A mikroelektronikai technológia kihívásai

1. A mikroelektronikai technológia kihívásai Németh Ágoston

2. Bevezető • A miniatürizálás távlatai • Problémák rövidtávon (-2007) • Problémák hosszú távon (2008-2016)

3. ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) • USA 1992 • ITRS néven nemzetközi szervezet 1998 • Célja: meghatározni a félvezetőipar rövid és hosszú távú szükségleteit és kutatni ezek megoldási lehetőségeit • Felépítése: 12 nemzetközi munkacsoport, 800 szakértővel

4. ITRS felépítése

5. Az ITWG-k fő tématerületei • Design (D) • Test (T) • Process Integration, Devices and Structures (PI, D, S) • Front End Process (FEP) • Litography (L) • Interconnect (I) • Factory Integration (FI) • Assembly and Packaging (A, P) • Environment, Safety and Health (E, S, H) • Yield Enchancement (YE) • Metrology (M) • Modelling and Simulation (M, S)

6. Az IC szükségletek hierarchiája

8. Gate-hossz változása

9. Half Pitch változása

10. RED BRICK WALL

11. Rövidtávú kihívások(-2007)

12. Rövidtávú kihívások

13. Rövidtávú kihívásokTeljesítmény növelés • Mos teljesítmény és szivárgás (PI, D, S) • Kis teljesítményfelvételű logikáknál (Hordozható eszközök..) fő szempont a kis szivárgási áram az akku élettartam növelése miatt • Az eszköz teljesítménye ezzel összhangban nő • Szivárgások: • Gate szivárgás • Sub-threshold és junktion szivárgás • Sáv-sáv tunelezés • Feladat: nagy  dilelektrikumú gate (~2005)

14. Rövidtávú kihívásokTeljesítmény növelés • Nem klasszikus CMOS gyártás (PI, D, S, FEP) • A gate hosszúság gyors és hozzá képest lassú gate oxid vastagság scale down körülményessé teszi a hagyományos CMOS scale down-t • Új struktúrák kifejlesztésére van szükség (Dupla gate-es MOS, FinFET…) • Feladat: • Időzítési problémák, • technológiába integrálás, • minősítés (~2007)

15. Rövidtávú kihívásokTeljesítmény növelés

16. Rövidtávú kihívásokTeljesítmény növelés • Új gate struktúrák és anyagok (FEP) • A gate hosszúság csökkentése magával kell, hogy hozza a source és drain átmenet mélységek és gate dielektrikum vastagság csökkenését, hogy a teljesítménynövekedés realizálható legyen • Jelen helyzetben ez 2nm-es oxidot jelentene ami a szivárgási áram miatt nem lenne praktikus • Feladat: Nagy dielektromos állandójú () anyag alkalmazása, és alternatív gate elektróda anyag bevezetése

17. Rövidtávú kihívásokTeljesítmény növelés • CMOS integrálás az új memória anyagokhoz és technológiákhoz (FEP) • A DRAM scaling-et meghatározza a legkisebb kapacitásérték, ami nem lehet kisebb 25-35 fF-nál • Kisebb területű kondenzátorok nagyobb dielektromos állandójú anyag kell. Előre látható, hogy a Silicon-Insulator-Silicon (SIS) struktúrát felváltja a Metal-Insulator-Metal (MIM) struktúra • A Flash memóriáknál a beíró feszültség csökkentése a tunel oxid vékonyítását követeli meg. Ami magával hozza az emlékezet rövidülését. Ezzel együtt csökkenteni kell az inter-poly oxid vastagságát, ami megintcsak az emlékezetrövidülést okozza • Feladat: új inter-poly és tunel anyagok bevezetése

18. Rövidtávú kihívásokTeljesítmény növelés • CD és Leff kontroll (FEP, L) • A Critical Dimension (CD) kontrollálása a gate szinten mindig is a legnagyobb kihívások közé tartozott. Új eljárásokkal már lehetőség van a rezisztben előhívott csíkszélességnél kisebb effektív gate hosszúság (Leff) kialakítására • Problémát jelet a marási élek beállítása és a marási stop beállítása mielőtt a rendkívül vékony gate oxidon trenchet vágnánk

19. Rövidtávú kihívásokTeljesítmény növelés • Technológia kontroll (L) • A befedettség és a csíkszélesség kontrollálása is kihívást jelent. Nem eldöntött, hogy a szélesség vastagság milyen aránya ideális. • A reziszt vonal érdessége, hogy a gate szélesség megfelelően kontrollálható legyen, egy polimer egység nagyságrendjébe kell, hogy essen • Feladat: Teljesen új rendszerű, kompatíbilis, költségkímélő megvilágító berendezés kifejlesztése

20. Rövidtávú kihívásokTeljesítmény növelés

21. Rövidtávú kihívásokTeljesítmény növelés • Új eljárások és struktúrák integrálása (I) • Új anyagok, eljárások és struktúrák bevezetése tovább növelik a a technológia komplexitását. A kontaktus lyukak és a barrier fém előállításakor kölcsönhatásba kerül a vezetékezés és a szigetelő réteg. • Feladat: Olyan technológia kidolgozása, amely a további méretcsökkenés miatt fokozódó fém diffúziót kivédi.

22. Rövidtávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Power Management (D) • A kis teljesítményfelvételű eszközök statikus áramfelvétele 10-szeresére nő technológiai csomópontonként és a nagy teljesítményű MPU disszipációja 15 éven belül 25-szörösére nő, ami a tokozás által szabott határ. • Feladat: Olyan Power Management megalkotása, ami rugalmasan kapcsolja az áramkörök tápellátását, alkalmazva multi-Vt, multi-Tox, multi-Vdd megoldásokat

23. Rövidtávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Nagysebességű eszköz interfészek (T, TE) • Egyike a legfőbb redblockoknak az egyre nagyobb frekvenciájú, egyre több mérőtűs tesztberendezések iránti igény • Az interfész eszközöknek hasonló csíkszélességűnek és integráltságúnak kell lenni, különösen a nagyfrekvenciás differenciál I/O és analóg áramkörökben, máskülönben zaj keletkezik • Feladat: Megfelelő Design-For-Test (DFT) és Design-For-Manufacturing (DFM) kifejlesztése

24. Rövidtávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Nagy integráltságú tervezés és SoCs (T, TE) • A strukturált DFT megköveteli a megfelelően sok hozzáférést a különálló blokkokhoz és a Built-in Self Test (BIST) megfelelő használatához • Fő probléma az RF és nagy számú zajos áramköröket tartalmazó tesztchipek alkalmazása • Feladat: • A teszt interfészek egyszerűsítése és lassú de folyamatos kapacitásbővítése és az analóg DFT és BIST továbbfejlesztése • A DTF komplexebb tervezésével lecsökkenteni a tesztidőt

25. Rövidtávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Berendezés és R&D költségek (L) • A fotolitográfia költségei a teljes gyártás költségének jelentős részét teszik ki. Megtérülése fokozható a nagyobb szeletméretek, illetve optikai (193nm és 157nm), vagy új generációs litográfia bevezetésével. • Feladat: Új rezisztanyagok kifejlesztése, új lencseanyagok alkalmazása (CaF2, ArF)

26. Rövidtávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • A gyártás fokozódó integráltsága (FI) • A félvezetőipar gyors fejlődése és változásai és a piac igényeinek változó alakulása a gyárak nagy komplexitását, integráltságát és rugalmasságát kívánja meg. • Leginkább fejlődő ágak • 157nm litográfia • High κ gate stack, low κ dielektrics • SOI, réz vezetékezés • Feladat: Fejlettebb termelésirányító rendszerek és szoftverek bevezetése, gyorsan és hatékonyan fejleszthető termelés kialakítása.

27. Rövidtávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Chip, tokozás és alapanyag szmulációs eszközök (AP) • A folyamatos fejlődés, a kisebb feszültség, nagyobb teljesítménysűrűség, nagyobb frekvencia, A és D jelek integrálása a tokozás gyors fejlődését követeli meg, máskülönben a tokozás szűk keresztmetszetté válhat. • Feladat: Szimulációs eszköz fejlesztése, ami figyelembe veszi az elektromos karakterisztikát, a termikus disszipációt, a feszültségeket, fizikai és környezeti kívánalmakat, és ezek alapján megfelelő tokozások tervezése

28. Rövidtávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Ellenőrzés (YE) • A via és csíkszélesség csökkenéssel a hibakeresés egyre nehézkesebbé válik. A felszín alatti és ahhoz közeli hibák kiszűrése egyike a legnagyobb kihívásoknak. A kihozatal növelése érdekében a hibakeresésnek gyorsabbnak és pontosabbnak kell lenni. • Feladat: Nagysebességű költségkímélő hibadetektálás kifejlesztése.

29. Rövidtávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Nem vizuális hibakeresés és gyártás és tesztorientált tervezés (YE) • Az IC gyártás során sok olyan hiba is keletkezhet, ami a vizuális hibakeresés számára láthatatlan. Sok ezek közül a gyártósoron nem diagnosztizálható. • Feladat: Olyan tesztelő és hibakereső berendezés építése ami az optimális kihozatalt biztosítja.

30. Rövidtávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Új eszközök időszerű bevezetése (M) • Gyorsuló ütemben jelennek meg új anyagok, technológiák, mérettartományok és struktúrák. Ezek nem mindegyikét érdemes bevezetni, de fejlettebb technológiával kisebb mérettartományokban és nagyobb szeletátmérővel dolgozni kisebb egységköltséget jelent. • Feladat: Rugalmasan és időszerűen bevezetni az új eljárásokat

32. Rövidtávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Hatékony 300mm átállás (FI) • Berendezések, anyagok jobb kihasználása (FI) • Anyagok és vegyszerek (ESH) • Források konzerválása (ESH) • Komplex struktúrák mérése (M) • Maszk készítés (L)

33. Hosszú távú kihívások (2008-2016)

34. Hosszú távú kihívások

35. Hosszútávú kihívásokTeljesítmény növelés • Nem CMOS eszközök bevezetése (PI, D, S) • Hosszútávon a méretcsökkentés eléri a CMOS eszközök elvi alsó határát is. Ez előrevetíti annak a lehetőségét, hogy új, nem CMOS alapú eszközök jelennek meg. • Feladat: A nem CMOS alapú eszközök integrálása CMOS eszközökkel.

36. Hosszútávú kihívásokTeljesítmény növelés • Új generációs litográfia (L) • Az optikai litográfia a 45nm-es technológiai csomópontig működhet csak. Ezután más rendszerű litográfiai lejárásokat kell bevezetni. Az extrém UV (EUV) és az elektron vetítéses litográfia (EPL) alkalmazása lehetséges, de költségeik egyenlőre nagyon magasak. • Feladat: Az új generációs litográfia által megkövetelt teljesen új infrastruktúra megteremtése

37. Hosszútávú kihívásokTeljesítmény növelés • Összeköttetések (I) • Hagyományos összeköttetéseket a 2010-es évekre elért mérettartományokban már nem lehet alkalmazni. Itt már sem a réz, sem a kis κ-jú anyagok nem jelentenek megoldást. • Feladat: Anyagkutatások és nem konvencionális huzalozástervezés szükséges. Tervezni kell az új struktúrákban az időzítésekkel és jelhosszakkal is.

38. Hosszútávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Zaj (D) • A technológiai csomópontonként 20%-os tápfeszültség csökkentés a zaj problémáját kritikussá teszi ezekre az évekre. • Feladat: A tervezés minden fázisára kiterjedő szimulációra és analízisre van szükség

39. Hosszútávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Hibatűrő tervezés (D) • A megengedhető hibák száma a tranzisztor méretcsökkenésével és a bonyolultság növekedésével csökken. • Feladat: self-correcting/self-repairing áramkörök és on-chip újrakonfigurálás lehetőségének megteremtése

40. Hosszútávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Alapanyag 300mm felett (FEP) • A szeletátmérő az eddigi hagyományok szerint 1,5-szeresére változott, míg a terület 2,25-szörösére. Ez a most alkalmazott 300mm-es szeletekhez képest a 450mm-es szeletek bevezetését követelné meg. • Nem egyértelmű még, hogy a hagyományos Czochralski húzással előállítható e ekkora méret. • Feladat: Megtalálni a módját a 450mm-es szeletek előállításának

41. Hosszútávú kihívásokKöltségkímélő gyártás

42. Hosszútávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Roncsolásmentes mérések (M) • A felületi töltések és az elektronsugár az elektronsugaras képalkotásnál károsan hatnak kölcsön. • A 3D struktúrák és kritikus méretek mérésére egyre inkább szükség van • Feladat: roncsolásmentes mérési és minősítési eljárások kidolgozása

43. Hosszútávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • CMOS szimuláció (MS) • Az eszközök zsugorodása a szimulációnál figyelembe veendő fizikai és kémiai hatások számát megnöveli. • Feladat: Mindenre kiterjedő modell felállítása (atomi erők, hibrid quantum eszközök (2D/3D) leírása…)

44. Hosszútávú kihívásokKöltségkímélő gyártás • Bulk CMOS és 450mm gyártási paradigmák (FI) • Vegyi- és alapanyag menedzsment (ESH) • Új anyagok és eszközök integrálhatóságának modellezése(YE)