Тихая революция в микроэлектронике 02.12.2003 Александр Карабуто 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.
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!
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.
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)!
|