Проблемы развития кремниевой микро- и наноэлектроники А.А.Орликовский Физико-технологический институт РАН

1.Развитие высокопроизводительной литографии (~100 пластин/час). 2.Проблемы энерговыделения и теплоотвода в КМОП СБИС. 3. Эволюция структуры МДП-транзистора. 4. Разброс характеристик МДП-транзисторов с длинами каналов в глубоком суб-100 нм диапазоне? 5.После МДП-транзистора? 6.Проблемы многоуровневых соединений в СБИС. Содержание.

Закон Мура

Развитие оптической литографии R = k 1 /NA k 1 – несовершенство систем изображения, дифракционные эффекты, несовершенство регистрирующей среды. Оптимальная коррекция шаблонов Оптимизация резистов Совершенствование оптической системы = 193 нм NA=0,95; k 1 =0,25; R= 50 нм

Оптические степперы-сканеры нм (g-линия) нм (i-линия) нм (KrF) нм (ArF)

Иммерсионная литография λ = 193 нм R = k 1 /NA NA imm = nNA dry, n – коэффициент преломления n = 1,436 (вода на = 193 нм ) и NA imm =1,35 R = 37нм !!! DOF = k 2 /NA 2 DOF = 150 нм Проблемы: новые источники дефектов (пузырьки, капли)

Проблемы иммерсионной литографии

Перспективы иммерсионной литографии на длине волны 193 нм Применение жидкостей с большими n (1,6; 1,8). Для 2-ой генерации (1,6) степперов-сканеров R 32 нм, для 3-ей (1,8) R ~ 28 нм.

Двойное экспонирование и проявление (double patterning)

Двойное экспонирование (double patterning)

Литография для поколений ИС с минимальным размером 22 нм и меньше 1. ЭУФ на λ = 13,5 нм (EUV) – отражающая оптика, производительность до 100 пластин/час 2. Высоковольтная многолучевая электронная литография (HVEB-DW) 3. Низковольтная многолучевая электронная литография (LVEB-DW) До пучков, производительность от 5 до 30 пластин/час

ЭУФ-литография Преимущества: - ЭУФЛ является оптической и проекционной, используются стеклянные заготовки для шаблонов; - может быть использована для нескольких поколений ИС; - работоспособность уже продемонстрирована на прототипах литографов, - возможность создать источник света с меньшей длиной волны. NA=0,25 – 0,40; k 1 =0,6 – 0,4; R = 32 – 12 нм

ЭУФ-литография Проблемы: - ЭУФ-источник с высокой оптической мощностью (115 и 180 Вт для чувствительности резистов 5 и 10 мДж/см 2 ), - Светосильные асферические зеркала для объектива с ошибками формы 0.1 нм, - Многозеркальные (6) объективы с NA 0,3 - Ультраплоские подложки для масок с низкой плотностью дефектов, - Транспортные системы для масок и пластин (100 пластин/час), - Резисты, отвечающие требованиям по разрешению, чувствительности и ширине шероховатости края

Эволюция уровня выделения тепла в блоках высокопроизводительных ЭВМ

КМОП СБИС Подложка истоксток затвор КМОП ИС – 90% рынка ИС с начала 1980-х годов P Σ C Σ f (V п ) 2 L к =10 нм, C Σ = 5х Ф, f=10 ГГц, N=5.10 9, V п =1B, P Σ = 2,5 кВт !!!

Воздушное охлаждение Р=60-85 Вт/см 2 R T1 = 0,20-0,27 0 C/Вт Р = 141,5 Ра R T2 = 0,10-0,07 0 C/Вт

Жидкостное охлаждение: непрямое (микроканалы < 0,1 мм) T = 60 0 C, Р = 227 Вт/см 2 (а), 320 Вт/см 2 (b), 397 Вт/см 2 (c)

Прямое охлаждение кристалла процессора водой: распылением и струйное Способ/ жидк.FC-72ВОДА распылением60 Вт/см Вт/см 2 струйное120 Вт/см Вт/см 2

Прямое охлаждение кристалла процессора водой: Power 6, 65 нм микроканалов шириной мкм P 400 Вт/см 2 при низкой мощности насоса

ITRS Product Technology Trends Fig 7&8 Simplified – Option 1 MPU M1.71X/2.5YR Nanotechnology (

Быстродействие ВПСК 1. f ~ 1/L k при L k 100 нм f/P ~ (1/L k ) 3 2. При L k 100 нм f/P ~ (1/L k ) 2 В области длин канала 100 нм зависимость потребляемой мощности от длины канала меняется

МДП-транзистор «Золотое время масштабирования» закончилось при МР ~ 100 нм Размеры: L k, W k, t ox, ширина соединения 1/ NkNk VПVП 1/ Плотность размещения 1/ 2 Быстродействие Мощность 1/ 2 Плотность мощности 1 Энергия на операцию 1/ 3 1.Увеличение N k приводит к катастрофическому снижению подвижности носителей в канале 2.Напряжение питания (~1 В) уменьшать возможно только в ущерб производительности 3.Толщина подзатворного диэлектрика становится туннельно тонкой 4.Сопротивление поли-Si затвора становится неудовлетворительно высоким Подложка З ИС

Напряжение питания V п мин = 0,8 – 1,0 B I вкл μ C ox (W k /2L k )(V п -V пор ) 2 I выкл ~ μ (W k /L k )(kT/e) 2 exp(-V пор /nkT), n>1 1.V п снижать нельзя из-за снижения I вкл 2. V пор снижать нельзя из-за экспоненциального увеличения I выкл и неизбежного большого разброса V пор

Полная рассеиваемая кристаллом мощность P Σ C Σ f (U п ) 2 + I ут U п + I выкл U п Токи утечки: I ox - ток прямого туннелирования через подзатворный диэлектрик, I p-n – ток утечки обратно смещенного р-п перехода «сток-подложка», I ист-ст – ток прямого туннелирования «исток-сток»

Увеличение доли статической мощности (высокопроизводительные системы на кристалле - ВПСК) Увеличение производительности ВПСК осуществляется схемотехническими, архитектурными и алгоритмическими средствами С уменьшением L k плотность статической мощности становится сравнимой с плотностью динамической мощности

Ток прямого туннелирования «исток-сток» Ток туннелирования I T ~ exp{-2(2mU b /ћW 2 ) 1/2 }, U b – высота барьера над уровнем Ферми в контактах, W – ширина барьера. Термоэммиссионный ток (в закрытом состоянии) I TE ~ exp {- (U b /kT)}. Условие преобладания I T над I TE : W < (ћ 2 U b /8mkT) 1/2. I TE = A/мкм, U b /kT = 20 - W (L k ) < 12 нм Эксперимент: при L k = 5 нм I T ~ A/мкм (J.Lolivier et al. SOI2005)

Вклад тока туннелирования «сток- исток» в статическую мощность 2015 год: L k = 10 нм, N = МДП КНИ транзисторов Р ст = А/мкм х(30х10 -3 мкм)х1Вх = 150 мВт 2020 год: L k = 5 нм, N = транзисторов Р ст = А/мкм х (15х10 -3 мкм)х1Вх = 750 Вт (!) Туннельный транзистор: смена концепции, схемотехники, материалов(?)

Эволюция структуры МДП-транзистора Подзатворный диэлектрик в высоким (ZrO 2, HfO 2, ZrSiO 4, HfSiO 4, Si 3 N 4, Al 2 O 3 и др.) Металлический затвор (Ta с работой выхода 4,3 эВ для n- МДПТ и TiN (4,9 эВ) p-МДПТ с HfSiO4, NiSi для транзисторов обоих типов) Применение структур с напряженным кремнием в канале (увеличение подвижности электронов и дырок), применение нелегированного сверхтонкого КНИ, поиск материалов для каналов р- и п- транзисторов с высокой подвижностью, встроенных в кремниевую подложку (Ge, Ge/Si и др) I вкл μ C ox (W k /2L k )(V п -V пор ) 2 Сверхмелкое легирование областей стока и истока (x j ~ 10 нм и меньше)

Технология сверхмелких р-п переходов (Плазменный иммерсионный имплантер ФТИАН)

Эволюция структуры МДП транзистора Поколение ИС 65 нм45 нм32 нм22 нм ТехнологияОбъемная подложка, Одноосные напряжения нКНИ. Биаксиальн. напряжения нКНИ. Ультра- тонкий КНИ Ультра- тонкий КНИ ЗатворПоли- кремний Поли- кремний/ металлы/ силициды Металлы, силициды Металлы, силициды Подзатворн. диэлектрик SiONSiON/ HfO 2

НаноМДПТ в ультратонком КНИ (L k ~ 10 нм, t Si =2-5 нм ) Si layer канал истоксток затвор Меньше токи утечки Почти идеальный наклон подпороговых характеристик (~60 мВ/дек) Ниже разброс пороговых напряжений Меньше емкости «сток/исток – подложка»

Квантовые эффекты в наноМДП-транзисторе 1. Эффекты, связанные с поперечным квантованием носителей в канале транзистора: а) Сдвиг порогового напряжения и изменение тока открытого транзистора; б) Квантовый транспорт в канале транзистора: учет зонной структуры кремния; в) Емкость «канал-затвор»; г) Сильное рассеяние на шероховатостях поверхности: подвижность от толщины слоя кремния ~ d^6 или d^4; 2. Квантовомеханическое отражение и интерференция при продольном движении в канале. 3. Статистика Ферми-Дирака в контактах. 4. Туннелирование между истоком и стоком.

Квантовое моделирование наноМДП транзистора в ультратонком КНИ Неоднородный канал Произвольные примеси в канале Требования к совершенству ультратонкого КНИ резко возрастают!

После МДП-транзистора (направления поисков) Нанотрубки, графены в канале ПТ (Гейм, Новоселов) Кремниевые нанопровода в канале МДПТ Одноэлектронные транзисторы Новые архитектуры (crossbar - HP, CMOL – Струков, Лихарев)

Проблемы многоуровневых соединений 1.Промышленное внедрение новых материалов: медь, low k диэлектрики, барьерные слои, слои etch stop и т.д. 2.Минимизация потерь и задержек в соединениях (ρ, RC) 3.Обеспечение надежности соединений и контактов 4.Создание метрологических методов и средств

Сопротивление медных проводников 1.Зависимость от ширины проводника 2.Зависимость от аспектного отношения

Задержки сигналов в соединениях и наведенные сигналы (помехи) Crosstalk level Input signal k c = C IMD / C ILD 10-кратное увеличение задержек в глобальных уровнях соединений Non-conformal deposition Sacrificial material

Проблемы и особенности деградации медной металлизации Кинетика разрушения: электромиграция вакансий, генерация и эволюция напряжений и деформаций, образование и развитие вакансионных кластеров (плотности тока > A/см 2 ) Рост термодинамически устойчивых микрополостей от нанометровых размеров до поперечной ширины линии (размеров зерна в случае бамбуковых структур) Конкуренция различных мод разрушения (электромиграционных отказов) в области соединительных контактов токопроводящих линий: 1) рост микрополости в местах соединения контактного столбика с соседними уровнями металлизации 2) эрозия открытого торца проводящей линии в результате выхода вакансий на его поверхность 3) рост микрополости на границе линии с изолирующим диэлектриком (вглубь линии) Время на отказ в двухуровневой металлизации для различных геометрических параметров и температур, j = J А/m2

Проблемы теории и моделирования для медной металлизации Адгезионная прочность интерфейсов в условиях электрических, механических и тепловых нагрузок в зависимости от дефектности слоев, образующих интерфейс (отсутствие отслоений, коробления и т.д.) Интерфейсы и контакты: между проводящей линией (ПЛ) и барьерными слоями, ПЛ и защитным диэлектриком, ПЛ и слоями материалов, вводимых между ПЛ и контактной ножкой для улучшения адгезии (Ta, TaN, TiN); металлический электрод–high-K диэлектрик–полупроводник с высокой подвижностью (структуры типа TiN/HfO2/Ge) Оптимизация адгезионной прочности межсоединений в зависимости от концентрации и распределения дефектов, текстуры границ и рабочих параметров (немонотонность и существенная нелинейность работы отрыва и поверхностного натяжения) Рост сопротивления и нагрева из-за необходимости использования до 20% сечения медного проводника для барьерной пленки, предотвращающей диффузию атомов меди в примыкающие диэлектрики Отсутствует точное описание действия обратных механических напряжений (недостаточно экспериментальных данных для Сu металлизации) Необходимо дальнейшее развитие микроскопической дискретной теории электромиграционного разрушения, развитой К.Валиевым, Т.Махвиладзе, М.Сарычевым, для плотноупакованных нанотранзисторных ИС (дискретное описание транспорта вакансий и ионов, процессов деформирования, атомистическое описание структуры проводящих элементов)

Развивающиеся методы соединений 1. Оптические соединения (эмиттеры, волноводы, модуляторы, детекторы) 2. СВЧ (передающие и принимающие антенны, генераторы, волноводы, свободное пространство и т.д.) 3. 3D - интеграция 4. Нанотрубки

Фотонные переключатели с большой полосой пропускания, соединяющие ядра процессора Волноводы и модуляторы, изготовленные по кремниевой технологии Оптические соединения Пропускная способность 40 Гбит/с на один канал

Лазеры и фотоприемники Оптические соединения

Внутри- и межчиповые соединения с использованием интегрированных передатчиков и приемников 1,16 Гбит/с СВЧ беспроводные соединения

1. Согласно закону Мура ожидается, что к 2020 году будет освоена КМОП технология с длинами каналов транзисторов 6 нм. Это потребует преодоления следующих проблем: Проблема литографии в суб-10 нм диапазоне минимальных размеров Проблема большого энергопотребления Проблема выполнения требований к разбросу параметров транзисторов Проблема создания высоконадежных и скоростных соединений на кристалле Заключение

2. Закон Мура может быть завершен и раньше 2020 года, если эквивалентная стоимость одного компонента системы на кристалле перестанет снижаться прежними темпами. 3. После 2020 года наступит эра квантовых процессоров, для развития которых будут сформулированы новые закономерности. Заключение