Проблемы развития кремниевой микро

Проблемы развития кремниевой
микро- и наноэлектроники
А.А.Орликовский
Физико-технологический институт
РАН
director@ftian.ru
Содержание.
1. Развитие высокопроизводительной литографии (~100
пластин/час).
2. Проблемы энерговыделения и теплоотвода в КМОП
СБИС.
3. Эволюция структуры МДП-транзистора.
4. Разброс характеристик МДП-транзисторов с длинами
каналов в глубоком суб-100 нм диапазоне?
5. После МДП-транзистора?
6. Проблемы многоуровневых соединений в СБИС.
Закон Мура
Развитие оптической литографии
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
Оптические
степперы-сканеры




1. 436 нм (g-линия)
2. 365 нм (i-линия)
3. 248 нм (KrF)
4. 193 нм (ArF)
Иммерсионная литография
λ = 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)
Проблемы иммерсионной литографии
Перспективы иммерсионной
литографии на 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.

Двойное экспонирование и
проявление (double patterning)
Двойное экспонирование
(double patterning)
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
ЭУФ-литография
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.
ЭУФ-литография
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
Эволюция уровня выделения тепла в
блоках высокопроизводительных ЭВМ
КМОП СБИС
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 = 2,5 кВт !!!
Воздушное охлаждение
Р=60-85 Вт/см2
RT1 = 0,20-0,27 0C/Вт
Р = 141,5 Ра
RT2 = 0,10-0,07 0C/Вт
Жидкостное охлаждение:
непрямое (микроканалы < 0,1 мм)
T = 600C, Р = 227 Вт/см2 (а), 320 Вт/см2(b), 397 Вт/см2(c)
Прямое охлаждение кристалла процессора водой:
распылением и струйное
Способ/ жидк.
распылением
струйное
FC-72
60 Вт/см2
120 Вт/см2
ВОДА
160 Вт/см2
460 Вт/см2
Прямое охлаждение кристалла
процессора водой: Power 6, 65 нм
5.104 микроканалов
шириной 30-50 мкм
P  400 Вт/см2
при низкой мощности насоса
ITRS Product Technology Trends
Fig 7&8 Simplified – Option 1
2005 ITRS Product Technology Trends Half-Pitch, Gate-Length
1000.0
Before 1998
.71X/3YR
DRAM M1 1/2 Pitch
Product Half-Pitch, Gate-Length
(nm)
After 1998
.71X/2YR
MPU M1
.71X/2.5YR
100.0
MPU & DRAM M1
& Flash Poly
.71X/3YR
MPU M1 1/2 Pitch
(2.5-year cycle)
Flash Poly 1/2 Pitch
Flash Poly
.71X/2YR
10.0
MPU Gate Length Printed
Gate Length
.71X/3YR
GLpr IS =
1.6818 x GLph
MPUGate Length Physical
Nanotechnology (<100nm) Era Begins -1999
1.0
1995
2000
2005
2010
2015
Year of Production
2005 - 2020 ITRS Range
2020
Быстродействие ВПСК
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
МДП-транзистор
З
«Золотое время масштабирования»
закончилось при МР ~ 100 нм
Размеры: Lk, Wk, tox,
ширина соединения
1/
Nk

VП
1/
Плотность размещения
1/2
Быстродействие

Мощность
1/2
Плотность мощности
1
Энергия на операцию
1/3
И
Подложка
С
1. Увеличение Nk приводит к
катастрофическому
снижению подвижности
носителей в канале
2. Напряжение питания (~1 В)
уменьшать возможно только
в ущерб производительности
3. Толщина подзатворного
диэлектрика становится
туннельно тонкой
4. Сопротивление поли-Si
затвора становится
неудовлетворительно
высоким
Напряжение питания
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
1. Vп снижать нельзя из-за
снижения Iвкл → 
2. Vпор снижать нельзя из-за
экспоненциального
увеличения Iвыкл и
неизбежного
большого разброса Vпор
Полная рассеиваемая кристаллом
мощность
PΣ ≈ CΣ f (Uп)2 + Iут Uп + Iвыкл Uп
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»
Увеличение доли статической мощности
(высокопроизводительные системы на кристалле - ВПСК)


Увеличение
производительности
ВПСК осуществляется
схемотехническими,
архитектурными и
алгоритмическими
средствами
С уменьшением Lk
плотность статической
мощности становится
сравнимой с плотностью
динамической мощности
Ток прямого туннелирования
«исток-сток»
Ток туннелирования IT ~ 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 преобладания IT над ITE :
W < (ћ2Ub/8mkT)1/2.
ITE = 10-9 A/мкм, Ub/kT = 20 -→ W (Lk) < 12 нм
Эксперимент: при Lk = 5 нм IT ~ 10-6 A/мкм
(J.Lolivier et al. SOI2005)
Вклад тока туннелирования «стокисток» 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 = 5 нм, N = 5.1010
транзисторов
Рст = 10-6 А/мкм х
(15х10-3мкм)х1Вх5.1010 =
750 Вт (!)
Эволюция структуры МДП-транзистора



Подзатворный диэлектрик в высоким  (ZrO2, HfO2, ZrSiO4, HfSiO4,
Si3N4, Al2O3 и 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)
Технология сверхмелких р-п переходов
Boron concentration, cm-3
(Плазменный иммерсионный имплантер ФТИАН)
10
22
10
21
Xj moving
10
20
10
19
10
18
2x10
17
as implanted
o
RTA, T=900 C, t=6 sec
o
RTA, T=900 C, t=12 sec
o
RTA, T=900 C, t=24 sec
level of n-doping
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Depth, nm
Эволюция структуры
МДП транзистора
Поколение
ИС
65 нм
45 нм
32 нм
22 нм
Технология
Объемная
подложка,
Одноосные
напряжения
нКНИ.
нКНИ.
Ультратонкий КНИ
Затвор
Поликремний
Поликремний/
металлы/
силициды
Металлы,
силициды
Металлы,
силициды
Подзатворн.
диэлектрик
SiON
SiON/
HfO2
HfO2
HfO2
Биаксиальн. Ультранапряжения тонкий КНИ
НаноМДПТ в ультратонком КНИ
(Lk ~ 10 нм, tSi =2-5 нм )
затвор
Si layer
исток
канал
сток
• Меньше токи утечки
• Почти идеальный наклон
подпороговых характеристик
(~60 мВ/дек)
• Ниже разброс пороговых
напряжений
•Меньше емкости «сток/исток –
подложка»
Квантовые эффекты
в 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.
Квантовое моделирование наноМДП
транзистора в ультратонком КНИ
Произвольные
примеси в канале
Неоднородный канал
-5
-5
1.2x10
Drain Current, [A]
Drain Current, [A]
1.2x10
-6
8.0x10
flat channel
corrugated channel (0.5 nm step)
channel thickness 3 nm
-6
4.0x10
0.0
-6
8.0x10
without impurities in channel
1 positive impurity in channel
1 negative impurity in channel
channel thickness 3 nm
-6
4.0x10
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
Drain Voltage, [V]
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Drain Voltage, [V]
Требования к совершенству ультратонкого КНИ резко
возрастают!
1.0
После МДП-транзистора
(направления поисков)
►Нанотрубки, графены в
канале ПТ (Гейм,
Новоселов)
►Кремниевые
нанопровода в канале
МДПТ
►Одноэлектронные
транзисторы
► Новые архитектуры
(crossbar - HP,
CMOL – Струков, Лихарев)
Проблемы многоуровневых соединений
1. Промышленное
внедрение новых
материалов: медь,
“low k” диэлектрики,
барьерные слои, слои
“etch stop” и т.д.
Passivation
Dielectric
Wire
Etch Stop Layer
Via
Dielectric Capping Layer
Copper Conductor with
Barrier/Nucleation Layer
Global
2. Минимизация потерь
и задержек в
соединениях (ρ, RC)
3. Обеспечение
надежности
соединений и
контактов
4. Создание
метрологических
методов и средств
Intermediate
Metal 1
Pre-Metal Dielectric
Tungsten Contact Plug
Metal 1 Pitch
Сопротивление медных проводников
1. Зависимость от ширины проводника
2. Зависимость от аспектного отношения
4
5
Resistivity [ cm]
Resistivity [µ cm]
4
side
wall
3
2
grain boundary
1
Height 50 nm
Height 155 nm
Height 190 nm
3
bulk resistivity
0
10
100
Line
width(nm)
[nm]
Linewidth
1000
2
10
100
Line width [nm]
1000
Задержки сигналов в соединениях и
наведенные сигналы (помехи)
Non-conformal
deposition
10-кратное увеличение
задержек в
глобальных уровнях
соединений
10.0
1.0
0.6
Scaled Metal1 (ideal Cu)
Scaled Metal1 (real Cu)
Scaled Intermediate (ideal Cu)
Scaled Intermediate (real Cu)
Global (ideal Cu)
Global (real Cu)
90 nm
65 nm
45 nm
32 nm 22 nm
Voltage (V)
Relative RC Delay
100.0
Sacrificial
material
Input signal
0.4
kc = CIMD / CILD
0.2
Crosstalk level
0
0.1
90
80
70
60
50
40
30
Process Technology Node (nm)
20
0
0.1
0.2
0.3 0.4
Time (ps)
0.5
0.6
Проблемы и особенности деградации медной
металлизации

Кинетика
разрушения:
электромиграция вакансий, генерация
и
эволюция
напряжений
и
деформаций, образование и развитие
вакансионных кластеров (плотности
тока > 105 -106 A/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
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
экспериментальных данных для Сu металлизации)
механических
напряжений
(недостаточно
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)
Развивающиеся методы соединений




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
Оптические соединения

Фотонные
переключатели с
большой полосой
пропускания,
соединяющие ядра
процессора
Пропускная
способность
40 Гбит/с на
один канал

Волноводы и
модуляторы,
изготовленные по
кремниевой
технологии
Оптические соединения

Лазеры и фотоприемники
СВЧ беспроводные соединения

Внутри- и
межчиповые
соединения с
использованием
интегрированных
передатчиков и
приемников

1,16 Гбит/с
Заключение

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 литографии в суб-10 нм диапазоне минимальных
размеров
Проблема большого энергопотребления
Проблема выполнения требований к разбросу параметров
транзисторов
Проблема создания высоконадежных и скоростных
соединений на кристалле
Заключение

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.