1 / 45

Проблемы развития кремниевой микро- и наноэлектроники

Проблемы развития кремниевой микро- и наноэлектроники. А.А.Орликовский Физико-технологический институт РАН director@ftian.ru. ФТИАН. Содержание. Развитие высокопроизводительной литографии ( ~ 100 пластин/час). Проблемы энерговыделения и теплоотвода в КМОП СБИС.

keita
Download Presentation

Проблемы развития кремниевой микро- и наноэлектроники

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Проблемы развития кремниевой микро- и наноэлектроники А.А.Орликовский Физико-технологический институт РАН director@ftian.ru ФТИАН

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

  3. Закон Мура ФТИАН

  4. Развитие оптическойлитографии R = k1/NA k1 – несовершенство систем изображения, дифракционные эффекты, несовершенство регистрирующей среды. • Оптимальная коррекция шаблонов • Оптимизация резистов • Совершенствование оптической системы  = 193 нм NA=0,95;k1=0,25; R= 50 нм ФТИАН

  5. Оптические степперы-сканеры • 1. 436 нм (g-линия) • 2. 365 нм (i-линия) • 3. 248 нм (KrF) • 4. 193 нм (ArF) ФТИАН

  6. Иммерсионная литографияλ = 193 нм R = k1/NA • NAimm = nNAdry, • n – коэффициент преломления n = 1,436 (вода на  = 193 нм )и NAimm=1,35 R = 37нм !!! • DOF = k2 /NA2 DOF = 150 нм Проблемы: новые источники дефектов (пузырьки, капли) ФТИАН

  7. Проблемы иммерсионной литографии ФТИАН

  8. Перспективы иммерсионной литографиина 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. ФТИАН

  9. Двойное экспонирование и проявление (double patterning) ФТИАН

  10. Двойное экспонирование(double patterning) ФТИАН

  11. 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 10000 пучков, производительность от 5 до 30 пластин/час ФТИАН

  12. ЭУФ-литография NA=0,25 – 0,40; k1=0,6 – 0,4; R = 32 – 12 нм • 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. ФТИАН

  13. ЭУФ-литография Проблемы: - ЭУФ-источник с высокой оптической мощностью (115 и 180 Вт для чувствительности резистов 5 и 10 мДж/см2), - 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 ФТИАН

  14. Эволюция уровня выделения тепла в блоках высокопроизводительных ЭВМ ФТИАН

  15. КМОП СБИС затвор исток сток Подложка КМОП ИС – 90% рынка ИС с начала 1980-х годов PΣ≈ CΣ f (Vп)2 Lк=10 нм, CΣ = 5х10-17Ф, f=10 ГГц, N=5.109, Vп=1B, PΣ = 2,5кВт !!! ФТИАН

  16. Воздушное охлаждение Р=60-85 Вт/см2 RT1= 0,20-0,27 0C/Вт Р = 141,5 Ра RT2 = 0,10-0,07 0C/Вт ФТИАН

  17. Жидкостное охлаждение:непрямое (микроканалы < 0,1 мм) T = 600C, Р= 227 Вт/см2 (а), 320 Вт/см2(b), 397 Вт/см2(c) ФТИАН

  18. Прямое охлаждение кристалла процессора водой: распылением и струйное ФТИАН

  19. Прямое охлаждение кристалла процессора водой: Power 6, 65 нм 5.104 микроканалов шириной 30-50 мкм P 400 Вт/см2 при низкой мощности насоса ФТИАН

  20. ITRS Product Technology Trends Fig 7&8 Simplified – Option 1 After 1998 .71X/2YR MPU M1 .71X/2.5YR Before 1998 .71X/3YR MPU & DRAM M1 & Flash Poly .71X/3YR Flash Poly .71X/2YR Gate Length .71X/3YR GLpr IS = 1.6818 x GLph Nanotechnology (<100nm) Era Begins -1999 2005 - 2020 ITRS Range ФТИАН

  21. Быстродействие ВПСК 1. f ~ 1/Lk при Lk≥ 100 нм f/P ~ (1/Lk)3 2. При Lk≤ 100 нм f/P ~ (1/Lk)2 В области длин канала 100 нм зависимость потребляемой мощности от длины канала меняется ФТИАН

  22. МДП-транзистор«Золотое время масштабирования» закончилось при МР ~ 100 нм З И С Подложка • Увеличение Nk приводит к катастрофическому снижениюподвижности носителей в канале • Напряжение питания (~1 В) уменьшать возможно только в ущерб производительности • Толщина подзатворного диэлектрика становится туннельно тонкой • Сопротивление поли-Si затворастановится неудовлетворительно высоким ФТИАН

  23. Напряжение питанияVп мин = 0,8 – 1,0 B • Iвкл μCox(Wk/2Lk)(Vп-Vпор)2 • Iвыкл~μ(Wk/Lk)(kT/e)2exp(-Vпор/nkT), n>1 • Vп снижать нельзя из-за • снижения Iвкл→  • 2.Vпор снижать нельзя из-за • экспоненциального • увеличения Iвыкли • неизбежного • большого разбросаVпор ФТИАН

  24. Полная рассеиваемая кристаллом мощность PΣ≈ CΣ f (Uп)2+IутUп+ IвыклUп Токи утечки: Iox- ток прямого туннелирования через подзатворный диэлектрик, Ip-n – ток утечки обратно смещенного р-п перехода «сток-подложка», Iист-ст – ток прямого туннелирования «исток-сток» ФТИАН

  25. Увеличение доли статической мощности(высокопроизводительные системы на кристалле - ВПСК) • Увеличение производительности ВПСК осуществляется схемотехническими, архитектурными и алгоритмическими средствами • С уменьшением Lkплотность статической мощности становится сравнимой с плотностью динамической мощности ФТИАН

  26. Ток прямого туннелирования «исток-сток» Ток туннелированияIT ~ exp{-2(2mUb/ћW2)1/2}, Ub – высота барьера над уровнем Ферми в контактах, W – ширина барьера. Термоэммиссионный ток (в закрытом состоянии) ITE ~ exp {- (Ub/kT)}. Условие преобладанияITнадITE : W< (ћ2Ub/8mkT)1/2. ITE = 10-9 A/мкм, Ub/kT = 20 -→ W(Lk) < 12 нм Эксперимент: при Lk = 5 нм IT~ 10-6A/мкм (J.Lolivier et al. SOI2005) ФТИАН

  27. Вклад тока туннелирования «сток-исток» в статическую мощность Туннельный транзистор: смена концепции, схемотехники, материалов(?) 2015 год:Lk = 10 нм, N = 5.109 МДП КНИ транзисторов Рст = 10-9 А/мкм х(30х10-3 мкм)х1Вх 5.109 = 150 мВт 2020 год:Lk = 5нм, N = 5.1010 транзисторов Рст = 10-6 А/мкм х (15х10-3мкм)х1Вх5.1010 = 750 Вт (!) ФТИАН

  28. Эволюция структуры МДП-транзистора • Подзатворный диэлектрик в высоким(ZrO2, HfO2, ZrSiO4, HfSiO4, Si3N4, Al2O3и 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) Iвкл μCox(Wk/2Lk)(Vп-Vпор)2 • Сверхмелкое легирование областей стока и истока (xj ~ 10 нм и меньше) ФТИАН

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

  30. Эволюция структуры МДП транзистора ФТИАН

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

  32. 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. ФТИАН

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

  34. 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) ФТИАН

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

  36. Сопротивление медных проводников • Зависимость от ширины проводника • Зависимость от аспектного отношения ФТИАН

  37. Non-conformal deposition Sacrificial material Input signal Crosstalk level Задержки сигналов в соединениях и наведенные сигналы (помехи) 10-кратное увеличение задержек в глобальных уровнях соединений kc = CIMD / CILD ФТИАН

  38. Проблемы и особенности деградации медной металлизации • Кинетика разрушения: электромиграция вакансий, генерация и эволюция напряжений и деформаций, образование и развитие вакансионных кластеров (плотности тока > 105 -106A/см2 ) • 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10-10 А/m2 ФТИАН

  39. 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 Сuметаллизации) • 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) ФТИАН

  40. 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 ФТИАН

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

  42. Оптические соединения • Лазеры и фотоприемники ФТИАН

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

  44. Заключение • 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 литографиив суб-10 нм диапазоне минимальных размеров • Проблема большого энергопотребления • Проблема выполнения требований к разбросу параметров транзисторов • Проблема создания высоконадежных и скоростных соединений на кристалле ФТИАН

  45. 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. ФТИАН

More Related