eng
Выпуск #1/2000
А.Н. Бубенников, А.А. Бубенников, А.В. Зыков, А.В. Ракитин.
Наноэлектроника уровня 100–50 нм. Техноэкономическая перспектива
Наноэлектроника уровня 100–50 нм. Техноэкономическая перспектива
Просмотры: 2534
На пороге нового тысячелетия ключевым фактором разработки и производства микропроцессорных и нейроУБИС становится синтез технологии и экономики (техноэкономика) [1–3]. Причем понятие “техноэкономика” можно трактовать не только как влияние прорывных технологий на экономику, но и как влияние экономических факторов на развитие технологии. В этой связи, как никогда ранее, приобретают значение конкурентоспособность технологий, приборно-схемотехнических базисов и архитектур УБИС, а также эффективность производства и НИОКР. Оригинальные, нестандартные решения могут открыть новые пути развития электроники, привести к неожиданным, качественно новым результатам.
Эволюция от микро- к наноэлектронике: технология и экономика
В обозримой перспективе (до 2020 года) лидирующую роль в качестве основного полупроводникового материала сохранит кремний (и кремниевые технологии). Это обусловлено главным образом экономическими причинами. Большинство современных микропроцессорных и нейроУБИС реализованы в КМОП-базисе, поскольку он обеспечивает минимальное статическое энергопотребление и очень малое потребление на низких и средних рабочих частотах, а также высокую плотность упаковки элементов и простоту технологической реализации.
Кремниевые КМОП-элементы с задержками 10–15 пс незначительно уступают в технологическом быстродействии (в режиме кольцевого генератора) наиболее быстродействующим элементам на GaAs и материалах группы А3В5 (с задержками 5–10 пс), но более чем на порядок превосходят своих конкурентов в интеграции и, самое главное, в стоимости промышленной реализации. Так, в 1996–1999 годах цена одного КМОП-вентиля в базовом матричном кристалле (БМК) с интеграцией 300–1200 тыс. вентилей/кристалл для ведущих фирм Японии и США составляла около 0,01–0,05 цента против 0,2–1 цента за вентиль для GaAs-БМК с максимальной интеграцией 30–130 тыс. вентилей/кристалл, выпускаемых мировым лидером – фирмой Vitesse.
Дальнейшее повышение функциональной производительности будет происходить главным образом за счет уменьшения минимального размера (F) в области глубокого субмикрона (<0,35 мкм) и освоения перспективного диапазона 50–100 нм наряду с увеличением плотности упаковки (PE) и площади кристалла D2 (D>15-20 мм), размеров самой кремниевой пластины (с диаметром свыше 300–400 мм), а также совершенствованием схемотехнических и архитектурных решений.
Число простейших приборных структур N в УБИС без учета линий связи в кристалле можно оценить как N = F-2D2PE [4, 5]. За 40 лет развития интегральной технологии, с момента появления первых ИС в 1958–59 годах, площадь минимального литографического квадрата F2 уменьшилась в 104 раз, площадь кристалла D2 увеличилась примерно в 300 раз, коэффициент эффективности упаковки возрос в ~100 раз. При этом число приборов современных УБИС выросло в 3Ч108. В то же время при значительном увеличении надежности удельная стоимость производства (стоимость всех технологических процессов, приведенных к 1 см2) остается практически неизменной в течение нескольких десятилетий: 3,9–3,7 долл./см2 в 1995–1999 годах при прогнозе 3,7–3,4 долл./см2 в 2001–2010 годах. Соответственно на порядок прогнозируется снижение удельной стоимости отдельных приборов: от 0,2 миллицента в 2001 году до 0,02 миллицента в 2010 году [1,2].
Наблюдается явная тенденция коррелированного снижения размеров, потребляемой мощности, а также стоимости разработки и рыночной цены конкурентоспособных наукоемких продуктов (КНП) при постоянном повышении их производительности. Показатели информационно-вычислительных КНП конца 1970-х годов (10 MIPS, 10 кВт, 20 тыс. долл.) за два десятка лет прогрессировали до 10–100 MIPS, 1–30 Вт и 10–100 долл.
Согласно эмпирическому закону Мура, в последние 20 лет плотность упаковки элементов УБИС каждые полтора года увеличивалась примерно в два раза. Причем более интенсивно прогрессировала степень интеграции регулярных структур (ИС динамической памяти) по сравнению с неоднородными микропроцессорными логическими схемами (рис. 1 в [2]). Вопрос заключается в том, сколько времени будет сохраняться данная тенденция – до каких пор кремниевая технология будет превосходить по техноэкономическим показателям новые направления квантовой технологии (одноэлектронной и резонансного туннелирования), а также оптические и биотехнологии.
Сегодня очевидны огромные перспективы квантовых одноэлектронных трехэлектродных приборов – транзисторов (SET), предельной формы электронных приборов, в которых изменение состояния одного электрона вызывает изменение состояния транзистора в целом. Но конкурентность подобных логических УБИС с техноэкономических позиций “классическим” направлениям (рис. 1) весьма спорна. Особенно это касается логических УБИС, где к таким проблемам, как плохая воспроизводимость электрических характеристик наноэлектронных приборов, низкое подавление шума (при отсутствии эффективных механизмов удержания флуктуаций заряда на островке SET на уровне 0,1–0,3 e), добавляется малое системное быстродействие. При вполне достижимой к 2010–2020 годам плотности упаковки SET в УБИС 1010-1011 см2 экспериментально достигнутые граничные частоты в системе элементов SET пока не превышают сотен килогерц при собственных внутренних временах переключения около 0,8–2 пс.
Следовательно, наиболее перспективные области применения квантовых интегральных систем – однородные схемы памяти большой емкости и плотности. Для неоднородных логических систем перспективы данного класса приборов весьма туманны, тем более что пока еще не решена проблема стыковки SET-фрагментов с кремниевыми элементами УБИС при кардинальном снижении энерговыделения такой смешанной системы (менее 70–100 Вт/см2).
В соответствии с прогнозом SIA Roadmap 1997 года [6] (рис. 1), квантовая наноэлектроника (10 нм и ниже) должна как минимум на два порядка превосходить в эффективной производительности кремниевые КМОП-УБИС уровня 100 нм в 2005 году и 50 нм после 2010 года, чтобы оправдать вложение огромного (в первую очередь рискового) капитала для массового промышленного производства квантовых наноэлектронных КНП. В то же время возможны конкурентоспособные разработки микропроцессорных (кривые 3 и 4) а также нейроУБИС в рамках перспективных кремниевых технологий с топологическими нормами около 100–50 нм [7–9].
Парадокс современного состояния микро- и наноэлектроники в том, что изготовление собственно приборов УБИС значительно дешевле и проще, чем формирование многоуровневых межэлементных соединений приборных фрагментов. Он объясняется тем, что плотность межэлементных соединений кристалла УБИС растет экспоненциально с количеством логических элементов. Это обуславливает, учитывая постоянный рост плотности упаковки (рис. 2), жесткие требования устранения длинных связей между логическими элементами и переход к систолическим системам или нейросетям [4, 5, 10]. В результате весьма перспективными представляются кремниевые технологии с разрешением 50–100 нм. Однако их реализация требует новых подходов как к организации производства, так и к схемотехническим и архитектурным решениям элементного базиса.
Новые прорывные разработки наноэлектронных КНП за счет технологических, приборных, схемотехнических и архитектурно-системных подходов приведут не только к резкому увеличению производительности и прогрессивному сдвигу технологических барьеров, но и к новой зависимости цены от производительности (рис. 3). Прорывная разработка отодвигает не только технологический барьер, что достижимо в рамках старой технологии при огромных затратах и ценах на конечный продукт [1,2], но смещается и экономический барьер, снижая в конечном итоге цену при большей производительности. Таким образом, эффект внедрения прорывной технологии на новых производствах заключается в кардинальном смещении вниз зависимости “цена-производительность” УБИС. Чем дальше раздвигаются технологический и экономический барьеры, тем ощутимее вклад “прорыва” в обеспечение конкурентности новой технологии и рыночного успеха соответствующих наноэлектронных КНП.
Мини-фабы и спейсфабы
По-видимому, значимую роль в создании КНП с технологическим уровнем 50–100 нм будут играть мини-фабы. Парадигма мини-фаба – индивидуальная обработка пластин в кластерном, мультипроцессорном оборудовании класса чистоты 0,1 (в перспективе – 0,01) в чистых комнатах класса 100–1000; использование быстрых термических обработок для получения мелких профилей приборов УБИС; интегрированная компьютерная система управления и робастного манипулирования пластинами (SIM); эффективный контроль процессов (in-situ, ex-situ и др.). Все это ведет к трансформации пилотного производства в рентабельное мелкосерийное (100–1000 пластин в месяц ) с минимизацией риск-инвестиций (рис. 4) и резкому сокращению цикла изготовления КНП.
Мини-фабы позволяют получать высокую прибыль от продажи КНП [1-3], добиваться сверхвысокого выхода годных схем и сверхоперативности их изготовления (десятки часов). Высокая адаптируемость мини-производства при низком уровне инвестиций делает его привлекательным как полигон для принципиально новых технологий – CBiCMOS, VMMOS-SOI, PMMOS-SOI, GaAs, Si-GaAs, HgCdTe, оптоэлектронных 2- и 3-мерных систем на пластине (СП) и др.
Производственный процесс мини-фаба моделируют на “виртуальном мини-фабе” (рис. 5). С помощью программно-алгоритмических методов и САПР производят анализ, оптимизацию и синтез техпроцессов, топологий приборных структур, схемных фрагментов и архитектур реально производимых УБИС и СП, модифицируются технологические маршруты изготовления ИС. В результате сокращается число прогонов тестовых пластин и корректировок технологического маршрута в реальном производстве.
Мини-фабы обеспечивают значительный выигрыш в скорости изготовления УБИС (а также в стоимости при ограничении на время производственного цикла) по сравнению с массовыми мегафабами (рис. 6). У них огромные потенциальные возможности в более экономной реализации систем одной и той же производительности, поскольку их производство дешевле массового на многие сотни миллиардов долларов (рис. 7). Кроме того, мини-фаб вводится в строй за 6–14 месяцев, что как минимум в три–пять раз быстрее сроков запуска мегафаба.
Широкие возможности для развития нанотехнологий будущего связаны с переносом производства в космос. В космических условиях действует ряд долговременных факторов, благоприятных для конкурентного полупроводникового производства: сверхвысокий вакуум (10-13–10-14 Торр), состояние невесомости, солнечная радиация, низкие температуры, а также перепады температур на освещенной и теневой сторонах, возможность проведения “медленных” процессов. Эти факторы, дефицитные в земных условиях, открывают новые возможности для получения сверхчистых полупроводниковых материалов и их композитов (Si-Ge, Si-GaAs, A3B5 и др.) – улучшение однородности, стехиометрии и воспроизводимости состава и свойств, повышение степени структурного совершенства и чистоты материалов.
Наилучшим способом увеличения выхода годных микросхем было бы создание полного замкнутого цикла изготовления УБИС и СП на спейсфабах – от выращивания в невесомости кристаллов кремния методом зонной плавки до проведения базовых операций и процессов, которые исключали бы образование дефектов в кремнии (низкотемпературные и быстрые термические процессы в сверхвысоком вакууме и невесомости, предельно чистые химикаты и самоочищающееся техоборудование и т.д.). Особенно перспективны “медленные” процессы создания бездефектных структур, в частности молекулярно-лучевая эпитаксия для выращивания сверхтонких пленок космических приборных структур типа кремний на диэлектрике, кремний на сапфире, Si-GaAs и Si-Ge. Принципиально новым подходом, позволяющим перейти к полностью автоматизированному производству интеллектуальных УБИС и СП со сверхвысоким выходом годных, является безлитографическое изготовление.
На спейсфабах возможна наиболее эффективная реализация трехмерных СП, размещенных на кремниевых 8–10-дюймовых пластинах, когда “этажерочные” системы связи чипов (по горизонтали и вертикали) организуют в виде либо оптических соединений, либо электронных пучковых связей [1]. Именно в условиях спейсфаба, в сверхвакууме космоса, открываются огромные преимущества СП с пучковыми электронными связями между чипами и пластинами в интегрированной “мультисеточной системе”, где электронные пучки, эмитируемые кремниевыми автокатодами интерфейсных блоков чипов и пластин, отклоняются специальными электродами на пластинах. Число пучковых связей между чипами и пластинами в трехмерных СП может достигать нескольких десятков тысяч, а в перспективе – нескольких миллионов [1].
Однако технологические маршруты и аппаратура на спейсфабах будут существенно отличаться от современного технологического оборудования. Так, в качестве источника энергии может использоваться концентрированная солнечная энергия. Основные химические вещества для формирования структурированного материала должны содержаться в исходной пластине-заготовке.
Экономические предпосылки организации подобного производства заключаются в огромной стоимости бездефектного производства СП с приборами нанометровых размеров в земных условиях. При малом весе и относительной дешевизне используемых материалов конечная продукция получается весьма дорогой (табл. 1). Несмотря на необходимость значительных инвестиций в будущие спейсфабы, стоимость производства для стандартных массовых мегафабов всё же несоизмеримо превосходит стоимость спейсфабов [1]. Использование произведенных на спейсфабах КНП со сверхконкурентными технико-эксплуатационными параметрами быстро окупит все инвестиции. Экономические барьеры становления и развития космического производства КНП могут быть устранены в рамках национальных и международных стратегических альянсов [1–3].
Не исключено, что организация поисковых работ и мелкосерийного изготовления УБИС и СП на мини-фабах и спейсфабах вместе с массовым выпуском товарной наукоёмкой продукции на гибких масштабируемых мегафабах явится стержневой основой разработок КНП микро- и наноэлектроники будущего. Тем более, что цикл реинвестиций мини-фаба может быть доведен до двух–трех лет вместо шести- семилетних циклов для мегафабов [1, 2].
Возможность техноэкономического прорыва в разработках УБИС
Рассмотрим один из возможных вариантов техноэкономического прорыва при изготовлении на мини- и спейсфабах нового класса УБИС и СП на вертикальных совмещённых МОП-элементах (ВСМОП), в которых электроны и дырки двигаются по одному и тому же каналу (рис. 8) [7, 9]. Функционально-интегрированная ВСМОП-структура позволяет минимизировать размеры элементов вплоть до четырех литографических квадратов, избавиться от необходимости отдельно разводить шины питания каждого элемента, обходиться одной операцией литографии (без металлизации) и использовать низковольтное питание (0,4–0,6 В).
ВСМОП представляет собой вертикальный МОП-транзистор со специальной конструкцией стока и истока. Он может работать и как n-канальный, и как p-канальный в зависимости от управляющих сигналов на затворе. Исток должен поставлять в канал носители p- и n-типа, а сток – их беспрепятственно поглощать. В качестве истока можно использовать общий для всех ВСМОП p-n-переход в подложке. При работе ВСМОП на этот p-n-переход подается напряжение питания порядка 0,4–0,7 В, смещающее истоковый p-n-переход в прямом направлении. В качестве стока ВСМОП используется сложный контакт, например n+-p-типа, два контакта Шотки, контакт металл-туннельный диэлектрик-полупроводник.
Поскольку канал ВСМОП предназначен как для электронов, так и для дырок, то концентрация легирующей примеси в подзатворной области полупроводника должна быть небольшой (не более 1013–1014 см-3), что обеспечивает симметрию пороговых напряжений виртуальных n- и p-канального транзисторов. Допустимо даже использовать нелегированный полупроводник. Это особенно актуально при переходе к наноэлектронной технологии, когда целесообразно исключить легирование областей с нанометровыми размерами.
Проведённое численное моделиривание и оптимизация ВСМОП-структур (рис. 9) с d=0,1 мкм, W=0,02–2 мкм и l=0,05–0,5 мкм, VS=0,5–0,6 В, показало, что они обладают высокими рабочими характеристиками: технологическим быстродействием в режиме кольцевого генератора – менее 100 пс, минимальными геометрическими размерами, приемлемой высокой плотностью тока, ослаблением короткоканальных эффектов. Статическая ячейка памяти на ВСМОП в виде RS-триггера может быть выполнена на площади в 8–10 литографических квадратов. Использование во внутренней структуре процессорных УБИС и СП плотноупакованных ВСМОП-элементов логики и памяти позволяет снизить размеры и потребляемую мощность.
ВСМОП с минимальными топологическими размерами от 100 до 50 нм позволят на мини- и спейсфабах будущего получить плотность упаковки процессорных УБИС и СП от 109 до 1011 логических элементов/см2, соответственно. При толщине подзатворного диэлектрика 3–5 нм, симметричном пороговом напряжении 0,2–0,3 В, напряжении питания 0,5 В, разнице между логическими уровнями 0,5 В задержка вентиля в режиме кольцевого генератора составляет от 10 до 80 пс, а системная задержка – 100–300 пс. Подобное сочетание производительности с плотностью размещения является наилучшим для низковольтных процессорных кремниевых УБИС. Оно позволяет обеспечить поразрядную совместимость специализированных процессорных и запоминающих устройств и создавать сверхплотноупакованные коммутационные устройства. Однолитографическая ВСМОП-технология обладает значительными преимуществами перед КМОП- [11] и КБиКМОП-процессами [1] в отношении производственных установок (минимизации энергетических затрат) и продолжительности производственного цикла (табл. 2).
На базе ВСМОП весьма эффективны оптоэлектронные совмещенные МОП-транзисторы (ОСМОП), использующие один и тот же канал для переноса носителей разных знаков, генерируемых оптическим излучением. Это крайне важно для систем с оптическим питанием и в устройствах с оптоэлектронной обработкой информации. Оптическое питание предоставляет дополнительную степень свободы в построении интеллектуальных вычислительных систем, где естественные световые источники позволяют устранить зависимость от дополнительной аппаратуры, что существенно, например, в условиях космоса.
В рамках гибких мини-производств реально изготовить на 100-долларовой необработанной пластине либо на “обработанной” 1000-долларовой пластине до 300 систем на кристалле, каждая из которых стоит от 100 до 1000 долл. Минимальная прибыль при этом – (200-1)x(100...1000) долл. С учетом того, что производительность мини-фаба – до тысячи пластин в месяц, месячная прибыль составит десятки миллионов, а годовая – несколько сотен миллионов долларов. Техноэкономический прорыв в изготовлении перспективных ВСМОП (ОСМОП) УБИС и СП на гибких оперативных мини- и спейсфабах ближайшей и отдалённой преспективы может затмить самые оптимистические прогнозы в микро- и наноэлектронике.m
Литература
1. Bubennikov A.N., Bubennikov A.A., Rakitin V.V. New Technonomics Trends and Concepts of Manufacturing for Competitive Deep-Submicron ULSI and WSI. – ISSM’97, San Francisco, 1997.
2. Бубенников А.Н., Бубенников А.А. Техноэкономика в производстве наукоёмких продуктов микроэлектроники. – Электроника: НТБ, 1997, № 6.
3. Бубенников А.Н., Бубенников А.А. Микроэлектроника мобильной эры и финансовые кризисы. – Электроника, 1998, № 3–4.
4. Бубенников А.Н. Архитектурно-технологический облик интеллектуальных нейронных сетей на кремниевых пластинах и трёхмерных нейрокомпьютеров. – Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 1998, № 1.
5. Meindl J.D. Low Рower Мicroelectronics: Retrospect and Рrospect. – Proc.IEEE, 1995, v.83, № 4.
6. SIA 1997 National Technology Roadmap for Semiconductors.-Semiconductor Industry Assotiation. Third Draft, 1997, Roadmap, 1/22/97.
7. Ракитин В.В., Филиппов Е.И. Субмикронные элементы на совмещённых МОП-транзисторах. – Микроэлектроника, 1997, т. 26, № 4.
8. Бубенников А.Н., Зыков А.В., Ракитин В.В. Численное моделирование планарных совмещенных МОП-структур для низковольтных быстродействующих УБИС. – Известия вузов. Электроника , 1999, № 1.
9. Бубенников А.Н., Зыков А.В., Ракитин В.В. Численное моделирование и оптимизация вертикальных совмещенных МОП-структур УБИС. – Известия вузов. Электроника, 1999, № 3.
10. Goser K.F., Pacha C. et al. Aspects of Systems and Circuits for Nanoelectronics. – Proc. IEEE, 1995, v.83, № 4.
11. Electronic Engineering Times, 1997, N 942.
В обозримой перспективе (до 2020 года) лидирующую роль в качестве основного полупроводникового материала сохранит кремний (и кремниевые технологии). Это обусловлено главным образом экономическими причинами. Большинство современных микропроцессорных и нейроУБИС реализованы в КМОП-базисе, поскольку он обеспечивает минимальное статическое энергопотребление и очень малое потребление на низких и средних рабочих частотах, а также высокую плотность упаковки элементов и простоту технологической реализации.
Кремниевые КМОП-элементы с задержками 10–15 пс незначительно уступают в технологическом быстродействии (в режиме кольцевого генератора) наиболее быстродействующим элементам на GaAs и материалах группы А3В5 (с задержками 5–10 пс), но более чем на порядок превосходят своих конкурентов в интеграции и, самое главное, в стоимости промышленной реализации. Так, в 1996–1999 годах цена одного КМОП-вентиля в базовом матричном кристалле (БМК) с интеграцией 300–1200 тыс. вентилей/кристалл для ведущих фирм Японии и США составляла около 0,01–0,05 цента против 0,2–1 цента за вентиль для GaAs-БМК с максимальной интеграцией 30–130 тыс. вентилей/кристалл, выпускаемых мировым лидером – фирмой Vitesse.
Дальнейшее повышение функциональной производительности будет происходить главным образом за счет уменьшения минимального размера (F) в области глубокого субмикрона (<0,35 мкм) и освоения перспективного диапазона 50–100 нм наряду с увеличением плотности упаковки (PE) и площади кристалла D2 (D>15-20 мм), размеров самой кремниевой пластины (с диаметром свыше 300–400 мм), а также совершенствованием схемотехнических и архитектурных решений.
Число простейших приборных структур N в УБИС без учета линий связи в кристалле можно оценить как N = F-2D2PE [4, 5]. За 40 лет развития интегральной технологии, с момента появления первых ИС в 1958–59 годах, площадь минимального литографического квадрата F2 уменьшилась в 104 раз, площадь кристалла D2 увеличилась примерно в 300 раз, коэффициент эффективности упаковки возрос в ~100 раз. При этом число приборов современных УБИС выросло в 3Ч108. В то же время при значительном увеличении надежности удельная стоимость производства (стоимость всех технологических процессов, приведенных к 1 см2) остается практически неизменной в течение нескольких десятилетий: 3,9–3,7 долл./см2 в 1995–1999 годах при прогнозе 3,7–3,4 долл./см2 в 2001–2010 годах. Соответственно на порядок прогнозируется снижение удельной стоимости отдельных приборов: от 0,2 миллицента в 2001 году до 0,02 миллицента в 2010 году [1,2].
Наблюдается явная тенденция коррелированного снижения размеров, потребляемой мощности, а также стоимости разработки и рыночной цены конкурентоспособных наукоемких продуктов (КНП) при постоянном повышении их производительности. Показатели информационно-вычислительных КНП конца 1970-х годов (10 MIPS, 10 кВт, 20 тыс. долл.) за два десятка лет прогрессировали до 10–100 MIPS, 1–30 Вт и 10–100 долл.
Согласно эмпирическому закону Мура, в последние 20 лет плотность упаковки элементов УБИС каждые полтора года увеличивалась примерно в два раза. Причем более интенсивно прогрессировала степень интеграции регулярных структур (ИС динамической памяти) по сравнению с неоднородными микропроцессорными логическими схемами (рис. 1 в [2]). Вопрос заключается в том, сколько времени будет сохраняться данная тенденция – до каких пор кремниевая технология будет превосходить по техноэкономическим показателям новые направления квантовой технологии (одноэлектронной и резонансного туннелирования), а также оптические и биотехнологии.
Сегодня очевидны огромные перспективы квантовых одноэлектронных трехэлектродных приборов – транзисторов (SET), предельной формы электронных приборов, в которых изменение состояния одного электрона вызывает изменение состояния транзистора в целом. Но конкурентность подобных логических УБИС с техноэкономических позиций “классическим” направлениям (рис. 1) весьма спорна. Особенно это касается логических УБИС, где к таким проблемам, как плохая воспроизводимость электрических характеристик наноэлектронных приборов, низкое подавление шума (при отсутствии эффективных механизмов удержания флуктуаций заряда на островке SET на уровне 0,1–0,3 e), добавляется малое системное быстродействие. При вполне достижимой к 2010–2020 годам плотности упаковки SET в УБИС 1010-1011 см2 экспериментально достигнутые граничные частоты в системе элементов SET пока не превышают сотен килогерц при собственных внутренних временах переключения около 0,8–2 пс.
Следовательно, наиболее перспективные области применения квантовых интегральных систем – однородные схемы памяти большой емкости и плотности. Для неоднородных логических систем перспективы данного класса приборов весьма туманны, тем более что пока еще не решена проблема стыковки SET-фрагментов с кремниевыми элементами УБИС при кардинальном снижении энерговыделения такой смешанной системы (менее 70–100 Вт/см2).
В соответствии с прогнозом SIA Roadmap 1997 года [6] (рис. 1), квантовая наноэлектроника (10 нм и ниже) должна как минимум на два порядка превосходить в эффективной производительности кремниевые КМОП-УБИС уровня 100 нм в 2005 году и 50 нм после 2010 года, чтобы оправдать вложение огромного (в первую очередь рискового) капитала для массового промышленного производства квантовых наноэлектронных КНП. В то же время возможны конкурентоспособные разработки микропроцессорных (кривые 3 и 4) а также нейроУБИС в рамках перспективных кремниевых технологий с топологическими нормами около 100–50 нм [7–9].
Парадокс современного состояния микро- и наноэлектроники в том, что изготовление собственно приборов УБИС значительно дешевле и проще, чем формирование многоуровневых межэлементных соединений приборных фрагментов. Он объясняется тем, что плотность межэлементных соединений кристалла УБИС растет экспоненциально с количеством логических элементов. Это обуславливает, учитывая постоянный рост плотности упаковки (рис. 2), жесткие требования устранения длинных связей между логическими элементами и переход к систолическим системам или нейросетям [4, 5, 10]. В результате весьма перспективными представляются кремниевые технологии с разрешением 50–100 нм. Однако их реализация требует новых подходов как к организации производства, так и к схемотехническим и архитектурным решениям элементного базиса.
Новые прорывные разработки наноэлектронных КНП за счет технологических, приборных, схемотехнических и архитектурно-системных подходов приведут не только к резкому увеличению производительности и прогрессивному сдвигу технологических барьеров, но и к новой зависимости цены от производительности (рис. 3). Прорывная разработка отодвигает не только технологический барьер, что достижимо в рамках старой технологии при огромных затратах и ценах на конечный продукт [1,2], но смещается и экономический барьер, снижая в конечном итоге цену при большей производительности. Таким образом, эффект внедрения прорывной технологии на новых производствах заключается в кардинальном смещении вниз зависимости “цена-производительность” УБИС. Чем дальше раздвигаются технологический и экономический барьеры, тем ощутимее вклад “прорыва” в обеспечение конкурентности новой технологии и рыночного успеха соответствующих наноэлектронных КНП.
Мини-фабы и спейсфабы
По-видимому, значимую роль в создании КНП с технологическим уровнем 50–100 нм будут играть мини-фабы. Парадигма мини-фаба – индивидуальная обработка пластин в кластерном, мультипроцессорном оборудовании класса чистоты 0,1 (в перспективе – 0,01) в чистых комнатах класса 100–1000; использование быстрых термических обработок для получения мелких профилей приборов УБИС; интегрированная компьютерная система управления и робастного манипулирования пластинами (SIM); эффективный контроль процессов (in-situ, ex-situ и др.). Все это ведет к трансформации пилотного производства в рентабельное мелкосерийное (100–1000 пластин в месяц ) с минимизацией риск-инвестиций (рис. 4) и резкому сокращению цикла изготовления КНП.
Мини-фабы позволяют получать высокую прибыль от продажи КНП [1-3], добиваться сверхвысокого выхода годных схем и сверхоперативности их изготовления (десятки часов). Высокая адаптируемость мини-производства при низком уровне инвестиций делает его привлекательным как полигон для принципиально новых технологий – CBiCMOS, VMMOS-SOI, PMMOS-SOI, GaAs, Si-GaAs, HgCdTe, оптоэлектронных 2- и 3-мерных систем на пластине (СП) и др.
Производственный процесс мини-фаба моделируют на “виртуальном мини-фабе” (рис. 5). С помощью программно-алгоритмических методов и САПР производят анализ, оптимизацию и синтез техпроцессов, топологий приборных структур, схемных фрагментов и архитектур реально производимых УБИС и СП, модифицируются технологические маршруты изготовления ИС. В результате сокращается число прогонов тестовых пластин и корректировок технологического маршрута в реальном производстве.
Мини-фабы обеспечивают значительный выигрыш в скорости изготовления УБИС (а также в стоимости при ограничении на время производственного цикла) по сравнению с массовыми мегафабами (рис. 6). У них огромные потенциальные возможности в более экономной реализации систем одной и той же производительности, поскольку их производство дешевле массового на многие сотни миллиардов долларов (рис. 7). Кроме того, мини-фаб вводится в строй за 6–14 месяцев, что как минимум в три–пять раз быстрее сроков запуска мегафаба.
Широкие возможности для развития нанотехнологий будущего связаны с переносом производства в космос. В космических условиях действует ряд долговременных факторов, благоприятных для конкурентного полупроводникового производства: сверхвысокий вакуум (10-13–10-14 Торр), состояние невесомости, солнечная радиация, низкие температуры, а также перепады температур на освещенной и теневой сторонах, возможность проведения “медленных” процессов. Эти факторы, дефицитные в земных условиях, открывают новые возможности для получения сверхчистых полупроводниковых материалов и их композитов (Si-Ge, Si-GaAs, A3B5 и др.) – улучшение однородности, стехиометрии и воспроизводимости состава и свойств, повышение степени структурного совершенства и чистоты материалов.
Наилучшим способом увеличения выхода годных микросхем было бы создание полного замкнутого цикла изготовления УБИС и СП на спейсфабах – от выращивания в невесомости кристаллов кремния методом зонной плавки до проведения базовых операций и процессов, которые исключали бы образование дефектов в кремнии (низкотемпературные и быстрые термические процессы в сверхвысоком вакууме и невесомости, предельно чистые химикаты и самоочищающееся техоборудование и т.д.). Особенно перспективны “медленные” процессы создания бездефектных структур, в частности молекулярно-лучевая эпитаксия для выращивания сверхтонких пленок космических приборных структур типа кремний на диэлектрике, кремний на сапфире, Si-GaAs и Si-Ge. Принципиально новым подходом, позволяющим перейти к полностью автоматизированному производству интеллектуальных УБИС и СП со сверхвысоким выходом годных, является безлитографическое изготовление.
На спейсфабах возможна наиболее эффективная реализация трехмерных СП, размещенных на кремниевых 8–10-дюймовых пластинах, когда “этажерочные” системы связи чипов (по горизонтали и вертикали) организуют в виде либо оптических соединений, либо электронных пучковых связей [1]. Именно в условиях спейсфаба, в сверхвакууме космоса, открываются огромные преимущества СП с пучковыми электронными связями между чипами и пластинами в интегрированной “мультисеточной системе”, где электронные пучки, эмитируемые кремниевыми автокатодами интерфейсных блоков чипов и пластин, отклоняются специальными электродами на пластинах. Число пучковых связей между чипами и пластинами в трехмерных СП может достигать нескольких десятков тысяч, а в перспективе – нескольких миллионов [1].
Однако технологические маршруты и аппаратура на спейсфабах будут существенно отличаться от современного технологического оборудования. Так, в качестве источника энергии может использоваться концентрированная солнечная энергия. Основные химические вещества для формирования структурированного материала должны содержаться в исходной пластине-заготовке.
Экономические предпосылки организации подобного производства заключаются в огромной стоимости бездефектного производства СП с приборами нанометровых размеров в земных условиях. При малом весе и относительной дешевизне используемых материалов конечная продукция получается весьма дорогой (табл. 1). Несмотря на необходимость значительных инвестиций в будущие спейсфабы, стоимость производства для стандартных массовых мегафабов всё же несоизмеримо превосходит стоимость спейсфабов [1]. Использование произведенных на спейсфабах КНП со сверхконкурентными технико-эксплуатационными параметрами быстро окупит все инвестиции. Экономические барьеры становления и развития космического производства КНП могут быть устранены в рамках национальных и международных стратегических альянсов [1–3].
Не исключено, что организация поисковых работ и мелкосерийного изготовления УБИС и СП на мини-фабах и спейсфабах вместе с массовым выпуском товарной наукоёмкой продукции на гибких масштабируемых мегафабах явится стержневой основой разработок КНП микро- и наноэлектроники будущего. Тем более, что цикл реинвестиций мини-фаба может быть доведен до двух–трех лет вместо шести- семилетних циклов для мегафабов [1, 2].
Возможность техноэкономического прорыва в разработках УБИС
Рассмотрим один из возможных вариантов техноэкономического прорыва при изготовлении на мини- и спейсфабах нового класса УБИС и СП на вертикальных совмещённых МОП-элементах (ВСМОП), в которых электроны и дырки двигаются по одному и тому же каналу (рис. 8) [7, 9]. Функционально-интегрированная ВСМОП-структура позволяет минимизировать размеры элементов вплоть до четырех литографических квадратов, избавиться от необходимости отдельно разводить шины питания каждого элемента, обходиться одной операцией литографии (без металлизации) и использовать низковольтное питание (0,4–0,6 В).
ВСМОП представляет собой вертикальный МОП-транзистор со специальной конструкцией стока и истока. Он может работать и как n-канальный, и как p-канальный в зависимости от управляющих сигналов на затворе. Исток должен поставлять в канал носители p- и n-типа, а сток – их беспрепятственно поглощать. В качестве истока можно использовать общий для всех ВСМОП p-n-переход в подложке. При работе ВСМОП на этот p-n-переход подается напряжение питания порядка 0,4–0,7 В, смещающее истоковый p-n-переход в прямом направлении. В качестве стока ВСМОП используется сложный контакт, например n+-p-типа, два контакта Шотки, контакт металл-туннельный диэлектрик-полупроводник.
Поскольку канал ВСМОП предназначен как для электронов, так и для дырок, то концентрация легирующей примеси в подзатворной области полупроводника должна быть небольшой (не более 1013–1014 см-3), что обеспечивает симметрию пороговых напряжений виртуальных n- и p-канального транзисторов. Допустимо даже использовать нелегированный полупроводник. Это особенно актуально при переходе к наноэлектронной технологии, когда целесообразно исключить легирование областей с нанометровыми размерами.
Проведённое численное моделиривание и оптимизация ВСМОП-структур (рис. 9) с d=0,1 мкм, W=0,02–2 мкм и l=0,05–0,5 мкм, VS=0,5–0,6 В, показало, что они обладают высокими рабочими характеристиками: технологическим быстродействием в режиме кольцевого генератора – менее 100 пс, минимальными геометрическими размерами, приемлемой высокой плотностью тока, ослаблением короткоканальных эффектов. Статическая ячейка памяти на ВСМОП в виде RS-триггера может быть выполнена на площади в 8–10 литографических квадратов. Использование во внутренней структуре процессорных УБИС и СП плотноупакованных ВСМОП-элементов логики и памяти позволяет снизить размеры и потребляемую мощность.
ВСМОП с минимальными топологическими размерами от 100 до 50 нм позволят на мини- и спейсфабах будущего получить плотность упаковки процессорных УБИС и СП от 109 до 1011 логических элементов/см2, соответственно. При толщине подзатворного диэлектрика 3–5 нм, симметричном пороговом напряжении 0,2–0,3 В, напряжении питания 0,5 В, разнице между логическими уровнями 0,5 В задержка вентиля в режиме кольцевого генератора составляет от 10 до 80 пс, а системная задержка – 100–300 пс. Подобное сочетание производительности с плотностью размещения является наилучшим для низковольтных процессорных кремниевых УБИС. Оно позволяет обеспечить поразрядную совместимость специализированных процессорных и запоминающих устройств и создавать сверхплотноупакованные коммутационные устройства. Однолитографическая ВСМОП-технология обладает значительными преимуществами перед КМОП- [11] и КБиКМОП-процессами [1] в отношении производственных установок (минимизации энергетических затрат) и продолжительности производственного цикла (табл. 2).
На базе ВСМОП весьма эффективны оптоэлектронные совмещенные МОП-транзисторы (ОСМОП), использующие один и тот же канал для переноса носителей разных знаков, генерируемых оптическим излучением. Это крайне важно для систем с оптическим питанием и в устройствах с оптоэлектронной обработкой информации. Оптическое питание предоставляет дополнительную степень свободы в построении интеллектуальных вычислительных систем, где естественные световые источники позволяют устранить зависимость от дополнительной аппаратуры, что существенно, например, в условиях космоса.
В рамках гибких мини-производств реально изготовить на 100-долларовой необработанной пластине либо на “обработанной” 1000-долларовой пластине до 300 систем на кристалле, каждая из которых стоит от 100 до 1000 долл. Минимальная прибыль при этом – (200-1)x(100...1000) долл. С учетом того, что производительность мини-фаба – до тысячи пластин в месяц, месячная прибыль составит десятки миллионов, а годовая – несколько сотен миллионов долларов. Техноэкономический прорыв в изготовлении перспективных ВСМОП (ОСМОП) УБИС и СП на гибких оперативных мини- и спейсфабах ближайшей и отдалённой преспективы может затмить самые оптимистические прогнозы в микро- и наноэлектронике.m
Литература
1. Bubennikov A.N., Bubennikov A.A., Rakitin V.V. New Technonomics Trends and Concepts of Manufacturing for Competitive Deep-Submicron ULSI and WSI. – ISSM’97, San Francisco, 1997.
2. Бубенников А.Н., Бубенников А.А. Техноэкономика в производстве наукоёмких продуктов микроэлектроники. – Электроника: НТБ, 1997, № 6.
3. Бубенников А.Н., Бубенников А.А. Микроэлектроника мобильной эры и финансовые кризисы. – Электроника, 1998, № 3–4.
4. Бубенников А.Н. Архитектурно-технологический облик интеллектуальных нейронных сетей на кремниевых пластинах и трёхмерных нейрокомпьютеров. – Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 1998, № 1.
5. Meindl J.D. Low Рower Мicroelectronics: Retrospect and Рrospect. – Proc.IEEE, 1995, v.83, № 4.
6. SIA 1997 National Technology Roadmap for Semiconductors.-Semiconductor Industry Assotiation. Third Draft, 1997, Roadmap, 1/22/97.
7. Ракитин В.В., Филиппов Е.И. Субмикронные элементы на совмещённых МОП-транзисторах. – Микроэлектроника, 1997, т. 26, № 4.
8. Бубенников А.Н., Зыков А.В., Ракитин В.В. Численное моделирование планарных совмещенных МОП-структур для низковольтных быстродействующих УБИС. – Известия вузов. Электроника , 1999, № 1.
9. Бубенников А.Н., Зыков А.В., Ракитин В.В. Численное моделирование и оптимизация вертикальных совмещенных МОП-структур УБИС. – Известия вузов. Электроника, 1999, № 3.
10. Goser K.F., Pacha C. et al. Aspects of Systems and Circuits for Nanoelectronics. – Proc. IEEE, 1995, v.83, № 4.
11. Electronic Engineering Times, 1997, N 942.
Отзывы читателей
