Хабрахабр

[Перевод] Технологии микроэлектроники на пальцах: «закона Мура», маркетинговые ходы и почему нанометры нынче не те. Часть 2

image

Теперь поговорим о физических ограничениях и физических эффектов, которые влияют на размеры элементов в транзисторе. В первой части мы рассмотрели вкратце физику кремния, технологии микроэлектроники и технологические ограничения. Здесь придется уже влезть в физику, иначе никак. Их много, поэтому пройдемся по основным.

тема мне крайне интересна. Disclaimer: Когда-то давно и сам баловался написанием статей про изготовление чипов, а в серии статей «Взгляд Изнутри» даже заглядывал внутрь оных, т.е. 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. Естественно, я бы хотел, чтобы сам автор оригинальной статьи опубликовал её на Хабре, но в связи с занятостью он разрешил мне перенести её сюда. Да, и статьи (1 и 2) по данной теме от amartology знаю и уважаю.

Физические эффекты в микроэлектронике

Порядок основных величин для кремния

Концентрация атомов кремния в кристалле – 1022 см-3
Концентрация собственных электронов и дырок при комнатной температуре – 1010 см-3
Концентрация примесных атомов с слаболегированных областях – 1016-1018 см-3
Концентрация примесных атомов с сильнолегированных областях – 1019-1020 см-3
Концентрация примесных атомов с очень сильнолегированных областях – 1021 см-3. В этом случае говорят уже о вырожденном полупроводнике, поскольку такая концентрация (один атом примеси на 10 и менее атомов кремния) меняет энергетическую структуру кристалла.

Зависимости характеристик кремния от температуры

Из первой части мы помним, что при комнатной температуре чистый кремний — диэлектрик. Пара электрон-дырка возникает только в одном из триллиона случаев, но эта доля растет с повышением температуры по экспоненте. Есть такое понятие — температура удвоения концентрации собственных носителей зарядов. Для кремния это примерно 9 градусов.

повышаем температуру на 9 градусов, процент распавшихся атомов кремния увеличивается в 2 раза; на 18 градусов – в 4 раза; 27 градусов – в 8 раз; 36 градусов – в 16 раз; 45 – в 32 раза; 90 — в 1024 раз; 180 – в 106 раз; 270 — 109 раз. Т.е.

Источник image
Сравнение температурной проводимости меди, кремния и германия.

1 на графике выше) собственная концентрация электронно-дырочных пар становится равной 1016, это равно примесной концентрации слаболегированных слоев. Получаем что при нагревании до 200 градусов (~2. При такой температуре кремний фактически превращается в проводник и транзисторы теряют управляемость. При 300 градусов (~1,75) уже 1019, это концентрация сильнолегированных слоев (n+ и p+).

Температура в микросхеме неравномерна. Проблемы же начнутся гораздо раньше. Если температура на каком-то маленьком участке превышает 200 градусов, то из-за увеличения собственной проводимости кремния начинает расти ток утечки. Имеются локальные зоны разогрева, как правило в середине микросхемы. Процесс становится необратимым и … бумс. Это приводит к еще большему нагреву, а это еще больше увеличивает ток утечки и расширяет область перегрева. Поэтому на всех больших микросхемах ставится автоматическая защита от перегрева. Причем бесповоротно.

Именно поэтому так важно не допускать сильного разогрева кристалла.

Описанные выше проблемы в нитриде галлия начинаются примерно с 600-700 градусов. Для сравнения в нитриде галлия при комнатной температуре концентрация собственных электронов и дырок на несколько порядков ниже, а температура удвоения числа собственных носителей заряда около 25 градусов.

Туннельный ток

Явление это и сложное, и простое одновременно. Корни лежат в квантовой природе электрона. Электрон живет по законам квантовой механики, не всегда понятным с точки зрения классической физики. Согласно этим законам, электрон — не только частица, но и волна, и ее поведение можно рассчитать только с какой-то вероятностью. Есть такая формула Гейзенберга:
image

Из формулы следует, что пространственные параметры электрона нельзя определить с точность больше какой-то определенной величины (постоянной Планка). Ее ещё называют соотношением неопределенностей Гейзенберга. Если же точно знать скорость и направление, то ничего не будет известно о его местонахождении. В крайних случаях уравнения, если мы будем знать точное местоположение электрона, мы ничего не будем знать о его скорости и направлении движения. В любой момент электрон может оказаться в любой точке Вселенной без всякого внешнего воздействия. Получается, что электрон — это такая размытая в пространстве частица с пиками вероятности нахождения. Правда вероятность его появления очень далеко от текущего местоположения исчезающе мала.

В металле концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов (1022/см3). Теперь представим структуру Металл – Диэлектрик – Полупроводник n-типа (МДП). Внутри диэлектрика электрон-волна с энергией как в металле начнет интерферировать (самоуничтожать сам себя). Проникнуть в диэлектрик они не могут, потому что для электронов из металла это область запрещенных энергий. Электроны переходят из металла в полупроводник через слой окисла без всякого внешнего воздействия, просто в силу своей вероятностной природы. Зато они могут материализоваться в полупроводнике n-типа, где для них есть зона разрешенных энергий. Сам процесс называется туннелированием, или квантовым туннелированием (так круче звучит!). Это и есть туннельный ток.

Схематически электрон как бы прогрызает туннель сквозь потенциальный барьер. Дополнительная энергия, которую нужно было бы добавить электрону для «классического» проникновения в окисел, называется потенциальным барьером.

image

Но поскольку концентрация свободных электронов в полупроводнике на несколько порядков меньше, то и обратный поток пропорционально меньше. Существует поток и в обратном направлении — из полупроводника в металл.

Однако здесь возможен обратный процесс — туннелирование валентных электронов из полупроводника в металл с появлением дырок в кремнии. Полупроводник p-типа для электронов из металла также является зоной запрещенных энергий. Интенсивность при прочих равных примерно в 10 раз ниже, чем туннелирование свободных электронов. Выглядит как будто это дырки туннелируют из металла.

Слишком малая вероятность и слишком редки переходы. Туннельным током для расстояний выше 1 мкм можно пренебречь. На расстояниях в единицы нм туннельный ток вырастает в 10 раз при приближении на 0,2 нм. По мере уменьшения расстояния вероятность самопроизвольных переходов резко растет.

Для свободного электрона из n-области, p-область является зоной запрещенных энергий, переходов не происходит. Аналогичный механизм работает и для n-p-n слоев кремния. Это ограничивает теоретическую предельную ширину базы цифрой 8 нм. Но если ширина p-базы ставится слишком узкой, электроны начинают туннелировать напрямую из истока в сток. При меньших размерах из-за туннельного тока исток – сток транзистор становится в принципе неуправляемым.

Для p-n-p структур ситуация аналогичная, но туннелируют дырки (валентные электроны).

Для них возможен вариант туннелирования по этим островкам. В вырожденных полупроводниках (сильно легированных) в зоне запрещенных энергий есть островки разрешенных энергий. Примерно, как преодолеть ручей прыжками по торчащим валунам.

Область пространственного заряда (ОПЗ)

Область пространственного заряда (ОПЗ), она же обедненная область, она же область объемного заряда – это электрически заряженный слой, который образуется на границе n- и p-областей.

image

В n-слое много свободных электронов, в p-слое много дырок, они хаотично двигаются. Мысленно соедини 2 куска кремния, один n-типа, другой p-типа. В результате в n-слое остаются не скомпенсированные положительные ионы, в p-слое не скомпенсированные отрицательные ионы. Часть свободных электронов уходит в p-слой, часть дырок в n-слой. Напряженность поля максимальна на границе, по мере удаления постепенно спадает. Вдоль границы областей появляется локальное электрическое поле, которое начинает препятствовать дальнейшим переходам. Для кремния напряжение такого внутреннего поля – примерно 0,5 Вольт. В конце концов напряженность поля становится такой, что перебросы дырок и электронов прекращаются и устанавливается равновесное состояние. Зависимость слабая, примерно на 0,1 Вольт при изменении концентрации в 10 раз. Зависит от концентрации примеси по обе стороны.

Непосредственно на границе слоев до нуля. Кроме появления электрического поля на границе, происходит снижение концентрации свободных электронов и дырок. Ширина этой области зависит от напряжения на переходе и концентрации примесей. Отсюда и второе название — «обедненная область». при увеличении концентрации в 100 раз, ширина ОПЗ уменьшается в 10 раз (на самом деле чуть меньше, потому что и напряжение на переходе вырастает). Зависимость от концентрации примесей обратно квадратичная, т.е.

Это состояние, когда на структуру не подают внешнее напряжение.

Если подать внешнее напряжение, то оно векторно складывается с внутренним.

image

плюс (+) к p-слою, минус (-) к n-слою. Подаем небольшое прямое напряжение на переход, т.е. Напряжение на переходе и ширина ОПЗ снижается. Внешнее и внутреннее поля направлены в разные стороны и начинают компенсировать друг друга. Для полупроводниковых диодов есть даже такой параметр – пороговое напряжение. Когда напряжение внешнего поля становится выше внутреннего, ОПЗ исчезает, p-n переход полностью открывается. Это прямое напряжение, при котором диод полностью открывается.

image

Внешнее и внутреннее поля складываются, напряжение на переходе и ширина ОПЗ растут. Теперь подаем обратное напряжение: минус (-) к p-слою, плюс (+) к n-слою.

Если перевести эту модель на наш полевой транзистор, то получаем картинку ниже:

image

Получаем что реальная ширина активной базы, которая управляется напряжением затвора, меньше расстояния исток-сток. Светло-розовым обозначены обедненные области (ОПЗ). При отсутствии напряжения питания ширина ОПЗ истока и стока одинаковые. То есть размер базы минус ширина ОПЗ переходов. Активная база сужается еще больше: Если подать рабочее напряжение, ширина ОПЗ стока растет, поскольку она находится под обратным смещением.

image

Ширина активной базы становится равна 0, от стока к истоку потечет сквозной ток, транзистор открывается. Если база будет слишком короткой, то ОПЗ стока и истока соединяются. Транзистор становится неуправляемым. Независимо от напряжения на затворе. Эффект называется «прокол базы».

Тогда в ОПЗ начинают туннелировать электроны из истока. Есть еще промежуточный вариант, когда ОПЗ не смыкаются, но расстояние от истока до границы ОПЗ стока меньше 8 нм. Проще говоря от истока к стоку потечет приличный туннельный ток. Попав в ОПЗ они электрическим полем перекидываются в сток.

Лавинный пробой

Если напряженность электрического поля внутри ОПЗ становится слишком высокой, то случайно залетевший в него электрон так сильно разгоняется, что сносит электрон с нейтрального атома. Появляются 2 электрона, они снова разгоняются и сдираю электроны со следующих и т.д. Процесс напоминает лавину, отсюда и название. В ОПЗ появляется проводящий канал, через который потечет ток. Транзистор самопроизвольно открывается.

Если напряженность поля будет выше пороговой, залетевший из металла «быстрый» электрон разгоняется и вызывает лавину. Аналогичная ситуация может произойти и в подзатворном диэлектрике.

Источник image
Наглядное сравнение различных видов пробоя.

Напряженность поля = Напряжения / Длина. Чтобы избежать такого лавинного пробоя нужно не допускать превышения напряженности поля выше значения пробоя. нужно сокращать напряжение и увеличивать ширину ОПЗ (или толщину диэлектрика). Т.е.

Электрическое сопротивление областей

Это уже классическая электротехника. И сток, и исток, и канал, и даже проводящие металлические дорожки имеют свое электрическое сопротивление. Сопротивление тем выше, чем больше длина участка и чем меньше площадь сечения.

За счет уменьшения длины сопротивление участка снижается в 2 раза, а за счет уменьшения ширины и высоты увеличивается в 4 раза. Предположим мы все элементы транзистора пропорционально уменьшили в 2 раза. При прохождении тока сопротивление вызывает падение напряжения. В сумме это дает прирост сопротивления элемента в 2 раза. Для напряжений транзисторов в районе 1 В и ниже даже небольшое падение напряжения будет критично.

Все остальное выводится на верхние уровни металлизации: там и слой окисла делается толще и дорожки шире. Для металлизации этот вопрос решили просто – первым узким слоем металла соединяют только элементы внутри ячейки. Тем не менее бесконечно уменьшать размер контактных окон и дорожек металлизации нельзя.

По крайней мере, до недавнего времени, пока не начали сказываться эффекты туннелирования и пробоя. Для областей кремния повышение сопротивления компенсировали повышением концентрации примесей.

Суть ее в том, что на кремниевую подложку наносится слой германия. Другим способом стала технология «растянутого кремния», или «напряженного кремния». Однако атомы германия крупнее, соответственно расстояние между ними в кристаллической решетке больше. Германий элемент той же группы, что и кремний, схожий по кристаллической структуре. Кремний в пленке начинает повторять кристаллическую структуру германия, шаг кристаллической решетки будет как в германии и больше, чем в обычном кремнии. Затем поверх германия формируется тонкая эпитаксиальная пленка кремния. Отсюда и название. Получается, что кремний как бы растягивают во все стороны. Это дает увеличение подвижности электронов и дырок.

Совокупное действие физических эффектов

А теперь рассмотрим действие этих эффектов в совокупности.

Чтобы его убрать, нужно уменьшить ширину ОПЗ. Главной угрозой при миниатюризации транзисторов является прокол базы. Уменьшить её можно снижая внешнее напряжение и увеличивая концентрацию примесей в базе.

Если сделать еще меньше, то рискуем получить «невнятное» открытие транзисторов из-за электрического сопротивления. Напряжение питания снижать уже некуда, оно и так в районе 1В – около двух пороговых.

Можно повысить концентрацию примесей в базе, но тогда получим:

  • резкий рост туннельного тока утечки из стока в базу;
  • повышение риска получить лавинный пробой перехода;
  • увеличение порога напряжения для индуцирования канала, с риском получить пробой подзатворного диэлектрика.

Из-за этих ограничений концентрация примеси в базе фиксируется на уровне 1018-1019.

Можно меньше, но ток утечки становится неадекватным и вероятность сбоя растет по экспоненте. Все названные и неназванные факторы дают ограничение минимальной ширины базы для кремниевых МОП-транзисторов в районе 25 нм.

Увеличение и маштаб идентичны. image
Микрофотография транзисторов, выполненных по 90 нм и 32 нм техпроцессу. Источник

Все те же 25 нм. Как мы видим, размеры металлических контактов стали меньше в разы, а вот ширина базы практически не изменилась. Больше того, для транзисторов по технологии 14 нм, 10 нм и 7 нм она та же самая (ooops!).

Тогда впервые не смогли уменьшить ширину базы пропорционально всем остальным размерам, она осталась примерно 35 нм. Впервые столкнулись с этим при переходе от 130 нм к первым сериям 90 нм. И чем меньше становились транзисторы, тем сильнее это проявлялось. Позднее ее таки снизили до 25 нм, но с тех пор ширина базы уже не подчинялась пропорциям технорм.

Что же сделали? Нужно было менять критерии норм техпроцессов. Они продолжали выдавать за норму техпроцесса разрешение фотолитографии. Большинство ничего не сделали. И тут мы переходим к маркетингу… Или минимальную ширину дорожки металлизации как проявление наиболее простой и наглядной операции.

Они стали вычислять норму техпроцесса из размера элементов, например, на основании площади шеститранзисторной ячейки статической памяти. Креативнее всего поступили маркетологи Intel. Если бы размеры транзисторов как раньше уменьшались пропорционально, то это соответствует технологии 45 нм. В технологии с разрешением литографии 65 нм она была 0,77 мкм2, а при разрешении 40 нм она стала 0,37 мкм2. Отсюда и пошли расхождения технорм от Intel с другими – 28 нм у всех, 32 нм у Intel; 20 нм у всех, 22 нм у Intel; 10 нм у всех, 14 нм у Intel. Значит будем считать что у нас 45 нм технология.

Как показала дальнейшая история, Intel в итоге оказался честнее конкурентов.

Влияние токов утечки

Есть замечательный график из статьи аж 2010 года:

image
Источник

Синий – энерговыделение как результат токов перезарядки (рабочий ток), фиолетовый – результат токов утечки (паразитный ток). График показывает процентное отношение рабочего и паразитного энергопотребления. Это с учетом мер, которые предприняли для снижения паразитных токов.

Первые процессоры в 3 ГГц (Pentium 4, например) появились в начале 2000-х. Хорошо видна причина, по которой прекратился рост тактовых частот процессоров. Обычно это объясняют тем, что увеличилось число ядер, логика стала сложнее, углубилась конвейеризация, поэтому выросли требования к стабильности и, вообще, не в гигагерцах счастье. Так на этом уровне и остались. Но! Раньше как-то умудрялись сочетать все эти факторы с ростом частот. Частично верно.

Например, технорма уменьшилась в 2 раза, число транзисторов выросло в 4 раза, а среднее энергопотребление каждого транзистора снижалось в 6-7 раз. Дело в том, что раньше при уменьшении размера транзисторов появлялся резерв по энергопотреблению. Транзисторы памяти переключаются относительно редко. Дело в том, что КМОП транзисторы потребляют ток при переключении, а рост числа транзисторов шел преимущественно за счет роста кэш-памяти. Поэтому потребляли меньше, чем активные элементы процессора.

Эта разница и давала возможность поднимать тактовую частоту при том же тепловыделении.

С тех пор, несмотря на все ухищрения, в плюс так и не вышли. При переходе со 180 нм к 130 нм ток утечки съел эту дельту. Где-то даже ушли в минус, например, для энергосберегающих процессоров пришлось снижать частоту. Все пожрал проклятый долгоносик съедают токи утечки. Если чудесным образом убрать утечки, то для 45 нм технологии получим трёхкратный запас для роста частоты.

Раньше приоритетом было уменьшение размеров транзисторов, сейчас — сокращение утечек. По сути, в течение 2000-х тихим сапом произошла смена приоритетов.

О методах борьбы с утечками

Смена материала подзатворного окисла

С переходом на High-k диэлектрики пришлось менять и материал затвора. Вместо поликремния стали вновь использовать металл, обычно силицид никеля NiSi. Для разделения со вторым и далее слоем металлизации по-прежнему используют окисел кремния.

Кратко о High-k диэлектриках

Одним из путей улучшения параметров транзисторов было снижение толщины подзатворного диэлектрика. Причин много. Углублять в физику не буду, ее и так уже перебор. Вкратце скажу, что есть такой параметр, как емкость затвора. Система затвор – диэлектрик – кремний напоминает знакомую по курсу школьной физики модель плоского конденсатора.

image

Это способность одной обкладки менять электрическое состояние на второй без прямого электрического контакта. Основной параметр конденсатора — емкость. Она характеризует способность затвора быстро индуцировать канал и собирать как можно больше носителей заряда в приповерхностном слое. В отличии от паразитных емкостей, емкость затвора вещь полезная. Емкость определяется формулой: Это минимизирует электрическое сопротивление канала и падение напряжений.

image

S – площадь обкладок,
d – расстояние между ними,
ԑ – диэлектрическая проницаемость материала между обкладками, для вакуума 1, воздуха практически 1,
ԑ0 – размерная константа.

Чтобы ее компенсировать уменьшали толщину подзатворного окисла. По мере сокращения размеров, уменьшалась эффективная площадь затвора. Это 6 (!!!) атомарных слоев. В итоге пришли к толщине в 1,2 нм (sic!). Следующий шаг был сокращение толщины до 5 атомарных слоев, т.е. При этом получили приличный туннельный ток утечки из затвора в кремний. Такие токи утечки ставили крест на стабильной работе микросхемы. до 1 нм, с ростом туннельного тока в 10 (!!!) раз (при таких размерах вероятность туннелирования увеличивается в 10 раз при приближении на 0,2 нм).

Пришлось отказаться от верно отслужившего окисла кремния в пользу материалов с большей диэлектрической проницаемостью — High-k диэлектриков. Поэтому использовали третий компонент уравнения – диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость кремния 3. Обычно это окисел гафния HfO2 или окисел тантала Ta2O5. Чтобы обеспечить ту же емкость и то же распределение напряженностей в базе, можно использовать слой диэлектрика намного толще, из-за чего туннельные токи из затвора снижаются на порядки. 9, у High-k диэлектриков 25-30.

image

Кремний на изоляторе (SOI)

Технология кремний на изоляторе, он же КНИ, он же SOI, использовалась и раньше для изоляции ячеек. Здесь же пошли еще дальше: поверх кремниевой подложки формируют слой окисла, а нем эпитаксиально наращивают слой кремния.

image
Схематически разница SOI-технологии с обычной планарной МОП

Эта технология кардинально сокращает токи утечки.

Технология КНИ пока очень сложная и дорогая. Но есть и недостатки. Канал получается очень узкий. Кроме того, из-за тонкой изолированной базы, существуют проблемы с накоплением достаточного количества электронов или дырок для формирования канала. Окисел кремния имеет низкую теплопроводность, и отвод тепла с пленки в массу подложки затруднен. Другой проблемой становится отвод тепла.

В идеале окисел должен был бы быть под стоком и истоком, но его не было бы под базой. Как вариант вместо окисла кремния можно использовать сапфир Al2O3, у него теплопроводность выше. Однако пока использование этой технологии ограниченное. Тогда в сочетании с High-k диэлектриком можно было бы нарастить концентрацию примесей в базе и уменьшить ширину канала до 15 нм.

FinFET транзисторы

Название от английского Fin – плавник, гребень. Технология впервые была использована на 22 нм технорме и на данный момент является доминирующей в производстве процессоров. Суть в том, что эпитаксиально наращивается не полный слой кремния поверх окисла, а отдельные гребни в очищенных от окисла зонах.

JPG" alt="image"/>
Например, так. <img src="http://www.russianelectronics.ru/files/59738/b. Источник

Источник image
Схематическое сравнение с планарной технологией — транзисторы становятся трехмерными.

Когда подаем напряжение на затвор, он вытягивает электроны (дырки) из глубины к вершинам гребней, и в них формируется канал. Затвор в данной технологии обтекает канал с трех сторон. При этом, термически гребень не изолирован от подложки и тепло свободно уходит вниз. Таким образом, вся активная зона стока, истока и затвора уходит в гребни, утечка токов вглубь подложки минимальна.

При таких размерах сделать прямоугольные гребни как на схеме нереально, по форме это скорее усеченный конус. Обычно используют двух- или трехгребневые (трехзатворные) транзисторы.

image
Источник

JPG" alt="image"/>
Те же яица транзисторы, вид сверху. <img src="http://www.russianelectronics.ru/files/59738/d. Основания гребней намного шире и здесь не видны. То, что выпирает над окислом — верхушка нанометрового айсберга. Источник

Видим 6 гребней, 3 для n-канала, 3 для p-канала (обозначено как Fin на рисунке), а в середине поперек затвор (Gate), по краям контакты к стоку и истоку. Справа снизу наш КМОП транзистор. Разрешение фотолитографии на размер транзистора влияет опосредовано через возможность сокращения шага между гребнями. Размер транзистора определяется расстоянием между гребнями, числом гребней, шириной канала (все те же 25 нм и больше), размером областей стока и истока. Как видим и тут линейной зависимости не наблюдается. Например, в 22 нм технологии шаг между гребнями 54 нм, в 14 нм – 42 нм, в 10 нм – 34 нм.

Это американский Intel, корейский Samsung и тайваньская TSMC. Сейчас в мире есть только 3 компании, которые освоили эту технологию. Сейчас AMD заказывает процессоры у TSMC и заключила договор с Samsung. Даже бывшая дочка AMD – GlobalFoundries – выбыла из процесса.

Немного о металлизации

Металлические дорожки в первом, самом нижнем слое металлизации всегда старались делать минимальными. Дело в том, что дорожка металлизации образует с кремнием все тот же плоский конденсатор металл-диэлектрик-кремний. Но в отличии от затвора это паразитный конденсатор. При большой емкости на частотах в гигагерцы может возникнуть паразитная электрическая связь там, где ее быть не должно. Чтобы уменьшить паразитную емкость нужно уменьшать площадь дорожек. Поэтому дорожки в самом первом слое металлизации делают максимально короткими и минимально тонкими. По этой же причине стараются, чтобы разные слои металлизации перехлестывались под прямым углом – сначала делают продольные дорожки, следующим слоем поперечные дорожки. Чем выше находится слой, тем толще окисел под ним и шире дорожки.

Поскольку толщина первой металлической дорожки минимальная, то ее часто указывают в качестве нормы техпроцесса. К чему это я?! Довольно толстым слоем поверх High-k диэлектрика, затвора, гребней и впадин. В технологии FinFET пространство между гребнями заполняется окислом. Сами дорожки делают шире для уменьшения электрического сопротивления и компенсации неровностей. Первый слой металлизации выводят на эти завалы над впадинами. минимально возможная ширина дорожки и реальность тоже разошлись. Т.е.

image
Многослойный пирог металлизации

норма техпроцесса все больше становится виртуальной величиной. Т.е. FinFET 22 нм процесс позволяет обходиться двумя гребнями, в 7 нм нужно 3 гребня, в результате размеры транзисторов примерно одинаковые. Поэтому мы имеем близкие по параметрам процессоры, маркируемые нормами от 7 нм до 22 нм. У людей все еще работают старые шаблоны эпохи Мура… Тем не менее, в журналах часто продолжают писать, что с переходом с 10 нм на 7 нм число транзисторов увеличится в 1,8 раза.

Переход к объемным транзисторам привел к появлению большого количества перспективных модификаций. Что же дальше? Например, Samsung анонсировал технологию GAAFET для технормы в 5 нм.

Источник image
Сравнение CMOS, FinFET и GAAFET наглядно.

гребень должен быть не сплошной, а разделен на отдельные нити. Т.е. — остаётся открытым. Вопрос: стоит ли овчинка выделки?

Есть сочетания FinFET и SOI. Ещё есть варианты кольцевых затворов, вертикальных и пр. Это обеспечивает большую точность и возможность создавать более тонкие объемные структуры. Вообще химические процессы эпитаксии сложнее, но более линейны и предсказуемы, чем литография.

Ситуация на современном рынке производителей микропроцессоров и перспективы

Итак, выделилась тройка лидеров — Intel, Samsung и TSMC. Intel проводит под собственными брендами, остальные преимущественно на заказ. Под брендами AMD, NVIDIA, Qualcomm, Apple, IBM скрываются микросхемы, произведенные на заводах TSMC или Samsung. Некоторые старые лидеры отвалились или уперлись в преграду. В высшую лигу пытаются прорваться китайцы, но пока не очень успешно: им не хватает собственной технологической базы, а мировые лидеры в производстве оборудования новейшие технологические линии для китайцев придерживают.

Samsung и TSMC начали ограниченно ее использовать, для наиболее тонких структур. Оптимизм экспертов связан с переходом на объёмные структуры и начало использования EUV-литографии. Хотя, как уже описал, эти цифры на самом деле на мало что влияют. Это дает им возможность рапортовать о достижении норм в 7 нм и в перспективе до 5 нм. Видимо, не верят, что это сильно улучшит характеристики. Тот же Intel вообще отказался от EUV.

Бурный рост микроэлектроники заканчивается (хнык!). С другой стороны, люди в теме понимают, что эпоха Мура закончилась, и каждый новый шаг роста производительности потребует все больших усилий и времени. После взрывного роста следует медленное развитие. Как это случилось когда-то в автомобилестроении и авиации.

Для 3D интеграции придется кардинально снизить тепловыделение или усилить теплоотвод. Из перспективных точек прорыва можно выделить переход на другой материал (не кремний) и создание многослойных микросхем (3D-интеграция — привет идеям AMD).

Большие резервы роста производительности есть в другом. Это все, что касается размеров транзисторов. Можно даже сделать маркетинговый ход, мол новый процессор с улучшенной архитектурой работает, как если бы это был старый с технологией 0,5 нм. В оптимизации архитектуры, например. И фиг с ним, что размеры транзисторов те же самые. Поэтому маркируем его как 0,5 нм.

Например, вместо 6 транзисторной ячейки памяти сделать 2 транзисторные структуры со сложной физикой взаимовлияния. Возможно создание новых типов ячеек из комбинаций транзисторов. Объемные структуры здесь дают множество возможностей.

Предельные физические ограничения

Кто-то может сказать, что пессимизм автора не обоснован. Находят же способы обойти ограничения. Может не так быстро, как раньше, но тем не менее.

Основные из них – вещество состоит из атомов, а носителями заряда являются электроны. Дело в том, что есть еще физические процессы, которые обойти никак не получится. Его не получится создать даже меньше 1000 атомов. Создать транзистор меньше атома никак не получится. Электрон очень непостоянная частица, более-менее стабильное поведение возможно только для массива из тысяч и миллионов электронов. Потому что есть электрон и соотношение неопределенностей Гейзенберга. На одном электроне можно только загубить кота Шредингера.

Прим.: хотя есть разработки по одноэлектронным транзисторам (1, 2 и 3)

Если вероятность коллизии 10-9 (одна на миллиард), то при числе элементов в миллиарды и частотах в ГГцы это дает в среднем 1 коллизию за цикл, или несколько миллиардов коллизий в секунду. Даже при нынешних размерах случаются коллизии, из-за самопроизвольного срабатывания транзисторов. Для отлавливания оных есть системы контроля целостности операций, а подозрительная операция отправляется на повторное выполнение.

В результате приходим к ситуации нулевого или даже отрицательного эффекта от миниатюризации. По мере миниатюризации число коллизий начинает очень резко расти. транзисторы сделали меньше, их влезает в кристалл больше, но из-за роста коллизий и циклов повторной обработки, суммарная производительность не выросла. Т.е. И этот порог вполне на горизонте. А может даже упала.

Несколько слов об отечественной цифровой микроэлектронике

Вопреки расхожим мнениям, до 1985 года отставание СССР от лидеров было не таким уж и большим. Примерно 3-4 года. Это если брать предприятия-лидеры в Зеленограде (прим.: про Микрон BarsMonster писал в своё время). В условиях работы закона Мура даже отставание в 3-4 года сильно влияло на характеристики. Были проблемы были с получением качественного окисла, с четкостью p-n-переходов. Если к этому добавить консервативную политику с упаковкой чипов в корпус (длинные контактные линии не способствовали повышению производительности устройств), а также советские нормативы производства плат и корпусов с кучей железа (кто разбирал советские магнитофоны, тот поймет), получаем анекдот про советскую микросхему с чугунными ручками для переноски.

Позднее стартанули, ограниченные ресурсы, распыление ресурсов. Причин отставания много. Довольно активно работали с альтернативами кремния, прежде всего с материалами A3B5. Когда американцы сосредоточились на КМОП, наши продолжали экспериментировать с различными технологиями. Ну и общая расслабленность позднесоветских НИИ.

Далее 1990-е, когда жизнь в отрасли теплилась по инерции. После 1985-го американцы резко стартанули, а у нас начались проблемы. Вторую жизнь отрасли дала массовая чипизация карт и госзаказ. В итоге в 21 век вошли с технологией 800 нм, когда лидеры уже штурмовали 130 нм. Там не нужны большие гигагерцы и маленькие нанометры. Главным производством стали: чипы для SIM-карт, банковских карт, карт оплаты, транспортных и скидочных карт и прочий ширпотреб.

Прим.: кстати говоря, пока в Мск действуют одноразовые билеты (купил-использовал-выбросил-загрузил работой завод), в том же Китае активно продвигают ресурсосберегающие технологии, в частности, многоразовое использование «жетона» на метро (даже для одной короткой поездки).

Видео про метро Шеньженя

Тем не менее, идёт попытка выйти и в «высшую лигу» микроэлектроники. Развитие идет по четырем основным направлениям.

  1. «Суверенные» техпроцессы. Попытка создать полный цикл производства на аппаратуре отечественного производства и собственными техпроцессами. Идем тем же путем, который прошли лидеры лет 20 назад, но с учетом найденных граблей и путей решения. Из последнего что было в открытых источниках это 250 нм в серии и 150 нм в процессе внедрения. Сюда же можно отнести попытку создать собственные установки EUV-литографии на 13,5 нм и таким образом сразу выйти если не в высшую лигу, то вплотную к ним.
  2. Закупка технологических линий у ведущих мировых производителей. Проблема тут в том, что самые современные установки нам не продавали даже в лучшие годы. Обычно продают устаревшие линии, которые сняли с производства. Сейчас в связи с санкциями тем более. Тут можно вспомнить эпопею с закупкой «Ангстремом» оборудования дрезденского завода AMD в 2007, под техпроцесс 180 нм. Или закупку «Микроном» 90 нм линии у французской STMicroelectronics с последующим апгрейдом до 65 нм. Пока это самый тонкий техпроцесс в России, успели урвать перед санкциями. Правда есть сейчас и обходной путь – закупка через Китай.
  3. Заказ производства на заводах в Китае или Тайване. При этом архитектура и топология полностью разрабатываются у нас,сейчас даже делаются собственные фотошаблоны. Китайцам остается только воспроизвести техпроцессы на своих заводах. Получаем более совершенные производительные процессоры, и развиваем компетенцию в области разработки самых современных процессорных систем. Здесь задействованы уже не группа ученых-Кулибиных, а большие конструкторские коллективы. Из полного цикла выбывает только последний участок – производство.

    Статья о выходе Байкала и его разбор.
    Прим.: Байкал сделан как раз по нормам 28 нм на фабрике TSMC.

  4. Развитие альтернативных технологий. Это разработка перспективных технологий, которые могут стать массовыми в будущем. Сюда входят работы по соединениям A3B5 и гетероструктурам, прежде всего арсениду и нитриду галлия. А также попытки оптимизировать электронно-лучевую и рентгеновскую литографию для массового производства, что вообще снимает ограничения литографии.

    Прим.: сильная школа по гетероструктурам нам досталась от ныне покойного Алфёрова, но даже с господдержкой OptoGaN не вытянул, рынок и конъюнктура подводят.

В целом для российской микроэлектроники ситуация не блестящая. Но есть надежда, что лидеры неизбежно затормозятся из-за физических ограничений, и тут мы, медленно поспешая, подкрадемся сзади.

Финальный аккорд про память и окна возможностей в третьей 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