Хабрахабр

[Перевод] Технологии микроэлектроники на пальцах: «закона Мура», маркетинговые ходы и почему нанометры нынче не те. Часть 1

image
Возможное фото 10 нм IceLake. Источник

Мировой лидер в лице фирмы Intel пятый год бьется в попытках перейти на 10 нм техпроцесс. Странные вещи творятся на процессорном рынке. Ну как нет, есть отдельные опытные/инженерные образцы, но высокий выход годных — проблема. Изначально заявляли о переходе на 10 нм в 2015-м году, потом в 2016-м, 2017-м… На дворе 2019-й, а 10-нм от Intel в серии так и нет. Реальный переход ожидается не раньше 2022 года уже.

Для его преодоления компания расширяет производство модифицированных 14 нм процессоров (теже Lake только в профиль) и даже возвращается к 22 нм. Собственно, это и стало причиной дефицита процессоров Intel на рынке. А в это время корейский Samsung, тайваньский TSMC и примкнувший к ним AMD с платформой ZEN 2 рапортуют о вводе в серию аж 7 нм и вот-вот перейдут на 5 нм. Казалось бы регресс налицо. Скоро будет и 3 нм, и 2 нм, и даже 1 нм (sic!) — pourquoi pas?! Достали из пыльного шкафа «закон Мура» и объявили его живее всех живых.

Неужто ушлые азиаты обошли клятых пендосов в ключевой отрасли? Что же произошло? Можно открывать шампанское?

Когда-то давно и сам баловался написанием статей про изготовление чипов, а в серии статей «Взгляд Изнутри» даже заглядывал внутрь оных, т.е. Disclaimer: Данную статью я нашёл совершенно случайно и был крайне поражён, насколько грамотно и подробно в ней раскрываются проблемы современной микроэлектроники, в частности, смерть закона Мура и маркетинг. Естественно, я бы хотел, чтобы сам автор оригинальной статьи опубликовал её на Хабре, но в связи с занятостью он разрешил мне перенести её сюда. тема мне крайне интересна. Да, и статьи (1 и 2) по данной теме от amartology знаю и уважаю.
Итак, давайте разбираться в проблеме вместе. К сожалению, правила Хабра не разрешают прямую копи-пасту, поэтому я добавил ссылки на источники, картинки и немножко отсебятины и постарался чуть-чуть выправить текст. Описание ниже упрощенное и иногда схематическое. Постараемся насколько возможно минимально вникать в физику и технологию, и не углубляться в нюансы (коим имя легион!). Пишите комментарии, попробуем конструктивно дискутировать.

Предисловие

«Не все так однозначно...» — говаривала одна дочь офицера. Если посмотреть плотность транзисторов, то она в 14 нм технологии от Intel и 7 нм технологии от TSMC практически одинакова (ooops!!!). И даже откат Intel’а на 22 нм не сильно сказался на производительности. Что за чертовщина? По всем правилам переход от 14 нм к технологии 7 нм должен увеличить плотность транзисторов аж в 4 раза. И это согласно заветам Гордона Мура, 50-летие закона которого праздновали совсем недавно, а на носу уже и 55-ая годовщина!

image

Как видно, мы «топчемся» на месте уже лет 5. Отличный в «железе» закон Мура. Источник

Одни утверждают, что «Закон Мура» актуален как никогда, а микроэлектроника будет развиваться как и раньше. При этом звучат разнонаправленные заявления. Пипл требует новых достижений, и они не заставят себя ждать. Гениальные ученые, конструкторы и инженеры преодолеют любые ограничения, даже законы физики.

Об этом давно предупреждали. Другие твердят что все ребята, дошли до физических пределов, будем облизывать то что есть, но это нормально. С ним согласен и специалист по литографии AMD и GlobalFoundries. Так глава NVIDIA заявил во время CES 2019, что закон Мура мертв и теперь вектор (Хуанг должен не в вектор, а в тензор) развития надо менять.

Как минимум последние лет 15: после перехода со 130 нм на 90 нм. На самом деле, все эти технологические нормы в единицы и десятки нм давно оторвались от физических размеров и стали больше элементами маркетинга. Эксперты, кстати, говорили об этом, но их тихий голос заглушался бравурными реляциями маркетологов, которые делали вид, что ничего не произошло, что все идет своим путем, согласно заветам Лени… доктора Мура. Именно тогда впервые столкнулись с ограничениями не технологическими, а базовыми физическими.

Согласно его наблюдениям, новые серии микросхем выходили с интервалом в год, при этом количество транзисторов в них вырастало примерно в 2 раза. К сожалению для маркетологов и, возможно, к счастью для нас закон Мура — это не закон природы, а лишь эмпирическое наблюдение, сформулированное в 1965-м одним из основателей Intel Гордоном Муром. С тех пор в течении почти 40 лет закон Мура возвели в ранг иконы и знамени для производителей цифровой микроэлектроники, который иногда всё же подкручивали (24 месяца превратились в 36, теперь вот стагнация — см. В 1975-м закон скорректировали, согласно оному удвоение должно происходить каждые 24 месяца. картинку выше).

Или прорывы, которые давали резкий рост в миниатюризации. По пути возникали различные технологические ограничения, которые притормаживали процесс (тот же переход через дифракционный предел). Для стороннего же наблюдателя все выглядело как стабильный рост в полном соответствии закону Мура, и не в последнюю очередь усилиями маркетологов.

Физика «Его Величества Кремния»

Начну с оды кремнию. Кремний это просто подарок небес для производителей микроэлектроники. Мало того что лежит, в буквальном смысле, под ногами, кремний еще и хороший полупроводник с очень годными параметрами (по совокупности электрических, энергетических и физических характеристик). Чистый кремний практически диэлектрик, проводимость полностью определяется концентрацией примесей. Имеет высокую теплопроводность, технологичен, устойчив к воздействию агрессивных сред.

Ликбез для новичков

Кремний при обычных температурах является полупроводником с кубической кристаллической решеткой. 4 внешних электрона атомов кремния «обобществлены», т.е. принадлежат всем атомам кристаллической решетки. Они не свободные, но и не привязаны жестко к своему атому. Это особенность полупроводников. Какое-то время эти электроны крутятся вокруг своего атома, потом перебрасываются к соседнему, а на их место приходят соседние. Таким образом внешние (валентные) электроны хаотично путешествуют от атома к атому по всему кристаллу (прим.: не совсем так, сами электроны не путешествуют, они лишь передают энергию через взаимодействие друг с другом). Изредка какой-то электрон полностью отрывается от атома и начинает (квази)свободно двигаться между кристаллической решеткой. На его месте остается положительный ион кремния с незаполненной электронной вакансией – «дырка». При следующем пробросе электронов от соседа вакансия заполняется, но она появляется у соседа, потом у его соседа и т.д. Дырка также начинает хаотично путешествовать по кристаллу.

Валентные электроны тоже подвержены действию поля и начинают быстрее заполнять вакансии в сторону плюса, а вакансии-дырки потекут в сторону минуса. Если теперь наложить электрическое поле, то свободный электрон полетит от минуса к плюсу. Поведение дырки описывается теми же формулами, что и электрона, с поправкой на большую «эффективную массу». Такое поведение выглядит как будто дырка является свободным носителем заряда, такой свободный электрон, только с положительным зарядом. Поэтому часто не парятся и считают для простоты дырки обычными элементарными частицами с положительным зарядом.

При комнатных температурах одна электронно-дырочная пара приходится на триллион атомов кремния (концентрация 10-12), чистый же кремний при комнатных температурах является изолятором (условно: электроны и дырки слишком быстро анигилируются друг с другом, не успевая до лететь до конца кристалла).

Получаем вкрапленные в кремний положительные ионы фосфора и «электронный газ» из свободных электронов. Если теперь в решетку кремния внедрить атом с 5 внешними электронами, например фосфор, то он включается в 4-электронный обмен, а пятый электрон становится свободным. Примесь фосфора называется донорной, а сам полупроводник — N-типа проводимости. Проводимость кремния с такой примесью линейно возрастает, концентрации в один атом фосфора на миллион атомов кремния (ppm) уже кардинально меняет электрические свойства. Кроме фосфора это может быть мышьяк или сурьма.

Он тоже включается в 4-электронный обмен, но отдать может только 3 электрона. Теперь добавим в чистый кремний атомы с 3 внешними электронами, например бор. Получаем отрицательные ионы бора и положительно заряженный «дырочный газ». У соседних атомов кремния появляется «дырка» и отправляется в путешествие по кристаллу. Кроме бора акцепторами являются алюминий, галлий и индий. Такая примесь называется акцепторной, а полупроводник — P-типа.

Присутствие бора всегда делает кремний полупроводником p-типа.
Кстати, особо чистый кремний (чтобы он был изолятором) получить невероятно сложно.

Бонусом к кремнию идет его окисел – диоксид кремния SiO2. Это почти идеальный диэлектрик, с высокой прочностью и твердостью, стойкий ко всем кислотам, кроме плавиковой (HF). При этом плавиковая кислота не растворяет сам кремний, можно не бояться протравить лишнего. Тонкая пленка окисла образуется на поверхности кремния даже при комнатных температурах (на воздухе, естественно). Для получения толстых пленок окисла кремний нагревают или используют низкотемпературное осаждение из кремнийсодержащего газа. Осаждение используют когда в кристалле уже нанесены слои, и нагревание приведет к «размыванию» топологии.

Занудство от химика, раз год Периодической Системы: шаг вправо — P, фосфор, оксид образует фосфорную кислоту, влево — Al, алюминий, металл, вверх — C, углерод, оксид — газ, вниз — Ge с низкой распространённостью в земной коре (кило сейчас стоит ~1k $).

Несмотря на постоянные разговоры о скором конце эпохи кремния и переходе на другие полупроводники, например структуры A3B5 (аресенид галлия, фосфид галлия или нитрид галлия), карбид кремния, алмаз, графен и прочие, так как у них выше эффективная подвижность электронов и дырок, ниже температурная зависимость, выше теплопроводность, в массовой микроэлектронике царствует кремний.

Это когда области внутри транзистора отличаются не только типом проводимости, но и физической структурой, что дает дополнительные возможности. Да, для A3B5 есть возможность создавать гетеропереходы. Но пока эти материалы используются лишь для дискретных элементов и небольших микросхем. При прочих равных микросхемы на нитриде галлия могут работать на более высокой частоте, устойчивы к высокой температуре, и обеспечивают лучший теплоотвод. Да и «прочих равных» пока не получается. Для больших микросхем сложность технологии делает ее цену на порядки выше кремниевой. Поэтому альтернативные некремниевые микросхемы имеют узкую специализацию.

МОП-транзисторы

Рассмотрим основной кирпичик цифровых микросхем – полевой планарный (плоский) транзистор с индуцированным каналом. Он же МОП (металл-оксид-полупроводник), он же МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), он же MOS (metal-oxide-semiconductor), он же MOSFET.

image
Схематический вид n-канального транзистора в разрезе

Описание принципов работы

Имеем кремниевую подложку р-типа проводимости. В ней созданы 2 слоя n-типа – исток и сток. Аналоги эмиттера и коллектора в биполярных транзисторах. Между ними электрод, отделенный от кремния слоем диэлектрика (обычно окисел кремния) – затвор. Область под затвором зовется базой. Если подадим напряжение между истоком и стоком, тока не будет, поскольку между ними будет обратносмещенный p-n-переход – транзистор закрыт. Схематически это аналог запирающего диода. При правильном подключении это переход между базой и стоком.

Электрическое поле проходит через окисел, проникает в кремний, отталкивает от приповерхностного слоя дырки (+) и притягивает свободные электроны (-). Теперь подаем положительное напряжение на затвор. При некотором напряжении на затворе в приповерхностном слое электронов становится больше, чем дырок. Последних в подложке p-типа хоть и мало, но они есть. Через него потечет ток от истока к стоку – транзистор открыт. Происходит инверсия, и под слоем окисла появляется канал n-типа проводимости. Ну или наоборот, в зависимости от реализации. Открытый транзистор – это логическая единица, закрытый – логический 0.

Для p-канальных транзисторов n- и p-области меняются местами, а транзистор открывается при отрицательном напряжении на затворе.

Преимущества МОП транзисторов – компактность. Но есть и серьезный недостаток – большое энергопотребление, поскольку в открытом состоянии через транзистор течет сквозной ток. Поэтому с 1970-х в цифровой технике доминируют КМОП транзисторы (комплементарный МОП). Это последовательно соединенные p-канальный и n-канальный транзисторы, с объединенными затворами. Обычно делаются в одной ячейке.

Если подаем на затворы плюс – n-канальный транзистор открыт, p-канальный закрыт. Сквозного тока нет, на выходе минус. Если подаем на затвор минус – n-канальный транзистор закрыт, p-канальный открыт. Сквозного тока опять нет, на выходе плюс. Т.е. элемент работает еще и как инвертор.

В статическом состоянии элемент ничего не потребляет (кроме паразитного тока утечки), потребляется только ток переключения. Это самая энергосберегающая технология. Низкое энергопотребление и компактность определило доминирование КМОП-технологии в цифровой электронике. Энергопотребление почти прямо пропорционально частоте микросхемы (числу циклов перезарядки).

Надо сказать, что выбор в пользу КМОП полностью оправдал себя. Схемы на биполярных транзисторах изначально обеспечивали более высокую производительность, но были сложнее, занимали больше места и потребляли на порядок больше энергии. И пока альтернатив на горизонте не просматривается. Таких характеристик, как у сегодняшних процессоров, на других технологиях получить было бы практически невозможно.

Особенности топологии

Топологию кристалла микросхемы можно условно представить, как большой лист бумаги в клетку, где по линиям рисуются границы областей, а технологический размер – это размер клетки. На самом деле, для некритичных элементов можно делать отступ и в полклетки (правило двух лямбд), но это нюансы.

Подробное описание проектирования топологии

Вернемся мысленно в конец 1980-х, когда технологии были еще просты и понятны. Рассмотрим реальную пару КМОП транзисторов. Окна n+ и p+ — высокологированные (1 атом примеси на несколько сотен или даже десятков атомов кремния), т.е. уровень примесей на порядки выше чем у просто n и p.

Поскольку больших токов через транзисторы не будет, расчет будет производить исходя из минимально возможного технологического размера, так называемого, техзазора. Предположим нам дали ТЗ нарисовать топологию такой пары транзисторов в изолированном кармане. Обзовем его буквой d.

image
Профиль

image
Вид сверху

Делаем его минимально возможным d*d. Начнем с контактного окошка для истока n-канального транзистора (1).

Исток (2) тогда будет иметь размер 3d*3d (нужно отступить минимум от краев окошка).

Базу (3) делаем минимальной ширины d.

Далее сток (4) со своим контактным окошком, еще 3d*3d.

Он нужен для выравнивания напряжения истока и базы, чтобы не произошло самопроизвольного появления канала. Последний элемент – высоколегированная зона (5) для контакта к p-базе, еще 3d*3d.

Размер p-окна получился 5d*13d. Рисуем границы самого p-кармана (6), еще на d от нарисованных окон.

Делаем такое расположение для приближения всего элемента к квадратной форме — так проще компановать. Ниже нарисуем p-канальный транзистор.

Такое расположение минимизирует длину контактных металлических дорожек. Меняем местоположение истока и стока. Начнем с контактного окошка для стока (7), размер минимальны – d*d.

Исток (10) и высоколегированная подконтактная область к базе (11) будут также 3d*3d. Сток (8) будет 3d*3d, база (9) шириной d и на одной линии с базой n-канального транзистора.

Последний размер – минимальный отступ к разделительной дорожке (12), ещёd.

Раздельной дорожкой в нашем случае является еще одна область p-типа, которая с n-подложкой образует обратносмещенный p-n-переход. Итого получили размер транзисторной пары 11d*15d.

Последний вариант предпочтительней, но заметно дороже. Есть еще вариант изоляции диэлектриком – двуокисью кремния SiO2 или сапфиром Al2O3. Обычно ширина разделительной дорожки чуть больше толщины эпитаксиального слоя (об этом ниже) и равна 2d. В этом случае области можно формировать вплотную к разделительной дорожке и ток утечки между ячейками будет нулевой.

Итого эффективный размер ячейки до середин разделительных дорожек – 13d*17d.

image

Затем поверх окисла рисуем затвор (1), выносим контактную область (2) затвора ближе к разделительной дорожке и формируем контактное окно (3).

В качестве материала затвора и контактных дорожек изначально использовался алюминий (хотя в некоторых устройствах алюминий используемся до сих пор), позднее затвор стали делать из высоколегированного поликристаллического кремния, а контактные дорожки из меди.
Заключительная стадия –металлизация и контактные дорожки (4).

Предположим, что мы живем при техпроцессе в 3 мкм. Тогда наша двухтранзисторная ячейка 11d*15d, как показано выше, будет иметь размел 33*45 мкм. Но тут нам поперло, переключились на новый техпроцесс в 1,5 мкм. Размер нашей ячейки стал 16,5*22,5 мкм. И там, где раньше помещалась одна ячейка, теперь влезает аж целых четыре. При этом потребляют тока эти четыре ячейки столько же, сколько одна старая (при одинаковой частоте и плотности тока). Вместе с линейными размерами каждого транзистора уменьшились его паразитная емкость и сопротивление, уменьшилось время переходных процессов при переключении. Такой транзистор может устойчиво работать при более высокой частоте и меньшем напряжении питания. А консолидация большего числа элементов на одном кристалле минимизирует необходимость обращаться к медленной внешней шине.

image

Именно поэтому миниатюризация стала основной задачей цифровой микроэлектроники с самого момента появления. Получаем, что от уменьшения размеров транзисторов одна сплошная польза и никакого вреда.

Для этого надо слегка пройдись по технологии изготовления микросхем. Чем же ограничивается техзазор (он же проектная норма)?

Техпроцессы

Монокристаллический кремний получают методом медленного вытягивания из расплава (метод Чохральского). Нужная примесь добавляется еще в расплав, что обеспечивает равномерное легирование (прим.: я бы поспорил с автором оригинала, так как по Чохральскому растят именно чистый (относительно) кремний, при этом страшно боятся примесей из тигля, а нужный уровень легирования создают уже потом на самих пластинах, например, имплантацией ионов). На выходе получаются цилиндрические болванки (aka wafers) диаметром 200 или 300 мм. Болванки разрезаются на тонкие пластины, порядка 0,5-0,7 мм толщиной. Позднее на них формируется в едином технологическом цикле десятки и сотни микросхем. Была попытка перейти на пластины диаметром 450 мм, но пока не поперло. Слишком сложно выдерживать одинаковые условия техпроцессов в центре и на краях пластины (распределение температуры, примесей и так далее).

Способы наращивания разные: например, восстановлением газообразного тетрахлорида кремния (SiCl4). Затем, на рабочей стороне пластины наращивают тонкий слой кремния с другим типом проводимости — эпитаксиальный слой. Получившийся слой продолжает структуру кристалла пластины, но имеет другой тип проводимости. При этом легирующая примесь добавляется в газ. Иногда перед эпитаксиальным наращиванием на подложке создают карманы n- или p-типа. В нашем примере выше мы имеем кремниевую подложку p-типа и эпитаксиальный слой n-типа. Так называемые, скрытые слои.

Суть техпроцессов сводится к тому, чтобы убрать в нужных местах окисел, открыть сам кремний, и ввести в него нужные примеси. А дальше идет процесс создания истока, стока, p-базы, подконтактных и разделительных областей в эпитаксиальном слое. Примеси вводятся методом диффузии или ионной имплантации.

Атомы кремния при нагревании начинают колебаться с большей амплитудой, и атомы примеси постепенно внедряются в кристаллическую решетку кремния, как бы растворяются. При диффузии кристалл кремния с очищенными от окисла окнами помещается в содержащую газообразную примесь атмосферу, а затем нагревается до температуры выше 700 градусов Цельсия. В принципе, процесс пройдет и при комнатной температуре, вот только ждать придется годы. Скорость внедрения экспоненциально зависит от температуры. Нагревание при последующих операциях может размыть уже сформированные слои, поэтому стараются все высокотемпературные операции проводить в начале техпроцесса. Регулируя температуру и длительность, получают нужную глубину и концентрацию слоя.

Минусом то, что при диффузии примесь внедряется не только вглубь кристалла, но и по сторонам под окисел. Плюсом метода диффузии является простота и дешевизна. Если перестараться с нагревом, то исток и сток под затвором сомкнутся, и транзистор превратится в резистор. Таким образом, реальная ширина базы получается меньше нарисованной нами. При размерах элементов в сотни нанометров диффузия не используется.

image

Скорость ионов и толщину окисла подбирают таким образом, чтобы ионы углубилась в кремний на нужную глубину, но не смогли пробить окcидный слой. При ионной имплантации атомы примеси ионизируется, разгоняется электрическим полем и бомбардируют кристалл кремния. После имплантации кристалл нагревается, чтобы за счет тепловых колебаний атомов восстановить структуру решетки. Ионы примеси выбивают атомы кремния из кристаллической решетки или застревают между решеткой. Температура нагревания ниже, чем при диффузии, поэтому заход примеси под окисел заметно меньше.

image

Спасибо tnenergy за наше счастливое ядерное детство просвещение. А иногда, для специальных применений используется, где требуется высокая равномерность легирования, как в силовых полупроводниках, используется имплантация в ядерном реакторе.

Литография

А теперь о главном и самом интересном процессе – литографии. С помощью него на поверхности кремния и создается рисунок слоев. Рассмотрим самую простую контактную оптическую литографию (фотолитографию).

image

Основные шаги:

  1. На поверхности пластины кремния формируется пленка окисла.
  2. Поверх окисла наносится специальная паста – фоторезист. Пластина раскручивается в центрифуге, чтобы фоторезист равномерно растёкся по поверхности.
  3. Совмещение. Сверху прикладывают специальную маску – фотошаблон. На ней нанесен рисунок слоя, например, разделительные дорожки или p-карманы всех элементов всех микросхем на пластине. Фотошаблон под мощным микроскопом совмещается с пластиной с помощью фигурок совмещения (прим.: специальные крестики-метки) и высокоточной механики.
  4. Экспонирование. Пластина облучается ультрафиолетом через фотошаблон. Под действием излучения фоторезист меняет свои свойства, размягчается (в случае позитивного фоторезиста) или дубеет (негативный фоторезист). Далее будем рассматривать случай с позитивным фоторезистом.
  5. Проявление – облученный фоторезист смывается растворителем и открывается слой окисла под ним.
  6. Травление окисла. На незащищенных фоторезистом участках окисел снимается плавиковой кислотой или пучком ионизированного инертного газа. Плавиковая кислота дешевле, но она растворяет не только открытые участки, но и слегка подмывает окисел под фоторезистом (всё тот же shadowing effect).
  7. Полное удаление фоторезиста с помощью более ядрёного проявителя.

По окончании операции получаем пластину со снятыми участками окисла, которую можно отправить на диффузию, ионную имплантацию или напыление металла (прим.: или электроосаждение). После создания слоя окисел обычно вытравливается со всей площади пластины и наносится новый.

В нашем случае последовательность будет такой – разделительные области, p-карманы, p+ слои, n+ слои, контактные окна с металлизацией, нанесение затвора, контактные области затвора, первый слои металлических дорожек с контактными областями под второй слой, второй слой металлизации и т.д. Окна создают от широких к узким. В современных процессорах металлизация бывает до 10-15 слоев.

Сейчас основной является проекционная фотолитография. Контактная фотолитография использовалась на заре микроэлектроники. Схематически разные методы фотолитографии показаны на рисунке ниже: контактная фотолитография, с зазором, проекционная через линзы, прокционная зеркальная. Это когда между источником излучения и фотошаблоном ставится линза и системы зеркал для создания сужающего пучка фотонов.

image

Экспонируется разом вся площадь пластины со всеми ее микросхемами, и процесс занимает несколько минут. Плюсы фотолитографии – высокая скорость и дешевизна. Или квадрат из нескольких микросхем с последующим сдвигом пластины.

Наиболее интересна электронная литография (например, проект Mapper, о котором писал BarsMonster). Кроме фотолитографии есть и другие виды – электронная, рентгеновская и ионная.

В простейшем варианте напоминает формирование изображения на кинескопах ЭЛТ-телевизоров. При электронной литографии экспонирование резиста проводится не светом, а пучком электронов. Недостатком является длительное время экспонирования. Из всех видов литографии именно электронная обеспечивает самую четкую картинку и самую высокую разрешающую способность. Используется естественно не один пучок, а десятки тысяч, управляемых компьютером. В современных технологиях пучок электронов имеет толщину в единицы нанометров и даже доли нанометра, а диаметр пластины 300 мм. Для сравнения энергия кванта УФИ — несколько эВ, энергия электрона в пучке — несколько тысяч электронвольт. Но требуется очень мощный суммарный поток электронов.

Конечно, можно увеличить скорость электронов, но тогда они будут прошивать резист насквозь или отражаться с большой скоростью в произвольных направлениях, вызывая вторичное излучение (Secondary Electrons) и, соответственно, экспонирование. Кроме того, электроны электрически заряжены и отталкиваются друг от друга, что приводит к расхождению пучка. Все это ограничивает использование технологии.

Время экспонирования одного фотошаблона — несколько суток. Электронная литография используется для создания фотошаблонов. Поэтому пока в производстве микросхем доминирует фотолитография.

Не удивительно, если учесть, что современные процессоры содержат миллиарды транзисторов, а на пластине сотни процессоров. Современный набор фотошаблонов для процессора стоит десятки миллионов долларов. Реальный набор фотошаблонов состоит из десятков масок. Кроме того, окна в современном фотошаблоне это не просто дырки в материале, а часто другой материал со специфическими оптическими свойствами. На последних техпроцессах более 50 (sic!).

За время жизни набор фотошаблонов позволяет получать на выходе сотни тысяч, а то и миллионы микросхем. Зато они позволяет штамповать микросхемы как горячие пирожки.

Так что же ограничивает размера техпроцесса?

Можно выделить условно 4 группы факторов:

  • Аппаратно-технологическая. Связана с разрешением аппаратуры.
  • Физика техпроцессов. Определяется физическими ограничениями конкретного техпроцесса, который можно обойти сменой технологии или материалов.
  • Физические. Это ограничения, которые обойти нельзя, но можно минимизировать их влияние.
  • Предельные физические.

Аппаратно-технологические ограничения

Этот вид ограничений был определяющим на ранних этапах микроэлектроники. В основном относится к производству «чистых комнат», сложного оборудования для техпроцессов, контрольно-измерительного оборудования (что важно для контроля качества выпускаемой продукции). Например, для фотолитографии нужна сверхточная оптика, мощные микроскопы, механизмы для совмещения масок и пластины с точностью в доли нанометров, сверхчистая атмосфера или вакуум во время экспонирования и так далее. Нужно очень точно выдерживать параметры техпроцессов – температуру, длительность, состав атмосферы, мощность излучения, подготовку поверхностей.

Не потому что это простая проблема. Сейчас точность аппаратуры не является ограничивающим фактором. Но здесь действительно тот случай, когда для талантливых конструкторов и инженеров нет преград. Достаточно посмотреть на рисунок схемы современной проекционной или зеркальной фотолитографии чтобы понять уровень сложности.

С изменением нормы техпроцесса меняются не только горизонтальные, но и вертикальные размеры, и концентрация примесей, и пропорции активных зон. Проблемы с технологией обычно актуальны при первых сериях. Естественно все параметры предварительно просчитываются и моделируются, но реальность всегда вносит коррективы. А сейчас с каждым новым шагом меняется еще и физика процессов. Постепенно техпроцессы оптимизируются и процент выхода годных к последним сериях выходит за 90%. Поэтому для первых серий 3% выхода годных микросхем (97% брака) считается нормальной.

Физика техпроцессов

Более 30 лет, вплоть до недавнего времени, именно эти факторы были ограничивающими. Часть этих ограничений я уже перечислял – заход примесей под окисел при диффузии, отгрызание окисла под фоторезистом при травлении, размывание уже нанесенных слоев при термических процессах.

Методы решения тоже частично описал.

Плюс, для самых мелких слоев сменили материал примеси – вместо фосфора используется мышьяк, вместо бора галлий. Диффузию сменила ионная имплантация. Для ионной имплантации это не принципиально, а вот при последующем нагревании такие слои размываются намного слабее. У них атомы крупнее и тяжелее, поэтому хуже растворяются в кремнии при тех же температурах (и главное им труднее диффундировать!).

Нагревание используется, но только в самом начале, пока кристалл чист. Получение окисла нагревом сменило низкотемпературное каталитическое осаждение из газа. На некоторых операциях вместо окисла используют нитрид кремния (Si3N4) или последовательные слои окисла и нитрида.

Кислотное используется только для снятия окисла со всей площади. Жидкое травление кислотой сменили на ионное травление.

Этот окисел остается, как рабочий элемент на микросхеме, и имеет высокие требования к чистоте и однородности. Еще одной проблемой было получение сверхчистого окисла для подзатворного диэлектрика. Небольшой дефект приводит к проколу или пробою. Толщина окисла местами составляет меньше 10 атомарных слоев. Какое-то время использовали чередование слоя окисла и нитрида кремния. Это дает электрическое смыкание затвора с базой и вывод элемента из строя. В технологии 90 нм в качестве подзатворного диэлектрика начали использовать окисел гафния HfO2.

Отсюда поиски альтернативных путей и общее отставание в цифровой микроэлектронике. Кстати, при СССР именно проблемы с получением качественного окисла затормозили переход к КМОП.

Настолько, что до сих пор многие ставят знак равенства между разрешением всего техпроцесса и разрешением фотолитографии. Самой же критичной операцией является фотолитография. Точнее ультрафиолета, хотя принцип тот же самый. А основная проблема фотолитографии с конца 1980-х – это дифракция света. Не будет преувеличением сказать, что в течении 30 лет борьба за снижение размера техпроцессов была прежде всего борьбой с дифракцией.

Дифракцию света обнаружили еще в 18 веке отцы основатели оптики:
image

Явление наблюдается на размерах отверстий, близких к длине волн. При проникновении в отверстие лучи света и любого другого электромагнитного излучения (ЭМИ) отклоняются от прямолинейного пути, расходятся и проникают в область тени. Правило действует до зазоров в четверть длины волны. Чем меньше отверстие по сравнению с волной, тем сильнее рассеивание. Отверстие меньше четверти длины волны луч ЭМИ просто «не видит» и отражается от поверхности с такими мелкими зазорами как от сплошной.

Меньше 380 нм начинается ультрафиолетовое излучение (УФИ). Длина волны кремниевых светодиодов — около 1 мкм (ближняя инфракрасная зона), длины волн видимого света от 780 нм (красный цвет) до 380 нм (фиолетовый). Соответственно проблемы с дифракцией встали в полный рост после преодоления планки технормы в 3 мкм, а после 800 нм стали доминирующими. Используемые сегодня в фотолитографии излучатели имеют длину волны 248 нм и 193 нм, это излучение эксимерных лазеров (например, на XeF2). В результате вместо четкого квадрата получаем размытый блин. Из-за дифракции при экспонировании УФИ заходит в область под непрозрачной маской и засвечивает фоторезист в тени.

Появляются пики засветки далеко под отражающей частью фотошаблона. Кроме размывания окон есть эффект наложения (интерференции) боковых волн для близкорасположенных окон.

image
Оптика — бессердечная ты...

Какие же методы используют для борьбы с этим явлением?

Если сильно упрощенно, то между фотошаблоном и пластиной устанавливается линза, которая собирает расходящиеся лучи и фокусирует их на фоторезист. Первым шагом стало использование проекционной фотолитографии.

image

В свое время начинали с дуговых ртутных ламп с длиной волны излучения 436 нм — это синий свет. Другим методом стало уменьшение длины волны экспонирующего излучения. На этом эра ртутных ламп закончилась, началось использование эксимерных лазеров. Потом 405 нм (фиолетовый), 365 нм (ближний ультрафиолет). На этом процесс и застопорился. Сначала 248 нм (средний ультрафиолет), потом 193 нм (глубокий ультрафиолет).

Более короткие волны кварц поглощает. Дело в том, что достигли пределов пропускания кварцевой оптики. Были сделаны экспериментальные установки под 157 нм на основе фторид-кальциевой оптики. Нужно было или переходить на зеркальные системы, или использовать линзы из других материалов. Поскольку появились способы оптимизации 193 нм литографии. Однако в серию они так и не пошли.

Источник image
Наглядная инфографика по лазерам.

EUV-литография

Еще в середине 1990-х разработали стандарт фотолитографии на экстремальном ультрафиолете (EUV-литография) с длиной волны 13,5 нм. Такая длина волны позволяла давать разрешение в единицы нм.

К началу 2000-х появились первые экспериментальные образцы.

И вот наконец пошли новости что в 2019-м Samsung и тайваньская TSMC перейдут на EUV-литографию. К концу 2000-х технология должна была пойти в серию. Главным антагонистом EUV-литографии стал Intel, хотя изначально был одним из инициаторов. Не прошло и 15 лет (sic!). Признав что из 193 нм УФИ выжато все что можно, они заявили о переходе на 126 нм (ха-ха!).

В чем причина такого неприятия?

Границей между УФИ и рентгеном условно считают 10 нм, но по поведению 13,5 нм ультрафиолет ничем не отличается от мягкого рентгена. Дело в том, что 13,5 нм это уже практически рентгеновское излучение. Линз под такую длину волны не существует в природе, следовательно, нужно переходить на зеркала из разнородных слоев металла. Поэтому EUV-литография больше напоминает рентгеновскую.

До фоторезиста доходят единицы процента от исходной мощности излучения. Кроме того, что получается очень тонкая и сложная конструкция, металлические зеркала поглощают большую часть излучения. Если учесть, что КПД самого излучателя тоже единицы процентов, то для получения нормального времени экспозиции нужна высокая мощность и большие расходы энергии (ooops!).

image
Так выглядит EUV-лазер от ASML

Очень капризная субстанция, от которой сложно добиться равномерного потока без пульсаций. Источником излучения является плазма. Даже воздух активно поглощает 13,5 нм, поэтому экспонирование может проводиться только в вакууме.

Чем меньше длина волны, тем выше энергия фотона. Проблема и с подбором фоторезиста. Энергия фотона для волны 13,5 нм – 92 электронвольта. Предыдущие источники давали энергию в единицы электронвольт, это обычная энергия химических реакций. Поглощая такой фотон, электрон становится очень «горячим», начинает метаться, излучает излишки энергии и вызывает вторичное экспонирование в стороне от окна. Это уже энергия связи глубинных электронов. Поэтому подбор фоторезиста с нужным набором параметров тоже непростая задача.

image

Источник Результаты моделирования Монте-Карло путешествия электрона в кремни с энергией в 20 и 5 эВ.

Эти сложности и определяли причины, по которым откладывали переход на EUV до последнего.

Актуальные методы борьбы с дифракцией

Итак, до последнего времени в качестве источника излучения пользовались всё тем же УФИ с длиной волны 193 нм. Вплоть до технологии 10 нм и 7 нм. А теперь вспоминаем, что излучение не может проникнуть в зазор, если его ширина меньше четверти длины волны. Для 193 нм это 48 нм. Возникает вопрос – КАК?!

Они использовали метод поляризации излучения. Это и есть то маленькое чудо, которое сотворили инженеры.

Свет пройдет через щель, даже дифракция в поперечном направлении будет незначительной. Берем прямоугольную узкую щель (шириной меньше четверти дины волны) и направляем на нее свет, поляризованный вдоль оси.

image

Сначала облучаем двухкомпонентный фоторезист поляризованным светом через вертикальную щель, а потом через горизонтальную. А теперь берем 2 перпендикулярные щели: горизонтальную и вертикальную. Просто как все гениальное. Проявляется только область, облученная 2 раза.

Зато можно использовать старую добрую кварцевую оптику и проверенные годами фоторезисты. Правда придется использовать в 2 раза больше фотошаблонов и 2 процесса экспонирования для создания одного окна. Вот это поворот!

Есть и другие способы борьбы с дифракцией...

Коррекция оптической близости. Форму окошек фотошаблона делают непрямоугольной формы формы, чтобы компенсировать деффекты при дифракции.

image
Метод коррекции оптической близости схематично…

При наложении волн (интерференции) они частично обрезают боковые смещения друг у друга. Использование фазосдвигающих масок. По бокам от основного окошка фотошаблона делают вспомогательные, материал которых сдвигает фазу волны.

image

При наложении источников боковые смещения частично компенсируются. Внеосевое освещение. Луч падает не перпендикулярно к поверхности пластины, а от двух источников под небольшим углом.

Прогоняем сначала экспонирование 1, 3 и 5 окна. Многократное экспонирование. Например, нам нужно сделать экспонирование шести близкорасположенных окон. Это еще в 2 раза увеличивает число циклов экспонирования и фотошаблонов, но всё же лучше, чем ничего. А потом 2, 4 и 6. С учетом горизонтольной и вертикальной поляризации, получаем 4 цикла экспонирования для создания одного слоя.

Будет набор горизонтальных и вертикальных фигурок, которые при наложениях и дадут картинку. Таким образом, если мы посмотрим на современный фотошаблон, то областей микросхемы в явном виде мы там не увидим. Собственно, сплощные китайские иероглифы: может быть, именно поэтому китайцы окупировали производство микроэлектроники?!

Это когда пространство между крайней линзой и фоторезистом заполняют жидкостью. После 45 нм перешли на иммерсионную фотолитографию. Сейчас специальные жидкости с высоким коэффициентом преломления (до 1,8). Сначала это была вода. Жидкость снижает эффективную длину волны и нейтрализует преломление света на границе сред.

Но это похоже уже предел для 193 нм литографии. Вот таким образом и доковыляли до разрешения в ~10 нм.

image

Слева создано 193 нм литографией, справа экспериментальной 13,5 нм (EUV). Фото первого слоя металлизации для 24 нм технологии. Тем не менее работает. Как видим от прежних четких прямоугольных форм остались только воспоминания.

Про физические ограничения, как они влияют и как изменили производство во второй части через пару дней — stay tuned!

Не забудьте подписаться на блог: Вам не сложно – мне приятно!

И да, о замеченных в тексте недочётах просьба писать в ЛС.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть