Глобальная задача разработки и внедрения нового диэлектрика вместо диоксида кремния уже давно стоит перед полупроводниковой промышленностью. Сейчас необходимость в новых материалах стала критической, а многие специалисты рассуждают о "смерти закона Мура" - мол, дальнейший прогресс невозможен на современной технологии. Известно, что поиск новых материалов активно ведут все гиганты полупроводниковой промышленности, включая Texas Instruments, IBM и Motorola. Кто найдет замену диоксиду кремния, тот и станет новым технологическим лидером в многомиллиардной индустрии производства микросхем.

Корпорация Intel заявляет, что ни одному из вышеперечисленных "грандов" полупроводниковой промышленности не удалось продвинуться в своих исследованиях так далеко, как ей. Благодаря последним (пока засекреченным) разработкам можно говорить о том, что закон Мура будет действовать, как минимум, до 2011 года. Такой вывод позволяют сделать опубликованные технологические планы компании (см. таблицу).

Пластины 300 мм

Сейчас в полупроводниковой промышленности заканчивается одна из тех революций, которые случаются раз в десятилетие и полностью меняют облик индустрии. Изготовители микросхем переходят от подложек (wafers), т.е. кремниевых дисков-полуфабрикатов, диаметром 200 мм к подложкам 300 мм. Это позволит заметно удешевить чипы и увеличить объемы производства. Площадь пластины увеличивается более чем в два раза (на 125%), полезный выход кристаллов увеличивается на 140%, а себестоимость каждой микросхемы снижается примерно на 30%. При этом в процессе производства резко уменьшается общее потребление ресурсов: на 40% снижается потребление электроэнергии и воды в пересчете на одну микросхему.

Intel будет выпускать процессоры следующего поколения Pentium M (кодовое название Dothan) и Pentium 4 (Prescott) по технологии 90 нм только на подложках 300 мм. Промышленные поставки устройств, воплощающих в себе целый "букет" новых технологий (подложки 300 мм, техпроцесс 90 нм, пленка SiO₂ толщиной 1,2 нм в качестве диэлектрика затвора, слой NiSi, 7 слоев медных соединений с новым материалом диэлектрика, 6-транзисторная ячейка SRAM площадью 1 мкм²), начнутся уже совсем скоро. Данный техпроцесс Intel под кодовым номером 1262 сейчас внедряется на американских фабриках D1C (шт. Орегон) и 11Х (шт. Нью-Мексико). Третьей фабрикой Intel по производству 90 нм продукции станет Fab24 в Ирландии, которая вступит в строй в первой половине 2004 г.

"Растянутый" кремний и новые материалы

Сейчас гиганты полупроводниковой промышленности экспериментируют с новыми технологиями и материалами для хотя бы незначительного увеличения эффективности работы транзисторов. Так, специалистам Intel удалось найти подходящие материалы, которые меняют кристаллическую структуру кремния в нужных местах транзистора, что облегчает протекание тока.

Инженеры подразделения Logic Technology Development Division разработали два независимых способа "растяжения" кремния для КМОП-транзисторов n-типа (обладающие электронной проводимостью) и p-типа (обладающие дырочной проводимостью). В устройствах n-типа поверх транзистора в направлении движения электрического тока наносится слой нитрида кремния (Si3N4), что "растягивает" кристаллическую решетку и увеличивает рабочий ток канала на 10%. В устройствах p-типа слой SiGe наносится в зоне образования переносчиков тока, то есть в материале подложки, здесь кристаллическая решетка "сжимается", и рабочий ток канала увеличивается на 25%.

Впервые об использовании технологии "растянутого" кремния в технологическом процессе 90 нм было объявлено в августе 2002 г. С той поры число дефектов на выпускаемых подложках уменьшалось гораздо быстрее, чем для предыдущих поколений производственных технологий 0,18 и 0,13 мкм (хотя изначально количество дефектов было заметно больше, чем при внедрении вышеупомянутых технологий), что позволило спустя всего год с небольшим перейти к полномасштабному промышленному производству. Важно заметить, что использование "растянутого" кремния удорожает стоимость производства лишь на 2%, тогда как выгода оказывается существенно больше.

"Растянутый" кремний несколько улучшает характеристики современных транзисторов и продлевает им жизнь, однако не избавляет индустрию от поиска решений принципиальной технологической проблемы, которая встает перед ними сейчас.

Многие годы производители транзисторов уменьшали слой диоксида кремния между кремниевой подложкой и затвором транзистора. Дело дошло до того, что в современных чипах не менее 40% энергии теряется из-за утечек тока через диэлектрик затвора. Изолятор теперь не способен эффективно выполнять свои функции. Сейчас его толщина составляет 5 атомарных слоев, инженерам пришлось пойти на огромные ухищрения с применением новых технологий и материалов, чтобы минимизировать токи утечки при такой толщине изолятора. Хотя SiO₂ и считается идеальным изолятором, однако пришла пора искать ему замену.

Этой заменой должен стать таинственный материал, основанный на технологии под кодовым названием "high-k", о которой неизвестно никаких подробностей. На недавнем брифинге в Москве вице-президент Intel Corporate Technology Group Фрэнк Спиндлер наотрез отказался предоставить хоть какую-нибудь конкретную информацию о "high-k". Что же это такое?

High-k

Фирма Intel заявила о том, что уже в 2007 году готова заменить тонкий слой диоксида кремния более толстым слоем совершенно нового диэлектрика с высоким диэлектрическим коэффициентом (так называемый "high-k"), что позволит существенно (примерно в 100 раз) снизить токи утечки.

Материал на основе технологии "high-k" обладает хорошими изолирующими свойствами, а также создает хорошее емкостное сопротивление между затвором и каналом. Буква "k" (греческая буква "каппа") указывает на способность материала "впитывать" и сохранять большой электрический разряд.

Однако замена диоксида кремния на "high-k" ведет к проблемам взаимодействия с поликристаллическим кремнием, из которого обычно изготавливается затвор. Первая проблема - превышение порогового напряжения (известное также как превышение границы Ферми), вызванное неизбежными дефектами в площади соприкосновения диэлектрика затвора и электрода затвора. Второй нежелательный эффект - фоновое рассеяние. Обе эти проблемы решаются путем изготовления затвора из нового материала, заменяющего поликремний. Это будут металлические сплавы, различные для транзисторов n-типа и p-типа.

Неизвестно, существуют ли новые материалы в физической реальности или пока только в воображении изобретателей. Но известно, что Intel твердо намерена их использовать в технологическом процессе 45 нм, который должен быть освоен через четыре года.

Дополнительную информацию о полупроводниковых технологиях Intel можно получить на сайте www.intel.com/research/silicon.

Анатолий АЛИЗАР