Проблемы развития кремниевой микро- и наноэлектроники
Download
1 / 45

Проблемы развития кремниевой микро- и наноэлектроники - PowerPoint PPT Presentation


  • 175 Views
  • Uploaded on

Проблемы развития кремниевой микро- и наноэлектроники. А.А.Орликовский Физико-технологический институт РАН [email protected] ФТИАН. Содержание. Развитие высокопроизводительной литографии ( ~ 100 пластин/час). Проблемы энерговыделения и теплоотвода в КМОП СБИС.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Проблемы развития кремниевой микро- и наноэлектроники' - keita


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Проблемы развития кремниевой микро- и наноэлектроники

А.А.Орликовский

Физико-технологический институт РАН

[email protected]

ФТИАН


Содержание. микро- и наноэлектроники

  • Развитие высокопроизводительной литографии (~100 пластин/час).

  • Проблемы энерговыделения и теплоотвода в КМОП СБИС.

  • Эволюция структуры МДП-транзистора.

  • Разброс характеристик МДП-транзисторов с длинами каналов в глубоком суб-100 нм диапазоне?

  • После МДП-транзистора?

  • Проблемы многоуровневых соединений в СБИС.

ФТИАН


Закон Мура микро- и наноэлектроники

ФТИАН


Развитие оптической микро- и наноэлектроникилитографии

R = k1/NA

k1 – несовершенство систем изображения,

дифракционные эффекты,

несовершенство регистрирующей среды.

  • Оптимальная коррекция шаблонов

  • Оптимизация резистов

  • Совершенствование оптической системы

     = 193 нм

    NA=0,95;k1=0,25; R= 50 нм

ФТИАН


Оптические микро- и наноэлектроникистепперы-сканеры

  • 1. 436 нм (g-линия)

  • 2. 365 нм (i-линия)

  • 3. 248 нм (KrF)

  • 4. 193 нм (ArF)

ФТИАН


Иммерсионная литография микро- и наноэлектроникиλ = 193 нм

R = k1/NA

  • NAimm = nNAdry,

  • n – коэффициент преломления

    n = 1,436 (вода на  = 193 нм )и NAimm=1,35

    R = 37нм !!!

  • DOF = k2 /NA2

    DOF = 150 нм

    Проблемы: новые источники дефектов (пузырьки, капли)

ФТИАН


Проблемы иммерсионной литографии

ФТИАН


Перспективы иммерсионной литографиина длине волны 193 нм

  • Применение жидкостей с большими n

    (1,6; 1,8). Для 2-ой генерации (1,6) степперов-сканеров

    R ≤ 32 нм,

    для 3-ей (1,8) R~ 28 нм.

ФТИАН


Double patterning
Двойное экспонирование и проявление (double patterning)

ФТИАН


Double patterning1
Двойное экспонирование проявление (double patterning)

ФТИАН


Литография для поколений ИС с минимальным размером 22 нм и меньше

1. ЭУФ на λ = 13,5 нм (EUV) – отражающая оптика, производительность до 100 пластин/час

2. Высоковольтная многолучевая электронная литография (HVEB-DW)

3. Низковольтная многолучевая электронная литография (LVEB-DW)

До 10000 пучков, производительность от 5 до 30 пластин/час

ФТИАН


ЭУФ-литография минимальным размером 22 нм и меньше

NA=0,25 – 0,40; k1=0,6 – 0,4; R = 32 – 12 нм

  • Преимущества:

    - ЭУФЛ является оптической и проекционной, используются стеклянные заготовки для шаблонов;

    - может быть использована для нескольких поколений ИС;

    - работоспособность уже продемонстрирована на прототипах литографов,

    - возможность создать источник света с меньшей длиной волны.

ФТИАН


ЭУФ-литография минимальным размером 22 нм и меньше

Проблемы:

- ЭУФ-источник с высокой оптической мощностью (115 и 180 Вт для чувствительности резистов 5 и 10 мДж/см2),

- Светосильные асферические зеркала для объектива с ошибками формы ≤ 0.1 нм,

- Многозеркальные (6) объективы с NA ≥ 0,3

- Ультраплоские подложки для масок с низкой плотностью дефектов,

- Транспортные системы для масок и пластин (100 пластин/час),

- Резисты, отвечающие требованиям по разрешению, чувствительности и ширине шероховатости края

ФТИАН


Эволюция уровня выделения тепла в блоках высокопроизводительных ЭВМ

ФТИАН


КМОП СБИС в блоках высокопроизводительных ЭВМ

затвор

исток

сток

Подложка

КМОП ИС – 90% рынка ИС с начала 1980-х годов

PΣ≈ CΣ f (Vп)2

Lк=10 нм, CΣ = 5х10-17Ф, f=10 ГГц, N=5.109, Vп=1B, PΣ = 2,5кВт !!!

ФТИАН


Воздушное охлаждение в блоках высокопроизводительных ЭВМ

Р=60-85 Вт/см2

RT1= 0,20-0,27 0C/Вт

Р = 141,5 Ра

RT2 = 0,10-0,07 0C/Вт

ФТИАН


Жидкостное охлаждение: в блоках высокопроизводительных ЭВМнепрямое (микроканалы < 0,1 мм)

T = 600C, Р= 227 Вт/см2 (а), 320 Вт/см2(b), 397 Вт/см2(c)

ФТИАН


Прямое охлаждение кристалла процессора водой: распылением и струйное

ФТИАН


Power 6 65
Прямое охлаждение кристалла процессора водой: Power 6, 65 нм

5.104 микроканалов

шириной 30-50 мкм

P 400 Вт/см2

при низкой мощности насоса

ФТИАН


ITRS Product Technology Trends процессора водой:

Fig 7&8 Simplified – Option 1

After 1998

.71X/2YR

MPU M1

.71X/2.5YR

Before 1998

.71X/3YR

MPU & DRAM M1

& Flash Poly

.71X/3YR

Flash Poly

.71X/2YR

Gate Length

.71X/3YR

GLpr IS =

1.6818 x GLph

Nanotechnology (<100nm) Era Begins -1999

2005 - 2020 ITRS Range

ФТИАН


Быстродействие ВПСК процессора водой:

1. f ~ 1/Lk

при Lk≥ 100 нм

f/P ~ (1/Lk)3

2. При Lk≤ 100 нм

f/P ~ (1/Lk)2

В области длин канала 100 нм зависимость потребляемой мощности от длины канала меняется

ФТИАН


МДП-транзистор процессора водой: «Золотое время масштабирования» закончилось при МР ~ 100 нм

З

И

С

Подложка

  • Увеличение Nk приводит к катастрофическому снижениюподвижности носителей в канале

  • Напряжение питания (~1 В) уменьшать возможно только в ущерб производительности

  • Толщина подзатворного диэлектрика становится туннельно тонкой

  • Сопротивление поли-Si затворастановится неудовлетворительно высоким

ФТИАН


V 0 8 1 0 b
Напряжение питания процессора водой: Vп мин = 0,8 – 1,0 B

  • Iвкл μCox(Wk/2Lk)(Vп-Vпор)2

  • Iвыкл~μ(Wk/Lk)(kT/e)2exp(-Vпор/nkT), n>1

  • Vп снижать нельзя из-за

  • снижения Iвкл→ 

  • 2.Vпор снижать нельзя из-за

  • экспоненциального

  • увеличения Iвыкли

  • неизбежного

  • большого разбросаVпор

ФТИАН


Полная рассеиваемая кристаллом мощность

PΣ≈ CΣ f (Uп)2+IутUп+ IвыклUп

Токи утечки:

Iox- ток прямого туннелирования через подзатворный диэлектрик,

Ip-n – ток утечки обратно смещенного р-п перехода «сток-подложка»,

Iист-ст – ток прямого туннелирования «исток-сток»

ФТИАН


Увеличение доли статической мощности(высокопроизводительные системы на кристалле - ВПСК)

  • Увеличение производительности ВПСК осуществляется схемотехническими, архитектурными и алгоритмическими средствами

  • С уменьшением Lkплотность статической мощности становится сравнимой с плотностью динамической мощности

ФТИАН


Ток прямого туннелирования «исток-сток»

Ток туннелированияIT ~ exp{-2(2mUb/ћW2)1/2},

Ub – высота барьера над уровнем Ферми в контактах,

W – ширина барьера.

Термоэммиссионный ток (в закрытом состоянии)

ITE ~ exp {- (Ub/kT)}.

Условие преобладанияITнадITE :

W< (ћ2Ub/8mkT)1/2.

ITE = 10-9 A/мкм, Ub/kT = 20 -→ W(Lk) < 12 нм

Эксперимент: при Lk = 5 нм IT~ 10-6A/мкм

(J.Lolivier et al. SOI2005)

ФТИАН


Вклад тока туннелирования «сток-исток» в статическую мощность

Туннельный транзистор: смена концепции, схемотехники, материалов(?)

2015 год:Lk = 10 нм, N = 5.109 МДП КНИ транзисторов

Рст = 10-9 А/мкм х(30х10-3 мкм)х1Вх 5.109 = 150 мВт

2020 год:Lk = 5нм, N = 5.1010 транзисторов

Рст = 10-6 А/мкм х

(15х10-3мкм)х1Вх5.1010 =

750 Вт (!)

ФТИАН


Эволюция структуры МДП-транзистора

  • Подзатворный диэлектрик в высоким(ZrO2, HfO2, ZrSiO4, HfSiO4, Si3N4, Al2O3и др.)

  • Металлический затвор (Ta с работой выхода 4,3 эВ для n- МДПТ и TiN (4,9 эВ) p-МДПТ с HfSiO4, NiSi для транзисторов обоих типов)

  • Применение структур с напряженным кремнием в канале (увеличение подвижности электронов и дырок), применение нелегированного сверхтонкого КНИ, поиск материалов для каналов р- и п- транзисторов с высокой подвижностью, встроенных в кремниевую подложку (Ge, Ge/Si и др)

    Iвкл μCox(Wk/2Lk)(Vп-Vпор)2

  • Сверхмелкое легирование областей стока и истока

    (xj ~ 10 нм и меньше)

ФТИАН


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

ФТИАН


Эволюция структуры переходовМДП транзистора

ФТИАН


L k 10 t si 2 5
НаноМДПТ в ультратонком КНИ переходов(Lk ~ 10 нм, tSi =2-5 нм )

Si layer

затвор

канал

исток

сток

  • Меньше токи утечки

  • Почти идеальный наклон подпороговых характеристик

  • (~60 мВ/дек)

  • Ниже разброс пороговых напряжений

  • Меньше емкости «сток/исток – подложка»

ФТИАН


Квантовые эффекты переходовв наноМДП-транзисторе

  • 1. Эффекты, связанные с поперечным квантованием носителей в канале транзистора:

  • а) Сдвиг порогового напряжения и изменение тока открытого транзистора;

  • б) Квантовый транспорт в канале транзистора: учет зонной структуры кремния;

  • в) Емкость «канал-затвор»;

  • г) Сильное рассеяние на шероховатостях поверхности:

  • подвижность от толщины слоя кремния ~ d^6 или d^4;

  • 2. Квантовомеханическое отражение и интерференция при продольном движении в канале.

  • 3. Статистика Ферми-Дирака в контактах.

  • 4. Туннелирование между истоком и стоком.

ФТИАН


Квантовое моделирование наноМДП транзистора в ультратонком КНИ

Произвольные примеси в канале

Неоднородный канал

Требования к совершенству ультратонкого КНИ резко возрастают!

ФТИАН


После МДП-транзистора транзистора в ультратонком КНИ (направления поисков)

►Нанотрубки, графены в канале ПТ (Гейм, Новоселов)

►Кремниевые нанопровода в канале МДПТ

►Одноэлектронные транзисторы

► Новые архитектуры (crossbar - HP,

CMOL – Струков, Лихарев)

ФТИАН


Проблемы многоуровневых соединений

  • Промышленное внедрение новых материалов: медь, “low k” диэлектрики, барьерные слои, слои “etch stop” и т.д.

  • Минимизация потерь и задержек в соединениях (ρ, RC)

  • Обеспечение надежности соединений и контактов

  • Создание метрологических методов и средств

ФТИАН


Сопротивление медных проводников

  • Зависимость от ширины проводника

  • Зависимость от аспектного отношения

ФТИАН


Non-conformal deposition проводников

Sacrificial material

Input signal

Crosstalk level

Задержки сигналов в соединениях и наведенные сигналы (помехи)

10-кратное увеличение задержек в глобальных уровнях соединений

kc = CIMD / CILD

ФТИАН


Проблемы и особенности деградации медной металлизации

  • Кинетика разрушения: электромиграция вакансий, генерация и эволюция напряжений и деформаций, образование и развитие вакансионных кластеров (плотности тока > 105 -106A/см2 )

  • Рост термодинамически устойчивых микрополостей от нанометровых размеров до поперечной ширины линии (размеров зерна в случае бамбуковых структур)

  • Конкуренция различных мод разрушения (электромиграционных отказов) в области соединительных контактов токопроводящих линий:

    1) рост микрополости в местах соединения контактного столбика с соседними уровнями металлизации

    2) эрозия открытого торца проводящей линии в результате выхода вакансий на его поверхность

    3) рост микрополости на границе линии с изолирующим диэлектриком (вглубь линии)

Время на отказ в двухуровневой металлизации для различных геометрических параметров и температур,j = J10-10 А/m2

ФТИАН


Проблемы теории и моделирования для медной металлизации

  • Адгезионная прочность интерфейсов в условиях электрических, механических и тепловых нагрузок в зависимости от дефектности слоев, образующих интерфейс (отсутствие отслоений, коробления и т.д.)

    Интерфейсы и контакты: между проводящей линией (ПЛ) и барьерными слоями, ПЛ и защитным диэлектриком, ПЛ и слоями материалов, вводимых между ПЛ и контактной ножкой для улучшения адгезии (Ta, TaN, TiN); металлический электрод–high-K диэлектрик–полупроводник с высокой подвижностью (структуры типа TiN/HfO2/Ge)

  • Оптимизация адгезионной прочности межсоединений в зависимости от концентрации и распределения дефектов, текстуры границ и рабочих параметров (немонотонность и существенная нелинейность работы отрыва и поверхностного натяжения)

  • Рост сопротивления и нагрева из-за необходимости использования до 20% сечения медного проводника для барьерной пленки, предотвращающей диффузию атомов меди в примыкающие диэлектрики

  • Отсутствует точное описание действия обратных механических напряжений (недостаточно экспериментальных данных для Сuметаллизации)

  • Необходимо дальнейшее развитие микроскопической дискретной теории электромиграционного разрушения, развитой К.Валиевым, Т.Махвиладзе, М.Сарычевым, для плотноупакованных нанотранзисторных ИС (дискретное описание транспорта вакансий и ионов, процессов деформирования, атомистическое описание структуры проводящих элементов)

ФТИАН


Развивающиеся методы соединений для медной металлизации

  • 1. Оптические соединения (эмиттеры, волноводы, модуляторы, детекторы)

  • 2. СВЧ (передающие и принимающие антенны, генераторы, волноводы, свободное пространство и т.д.)

  • 3. 3D - интеграция

  • 4. Нанотрубки

ФТИАН


Оптические соединения для медной металлизации

Пропускная способность 40 Гбит/с на один канал

  • Фотонные переключатели с большой полосой пропускания, соединяющие ядра процессора

  • Волноводы и модуляторы, изготовленные по кремниевой технологии

ФТИАН


Оптические соединения для медной металлизации

  • Лазеры и фотоприемники

ФТИАН


СВЧ беспроводные соединения для медной металлизации

  • Внутри- и межчиповые соединения с использованием интегрированных передатчиков и приемников

  • 1,16 Гбит/с

ФТИАН


Заключение для медной металлизации

  • 1. Согласно закону Мура ожидается, что к 2020 году будет освоена КМОП технология с длинами каналов транзисторов 6 нм. Это потребует преодоления следующих проблем:

    • Проблема литографиив суб-10 нм диапазоне минимальных размеров

    • Проблема большого энергопотребления

    • Проблема выполнения требований к разбросу параметров транзисторов

    • Проблема создания высоконадежных и скоростных соединений на кристалле

ФТИАН


Заключение для медной металлизации

  • 2. Закон Мура может быть завершен и раньше 2020 года, если эквивалентная стоимость одного компонента системы на кристалле перестанет снижаться прежними темпами.

  • 3. После 2020 года наступит эра квантовых процессоров, для развития которых будут сформулированы новые закономерности.

ФТИАН


ad