История вычеслительной техники

Очевидными  недостатками кратного экспонирования является кратное увеличение числа  масок и технологических операций для формирования каждого критического слоя, а также очень высокие  требования по точности совмещения масок. Небольшое смещение между двумя  экспозициями слоя может привести, например, к асимметрии истока и  стока (относительно затвора) у всех транзисторов пластины.

В 2006 г. появилось ещё одно улучшение  — погружённая литография. Впрочем, в крайне неустойчивой и неполной русскоязычной терминологии по странной традиции прижилась транслитерированная  форма оригинала — иммерсионная литография. Суть оной в том, что пространство между последней линзой и экспонируемой пластиной заполняется не воздухом, а жидкостью (на данный момент — водой). Это улучшает разрешение на 30–40% ввиду большего преломления жидкости, которое влияет на вышеуказанный параметр NA, равный 1 для воздуха и 1,33 для воды. Intel внедрила иммерсионную литографию вместо «сухой» с техпроцесса 32 нм, а AMD — ещё с 45 нм. Интересно, что первые «водные» сканеры появились ещё в 2005 г., но техпроцессы с ними пришлось дорабатывать около года после внедрения на фабах до применения в массовом производстве. И вот почему:

Мало  того, что вода должна быть сверхчистая (она и так требуется почти  в половине технических процессов  производства ИС) — в ней не должно быть пузырьков, температура должна быть равномерной, она не должна загрязняться и поглощаться фоторезистом (сверх меры) или растворять его. Более того, 193-нанометровый ультрафиолет ионизирует воду — а электроны могут среагировать с фоторезистом. Решить все эти вопросы удалось внесением специального оптически прозрачного гидрофобного защитного покрытия для фоторезиста перед экспонированием. Таким образом плотность дефектов осталась примерно та же.

Не менее  важная часть — производительность, ведь мало изготавливать чипы сложными и дешёвыми, их нужно много. Скорость пластины в литографическом сканере достигает 0,5 м/с, но держать её всю под слоем воды не выйдет — сверхточное позиционирование полагается на лазерные интерферометры, и малейшая рябь на поверхности воды всё испортит. Поэтому слой «привязали» к оптике. Чтобы пластина не уносила воду в сторону, вокруг оптики разместили водяные микросопла, половина из которых по ходу движения впрыскивают воду, а противоположные им — высасывают. Всё это происходит с очень точным контролем, чтобы не внести пузыри при впрыске и не оставить позади капли после отсоса, что особенно трудно с краю пластины. Теперь ясно, почему иммерсионный сканер гораздо дороже сухого.

В 2007 г. (для техпроцесса 45 нм) в микроэлектронике появилось сокращение HKMG — High-k [dielectric and] Metal Gate, т. е. изолятор с высокой диэлектрической проницаемостью и металлический затвор. Сначала о первой половине формулы. Параметр k означает относительную диэлектрическую проницаемость (безразмерную величину, разную для разных веществ), однако в английском языке (и, к сожалению, в большинстве русских переводов) её почему-то называют диэлектрической константой. (Не говоря уже о том, что вместо «k» должна быть греческая буква каппа — κ…) Настоящая же диэлектрическая константа (она же — электрическая постоянная, ε₀), как и полагается, неизменна. В микроэлектронике «нормальным k» считается 3,9, что соответствует проницаемости диоксида кремния (SiO₂), десятилетия использовавшегося в качестве боковых, межслойных и подзатворых изоляторов. Вещества с проницаемостью выше 3,9 относятся к классу high-k (высокопроницаемые), а ниже — к low-k (низкопроницаемые).

Последние нужны для межслойных и боковых  диэлектриков, т. к. таким образом  можно лучше изолировать металлические  дорожки межсоединений, избегая диэлектрического пробоя из-за слишком тонкого слоя изоляции между ними. Сама же изоляция должна быть тонкой, т. к. иначе невозможно подвести дорожки к всё время уменьшающимся транзисторам, кроме как сделав такими же малыми и проводники, и разделяющие их изоляторы. К низкопроницаемым материалам относятся диоксид кремния-углерода (органосиликатное стекло с k=3 — самый популярный диэлектрик, используемый с 90 нм), он же, но пористый (k=2,7), нанокластерный кварц (2,25) и некоторые органические полимеры (k<2,2). По идее, изолятор, разделяющий затвор и канал транзистора, должен подчиняться этим же требованиям, но на деле оказывается всё наоборот — тут нужен как раз высокопроницаемый диэлектрик.

Всё дело в эффекте квантового туннелирования. К 90-нанометровому техпроцессу толщина затвора уменьшилась до величины от 1,2 (у Intel) до 1,9 нм (у Fujitsu; обе цифры — для n-каналов). А толщина кристаллической решётки кремния, напомним, равна 0,543 нм. При такой тонкости электроны начинают туннелировать сквозь изолятор, приводя к утечке тока. Дело обстояло настолько серьёзно, что для техпроцесса 65 нм уменьшились все параметры транзистора, кроме толщины затвора, т. к. если бы его сделали ещё тоньше, то ни о какой энергоэффективности не стоило бы и мечтать.

Высокопроницаемый диэлектрик позволяет электрическому полю затвора проникать на большую  глубину или толщину, не снижая остальные  электрические характеристики, влияющие на скорость переключения транзистора. Так что, заменив применявшийся  с 90-х гг. оксинитрид кремния на новый оксинитрид кремния-гафния (HfSiON, k=20–40) толщиной в 3 нм, для процесса 45 нм удалось уменьшить утечки тока в 20–1000 раз. Для получения такой же скорости работы старый затвор пришлось бы делать толщиной в 1 нм, что было бы катастрофой. Встречающиеся сегодня цифры толщин подзатворных изоляторов менее чем в 1 нм являются как раз такими SiO₂-эквивалентами и применяются только для вычисления частоты, но не утечки. Диоксид кремния, впрочем, до сих пор имеется в виде нижнего подзатворного слоя, но используется только как физический интерфейс для совместимости с текущими техпроцессами.

Любопытно, что при анонсе нового материала  Intel поблагодарила старого микроэлектронного соперника — IBM. Но не потому, что инженеры «синего гиганта» разработали для коллег с не менее синим логотипом новый материал — а потому, что детальное математическое моделирование, доказавшее, что именно гафний является оптимальным материалом, провели на суперкомпьютере IBM. Учитывать пришлось не только проницаемость, но и ширину запрещённой зоны (она должна быть согласована с кремнием), морфологию слоя, термостабильность, ненарушение высокой подвижности носителей заряда в канале и минимальность краевых дефектов.

Впрочем, одного недостатка избежать не удалось: гафниевый изолятор не совместим с поликремниевым затвором, так что пришлось менять и его — на металлический. Теперь ясно, почему эти две технологии идут парой. Однако новый затвор не алюминиевый, как это было в 60-х, а в виде сплава двух металлов. Его сопротивление ниже, что ускоряет переключение транзистора. Изначально было известно лишь то, что сплав отличается для p- и n-канальных транзисторов, причём Intel (которая первой всё это применила) держит оба состава в строгом секрете. Однако через год (в 2008-м) инженеры IBM (работа которых с тех пор используется в т. ч. на заводах GlobalFoundries, ранее принадлежавших AMD) сделали свою версию этой технологии, так что деталями пришлось делиться и Intel.

До сих  пор использованию металлов мешал  тот факт, что после имплантации  примесей пластина проходит отжиг при  температуре 900–1000 °C, что выше температуры  плавления многих металлов (включая  алюминий) и сплавов, но не поликремния. Хотя даже и без плавления при повышении температуры металл может диффундировать в подлежащие слои. Теперь ясно, почему точная формула сплавов держится в секрете — их действительно трудно подобрать. Не зря лично Гордон Мур назвал HKMG наибольшим достижением с момента изобретения поликремниевого затвора в 1969 г. До этого момента алюминиевые затворы никому не мешали, т. к. не было ни высокотемпературного отжига, ни формирования истоков и стоков впритык к затворам. Сегодня же приходится применять всё более экзотические материалы — например, Panasonic легирует сплав для n-каналов своих HKMG-транзисторов редкоземельным элементом лантаном.

Не меньше вопросов возникает при обсуждении двух версий технологии. Intel сначала формирует обычный поликремниевый затвор, работающий лишь как маска для создания истока и стока, затем вытравливает его, осаждает сплав для p-каналов, удаляет его из n-транзисторов, осаждает сплав для n-каналов и добавляет ко всем затворам алюминиевый заполнитель — этот вариант называется Gate last, «затвор последним». IBM и GF используют Gate first, «затвор первым»: на подзатворный изолятор осаждается p-сплав, удаляется над n-каналами, осаждается n-сплав, удаляется над p-каналами, осаждается поликремний в качестве заполнителя и маски — а далее как обычно.

Intel утверждает, что её версия лучше совместима с напряжённым кремнием (потому что ему не мешает металл затвора) и позволяет использовать большее разнообразие металлов (потому что они осаждаются после высокотемпературных обработок), тогда как у конкурентов сложнее получить разные виды транзисторов (по нагрузке, скорости, напряжению и пр.), и они всё равно окажутся чуть медленнее и с меньшим выходом годных. IBM и GF отвечают, что их способ дешевле и требует меньших ограничений на расположение транзисторов, что позволяет разместить их на 10–20% плотней, а в Intel приходится мириться с жёсткими ограничениями на размеры и расположение. Причём Intel тут в меньшинстве, потому что «затвор первым» формируют и в Chartered, Freescale, Infineon и Samsung. Последняя, правда, недавно заявила, что для её 20-нанометрового процесса затвор всё же будет «последним».

Формирование  широко применяемых в современных  чипах тонких плёнок было бы невозможно без технологии молекулярного наслаивания, она же — послойное атомное осаждение (Atomic Layer Deposition, ALD). Её суть заключается в том, что за один цикл обработки, длящийся всего несколько секунд, образуется ровно один слой молекул, так что толщину откладываемой плёнки можно регулировать с максимальной возможной точностью (для самых простых веществ — ±10 пм) лишь числом циклов. Каждый цикл состоит из двух стадий осаждения из газовой фазы прекурсоров (химических предшественников осаждаемого вещества) и двух продувок для удаления излишков. Прекурсоры подбираются так, чтобы лишь один их слой мог прилипнуть к уже осаждённому материалу — к подложке для 1-го осаждения, к предыдущему слою для нечётных осаждений (после 1-го) или к первому прекурсору для чётных. Способ подходит не только для составных веществ, но и для некоторых чистых металлов.

Молекулярное  наслаивание впервые опробовано в начале 60-х профессором Станиславом Кольцовым из Ленинградского Технологического Института имени Ленсовета (ныне — СПбГТИ), а сама идея предложена профессором Валентином Алесковским в 1952 г. в его докторской диссертации «Остовная гипотеза и опыт синтеза катализаторов». Во всём остальном мире наслаивание появилось лишь в 1977 г. под именем «Atomic Layer Epitaxy» (ALE). Однако до микроэлектронного применения дело дошло лишь в середине 90-х — до этого очень тонкие плёнки были не нужны. Сейчас же, когда отдельные части транзистора исчисляются единичными атомными слоями, без ALD не обойтись. Тем страннее то, что в русской части Википедии об этой технологии и её создателях не написано вообще ничего, да и в остальном рунете — с гулькин нос…

Расскажем и о двух любопытных техниках, применяемых  лишь некоторыми компаниями. Впрочем, первая известна с начала 2000-х и  в какой-либо форме применяется  во всех современных сканерах — структурный свет (structured light), меняющий форму луча лазера. Его сечение при этом оказывается не круглым, а кольцевым, 4-полюсным или каким-то ещё. Однако в 2009 г. Toshiba и NEC использовали в своём 32-нанометровом процессе новый вид такого освещения (возможно, в комплексе с доводкой методов OPC под него), что позволило обойтись без дорогостоящего двойного структурирования (которое у этих фирм вызвало 25-процентное увеличение дефектности). Обычно на таких размерах одно экспонирование единственной маски на слой приводит к сильным искажениям прямых дорожек (не смотря на OPC). Но структурный свет решает эту проблему и даже позволяет уменьшить шаг между элементами. Поэтому у Toshiba и NEC получилась самая маленькая (среди 32-нанометровых процессов всех фирм) ячейка СОЗУ — на 0,124 мк² (позже мы сравним эти цифры детальней), а плотность транзисторов в логике — 3,65 млн. вентилей/мм². И всё это по вдвое меньшей удельной цене, чем для своих же 45 нм, и на 9% дешевле, чем с применением двойного структурирования. Учись, Intel :)