Новые полупроводниковые технологии Intel: тихая революция
АрхивПлатформаЗатягивая выпуск на рынок процессоров Prescott и Dothan с технологией 90 нм, корпорация Intel объявляет о готовности к новому техпроцессу производства - причем, даже не 65 нм, а 45 нм!
Вчера, 17 ноября, в Москве прошел пресс-брифинг под многообещающим названием «Второе дыхание закона Мура», на котором вице-президент подразделения Corporate Technology Group корпорации Intel Фрэнк Спиндлер (Frank E. Spindler) рассказал о последних достижениях Intel в области внедрения новых технологий производства микросхем. На самом деле, данное событие не заслуживало бы отдельного репортажа, поскольку две из трех частей полуторачасового доклада Фрэнка Спиндлера были посвящены уже широко известным по многочисленным презентациям на Форумах Intel для разработчиков (см. наши прошлые репортажи с IDF) стратегическим вопросам конвергенции (слияния) вычислительных и коммуникационных технологий,
распространению на беспроводные технологии закона Мура (который усилиями маркетологов уже превращается из собственно эмпирического закона в своеобразный «жупел» или, если хотите, руководство к действию, «план соцсоревнования»)
и концепции бесплатного радио Intel (Radio Free Intel), которое в будущем будет интегрировано во все кристаллы, производимые корпорацией (процессоры, чипсеты, микроконтроллеры, сенсоры и пр.).
Не заслуживало бы, если бы не средняя (к сожалению, не самая длинная по времени) часть доклада, в которой Фрэнк Спиндлер рассказал о недавнем технологическом прорыве, совершенном в стенах интеловских лабораторий. Этот прорыв касается новейших материалов и транзисторных структур, которые позволяют решить насущные проблемы токов утечки, энергопотребления и тепловыделения в высокоинтегрированных полупроводниковых устройствах. Благодаря этому становится совершенно реальным производство в скором будущем микросхем по техпроцессам с нормами не только 45 нм и 32 нм, но даже 22 нм (см. слайд и статью www.terralab.ru/system/29227). Что, естественно, поможет продолжить действие закона Мура в обозримом будущем - как минимум, еще лет на десять вперед. (И маркетологи будут спать спокойно.J)
Как мы помним, пару недель назад, на международной конференции в Токио специалисты Intel сделали сенсационное заявление о разработке новых материалов для полупроводниковых транзисторов будущего. Прежде всего, речь идет о новом диэлектрике затвора транзистора с высокой диэлектрической проницаемостью (так называемый «high-k»-материал), который будет применяться взамен используемого сегодня диоксида кремния (SiO2), а также о новых металлических сплавах, совместимых с новым диэлектриком затвора. Решение, предложенное исследователями, снижает ток утечки в 100 раз, что позволяет вплотную подойти к внедрению производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров. Оно рассматривается экспертами как миниреволюция в микроэлектронной технологии.
Чтобы понять, о чем идет речь, взглянем сначала на «традиционный» МОП-транзистор (если таковым можно считать наисовременнейший прибор, являющейся основой техпроцесса 90 нм, готовые микропроцессоры на базе которого вот-вот появятся на прилавках магазинов).
В нем затвор из проводящего поликремния отделен от канала транзистора тончайшим (толщиной всего 1,2 нм или 5 атомов!) слоем диоксида кремния (материала, десятилетиями используемого в качестве подзатворного диэлектрика).
Столь малая толщина диэлектрика необходима для получения не только малых габаритов транзистора в целом, но и для его высочайшего быстродействия (отдельно такой транзистор способен работать на частотах в десятки гигагерц!). Упрощенно - чем ближе затвор к каналу транзистора (то есть, чем тоньше диэлектрик), тем «большее влияние» в плане быстродействия он будет оказывать на электроны и дырки в канале транзистора.
Однако обратной стороной этого является большая «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 - от затвора к истоку и стоку). 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. Более того, чем меньше по размерам мы делаем транзистор, тем тоньше нужно делать подзатворный диэлектрик. Но при его толщинах менее 1 нм резко (по экспоненте) возрастают туннельные токи утечки, что делает принципиально невозможным создание традиционных транзисторов менее определенных «горизонтальных» размеров (если при этом мы хотим получить от них хорошие скоростные характеристики). По оценкам экспертов, в современных чипах почти 40% энергии может теряться из-за утечек.
Поэтому важность открытия ученых Intel нельзя недооценивать. После пяти лет исследований в лабораториях корпорации разработали специальный материал (состав и структура которого пока держится в тайне), позволяющий заменить традиционный диоксид кремния в обычном маршруте производства 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, то толщину диэлектрика нужно повысить хотя бы до 2-3 нм (см. рисунок выше). Чтобы при этом сохранить прежнюю крутизну транзистора («крутизна» - в данном случае это не слэнг, демонстрирующий, какие «крутые» сейчас транзисторы J, а научный термин, отражающий быстродействие 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. Официально мне эту цифру Фрэнк не подтвердил (пока не разглашаются не только состав high-k-материала, но даже его кристаллическая структура и другие физические свойства), но судя по показанному им слайду (см. выше), это именно так. Безусловно, материалов с такой диэлектрической проницаемостью немало (конденсаторные керамики или тот же монокристалл кремния, например, хотя он даже в нелегированном виде недостаточно хороший для этих целей изолятор), однако тут уже в игру вступают факторы технологической совместимости материалов. Поэтому для нового high-k-материала был разработан свой высокоточный процесс нанесения, во время которого формируется один молекулярный слой этого материала за один цикл (см. рис.).
Исходя из этой картинки можно предположить, что новый материал - это тоже оксид. Причем монооксид, что означает применение материалов преимущественно второй группы, например, магния, цинка или даже меди. Идем на www.asiinstr.com/dc1.html и смотрим значения диэлектрической проницаемости: оксид меди - 18, оксид магния - около 10. Что ж, теоретически вполне возможно.
Но диэлектриком дело не ограничилось. Потребовалось сменить и материал самого затвора - привычный поликристаллического кремния. Дело в том, что замена диоксида кремния на high-k-диэлектрик ведет к проблемам взаимодействия с поликристаллическим кремнием (в частности - «пиннингу» энергетических уровней, из-за чего невозможно использовать низкое напряжение работы транзисторов, около 1 вольт, ставшее уже стандартом в современных приборах). Эти проблемы удается устранить, если использовать специальные металлы (сплав, состав которого тоже пока держится в секрете) для затворов транзисторов обоих типов (n-МОП и p-МОП) в сочетании с особым технологическим процессом. Благодаря этой комбинации материалов удается достичь рекордной производительности транзисторов и уникально низких токов утечки, в 100 раз меньших, чем при использовании нынешних материалов (см. график). В этом случае уже не возникает искушения использовать для борьбы с утечками значительно более дорогую технологию SOI (кремний на изоляторе), как это делают некоторые крупные производители микропроцессоров.
Отметим также еще одно технологическое новшество Intel - технологию напряженного (strained) кремния, о которой в общих чертах уже не раз говорили (см., например, www.terralab.ru/system/23898) и которая впервые используется в грядущих скоро 90-нанометровых процессорах Prescott и Dothan. Сейчас же Intel показала, каким именно образом происходит формирование слоев напряженного кремния в ее комплементарных МОП-структурах. Как мы помним, КМОП-ячейка состоит из двух транзисторов - n-МОП и p-МОП (см. рисунок).
В первом (n-MOS) канал транзистора проводит ток при помощи электронов (отрицательно заряженных частиц), а во втором (p-MOS) - при помощи дырок (виртуальных положительно заряженных частиц). Соответственно, и механизмы формирования напряженного кремния у этих двух случаев различны. Для n-MOS-транзистора используется внешнее покрытие слоем нитрида кремния (Si3N4), который 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% (условно говоря - электронам становится более просторно двигаться в направлении канала). В p-MOS-транзисторах все наоборот: в качестве материала подложки (точнее - только областей стока и истока) используется соединение кремния с германием (SiGe), что немного сжимает кристаллическую решетку кремния под затвором в направлении канала. Поэтому дыркам становится «легче» перескакивать по акцепторным атомам примеси (крайне упрощенное объяснение) и рабочий ток канала возрастает на 25%. Сочетание же обеих технологий дает 20-30-процентное усиление тока. Таким образом, применение технологии «напряженного кремния» в обоих типах устройств (n-MOS и p-MOS) приводит к значительному повышению производительности транзисторов при повышении себестоимости их производства всего лишь на ~2% и позволяет создавать более миниатюрные транзисторы следующих поколений. В планах Intel - использовать напряженный кремний для всех будущих техпроцессов вплоть до 22-нанометрового (см. таблицу в начале статьи).
Попутно также отметим использование семислойных медных межсоединений и специального материала с низкой диэлектрической проницаемостью в качестве диэлектрика медных соединений (см. рисунок) во всех техпроцессах Intel, начиная с 0,13-микронного. Материал с низкой диэлектрической проницаемостью уменьшает величину паразитной емкости, которая вознискет между медными соединениями на кристалле, что повышает скорость передачи внутренних сигналов и уменьшает энергопортебление. Intel - первая и пока единственная компания, которая использует этот low-k-материал для изоляции межсоединений.
Без ложного пафоса, нужно признать, что успехи лабораторий Intel в области разработки новаторских полупроводниковых технологий впечатляют. Как правило, корпорации уверенно удается идти на полшага-шаг впереди остальных конкурентов, таких как IBM, Motorola и Texas Instruments. С другой стороны, это и не удивительно - ведь расходы Intel на разработки только в этом году составили около 4,3 миллиарда долларов США! Вместе с тем, плодами этих корпоративных разработок рано или поздно начинает пользоваться вся мировая индустрия, получая их нередко почти даром.
