Нанотранзисторы Intel и AMD для микропроцессоров

Размеры транзисторов в плоскости пластины определяются даже не столько желаниями разработчиков (требованиями характеристик и схемотехнического проекта), сколько существующим уровнем производственных возможностей - главным образом, фотолитографического оборудования, при помощи которого формируется рисунок транзисторов и проводников на поверхности кристалла. Помимо различных побочных эффектов основными факторами, определяющими «нормы» техпроцесса, то есть минимальный планарный размер элемента (минимальную толщину «рисуемых» линий), являются длина волны используемого для фотолитографии излучения и «прецизионность» теневых масок и электронно-механического оборудования, совмещающего маски с рисунком на поверхности пластины.

В настоящее время (для 90–нм и 65–нм технологий) используется фотолитография с длиной волны 193 нм. Она же, вероятно, будет использоваться и для технологического процесса 45 нм (правда IBM и AMD склоняются в пользу 157–нм света). Но для освоения техпроцесса с нормой 32 нм примерно к 2009 году будет взята уже совершенно новая литография - EUV (Extreme Ultra-Violet) с длиной волны всего 13 нм.

Возможность применения в будущем иммерсионной фотолитографии (где экспонирование через маску происходит в жидкости) вместо традиционной воздушной рассматривается сейчас многими производителями, однако по мнению экспертов из ряда ведущих микроэлектронных компаний, она пока менее выгодна экономически, чем EUV.

Рис. 2.1.34. Транзисторы для будущих технологий AMD (вверху) и Intel (внизу), изготовленные по техпроцессам с нормами 90 нм (1), 65 нм (2 и 5), 45 нм (6), 32 нм (3 и 7) и 22 нм (4 и 8). Начало производства по трем последним – в 2007, 2009 и 2011 годах соответственно.

При разработке технологических процессов 65 и 45 нм ключевую роль играет технология усовершенствованных литографических масок, поскольку здесь длина волны как минимум втрое больше получаемого элемента на пластине и существенную роль играют эффекты дифракции света на краях масок («подсвечивание» и размытие краев экспонируемого рисунка). Для устранения возможности дефектов используются сложные оптические методы формирования рисунка - например, фазосдвигающие маски и маски с оптической коррекцией.

Однако запуск в серийное производство новых субмикронных структур требует существенного усовершенствования парка производственного оборудования. Например, на рис. 2.1.35 показаны фотографии транзисторов, уже изготовленных в лабораториях по технологическим нормам 45, 32 и даже 22 нм! И их появление в промышленном масштабе ожидается достаточно скоро.

Любопытно, что начиная примерно с технологического процесса
0,25 мкм физический размер (длина канала) МОП–транзисторов оказывается, в силу особенностей способа изготовления, меньше, чем технологические нормы производства. Так, для 0,13-мкм процесса транзисторы имеют длину канала всего около 70 нм, 90–нм транзисторы могут иметь длину канала в 50 нм, а в транзисторах, изготовленных по нормам 65, 45, 32 и 22 нм, длина канала будет лишь около 30-35, 20-25, 15 и 10 нм соответственно.

Рис. 2.1.35. Кросс-сечение межсоединений микросхем на примере семислойного ядра Prescott (90 нм). Медные дорожки 3 через тонкий защитный барьер 1 изолированы друг от друга low-k диэлектриком 4. В процессе послойного производства этой структуры используются так называемые стоп-слои травления 2.

Помимо технологических проблем трудности разработки новых субмикронных структур связаны с тем, что традиционные «макроскопические» модели работы МОП-транзисторов, основанные на статистическом усреднении по большому числу носителей, перестают адекватно отражать ситуацию и требуется пересмотр самой физики работы микроэлектронных приборов, в этом случае – уже наноэлектронных.

Еще один вредный эффект при миниатюризации транзисторов –приходится снижать их рабочее напряжение. Для текущих и ближайшего будущего микропроцессоров оно составляет 0,7-1,5 В. Однако при напряжении около 1 В уже трудно полностью «закрывать» транзисторы, и в результате даже в закрытом состоянии наблюдается утечка тока от истока к стоку. А поскольку в новейших микропроцессорах насчитываются сотни миллионов и даже миллиард транзисторов, то суммарный ток утечки представляет уже заметную проблему, даже более существенную, чем утечки затвора.

Для решения этой проблемы в частности, используют так называемые sleep-транзисторы, отключающие от питания целые участки микросхем, не работающие в тот или иной момент времени. Однако радикальным решением является дальнейшее «утоньшение» подзатворного диэлектрика, что позволяяет снизить пороговое напряжение (то есть напряжение «закрывания» транзисторов) и тем самым уменьшить утечки по цепи сток-исток в закрытом состоянии. При этом для ослабления утечек через более тонкий подзатворный диэлектрик необходима замена SiO₂ на другой более качественный диэлектрик с более высокой диэлектрической проницаемостью окисел гафния – HfO₂.

Дата добавления: 2014-01-05