eng
Выпуск #1/2013
М.Гольцова
Конференция IEDM 2012. Не так сложно создать новый прибор, как отказаться от старого
Конференция IEDM 2012. Не так сложно создать новый прибор, как отказаться от старого
Просмотры: 5591
Программа прошедшей международной конференции IEDM выявила огромный объем работ в области нарождающихся технологий, новых материалов (таких как сульфид молибдена), новых структур, более широкого применения полупроводниковых соединений III-V, нанопроводов и т.п.
Теги: advanced devices finfets alternatives nanotechnologies tri-gate finfet альтернативы finfet нанотехнология пeрспективные приборы трехзатворный finfet
Каково будущее полупроводниковой технологии?
Конец света 21 декабря 2012 года не наступил, неожиданно не прекратится и действие закона Мура – движущей силы развития электронной техники. Но эпоха "спокойного уплотнения" прошла, и, несмотря на активно принимаемые инновационные меры, кремниевые КМОП-микросхемы в конце концов "сойдут с дистанции". Что же дальше? Будущее полупроводниковой технологии активно обсуждалось экспертами на дискуссии, посвященной проблемам масштабирования.
Технология трехмерных полевых транзисторов FinFET, популяризируемая компанией Intel, не у всех производителей находит поддержку. По мнению главного технолога по полупроводниковой технике Исследовательского центра Ватсона компании IBM Гхавама Шахиди, технология FinFET никогда "не случится" из-за производственных и конструкторских проблем. Вместо затрат на развитие этой технологии правительства и полупроводниковая промышленность должны увеличивать объем финансирования работ, направленных на решение критических проблем – улучшение качества диэлектриков с низкой и высокой диэлектрической проницаемостью k и рабочих характеристик микросхем за счет применения германия или полупроводниковых соединений III-V. Сейчас же миллиарды долларов, ассигнуемых правительствами на исследования в области полупроводниковой технологии, расходуются на экзотические работы, тогда как реальные задачи, с которыми столкнется промышленность в последующие десять лет, не решаются. Вред промышленности наносит и нежелание разрабатывающих организаций обмениваться информацией.
Шахиди отметил, что ряд компаний, в том числе и IBM, создают "отличные" FinFET. Но изготавливать высокие "тощие" структуры на коммерческих кремниевых пластинах, особенно по мере их миниатюризации, затруднительно [1]. Вот почему IBM продвигает технологию формирования структур на основе полностью обедненного кремния на изоляторе (Fully-Depleted Silicon-On-Insulator, FD-SOI).
Шахиди также считает, что 22-нм технология транзистора с тройным затвором не оправдала ожиданий: мощность микропроцессора Ivy Bridge, выполненного по этой технологии, снижена всего на 20% против 35 для предыдущего поколении 32-нм микросхем. Критику вызвало и решение Intel легировать канал FinFET, что, по мнению руководителя технологического направления компании SuVolta Скотта Томпсона, не обеспечивает снижения потребляемой мощности и увеличения быстродействия. Для получения множества пороговых напряжений, требуемых в аналоговых системах на кристалле для мобильных устройств, компании нужно изготавливать нелегированные FinFET. И Томпсон считает, что при освоении 14-нм технологии Intel может обратиться к таким структурам. Но вместе с тем, по его мнению, FinFET будут нужны лишь в высокопроизводительных процессорах и ПЛИС. Развивающийся класс микросхем для мобильных систем может успешно выполняться по 28-нм или даже более старой планарной технологии.
Однако не все были согласны с критикой. Так, профессор Калифорнийского университета в Беркли и бывший главный технолог компании TSMC Ченминг Хью утверждал, что FinFET будут существовать долго, хотя и не до окончания эпохи КМОП-технологии. Целесообразно работать с несколькими типами унифицированных блоков, а не с одним. Вывод прошедшей дискуссии был таков: пока единственный путь развития не определен, скорее всего будут существовать несколько направлений, каждое со своими достоинствами и недостатками [2].
Успехи КМОП-технологии
Трехзатворная FinFET-технология
Сегодня, пожалуй, самая перспективная – это 22-нм трехзатворная (Tri-gate) FinFET-технология, с помощью которой компания Intel намерена реализовать платформу быстродействующих микросхем центрального процессора (ЦП) для высокопроизводительных серверов, а также маломощных и высоковольтных систем на кристалле (СнК) для сотовых телефонов (рис.1) [3].
Правда, для ЦП и СнК требуются различные типы транзисторов – быстродействующие, маломощные, работающие с малым энергопотреблением в режиме ожидания, и высоковольтные, соответственно. Для решения этой проблемы специалисты компании в логических блоках применили транзисторы со структурой затвора - диэлектрик с высокой диэлектрической постоянной k и металлический затвор (HKMG), а в блоках ввода-вывода - транзисторы с другой структурой затвора. Кроме того, шаг затворов и высота ребер маломощных и высоковольтных транзисторов отличаются (см. таблицу). В 22-нм платформе трехзатворных FinFET используются от восьми до 11 слоев металлизации с легированным углеродом оксидом (CDO) с малой и сверхмалой диэлектрической постоянной k. В микросхемах на их основе предусмотрены средства обработки смешанного сигнала и три типа СОЗУ, способных работать на частоте до 2,6 ГГц при напряжении 1 В (против 1,8 ГГц для 32-нм схем), – высокоплотные с малой утечкой (площадь ячейки 0,092 мкм2), низковольтные (0,108 мкм2) и высокопроизводтельные (0,130 мкм2).
Высокопроизводительный процессор представляет собой ЦП Ivy Bridge, ток утечки которого несколько выше, чем у других 22-нм схем. Остальные микросхемы серии – разнообразные системы на кристалле. К достоинствам этих систем компания относит хороший контроль эффекта короткого канала при оптимальном подпороговом наклоне и значении индуцированного стоком снижения барьера (DIBL), равном от 30 до 35 мВ (против 100 мВ для аналогичных схем) [4]. СнК содержит высоковольтные транзисторы ввода-вывода, прецизионные резисторы, МИМ-конденсаторы и элементы индуктивности, которые не входят в версию ЦП.
По утверждению разработчиков, значения параметров высоковольтных 22-нм СнК, предназначенных для быстродействующих интерфейсов Ethernet, HDMI и PCI Express, улучшены на 51–56%. Улучшены в три раза и эксплуатационные характеристики аналоговых схем, которые в трех предшествующих поколениях FinFET-микросхем ухудшались (рис.2).
По данным компании, издержки при производстве СнК на FinFET увеличиваются всего на 3%. В стремлении ликвидировать отставание на рынке микросхем для мобильных систем Intel планирует в 2013 году начать отгрузку 22-нм СнК Atom, а в 2014 – 14-нм версии. В дальнейшем Intel продолжит масштабирование ЦП и СнК на основе трехзатворных транзисторов с проектными нормами до 10 нм (рис.3).
Intel – не единственная компания, развивающая FinFET-технологию. IBM при освоении 14-нм технологии планирует изготавливать транзисторы FinFET на КНИ-подложке, считая эту технологию перспективной для создания элементов размером до 5 нм. За право стать первым поставщиком FinFET-микросхем крупным компаниям, не имеющим собственного производства, таким как Qualcomm и Nvidia, соревнуются ведущие контрактные производители. Так, TSMC в октябре 2012 года объявила о планах создания в конце 2013 года FinFET с 16-нм нормами, а в конце 2015 – начать производство транзисторов с 10-нм нормами. Другой крупный производитель – GlobalFoundries, поставляющий большинство выпускаемых процессоров компании AMD, также намерен начать поставки 10-нм FinFET ЦП в 2015 году и 7-нм процессоров – в 2017 году.
Альтернативы технологии Tri-Gate FinFET
Наиболее часто рассматриваемая альтернатива FinFET – FD-SOI-технология. Активный сторонник этой технологии – компания STMicroelectronics сообщила о готовности к производству СнК, выполненной по 28-нм FD-SOI-технологии. В состав СнК входят многоядерный процессор Cortex-A9 и средства сотовой связи. По сравнению с 28-нм схемами, изготовленными по стандартной технологии, производительность системы может быть на 30% выше при той же потребляемой мощности или энергопотребление – на 30% ниже при той же производительности [5].
Еще одна альтернатива, предложенная компанией SuVolta ранее на конференции IEDM 2011, – технология сильно обедненного канала (Deeply Depleted Channel, DDC). Для получения аналогичных FinFET- и FD-SOI-приборам характеристик эта технология предусматривает жесткий контроль профиля концентрации легирующей примеси в расположенной под каналом транзистора области. Это позволит, по данным разработчиков, более точно контролировать вариации порогового напряжения и снизить напряжение питания схемы. На конференции 2012 года специалисты SuVolta и Fujitsu Semiconductor доложили о повышении производительности 65-нм микросхем, выполненных по DDC-технологии, на 30% при неизменной потребляемой мощности или уменьшении их энергопотребления на 47% без изменения производительности. В первой половине 2013 года компания Fujitsu планирует выпустить по этой технологии 55-нм микросхему. По утверждению разработчиков, энергопотребление 65-нм микросхемы меньше, чем у аналогичного 28-нм устройства, выполненного на объемном кремнии. При этом, несмотря на больший размер DDC-микросхемы, стоимость ее будет ниже [6, 7].
Перспективы дальнейшего масштабирования
Технологии FinFETs and FD-SOI, вероятно, позволят создать микросхемы нескольких новых поколений с проектными нормами до 3- и 5-нм, соответственно. Будущее, по мнению экспертов крупных полупроводниковых компаний, за этими двумя технологиями. Но, как обычно, на конференции было представлено много докладов, посвященных вопросам КМОП-технологии по достижении ее предельных возможностей масштабирования.
ETSOI-технология
Для дальнейшего масштабирования (менее 22 нм) микросхем одной из перспективных считается технология изготовления планарных микросхем на чрезвычайно тонкой КНИ-подложке (Extremely Thin Silicon-on-Insulator, ETSOI), обеспечивающая хороший контроль короткого канала и малый разброс параметров компонентов с нелигированным каналом. Представители компании IBM сообщили о создании первой высокопроизводительной КМОП-схемы с гибридной архитектурой, выполненной по 22-нм ETSOI-технологии [8]. В микросхеме объединены p-канальные транзисторы с тонким напряженным SiGe-каналом и n-канальные транзисторы с кремниевым каналом. В отличие от решения, принятого ранее возглавляемой IBM группой общей платформы (Common Platform group), в которую входят STMicroelectronics, GlobalFoundries, Renesas, Soitec и CEA-LETI, при изготовлении микросхем с проектными нормами 20 нм создавать металлический затвор в последнюю очередь (gate last), затвор в новой микросхеме выполнен в первую очередь (gate first). Объяснение этого, по мнению экспертов, заключается в том, что разрабатываемая микросхема предназначена не для бытовых устройств, а для высокопроизводительных серверов. А изделия высшего класса компания изготавливает именно по технологии gate first. Для уменьшения толщины инверсионного слоя n- и p-канальных транзисторов на 7 и 10%, соответственно, без ухудшения подвижности носителей были модифицированы операции осаждения многослойной структуры затвора и отжига.
Для получения напряженного п-каналного транзистора области истока и стока n-канальных транзисторов впервые были легированы углеродом (e-Si:C). До сих пор считалось, что углерод не остается в замещаемых центрах кристаллической решетки. Но по данным разработчиков, углерод был стабилен вплоть до конечных оперций, даже при нанесении по разработанной технологии 15 слоев металлизации.
Время задержки кольцевого генератора, построенного на основе разработанной микросхемы, составило 11,2 пс/каскад.
Применение материалов с высокой подвижностью носителей
Сегодня активно изучается возможность улучшения характеристик FinFET при использовании в p-канальных транзисторах германия (материала с высокой подвижностью носителей). Но из-за различия постоянных кристаллических решеток германия и кремния непосредственно вырастить Ge на кремниевой подложке трудно, а последовательное осаждение промежуточных слоев с возрастающей концентрацией Ge приводит к усложнению и удорожанию процесса изготовления транзистора.
Специалисты компании TSMC сообщили о результатах проведенных ими исследований возможности непосредственного выращивания Ge на кремнии: при отношении высоты ребра транзистора FinFET к его ширине, равном или больше ~1,4, дефекты на границе перехода Ge-Si будут сосредоточены в нижней части ребра, тогда как верхняя его часть останется бездефектной. На основе такой технологии были изготовлены приборы с отличными подпороговыми характеристиками (наклон – 74 мВ/декаду), крутизной (1,2 мС/мкм при Vdd = 1 В) и хорошим контролем эффекта короткого канала [9].
Успехи нанотехнологии
В последние годы на IEDM всегда были представлены работы в области нанотехнологии. И конференция 2012 года – не исключение. Три доклада привлекли внимание слушателей [10].
В одном из них ученые Массачусетского технологического института (МТИ) сообщили о достижении в трехзатворных нанопроводных p-канальных полевых транзисторах с асимметрично напряженным германиевым каналом и HKMG-затвором максимальной на сегодняшний день подвижности дырок (1490 см2/В∙с) германиевых нанопроводов шириной 49 нм. В экспериментах использовался двухосно напряженный германий, который с помощью электронно-лучевой литографии формировался в нанопровода. В ходе этой операции поперечная деформация нанопроводов ослаблялась, и возникающая в результате деформация нанопровода была асимметричной. Для остановки травления после получения нанопроводов использовался HfO2 – диэлектрик с высокой диэлектрической постоянной. Он также служил для пассивации границы раздела с германием. Разработчики считают, что полученные результаты перспективны для изготовления будущих высокопроизводительных КМОП-схем, но для завершения работы потребуются еще многие и многие исследования.
Группа ученых Университета Пердью изучила возможность построения InGaAs нанопроводных n-канальных полевых транзисторов с круговым затвором. В работе использовались нанопровода шириной 20–35 нм на основе пленки In0,53Ga0,47As, заключенной между пленками In0,65Ga0,35As, характеризуемые высокой подвижностью носителей и низкой плотностью дефектов на границе раздела. Рассматривались транзисторы с тремя различными многослойными структурами затвора. Два затвора формировали пленки Al2O3 толщиной 0,5 нм и LaAlO3 толщиной 4 нм (порядок чередования пленок двух структур различался). Эффективная толщина оксида затвора с такой структурой составляла 1,2 нм. Другую "многослойную" структуру формировала пленка Al2O3 толщиной 3,5 нм, эффективная толщина оксида затвора составляла 1,7 нм. Благодаря малой эффективной толщине оксида получены лучшее сегодня значение крутизны характеристик (1,74 мС/мкм) и наименьшая допороговая крутизна характеристик (63 мВ/декаду). Значение индуцированного стоком снижения барьера (DIBL) транзисторов равно 7 мВ/В, потребляемый ток – 0,63 мА/мкм. Разработчики считают, что созданный ими транзистор перспективен для применения в будущих быстродействующих и маломощных логических приложениях.
И, наконец, группа ученых Швейцарского федерального института технологий Лозанны сообщила о результатах изучения амбиполярных нанопроводных структур – структур, которые могут в реальном времени менять тип проводимости (n- на p-тип и наоборот). Несмотря на распространенное мнение, что такие структуры не пригодны для построения приборов с нормами 22 нм и меньше, исследователи института смогли создать амбиполярный кремниевый нанопроводной полевой транзистор с круговым затвором. Для этого с помощью глубинного реактивного ионного травления получили "набор" из четырех нанопроводов и создали два затвора – один "полярный", присоединяемый к концам нанопроводов и предназначенный для динамичного изменения их полярности, другой в центре провода, – для управления им. Отношение токов включения-отключения созданных приборов было равно 106, допороговая крутизна характеристик – 70 мВ/декаду. Для установления возможности применения разработанного прибора в будущих логических устройствах была построена схема "Исключающий ИЛИ".
Другие заслуживающие внимание доклады
Возможный конкурент графена?
В государстве "Графен" появился новый материал, способный вызвать большой технологический прорыв, – сульфид молибдена (MoS2). По своим свойствам он подобен графену, за исключением одного – в противоположность графену у него есть запрещенная зона шириной 1,8 эВ. А это значит, что на основе сульфида молибдена можно изготавливать транзисторы и микросхемы. О получении методом химического осаждения из газовой фазы однородных, гибких одномолекулярых пленок сульфида молибдена, образованных слоем атомов молибдена, заключенного между двумя слоями атомов серы (рис.4), сообщили специалисты МТИ. На основе нового материала ими изготовлены транзисторы и простые цифровые и аналоговые микросхемы (логический вентиль И-Не и одноразрядный АЦП). Подвижность носителей в MoS2-транзисторах превышала 190 см2/В∙с, отношение токов включения-отключения – 108. Транзистор имел рекордную плотность тока (~20 мкА/мкм). И он работал!
"Пластмассовая" логика
Гибкие схемы перспективны для создания разнообразных инновационных биомедицинских, охранных, пригодных для ношения и других систем. Но пока характеристики гибких схем далеки от совершенства, поскольку их подложки несовместимы с высокотемпературными и агрессивными процессами изготовления КМОП-приборов. Предпринимались попытки изготовить высокопроизводительные КМОП-схемы на кремниевых подложках и затем перенести их на пластик. Но это сложная и дорогостоящая технология. Возможность создания современных гибких КМОП-схем, в том числе СОЗУ и кольцевых генераторов, продемонстрировали специалисты IBM. Они также изготавливали схемы по ETSOI-технологии на кремниевой подложке, а затем с помощью простого дешевого процесса, названного контролируемым отслаиванием, при комнатной температуре отделяли схему от подложки. Толщина кремниевого основания прибора, полученного с помощью этого метода, была равна всего 60 Å, длина затвора – менее 30 нм, расстояние между затворами – 100 нм. Время задержки каскада кольцевого генератора составляло 16 пс при напряжении 0,9 В (по мнению разработчиков, лучшее значение для гибких схем). При переносе схемы наблюдалось некоторое увеличение времени задержки, обусловленное деградацией p-канального транзистора из-за эффектов деформации.
Высоковольтный вакуумный переключатель для систем эффективного энергоснабжения
Сегодня многие компании работают над созданием "интеллектуальных" систем эффективного энергоснабжения. Однако для управления ими необходимы надежные малогабаритные высоковольтные (≥100 кВ) переключатели. Создавать такие переключатели целесообразно на основе вакуумных приборов. Но их масштабируемость и однородность источников электронов далеко не оптимальные, что ограничивает их применение. Специалисты Национального института перспективной промышленной науки и технологии Японии доложили о создании источника электронов, свободного от этих недостатков. Источник (на основе p-i-n-диода) изготавливался на алмазе с поверхностью, завершающейся водородом, отрицательное электронное сродство которого позволяет при включении диода получать большой ток в сильном вакууме. Разработчиками были изготовлены вакуумные переключатели на напряжение 10 кВ. Согласно их расчетам, напряжение источников может быть увеличено до 100 кВ или даже выше при эффективности более 99%.
Литература
Lammers D. FinFETs may never come in, IBM fellow claims. –www.eetimes.com/electronics-news/4403075/IBM–Intel-face-off-in-22-nm-process-at-IEDM
Merritt R. Intel’s FinFETs approach draws fire from rivals. – www.eetimes.com/electronics-news/4403320/Fur-flies-over-FinFETs-and-future-in-IEDM-panel
Barak S. Intel’s 22-nm tri-gate SoC, how low can you leak? – www.eetimes.com/electronics-news/4403044/Intel-s-22-nm-trigate-SoC–-how-low-can-you-leak
Merritt R. IBM, Intel face off at 22 nm. – www.eetimes.com/electronics-news/4403075/IBM–Intel-face-off-in-22-nm-process-at-IEDM
Morris J. The chip industry’s looming 20-nanometer cliff. – www.zdnet.com/the-chip-industrys-looming-20-nanometer-cliff-7000008837
Miller M.J. IEDM Promises Breakthroughs in Chip Manufacturing. – forwardthinking.pcmag.com/none/305880-iedm-promises-breakthroughs-in-chip-manufacturing
Clarke P. SuVolta positions DDC as node life extender. – www.eetimes.com/electronics-news/4375857/SuVolta-positions-DDC-as-node-life-extender
James D. IBM surprises with 22nm details at IEDM. – www.electroiq.com/blogs/chipworks_real_chips_blog/2012/12/ibm-surprises-with-22nm-details-at-iedm.html
Collins L. Intel, TSMC finFETs to star at IEDM. – http://www.techdesignforums.com/blog/2012/10/11/intel-tsmc-finfet-iedm/
Moyer B. Nanowire Advancements. – www.eejournal.com/blog/nanowire-advancements
Конец света 21 декабря 2012 года не наступил, неожиданно не прекратится и действие закона Мура – движущей силы развития электронной техники. Но эпоха "спокойного уплотнения" прошла, и, несмотря на активно принимаемые инновационные меры, кремниевые КМОП-микросхемы в конце концов "сойдут с дистанции". Что же дальше? Будущее полупроводниковой технологии активно обсуждалось экспертами на дискуссии, посвященной проблемам масштабирования.
Технология трехмерных полевых транзисторов FinFET, популяризируемая компанией Intel, не у всех производителей находит поддержку. По мнению главного технолога по полупроводниковой технике Исследовательского центра Ватсона компании IBM Гхавама Шахиди, технология FinFET никогда "не случится" из-за производственных и конструкторских проблем. Вместо затрат на развитие этой технологии правительства и полупроводниковая промышленность должны увеличивать объем финансирования работ, направленных на решение критических проблем – улучшение качества диэлектриков с низкой и высокой диэлектрической проницаемостью k и рабочих характеристик микросхем за счет применения германия или полупроводниковых соединений III-V. Сейчас же миллиарды долларов, ассигнуемых правительствами на исследования в области полупроводниковой технологии, расходуются на экзотические работы, тогда как реальные задачи, с которыми столкнется промышленность в последующие десять лет, не решаются. Вред промышленности наносит и нежелание разрабатывающих организаций обмениваться информацией.
Шахиди отметил, что ряд компаний, в том числе и IBM, создают "отличные" FinFET. Но изготавливать высокие "тощие" структуры на коммерческих кремниевых пластинах, особенно по мере их миниатюризации, затруднительно [1]. Вот почему IBM продвигает технологию формирования структур на основе полностью обедненного кремния на изоляторе (Fully-Depleted Silicon-On-Insulator, FD-SOI).
Шахиди также считает, что 22-нм технология транзистора с тройным затвором не оправдала ожиданий: мощность микропроцессора Ivy Bridge, выполненного по этой технологии, снижена всего на 20% против 35 для предыдущего поколении 32-нм микросхем. Критику вызвало и решение Intel легировать канал FinFET, что, по мнению руководителя технологического направления компании SuVolta Скотта Томпсона, не обеспечивает снижения потребляемой мощности и увеличения быстродействия. Для получения множества пороговых напряжений, требуемых в аналоговых системах на кристалле для мобильных устройств, компании нужно изготавливать нелегированные FinFET. И Томпсон считает, что при освоении 14-нм технологии Intel может обратиться к таким структурам. Но вместе с тем, по его мнению, FinFET будут нужны лишь в высокопроизводительных процессорах и ПЛИС. Развивающийся класс микросхем для мобильных систем может успешно выполняться по 28-нм или даже более старой планарной технологии.
Однако не все были согласны с критикой. Так, профессор Калифорнийского университета в Беркли и бывший главный технолог компании TSMC Ченминг Хью утверждал, что FinFET будут существовать долго, хотя и не до окончания эпохи КМОП-технологии. Целесообразно работать с несколькими типами унифицированных блоков, а не с одним. Вывод прошедшей дискуссии был таков: пока единственный путь развития не определен, скорее всего будут существовать несколько направлений, каждое со своими достоинствами и недостатками [2].
Успехи КМОП-технологии
Трехзатворная FinFET-технология
Сегодня, пожалуй, самая перспективная – это 22-нм трехзатворная (Tri-gate) FinFET-технология, с помощью которой компания Intel намерена реализовать платформу быстродействующих микросхем центрального процессора (ЦП) для высокопроизводительных серверов, а также маломощных и высоковольтных систем на кристалле (СнК) для сотовых телефонов (рис.1) [3].
Правда, для ЦП и СнК требуются различные типы транзисторов – быстродействующие, маломощные, работающие с малым энергопотреблением в режиме ожидания, и высоковольтные, соответственно. Для решения этой проблемы специалисты компании в логических блоках применили транзисторы со структурой затвора - диэлектрик с высокой диэлектрической постоянной k и металлический затвор (HKMG), а в блоках ввода-вывода - транзисторы с другой структурой затвора. Кроме того, шаг затворов и высота ребер маломощных и высоковольтных транзисторов отличаются (см. таблицу). В 22-нм платформе трехзатворных FinFET используются от восьми до 11 слоев металлизации с легированным углеродом оксидом (CDO) с малой и сверхмалой диэлектрической постоянной k. В микросхемах на их основе предусмотрены средства обработки смешанного сигнала и три типа СОЗУ, способных работать на частоте до 2,6 ГГц при напряжении 1 В (против 1,8 ГГц для 32-нм схем), – высокоплотные с малой утечкой (площадь ячейки 0,092 мкм2), низковольтные (0,108 мкм2) и высокопроизводтельные (0,130 мкм2).
Высокопроизводительный процессор представляет собой ЦП Ivy Bridge, ток утечки которого несколько выше, чем у других 22-нм схем. Остальные микросхемы серии – разнообразные системы на кристалле. К достоинствам этих систем компания относит хороший контроль эффекта короткого канала при оптимальном подпороговом наклоне и значении индуцированного стоком снижения барьера (DIBL), равном от 30 до 35 мВ (против 100 мВ для аналогичных схем) [4]. СнК содержит высоковольтные транзисторы ввода-вывода, прецизионные резисторы, МИМ-конденсаторы и элементы индуктивности, которые не входят в версию ЦП.
По утверждению разработчиков, значения параметров высоковольтных 22-нм СнК, предназначенных для быстродействующих интерфейсов Ethernet, HDMI и PCI Express, улучшены на 51–56%. Улучшены в три раза и эксплуатационные характеристики аналоговых схем, которые в трех предшествующих поколениях FinFET-микросхем ухудшались (рис.2).
По данным компании, издержки при производстве СнК на FinFET увеличиваются всего на 3%. В стремлении ликвидировать отставание на рынке микросхем для мобильных систем Intel планирует в 2013 году начать отгрузку 22-нм СнК Atom, а в 2014 – 14-нм версии. В дальнейшем Intel продолжит масштабирование ЦП и СнК на основе трехзатворных транзисторов с проектными нормами до 10 нм (рис.3).
Intel – не единственная компания, развивающая FinFET-технологию. IBM при освоении 14-нм технологии планирует изготавливать транзисторы FinFET на КНИ-подложке, считая эту технологию перспективной для создания элементов размером до 5 нм. За право стать первым поставщиком FinFET-микросхем крупным компаниям, не имеющим собственного производства, таким как Qualcomm и Nvidia, соревнуются ведущие контрактные производители. Так, TSMC в октябре 2012 года объявила о планах создания в конце 2013 года FinFET с 16-нм нормами, а в конце 2015 – начать производство транзисторов с 10-нм нормами. Другой крупный производитель – GlobalFoundries, поставляющий большинство выпускаемых процессоров компании AMD, также намерен начать поставки 10-нм FinFET ЦП в 2015 году и 7-нм процессоров – в 2017 году.
Альтернативы технологии Tri-Gate FinFET
Наиболее часто рассматриваемая альтернатива FinFET – FD-SOI-технология. Активный сторонник этой технологии – компания STMicroelectronics сообщила о готовности к производству СнК, выполненной по 28-нм FD-SOI-технологии. В состав СнК входят многоядерный процессор Cortex-A9 и средства сотовой связи. По сравнению с 28-нм схемами, изготовленными по стандартной технологии, производительность системы может быть на 30% выше при той же потребляемой мощности или энергопотребление – на 30% ниже при той же производительности [5].
Еще одна альтернатива, предложенная компанией SuVolta ранее на конференции IEDM 2011, – технология сильно обедненного канала (Deeply Depleted Channel, DDC). Для получения аналогичных FinFET- и FD-SOI-приборам характеристик эта технология предусматривает жесткий контроль профиля концентрации легирующей примеси в расположенной под каналом транзистора области. Это позволит, по данным разработчиков, более точно контролировать вариации порогового напряжения и снизить напряжение питания схемы. На конференции 2012 года специалисты SuVolta и Fujitsu Semiconductor доложили о повышении производительности 65-нм микросхем, выполненных по DDC-технологии, на 30% при неизменной потребляемой мощности или уменьшении их энергопотребления на 47% без изменения производительности. В первой половине 2013 года компания Fujitsu планирует выпустить по этой технологии 55-нм микросхему. По утверждению разработчиков, энергопотребление 65-нм микросхемы меньше, чем у аналогичного 28-нм устройства, выполненного на объемном кремнии. При этом, несмотря на больший размер DDC-микросхемы, стоимость ее будет ниже [6, 7].
Перспективы дальнейшего масштабирования
Технологии FinFETs and FD-SOI, вероятно, позволят создать микросхемы нескольких новых поколений с проектными нормами до 3- и 5-нм, соответственно. Будущее, по мнению экспертов крупных полупроводниковых компаний, за этими двумя технологиями. Но, как обычно, на конференции было представлено много докладов, посвященных вопросам КМОП-технологии по достижении ее предельных возможностей масштабирования.
ETSOI-технология
Для дальнейшего масштабирования (менее 22 нм) микросхем одной из перспективных считается технология изготовления планарных микросхем на чрезвычайно тонкой КНИ-подложке (Extremely Thin Silicon-on-Insulator, ETSOI), обеспечивающая хороший контроль короткого канала и малый разброс параметров компонентов с нелигированным каналом. Представители компании IBM сообщили о создании первой высокопроизводительной КМОП-схемы с гибридной архитектурой, выполненной по 22-нм ETSOI-технологии [8]. В микросхеме объединены p-канальные транзисторы с тонким напряженным SiGe-каналом и n-канальные транзисторы с кремниевым каналом. В отличие от решения, принятого ранее возглавляемой IBM группой общей платформы (Common Platform group), в которую входят STMicroelectronics, GlobalFoundries, Renesas, Soitec и CEA-LETI, при изготовлении микросхем с проектными нормами 20 нм создавать металлический затвор в последнюю очередь (gate last), затвор в новой микросхеме выполнен в первую очередь (gate first). Объяснение этого, по мнению экспертов, заключается в том, что разрабатываемая микросхема предназначена не для бытовых устройств, а для высокопроизводительных серверов. А изделия высшего класса компания изготавливает именно по технологии gate first. Для уменьшения толщины инверсионного слоя n- и p-канальных транзисторов на 7 и 10%, соответственно, без ухудшения подвижности носителей были модифицированы операции осаждения многослойной структуры затвора и отжига.
Для получения напряженного п-каналного транзистора области истока и стока n-канальных транзисторов впервые были легированы углеродом (e-Si:C). До сих пор считалось, что углерод не остается в замещаемых центрах кристаллической решетки. Но по данным разработчиков, углерод был стабилен вплоть до конечных оперций, даже при нанесении по разработанной технологии 15 слоев металлизации.
Время задержки кольцевого генератора, построенного на основе разработанной микросхемы, составило 11,2 пс/каскад.
Применение материалов с высокой подвижностью носителей
Сегодня активно изучается возможность улучшения характеристик FinFET при использовании в p-канальных транзисторах германия (материала с высокой подвижностью носителей). Но из-за различия постоянных кристаллических решеток германия и кремния непосредственно вырастить Ge на кремниевой подложке трудно, а последовательное осаждение промежуточных слоев с возрастающей концентрацией Ge приводит к усложнению и удорожанию процесса изготовления транзистора.
Специалисты компании TSMC сообщили о результатах проведенных ими исследований возможности непосредственного выращивания Ge на кремнии: при отношении высоты ребра транзистора FinFET к его ширине, равном или больше ~1,4, дефекты на границе перехода Ge-Si будут сосредоточены в нижней части ребра, тогда как верхняя его часть останется бездефектной. На основе такой технологии были изготовлены приборы с отличными подпороговыми характеристиками (наклон – 74 мВ/декаду), крутизной (1,2 мС/мкм при Vdd = 1 В) и хорошим контролем эффекта короткого канала [9].
Успехи нанотехнологии
В последние годы на IEDM всегда были представлены работы в области нанотехнологии. И конференция 2012 года – не исключение. Три доклада привлекли внимание слушателей [10].
В одном из них ученые Массачусетского технологического института (МТИ) сообщили о достижении в трехзатворных нанопроводных p-канальных полевых транзисторах с асимметрично напряженным германиевым каналом и HKMG-затвором максимальной на сегодняшний день подвижности дырок (1490 см2/В∙с) германиевых нанопроводов шириной 49 нм. В экспериментах использовался двухосно напряженный германий, который с помощью электронно-лучевой литографии формировался в нанопровода. В ходе этой операции поперечная деформация нанопроводов ослаблялась, и возникающая в результате деформация нанопровода была асимметричной. Для остановки травления после получения нанопроводов использовался HfO2 – диэлектрик с высокой диэлектрической постоянной. Он также служил для пассивации границы раздела с германием. Разработчики считают, что полученные результаты перспективны для изготовления будущих высокопроизводительных КМОП-схем, но для завершения работы потребуются еще многие и многие исследования.
Группа ученых Университета Пердью изучила возможность построения InGaAs нанопроводных n-канальных полевых транзисторов с круговым затвором. В работе использовались нанопровода шириной 20–35 нм на основе пленки In0,53Ga0,47As, заключенной между пленками In0,65Ga0,35As, характеризуемые высокой подвижностью носителей и низкой плотностью дефектов на границе раздела. Рассматривались транзисторы с тремя различными многослойными структурами затвора. Два затвора формировали пленки Al2O3 толщиной 0,5 нм и LaAlO3 толщиной 4 нм (порядок чередования пленок двух структур различался). Эффективная толщина оксида затвора с такой структурой составляла 1,2 нм. Другую "многослойную" структуру формировала пленка Al2O3 толщиной 3,5 нм, эффективная толщина оксида затвора составляла 1,7 нм. Благодаря малой эффективной толщине оксида получены лучшее сегодня значение крутизны характеристик (1,74 мС/мкм) и наименьшая допороговая крутизна характеристик (63 мВ/декаду). Значение индуцированного стоком снижения барьера (DIBL) транзисторов равно 7 мВ/В, потребляемый ток – 0,63 мА/мкм. Разработчики считают, что созданный ими транзистор перспективен для применения в будущих быстродействующих и маломощных логических приложениях.
И, наконец, группа ученых Швейцарского федерального института технологий Лозанны сообщила о результатах изучения амбиполярных нанопроводных структур – структур, которые могут в реальном времени менять тип проводимости (n- на p-тип и наоборот). Несмотря на распространенное мнение, что такие структуры не пригодны для построения приборов с нормами 22 нм и меньше, исследователи института смогли создать амбиполярный кремниевый нанопроводной полевой транзистор с круговым затвором. Для этого с помощью глубинного реактивного ионного травления получили "набор" из четырех нанопроводов и создали два затвора – один "полярный", присоединяемый к концам нанопроводов и предназначенный для динамичного изменения их полярности, другой в центре провода, – для управления им. Отношение токов включения-отключения созданных приборов было равно 106, допороговая крутизна характеристик – 70 мВ/декаду. Для установления возможности применения разработанного прибора в будущих логических устройствах была построена схема "Исключающий ИЛИ".
Другие заслуживающие внимание доклады
Возможный конкурент графена?
В государстве "Графен" появился новый материал, способный вызвать большой технологический прорыв, – сульфид молибдена (MoS2). По своим свойствам он подобен графену, за исключением одного – в противоположность графену у него есть запрещенная зона шириной 1,8 эВ. А это значит, что на основе сульфида молибдена можно изготавливать транзисторы и микросхемы. О получении методом химического осаждения из газовой фазы однородных, гибких одномолекулярых пленок сульфида молибдена, образованных слоем атомов молибдена, заключенного между двумя слоями атомов серы (рис.4), сообщили специалисты МТИ. На основе нового материала ими изготовлены транзисторы и простые цифровые и аналоговые микросхемы (логический вентиль И-Не и одноразрядный АЦП). Подвижность носителей в MoS2-транзисторах превышала 190 см2/В∙с, отношение токов включения-отключения – 108. Транзистор имел рекордную плотность тока (~20 мкА/мкм). И он работал!
"Пластмассовая" логика
Гибкие схемы перспективны для создания разнообразных инновационных биомедицинских, охранных, пригодных для ношения и других систем. Но пока характеристики гибких схем далеки от совершенства, поскольку их подложки несовместимы с высокотемпературными и агрессивными процессами изготовления КМОП-приборов. Предпринимались попытки изготовить высокопроизводительные КМОП-схемы на кремниевых подложках и затем перенести их на пластик. Но это сложная и дорогостоящая технология. Возможность создания современных гибких КМОП-схем, в том числе СОЗУ и кольцевых генераторов, продемонстрировали специалисты IBM. Они также изготавливали схемы по ETSOI-технологии на кремниевой подложке, а затем с помощью простого дешевого процесса, названного контролируемым отслаиванием, при комнатной температуре отделяли схему от подложки. Толщина кремниевого основания прибора, полученного с помощью этого метода, была равна всего 60 Å, длина затвора – менее 30 нм, расстояние между затворами – 100 нм. Время задержки каскада кольцевого генератора составляло 16 пс при напряжении 0,9 В (по мнению разработчиков, лучшее значение для гибких схем). При переносе схемы наблюдалось некоторое увеличение времени задержки, обусловленное деградацией p-канального транзистора из-за эффектов деформации.
Высоковольтный вакуумный переключатель для систем эффективного энергоснабжения
Сегодня многие компании работают над созданием "интеллектуальных" систем эффективного энергоснабжения. Однако для управления ими необходимы надежные малогабаритные высоковольтные (≥100 кВ) переключатели. Создавать такие переключатели целесообразно на основе вакуумных приборов. Но их масштабируемость и однородность источников электронов далеко не оптимальные, что ограничивает их применение. Специалисты Национального института перспективной промышленной науки и технологии Японии доложили о создании источника электронов, свободного от этих недостатков. Источник (на основе p-i-n-диода) изготавливался на алмазе с поверхностью, завершающейся водородом, отрицательное электронное сродство которого позволяет при включении диода получать большой ток в сильном вакууме. Разработчиками были изготовлены вакуумные переключатели на напряжение 10 кВ. Согласно их расчетам, напряжение источников может быть увеличено до 100 кВ или даже выше при эффективности более 99%.
Литература
Lammers D. FinFETs may never come in, IBM fellow claims. –www.eetimes.com/electronics-news/4403075/IBM–Intel-face-off-in-22-nm-process-at-IEDM
Merritt R. Intel’s FinFETs approach draws fire from rivals. – www.eetimes.com/electronics-news/4403320/Fur-flies-over-FinFETs-and-future-in-IEDM-panel
Barak S. Intel’s 22-nm tri-gate SoC, how low can you leak? – www.eetimes.com/electronics-news/4403044/Intel-s-22-nm-trigate-SoC–-how-low-can-you-leak
Merritt R. IBM, Intel face off at 22 nm. – www.eetimes.com/electronics-news/4403075/IBM–Intel-face-off-in-22-nm-process-at-IEDM
Morris J. The chip industry’s looming 20-nanometer cliff. – www.zdnet.com/the-chip-industrys-looming-20-nanometer-cliff-7000008837
Miller M.J. IEDM Promises Breakthroughs in Chip Manufacturing. – forwardthinking.pcmag.com/none/305880-iedm-promises-breakthroughs-in-chip-manufacturing
Clarke P. SuVolta positions DDC as node life extender. – www.eetimes.com/electronics-news/4375857/SuVolta-positions-DDC-as-node-life-extender
James D. IBM surprises with 22nm details at IEDM. – www.electroiq.com/blogs/chipworks_real_chips_blog/2012/12/ibm-surprises-with-22nm-details-at-iedm.html
Collins L. Intel, TSMC finFETs to star at IEDM. – http://www.techdesignforums.com/blog/2012/10/11/intel-tsmc-finfet-iedm/
Moyer B. Nanowire Advancements. – www.eejournal.com/blog/nanowire-advancements
Отзывы читателей
