30-процентное увеличение тока при росте себестоимости их производства всего на 2%. В планах Intel — использовать напряженный кремний для всех будущих техпроцессов вплоть до 22 нм (см. табл.).
Попутно отметим использование семислойных медных межсоединений и специального материала с низкой диэлектрической проницаемостью (оксид, легированный кремнием) в качестве диэлектрика медных соединений [7] во всех техпроцессах Intel, начиная с 0,13-микронного. Материал с низкой диэлектрической проницаемостью уменьшает величину паразитной емкости, которая возникает между медными соединениями на кристалле, что повышает скорость передачи внутренних сигналов и уменьшает энергопотребление.
Нужно признать, что успехи лабораторий Intel в области разработки новаторских полупроводниковых технологий впечатляют. Как правило, корпорации удается идти на полшага-шаг впереди остальных конкурентов, таких как IBM, Motorola и Texas Instruments. Впрочем, это не удивительно — ведь расходы Intel на разработки только в этом году составили около 4,3 млрд. долларов! Вместе с тем плодами корпоративных разработок рано или поздно начинает пользоваться вся мировая индустрия, нередко получая их почти даром. Технические детали по новым технологиям Intel можно посмотреть в статьях по адресу www.intel.com/research/silicon/micron.htm.
1 В лабораториях Intel работают уже с 0,8-нанометровым слоем оксида кремния толщиной всего в три атома в транзисторах с длиной канала всего 15 нм (см. врезку)!
