eng
Выпуск #1/1998
М.Валентинова.
50 лет транзистору. Король жив, да здравствует король!
50 лет транзистору. Король жив, да здравствует король!
Просмотры: 2451
Декабрь 1947 года. Трое ученых фирмы Bell Laboratories Джон Бартон, Вальтер Брайтен и Вильям Шокли, усиленно трудившиеся над проблемой замены вакуумной лампы, обнаруживают эффект изменения проводимости полупроводникового материала под воздействием протекающего электрического тока. Месяцем позже Шокли описывает германиевый плоскостной транзистор. Затем появляются германиевые и кремниевые сплавные приборы и, наконец, кремниевый МОП-транзистор, ставший основой современной микроэлектронной промышленности. Так то, что вначале рассматривалось как простая замена электровакуумных приборов, изменило окружающий мир, став для человечества столь же значительным явлением, как и изобретение колеса.
По утверждению бывшего президента фирмы Bell Laboratories Яна Росса, идея замены вакуумных ламп в становившейся все более громоздкой телефонной аппаратуре принадлежит тогдашнему руководителю исследовательских работ фирмы Мервину Келли. С этой целью в 1945 году он сформировал исследовательскую группу по изучению полупроводниковых приборов. К чему это привело, хорошо известно.
В те годы не существовало понятия “электроника”. Близкие к ней по роду деятельности фирмы занимались радиотехникой. Руководители одной из них — Motorola — мгновенно оценили важность открытия, сделанного учеными Bell Labs, и уже в 1951 году организовали группу, перед которой была поставлена задача создать транзистор, пригодный для освоения в производстве. Однако первый транзистор выпустила фирма Shockley Transistor. Произошло это в 1955 году, а двумя годами позже группа инженеров во главе с Робертом Нойсом и Гордоном Муром покинула эту фирму и организовала компанию Fairchild Semiconductor. Отпочковавшиеся от нее корпорации National Semiconductor, Intel и Advanced Micro Devices через несколько лет стали основой современной Кремниевой долины США. Многие широко известные ныне микроэлектронные фирмы можно считать вторым, третьем и четвертым поколениями компании Fairchild.
Несмотря на ошеломляющие результаты, ученые Bell Labs, получившие в 1956 году Нобелевскую премию, не смогли предвидеть, что благодаря малым размерам и малой рассеиваемой мощности созданное ими устройство даст жизнь новой отрасли промышленности — микроэлектронике. Начало ей было положено в 1958 году, когда ученый Джек Килби, пришедший работать на фирму Texas Instruments в год приобретения ею у AT&T лицензии на транзистор (1952), запатентовал первую интегральную схему. За десятилетие, прошедшее с открытия транзисторного эффекта до создания первой интегральной схемы, появилось шесть совершенно разных типов транзисторов, произошел переход от германиевых к кремниевым приборам. Но и тогда ученый мир еще не до конца понимал, какие перспективы открывает перед человечеством возможность изготавливать сложные устройства малых размеров.
Не появись транзистор, радиоэлектронная промышленность выпускала бы только телевизоры и радиоприемники. Цифровые вычислительные устройства оставались бы очень дорогими, громоздкими, с низкими быстродействием и надежностью. Ни о какой революции в области цифровой технологии не было бы и речи. Располагая вакуумными лампами стоимостью 1 долл. каждая, никогда бы не удалось создать CD-плейер, где требуется огромное число компонентов.
Что ждет микроэлектронику в будущем? На этот вопрос никто не решится дать однозначный ответ. В 1965 году Гордон Мур в своей знаменитой речи предсказал, что число транзисторов в интегральной схеме памяти будет удваиваться каждые два года. Новости hi-tech сообщают, что к 2000 году на кристалле будет размещаться до 100 млн. транзисторов, а производительность микропроцессорных устройств достигнет 1012 команд/с. Последняя схема микропроцессора Pentium II фирмы Intel содержит 7,5 млн. транзисторов. Но до 2000 года еще есть время... Сегодня многие эксперты говорят о том, что закон Мура требует корректировки из-за значительного увеличения затрат (до 2 млрд. долл.) на освоение производства новых полупроводниковых приборов на пластинах следующего поколения. Некоторые утверждают, что с ним уже вступают в противоречие и законы физики. Тем не менее полупроводниковая промышленность продолжает успешно развиваться и строить планы на будущее. Об этом убедительно свидетельствует опубликованный в конце 1997 года скорректированный вариант Программы развития национальной полупроводниковой промышленности США (National Technology Roadmap for Semiconductors). Согласно этому документу, темпы внедрения инноваций оказались более высокими, чем предполагалось в 1994 году, когда был опубликован первый вариант Программы. Цикл освоения выпуска новых изделий такими ведущими фирмами, как Intel, сейчас составляет два года, а не три, как раньше. Это значит, что следующее поколение ИС с 0,18-мкм топологическими элементами появится в 1999 году, а не в начале XXI века, как планировалось ранее. В результате к 2021 году минимальный топологический размер ИС будет равен 0,05 мкм (табл.), т.е. на одно поколение опередит предыдущий прогноз (0,1 мкм).
Впервые в скорректированном варианте Программы наряду со схемами ДОЗУ “движущей силой” развития микроэлектроники в последующие 14 лет названы ИС микропроцессоров. Теперь, основываясь на мнении ведущих американских поставщиков ИС, консорциума Sematech и промышленных обозревателей, Программа рассматривает микропроцессоры и ДОЗУ как два класса устройств, способствующих совершенствованию различных, но одинаково важных направлений полупроводниковой технологии: первые — росту производительности ИС с минимальными размерами элементов транзисторов, вторые — увеличению плотности упаковки элементов на кристалле. Теперь закон Мура справедлив для схем как ДОЗУ, так и микропроцессоров. Программа прогнозирует развитие будущих поколений ИС по достигаемой ширине изолированных линий (длине затвора транзисторов) для микропроцессоров и по ширине плотно упакованных линий (полушаг элементов) для ДОЗУ.
Согласно Программе, в 1997—2012 годах получат развитие следующие тенденции:
* площадь кристалла со схемой ДОЗУ будет увеличиваться и к 2012 году окажется намного больше, чем у схемы микропроцессора. Чтобы сохранить конкурентоспособность своих изделий, изготовителям ДОЗУ в течение трех лет после выпуска нового поколения схем памяти придется уменьшить площадь кристалла со схемой на 50%, а еще через три года — на 35%;
* к 2009 году полупроводниковая промышленность вновь будет вынуждена перейти к обработке пластин большего диаметра (450 мм);
* размер экспонируемого в процессе литографии поля будет непрерывно увеличиваться и составит 25х52 мм;
* разрыв между быстродействием отдельных элементов схемы и передающих линий будет расти по мере увеличения времени задержки сигнала в межсоединениях: если рабочая частота транзисторов в схеме в 2012 году достигнет 10 ГГц, то частота сигнала в токопроводящих линиях не превысит 3 ГГц;
* рост потребности в работающих от батареи ручных устройствах приведет к созданию схем на напряжение питания 0,5—0,6 В (сейчас 1,8—2,5 В);
* среднегодовые темпы снижения удельной стоимости в пересчете на единицу информации (бит) схем ДОЗУ составят 29%. В результате средняя продажная цена каждого нового поколения ДОЗУ будет возрастать всего на 41%. Чтобы сохранить конкурентоспособность, удельная стоимость каждого нового поколения схем микропроцессоров в пересчете на отдельный транзистор должна снижаться в среднем на 24% в год, а схем одного поколения — на 45%;
* стоимость испытаний первых опытных ИС сохранится на уровне 3 тыс. долл. на вывод для логических схем, к стоимости которых предъявляются высокие требования, и 10 тыс. долл. на вывод для специализированных схем ASIC-типа с высокими характеристиками.
В скорректированной Программе определены шесть основных проблем, которые потребуется решить для достижения поставленных целей: пропорциональное уменьшение размеров элементов схемы; совершенствование методов литографии с использованием источника на длинах волн 100 нм и менее; разработка новых полупроводниковых материалов и структур; обеспечение работы элементов в схеме и вне ее в гигагерцовом диапазоне; совершенствование методов метрологии и тестирования; усиление внимания к НИОКР, сложность которых непрерывно растет.
По мнению экспертов SIA, переход к 0,18-мкм технологии уже в 1999 году стал возможным благодаря совершенствованию средств оптической литографии и применению в качестве источника излучения эксимерных лазеров на длину волны 248 нм. В варианте Программы 1995 года утверждалось, что для формирования линий такой ширины потребуется лазер на фториде аргона на длину волны 193 нм. Сообщение о создании первой системы литографии на базе такого лазера фирмой Integrated Solutions Lithography (ISI) появилось только во второй половине 1997 года. Для дальнейшего уменьшения размеров топологических элементов схем необходимо решить чрезвычайно важную и сложную задачу перехода к новым методам литографии, на долю которых сегодня приходится около 35% затрат на производство ИС.
С 50-х годов и до сих пор для изготовлении ИС применяется в основном оптическая литография. Эта ситуация сохранится до начала следующего столетия, когда будет освоено производство ИС по 0,13-мкм технологии. Но для производства схем с меньшими топологическими нормами придется отказаться от оптических методов экспонирования, что потребует коренного изменения технологии, а также разработки новых средств экспонирования, резистов, шаблонов и методов метрологии. По оценкам экспертов, эти работы займут не менее восьми-десяти лет и будут стоить около 1 млрд. долл. Какой же метод литографии обеспечит достижение поставленных целей? Сейчас существуют пять основных претендентов на звание литографической технологии следующего поколения:
* рентгенолитография с микрозазором, разрабатываемая фирмой IBM при поддержке Управления перспективных разработок МО США (DARPA);
* проекционная электронно-лучевая, продвигаемая фирмой Lucent Technologies также при поддержке DARPA;
* экстремальная УФ (EUV), над которой работает фирма Intel совместно с национальными Сандийской, Ливерморской и Берклийской лабораториями. Для изучения этого метода они создали Виртуальную национальную лабораторию (Virtual National Lab). Интерес к данной технологии проявляют также фирмы Advanced Micro Devices и Motorola;
* электронно-лучевая с непосредственным формированием рисунка, включающая несколько различных методов. Исследования в этой области активно ведут фирма Etec Systems и Корнельский университет;
* проекционная ионная, разрабатываемая европейскими фирмами, в том числе Siemens.
Хотя сторонники каждой технологии утверждают, что предлагаемое ими решение самое перспективное, все предложения пока еще слабо изучены. Выбор затрудняется и крайне жесткими сроками создания промышленного оборудования: оно должно появиться к 2003 году. Фирма IBM ведет работы в области рентгенолитографии с начала 80-х годов. Во второй половине 89-го она приступила к отработке этой технологии на специально построенном предприятии. Фирма использует кольцевой синхротрон как для исследовательских работ, так и в опытном производстве ИС на предприятии в Фишхилле для нанесения рисунков критичных элементов шириной до 0,1 мкм с точностью 0,02 мкм. По утверждению ее специалистов, в лаборатории изготовлены функционирующие устройства с линиями шириной 0,08 мкм (80 нм).
Системы рентгенолитографии с последовательным шаговым экспонированием создает фирма Suss Advanced Lithography, выпустившая за 10 лет 14 таких систем и приступившая к созданию системы четвертого поколения, а также фирмы Canon и SVG Lithography Systems, выпустившие по крайней мере по одной установке. Сегодня парк систем рентгенолитографии насчитывает около 20 единиц оборудования. Ведущие поставщики синхротронов для таких систем — фирмы Oxford Instruments (Великобритания) и Sumitomo (Япония). Многие японские компании, в том числе Mitsubishi, NEC и Toshiba, внимательно присматриваются к этой технологии, считая ее весьма результативной и относительно простой для освоения в полупроводниковом производстве. В ее пользу говорят такие факты, как хорошо развитая инфраструктура (работы ведутся уже более десяти лет), а также наличие нужного оборудования и материалов. Для процесса рентгенолитографии пригодны существующие оптические резисты на длину волны 248 нм. Шаблоны для рентгенолитографии выпускают фирмы IBM и NTT, собственные шаблоны изготавливает и фирма Mitsubishi. Таким образом, это уже достаточно хорошо отработанная и известная технология. А сроки достижения желаемых результатов с помощью новой технологии всегда очень длительны. Однако система рентгенолитографии весьма громоздка. Для успешной реализации метода требуется вакуум 10-10 Тор и два гигантских сверхпроводящих магнита массой в несколько тонн, для охлаждения которых нужен жидкий гелий, а для питания — источник высокой мощности.
По сравнению с системой рентгенолитографии установка проекционной электронно-лучевой литографии Scalpel фирмы Lucent Technologies кажется весьма миниатюрной. Разработка систем электронно-лучевой литографии ведется на фирме Bell Labs с 1989 года, а работы по созданию современной системы Scalpel начались в 1995-м. В установке используется сфокусированный пучок высокоэнергетичных электронов, который сканирует шаблон в масштабе 4:1. Эта технология и используемая оптика знакомы любому “пользователю” электронного микроскопа. Установка не требует никаких уникальных устройств питания, поддержки нужных температур и вакуума или магнитных полей. Система располагается в лаборатории предприятия компании в Муррей Хилл. Основной недостаток системы — необходимость применения шаблонов рассеивающего типа взамен традиционных. Изготавливать, а также очищать и исправлять такие шаблоны достаточно трудно. Тем не менее уже сейчас компания Mems North Carolina, специализирующаяся в области микромашинной обработки, готова ежегодно поставлять до 30 тыс. таких шаблонов с нитридной мембраной. Позитивные и негативные резисты для этого вида литографии разработаны фирмой Olin Microelectronic Materials.
На установке Scalpel уже сформированы линии шириной 0,08 мкм. Это побудило руководство фирмы Lucent начать переговоры о совместной разработке следующего поколения системы Scalpel с более высокой производительностью как с поставщиками технологического оборудования, так и с изготовителями ИС. В конце 1996 года фирма заключила соглашение с Integrated Solutions о разработке и поставке технологической системы Scalpel следующего поколения для производства ИС с элементами субмикронных размеров на пластинах диаметром 200 мм. В середине 1997 года Lucent заключила договор с Photronics на исследование промышленных проблем, связанных с шаблонами, используемыми по программе Scalpel. Возможно, аналогичный договор заключен и с компанией Du Pont Photomasks. В конце 1997 года фирма начала переговоры с 10 фирмами о совместной разработке сканирующей системы электронно-лучевой литографии, работающей по принципу системы Scalpel. Цель работы — создать к 2003 году высокопроизводительную установку 0,13-мкм литографии, способную обрабатывать не менее 50 пластин диаметром 300 мм в час. Одновременно фирма расширяет группу, работающую в этом направлении. В конце 1997 года в ее состав входили 30 человек, в 98-м их будет 50. В конечном итоге над проектом будет работать 75 человек.
В Японии интерес к электронно-лучевой литографии в основном проявляет NEC. Фирма еще не сделала окончательный выбор, но тем не менее сообщила о создании с помощью данной технологии функционирующего МОП-транзистора с эффективной длиной поликремниевого затвора всего 0,014 мкм (14 нм). Примечательно, что NEC сама разработала резист, применявшийся при изготовлении транзистора. Появление такого прибора — первый шаг на пути создания схем памяти емкостью 1012 бит.
Если Lucent Technologies только приступила к переговорам, Intel, Advanced Micro Devices и Motorola уже организовали консорциум Extreme Ultra Voilet Limited Liability Co. (EUV LLC), который совместно с Виртуальной национальной лабораторией Министерства энергетики США развернет научно-исследовательские работы в области экстремальной УФ (ЭУФ)-литографии. Цель работ — создание установки по производству схем для вычислительной техники с линиями шириной до 0,1 мкм, на что до конца столетия частнопромышленные фирмы планируют затратить 250 млн. долл. Это самые крупные инвестиции частнопромышленного сектора в исследовательский проект Министерства энергетики. Освоить новую технологию планируется в 2007—2010 годах.
Технология проекционной ЭУФ-литографии, использующая рентгеновское излучение на длинах волн 1300–1400 ангстрем, похожа на конкурирующую рентгенолитографию и ранее называлась “мягкой” рентгенолитографией. Исследования в этой области начаты в середине 80-х годов в уже упоминавшихся трех лабораториях Министерства энергетики с использованием результатов работ, проводившихся по программе СОИ. Как утверждает Ричард Стулен, руководитель программы ЭУФ-литографии в Сандийской национальной лаборатории, созданный при выполнении программы СОИ лазерный плазменный источник излучения обязан своим появлением фундаментальным исследованиям в области материаловедения. На конечном этапе большая часть исследований проходила в рамках программы передачи военной технологии в гражданский сектор, что и позволило объединить усилия Виртуальной национальной лаборатории и промышленных партнеров. Министерство энергетики финансировало научные исследования по ЭУФ-литографии, а промышленность — опытно-конструкторские работы в этой области. Образованный Intel консорциум должен способствовать внедрению новой технологии в производство в начале следующего столетия.
Одно из достоинств ЭУФ-литографии — уменьшение формируемого рисунка, что значительно облегчает изготовление рисунка шаблона. Однако для ее успешного применения необходимо создать совершенно новые резисты, представляющие собой очень сложные химические соединения. К тому же пока нет и лазера, способного излучать на длине волны ЭУФ — 157 нм. Интерес к работам консорциума EUV LLC по созданию нового резиста уже проявила фирма 3М, до сих пор не участвовавшая в таких исследованиях. Вероятно, в этих работах примут участие и такие крупные химические корпорации, как Kodak и Fuji, имеющие богатый опыт разработки фотополимеров.
Другая серьезная проблема, без решения которой невозможно выполнение поставленных Программой Roadmap задач, — замена алюминиевой металлизации медной.
Удельная проводимость меди выше, чем у алюминия. Этот материал меньше подвержен электромиграции и усталости, вызванной механическими напряжениями. Объединение его с диэлектрическим материалом с низкой диэлектрической постоянной позволит уменьшить число уровней металлизации и потребляемую мощность, а также увеличить частоту передаваемого сигнала. Правда, в отличие от алюминиевых сквозных соединительных линий медные должны иметь тонкую “обшивку” из барьерного металла, предотвращающего коррозию кремниевой подложки. Тем не менее, по данным фирмы IBM, сообщившей на ежегодной международной конференции по электронным приборам IEDM—1997 о двойном дамасском процессе обработки промежуточного медного покрытия, переход к этому материалу на 20% снизит издержки производства. IBM планирует использовать медные межсоединения в намеченных к выпуску в середине 1998 года процессорах для главных компьютеров и серверов старших моделей. На выставке ISSCC в феврале 1998 года фирма намерена представить схему микропроцессора серии PowerPC, выполненную с шестиуровневой медной металлизацией. Работы по освоению такой системы металлизации IBM ведет уже 10 лет.
Исследования в этой области активно проводит и фирма Texas Instruments, где благодаря применению медных межсоединений и новому диэлектрическому материалу с низкой диэлектрической постоянной удалось на 40% увеличить быстродействие схемы ЦОС-процессора. Интерес к медной металлизации проявляют также фирмы Motorola, VLSI Technology, NEC. Однако для широкого внедрения технологии необходимо активное участие в этом процессе поставщиков оборудования, специалистов в области автоматизированного проектирования и корпусирования. Потребуется также создать необходимую инфраструктуру, работа над которой уже успешно ведется. Так, оборудование для двойного дамасского процесса для IBM, по-видимому, поставляет фирма Novellus. На конференции Semicon Japan фирма Applied Materials представила модуль химического осаждения из газовой фазы для нанесения барьерного материала и медной затравки. Позднее она планирует выпустить установку электроосаждения для выращивания медных межсоединений с помощью двойного “дамасского” процесса. По утверждению специалистов фирмы, существующее оборудование распыления и вакуумного осаждения из газовой фазы может быть модифицировано для работы с медью. Поэтому сейчас основные работы сосредоточены на получении нужного диэлектрика и металлического сплава барьерного покрытия.
Таковы основные направления развития полупроводниковой техники в будущем. Как бы дальше ни развивались события, справедливыми останутся слова председателя совета директоров фирмы Intel Гордона Мура: “Эта промышленность формировалась теми, кто покорял будущее, а не теми, кто задерживался в прошлом”. А началось это 50 лет назад, в декабре 1947 года.
Electronic Business, Dec., 1997
Electronic News, Dec.15, 1997
http://www.semi.org/Channel/current/Channel.html
http://techweb.cmp.com/eet/news/97/972.html
Electronic News, Oct.13, 1997
В те годы не существовало понятия “электроника”. Близкие к ней по роду деятельности фирмы занимались радиотехникой. Руководители одной из них — Motorola — мгновенно оценили важность открытия, сделанного учеными Bell Labs, и уже в 1951 году организовали группу, перед которой была поставлена задача создать транзистор, пригодный для освоения в производстве. Однако первый транзистор выпустила фирма Shockley Transistor. Произошло это в 1955 году, а двумя годами позже группа инженеров во главе с Робертом Нойсом и Гордоном Муром покинула эту фирму и организовала компанию Fairchild Semiconductor. Отпочковавшиеся от нее корпорации National Semiconductor, Intel и Advanced Micro Devices через несколько лет стали основой современной Кремниевой долины США. Многие широко известные ныне микроэлектронные фирмы можно считать вторым, третьем и четвертым поколениями компании Fairchild.
Несмотря на ошеломляющие результаты, ученые Bell Labs, получившие в 1956 году Нобелевскую премию, не смогли предвидеть, что благодаря малым размерам и малой рассеиваемой мощности созданное ими устройство даст жизнь новой отрасли промышленности — микроэлектронике. Начало ей было положено в 1958 году, когда ученый Джек Килби, пришедший работать на фирму Texas Instruments в год приобретения ею у AT&T лицензии на транзистор (1952), запатентовал первую интегральную схему. За десятилетие, прошедшее с открытия транзисторного эффекта до создания первой интегральной схемы, появилось шесть совершенно разных типов транзисторов, произошел переход от германиевых к кремниевым приборам. Но и тогда ученый мир еще не до конца понимал, какие перспективы открывает перед человечеством возможность изготавливать сложные устройства малых размеров.
Не появись транзистор, радиоэлектронная промышленность выпускала бы только телевизоры и радиоприемники. Цифровые вычислительные устройства оставались бы очень дорогими, громоздкими, с низкими быстродействием и надежностью. Ни о какой революции в области цифровой технологии не было бы и речи. Располагая вакуумными лампами стоимостью 1 долл. каждая, никогда бы не удалось создать CD-плейер, где требуется огромное число компонентов.
Что ждет микроэлектронику в будущем? На этот вопрос никто не решится дать однозначный ответ. В 1965 году Гордон Мур в своей знаменитой речи предсказал, что число транзисторов в интегральной схеме памяти будет удваиваться каждые два года. Новости hi-tech сообщают, что к 2000 году на кристалле будет размещаться до 100 млн. транзисторов, а производительность микропроцессорных устройств достигнет 1012 команд/с. Последняя схема микропроцессора Pentium II фирмы Intel содержит 7,5 млн. транзисторов. Но до 2000 года еще есть время... Сегодня многие эксперты говорят о том, что закон Мура требует корректировки из-за значительного увеличения затрат (до 2 млрд. долл.) на освоение производства новых полупроводниковых приборов на пластинах следующего поколения. Некоторые утверждают, что с ним уже вступают в противоречие и законы физики. Тем не менее полупроводниковая промышленность продолжает успешно развиваться и строить планы на будущее. Об этом убедительно свидетельствует опубликованный в конце 1997 года скорректированный вариант Программы развития национальной полупроводниковой промышленности США (National Technology Roadmap for Semiconductors). Согласно этому документу, темпы внедрения инноваций оказались более высокими, чем предполагалось в 1994 году, когда был опубликован первый вариант Программы. Цикл освоения выпуска новых изделий такими ведущими фирмами, как Intel, сейчас составляет два года, а не три, как раньше. Это значит, что следующее поколение ИС с 0,18-мкм топологическими элементами появится в 1999 году, а не в начале XXI века, как планировалось ранее. В результате к 2021 году минимальный топологический размер ИС будет равен 0,05 мкм (табл.), т.е. на одно поколение опередит предыдущий прогноз (0,1 мкм).
Впервые в скорректированном варианте Программы наряду со схемами ДОЗУ “движущей силой” развития микроэлектроники в последующие 14 лет названы ИС микропроцессоров. Теперь, основываясь на мнении ведущих американских поставщиков ИС, консорциума Sematech и промышленных обозревателей, Программа рассматривает микропроцессоры и ДОЗУ как два класса устройств, способствующих совершенствованию различных, но одинаково важных направлений полупроводниковой технологии: первые — росту производительности ИС с минимальными размерами элементов транзисторов, вторые — увеличению плотности упаковки элементов на кристалле. Теперь закон Мура справедлив для схем как ДОЗУ, так и микропроцессоров. Программа прогнозирует развитие будущих поколений ИС по достигаемой ширине изолированных линий (длине затвора транзисторов) для микропроцессоров и по ширине плотно упакованных линий (полушаг элементов) для ДОЗУ.
Согласно Программе, в 1997—2012 годах получат развитие следующие тенденции:
* площадь кристалла со схемой ДОЗУ будет увеличиваться и к 2012 году окажется намного больше, чем у схемы микропроцессора. Чтобы сохранить конкурентоспособность своих изделий, изготовителям ДОЗУ в течение трех лет после выпуска нового поколения схем памяти придется уменьшить площадь кристалла со схемой на 50%, а еще через три года — на 35%;
* к 2009 году полупроводниковая промышленность вновь будет вынуждена перейти к обработке пластин большего диаметра (450 мм);
* размер экспонируемого в процессе литографии поля будет непрерывно увеличиваться и составит 25х52 мм;
* разрыв между быстродействием отдельных элементов схемы и передающих линий будет расти по мере увеличения времени задержки сигнала в межсоединениях: если рабочая частота транзисторов в схеме в 2012 году достигнет 10 ГГц, то частота сигнала в токопроводящих линиях не превысит 3 ГГц;
* рост потребности в работающих от батареи ручных устройствах приведет к созданию схем на напряжение питания 0,5—0,6 В (сейчас 1,8—2,5 В);
* среднегодовые темпы снижения удельной стоимости в пересчете на единицу информации (бит) схем ДОЗУ составят 29%. В результате средняя продажная цена каждого нового поколения ДОЗУ будет возрастать всего на 41%. Чтобы сохранить конкурентоспособность, удельная стоимость каждого нового поколения схем микропроцессоров в пересчете на отдельный транзистор должна снижаться в среднем на 24% в год, а схем одного поколения — на 45%;
* стоимость испытаний первых опытных ИС сохранится на уровне 3 тыс. долл. на вывод для логических схем, к стоимости которых предъявляются высокие требования, и 10 тыс. долл. на вывод для специализированных схем ASIC-типа с высокими характеристиками.
В скорректированной Программе определены шесть основных проблем, которые потребуется решить для достижения поставленных целей: пропорциональное уменьшение размеров элементов схемы; совершенствование методов литографии с использованием источника на длинах волн 100 нм и менее; разработка новых полупроводниковых материалов и структур; обеспечение работы элементов в схеме и вне ее в гигагерцовом диапазоне; совершенствование методов метрологии и тестирования; усиление внимания к НИОКР, сложность которых непрерывно растет.
По мнению экспертов SIA, переход к 0,18-мкм технологии уже в 1999 году стал возможным благодаря совершенствованию средств оптической литографии и применению в качестве источника излучения эксимерных лазеров на длину волны 248 нм. В варианте Программы 1995 года утверждалось, что для формирования линий такой ширины потребуется лазер на фториде аргона на длину волны 193 нм. Сообщение о создании первой системы литографии на базе такого лазера фирмой Integrated Solutions Lithography (ISI) появилось только во второй половине 1997 года. Для дальнейшего уменьшения размеров топологических элементов схем необходимо решить чрезвычайно важную и сложную задачу перехода к новым методам литографии, на долю которых сегодня приходится около 35% затрат на производство ИС.
С 50-х годов и до сих пор для изготовлении ИС применяется в основном оптическая литография. Эта ситуация сохранится до начала следующего столетия, когда будет освоено производство ИС по 0,13-мкм технологии. Но для производства схем с меньшими топологическими нормами придется отказаться от оптических методов экспонирования, что потребует коренного изменения технологии, а также разработки новых средств экспонирования, резистов, шаблонов и методов метрологии. По оценкам экспертов, эти работы займут не менее восьми-десяти лет и будут стоить около 1 млрд. долл. Какой же метод литографии обеспечит достижение поставленных целей? Сейчас существуют пять основных претендентов на звание литографической технологии следующего поколения:
* рентгенолитография с микрозазором, разрабатываемая фирмой IBM при поддержке Управления перспективных разработок МО США (DARPA);
* проекционная электронно-лучевая, продвигаемая фирмой Lucent Technologies также при поддержке DARPA;
* экстремальная УФ (EUV), над которой работает фирма Intel совместно с национальными Сандийской, Ливерморской и Берклийской лабораториями. Для изучения этого метода они создали Виртуальную национальную лабораторию (Virtual National Lab). Интерес к данной технологии проявляют также фирмы Advanced Micro Devices и Motorola;
* электронно-лучевая с непосредственным формированием рисунка, включающая несколько различных методов. Исследования в этой области активно ведут фирма Etec Systems и Корнельский университет;
* проекционная ионная, разрабатываемая европейскими фирмами, в том числе Siemens.
Хотя сторонники каждой технологии утверждают, что предлагаемое ими решение самое перспективное, все предложения пока еще слабо изучены. Выбор затрудняется и крайне жесткими сроками создания промышленного оборудования: оно должно появиться к 2003 году. Фирма IBM ведет работы в области рентгенолитографии с начала 80-х годов. Во второй половине 89-го она приступила к отработке этой технологии на специально построенном предприятии. Фирма использует кольцевой синхротрон как для исследовательских работ, так и в опытном производстве ИС на предприятии в Фишхилле для нанесения рисунков критичных элементов шириной до 0,1 мкм с точностью 0,02 мкм. По утверждению ее специалистов, в лаборатории изготовлены функционирующие устройства с линиями шириной 0,08 мкм (80 нм).
Системы рентгенолитографии с последовательным шаговым экспонированием создает фирма Suss Advanced Lithography, выпустившая за 10 лет 14 таких систем и приступившая к созданию системы четвертого поколения, а также фирмы Canon и SVG Lithography Systems, выпустившие по крайней мере по одной установке. Сегодня парк систем рентгенолитографии насчитывает около 20 единиц оборудования. Ведущие поставщики синхротронов для таких систем — фирмы Oxford Instruments (Великобритания) и Sumitomo (Япония). Многие японские компании, в том числе Mitsubishi, NEC и Toshiba, внимательно присматриваются к этой технологии, считая ее весьма результативной и относительно простой для освоения в полупроводниковом производстве. В ее пользу говорят такие факты, как хорошо развитая инфраструктура (работы ведутся уже более десяти лет), а также наличие нужного оборудования и материалов. Для процесса рентгенолитографии пригодны существующие оптические резисты на длину волны 248 нм. Шаблоны для рентгенолитографии выпускают фирмы IBM и NTT, собственные шаблоны изготавливает и фирма Mitsubishi. Таким образом, это уже достаточно хорошо отработанная и известная технология. А сроки достижения желаемых результатов с помощью новой технологии всегда очень длительны. Однако система рентгенолитографии весьма громоздка. Для успешной реализации метода требуется вакуум 10-10 Тор и два гигантских сверхпроводящих магнита массой в несколько тонн, для охлаждения которых нужен жидкий гелий, а для питания — источник высокой мощности.
По сравнению с системой рентгенолитографии установка проекционной электронно-лучевой литографии Scalpel фирмы Lucent Technologies кажется весьма миниатюрной. Разработка систем электронно-лучевой литографии ведется на фирме Bell Labs с 1989 года, а работы по созданию современной системы Scalpel начались в 1995-м. В установке используется сфокусированный пучок высокоэнергетичных электронов, который сканирует шаблон в масштабе 4:1. Эта технология и используемая оптика знакомы любому “пользователю” электронного микроскопа. Установка не требует никаких уникальных устройств питания, поддержки нужных температур и вакуума или магнитных полей. Система располагается в лаборатории предприятия компании в Муррей Хилл. Основной недостаток системы — необходимость применения шаблонов рассеивающего типа взамен традиционных. Изготавливать, а также очищать и исправлять такие шаблоны достаточно трудно. Тем не менее уже сейчас компания Mems North Carolina, специализирующаяся в области микромашинной обработки, готова ежегодно поставлять до 30 тыс. таких шаблонов с нитридной мембраной. Позитивные и негативные резисты для этого вида литографии разработаны фирмой Olin Microelectronic Materials.
На установке Scalpel уже сформированы линии шириной 0,08 мкм. Это побудило руководство фирмы Lucent начать переговоры о совместной разработке следующего поколения системы Scalpel с более высокой производительностью как с поставщиками технологического оборудования, так и с изготовителями ИС. В конце 1996 года фирма заключила соглашение с Integrated Solutions о разработке и поставке технологической системы Scalpel следующего поколения для производства ИС с элементами субмикронных размеров на пластинах диаметром 200 мм. В середине 1997 года Lucent заключила договор с Photronics на исследование промышленных проблем, связанных с шаблонами, используемыми по программе Scalpel. Возможно, аналогичный договор заключен и с компанией Du Pont Photomasks. В конце 1997 года фирма начала переговоры с 10 фирмами о совместной разработке сканирующей системы электронно-лучевой литографии, работающей по принципу системы Scalpel. Цель работы — создать к 2003 году высокопроизводительную установку 0,13-мкм литографии, способную обрабатывать не менее 50 пластин диаметром 300 мм в час. Одновременно фирма расширяет группу, работающую в этом направлении. В конце 1997 года в ее состав входили 30 человек, в 98-м их будет 50. В конечном итоге над проектом будет работать 75 человек.
В Японии интерес к электронно-лучевой литографии в основном проявляет NEC. Фирма еще не сделала окончательный выбор, но тем не менее сообщила о создании с помощью данной технологии функционирующего МОП-транзистора с эффективной длиной поликремниевого затвора всего 0,014 мкм (14 нм). Примечательно, что NEC сама разработала резист, применявшийся при изготовлении транзистора. Появление такого прибора — первый шаг на пути создания схем памяти емкостью 1012 бит.
Если Lucent Technologies только приступила к переговорам, Intel, Advanced Micro Devices и Motorola уже организовали консорциум Extreme Ultra Voilet Limited Liability Co. (EUV LLC), который совместно с Виртуальной национальной лабораторией Министерства энергетики США развернет научно-исследовательские работы в области экстремальной УФ (ЭУФ)-литографии. Цель работ — создание установки по производству схем для вычислительной техники с линиями шириной до 0,1 мкм, на что до конца столетия частнопромышленные фирмы планируют затратить 250 млн. долл. Это самые крупные инвестиции частнопромышленного сектора в исследовательский проект Министерства энергетики. Освоить новую технологию планируется в 2007—2010 годах.
Технология проекционной ЭУФ-литографии, использующая рентгеновское излучение на длинах волн 1300–1400 ангстрем, похожа на конкурирующую рентгенолитографию и ранее называлась “мягкой” рентгенолитографией. Исследования в этой области начаты в середине 80-х годов в уже упоминавшихся трех лабораториях Министерства энергетики с использованием результатов работ, проводившихся по программе СОИ. Как утверждает Ричард Стулен, руководитель программы ЭУФ-литографии в Сандийской национальной лаборатории, созданный при выполнении программы СОИ лазерный плазменный источник излучения обязан своим появлением фундаментальным исследованиям в области материаловедения. На конечном этапе большая часть исследований проходила в рамках программы передачи военной технологии в гражданский сектор, что и позволило объединить усилия Виртуальной национальной лаборатории и промышленных партнеров. Министерство энергетики финансировало научные исследования по ЭУФ-литографии, а промышленность — опытно-конструкторские работы в этой области. Образованный Intel консорциум должен способствовать внедрению новой технологии в производство в начале следующего столетия.
Одно из достоинств ЭУФ-литографии — уменьшение формируемого рисунка, что значительно облегчает изготовление рисунка шаблона. Однако для ее успешного применения необходимо создать совершенно новые резисты, представляющие собой очень сложные химические соединения. К тому же пока нет и лазера, способного излучать на длине волны ЭУФ — 157 нм. Интерес к работам консорциума EUV LLC по созданию нового резиста уже проявила фирма 3М, до сих пор не участвовавшая в таких исследованиях. Вероятно, в этих работах примут участие и такие крупные химические корпорации, как Kodak и Fuji, имеющие богатый опыт разработки фотополимеров.
Другая серьезная проблема, без решения которой невозможно выполнение поставленных Программой Roadmap задач, — замена алюминиевой металлизации медной.
Удельная проводимость меди выше, чем у алюминия. Этот материал меньше подвержен электромиграции и усталости, вызванной механическими напряжениями. Объединение его с диэлектрическим материалом с низкой диэлектрической постоянной позволит уменьшить число уровней металлизации и потребляемую мощность, а также увеличить частоту передаваемого сигнала. Правда, в отличие от алюминиевых сквозных соединительных линий медные должны иметь тонкую “обшивку” из барьерного металла, предотвращающего коррозию кремниевой подложки. Тем не менее, по данным фирмы IBM, сообщившей на ежегодной международной конференции по электронным приборам IEDM—1997 о двойном дамасском процессе обработки промежуточного медного покрытия, переход к этому материалу на 20% снизит издержки производства. IBM планирует использовать медные межсоединения в намеченных к выпуску в середине 1998 года процессорах для главных компьютеров и серверов старших моделей. На выставке ISSCC в феврале 1998 года фирма намерена представить схему микропроцессора серии PowerPC, выполненную с шестиуровневой медной металлизацией. Работы по освоению такой системы металлизации IBM ведет уже 10 лет.
Исследования в этой области активно проводит и фирма Texas Instruments, где благодаря применению медных межсоединений и новому диэлектрическому материалу с низкой диэлектрической постоянной удалось на 40% увеличить быстродействие схемы ЦОС-процессора. Интерес к медной металлизации проявляют также фирмы Motorola, VLSI Technology, NEC. Однако для широкого внедрения технологии необходимо активное участие в этом процессе поставщиков оборудования, специалистов в области автоматизированного проектирования и корпусирования. Потребуется также создать необходимую инфраструктуру, работа над которой уже успешно ведется. Так, оборудование для двойного дамасского процесса для IBM, по-видимому, поставляет фирма Novellus. На конференции Semicon Japan фирма Applied Materials представила модуль химического осаждения из газовой фазы для нанесения барьерного материала и медной затравки. Позднее она планирует выпустить установку электроосаждения для выращивания медных межсоединений с помощью двойного “дамасского” процесса. По утверждению специалистов фирмы, существующее оборудование распыления и вакуумного осаждения из газовой фазы может быть модифицировано для работы с медью. Поэтому сейчас основные работы сосредоточены на получении нужного диэлектрика и металлического сплава барьерного покрытия.
Таковы основные направления развития полупроводниковой техники в будущем. Как бы дальше ни развивались события, справедливыми останутся слова председателя совета директоров фирмы Intel Гордона Мура: “Эта промышленность формировалась теми, кто покорял будущее, а не теми, кто задерживался в прошлом”. А началось это 50 лет назад, в декабре 1947 года.
Electronic Business, Dec., 1997
Electronic News, Dec.15, 1997
http://www.semi.org/Channel/current/Channel.html
http://techweb.cmp.com/eet/news/97/972.html
Electronic News, Oct.13, 1997
Отзывы читателей
