Проблемы и перспективы современной электроники
Проблемы и перспективы современной электроники
Проблемы и перспективы современной электроники
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Полупроводн<strong>и</strong>ковые нанотехнолог<strong>и</strong><strong>и</strong>:<br />
современное состоян<strong>и</strong>е, проблемы <strong>и</strong><br />
перспект<strong>и</strong>вы<br />
Н<strong>и</strong>колай Сует<strong>и</strong>н<br />
Intel<br />
06 апреля, 2010
Содержан<strong>и</strong>е:<br />
• Текущее состоян<strong>и</strong>е<br />
полупроводн<strong>и</strong>ковых нанотехнолог<strong>и</strong>й.<br />
• <strong>Проблемы</strong><br />
- л<strong>и</strong>тограф<strong>и</strong>я<br />
- новые полупроводн<strong>и</strong>к<strong>и</strong><br />
- межсоед<strong>и</strong>нен<strong>и</strong>я<br />
• Альтернат<strong>и</strong>вы <strong>и</strong> потребност<strong>и</strong> в новых<br />
подходах<br />
• Заключен<strong>и</strong>е
Transistors (millions)<br />
1,000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
0.1<br />
0.01<br />
1<br />
8086<br />
Pentium ® II Processor<br />
80286<br />
Itanium ® Processor<br />
Pentium ® 4 Processor<br />
Pentium ® Processor Pentium ® Pro Processor<br />
i486 Processor<br />
i386 Processor<br />
Pentium ® III Processor<br />
• Кол<strong>и</strong>чество транз<strong>и</strong>сторов на ед<strong>и</strong>н<strong>и</strong>це<br />
поверхност<strong>и</strong> удва<strong>и</strong>вается каждые 18<br />
месяцев (закон Мура)<br />
2 Billion<br />
Transistors<br />
’75 ’80 ’85 ’90 ’95 ’00 ’05 ’10 ’15<br />
Source: Intel
Microns<br />
10<br />
1<br />
0.1<br />
Д<strong>и</strong>нам<strong>и</strong>ка уменьшен<strong>и</strong>я<br />
тополог<strong>и</strong>ческ<strong>и</strong>х размеров<br />
Nominal feature size<br />
Gate Length<br />
Era of<br />
Nanotechnology<br />
130nm<br />
90nm<br />
65nm<br />
45nm<br />
0.01<br />
70nm<br />
50nm<br />
35nm<br />
30nm<br />
10<br />
1970 1980 1990 2000 2010 2020<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
Nanometers
Структура «камня»<br />
Соед<strong>и</strong>нен<strong>и</strong>я с<br />
теплоотвод<br />
ч<strong>и</strong>пом ч<strong>и</strong>п<br />
2 – х уровневая<br />
метал<strong>и</strong>зац<strong>и</strong>я Level<br />
Package-to-Board Interc<br />
Подложка ч<strong>и</strong>па<br />
Основная подложка
Структура соед<strong>и</strong>нен<strong>и</strong>й в ч<strong>и</strong>пе<br />
M8<br />
M7<br />
M6<br />
M5<br />
M4<br />
M3<br />
M2<br />
M1
MOSFET экв<strong>и</strong>валентная электр<strong>и</strong>ческая схема
Транз<strong>и</strong>сторы 45 нм<br />
Затвор<br />
3.0нм High-k<br />
Кремн<strong>и</strong>й<br />
NiSi<br />
Кремн<strong>и</strong>й<br />
Si 3N 4<br />
NiSi
Нанотехнолог<strong>и</strong><strong>и</strong> для подзатворного<br />
Gate<br />
1.2nm SiO 2<br />
Silicon substrate<br />
д<strong>и</strong>электр<strong>и</strong>ка<br />
Gate<br />
3.0nm High-K<br />
Silicon substrate
Инновац<strong>и</strong><strong>и</strong>, <strong>и</strong>зменяющ<strong>и</strong>е <strong>и</strong>ндустр<strong>и</strong>ю<br />
“Реал<strong>и</strong>зац<strong>и</strong>я high-k<br />
<strong>и</strong> <strong>и</strong>спользован<strong>и</strong>е<br />
металлов означает<br />
на<strong>и</strong>более знач<strong>и</strong>мое<br />
<strong>и</strong>зменен<strong>и</strong>е в<br />
технолог<strong>и</strong><strong>и</strong><br />
транз<strong>и</strong>сторов со<br />
времен<strong>и</strong><br />
<strong>и</strong>зобретен<strong>и</strong>я MOS<br />
транз<strong>и</strong>сторов с<br />
пол<strong>и</strong>кремн<strong>и</strong>евым<strong>и</strong><br />
затворам<strong>и</strong> в конце<br />
1960-х.”<br />
– Гордон Мур
Bitcell Area (m 2 )<br />
Technology Density Scaling – 6T SRAM<br />
10.00<br />
1.00<br />
0.10<br />
2X bitcell area<br />
scaling<br />
90nm 65nm 45nm 32nm<br />
Process generation<br />
Improved fidelity / uniformity<br />
22nm<br />
0.092<br />
um 2
I OFF (nA/um)<br />
Характер<strong>и</strong>ст<strong>и</strong>к<strong>и</strong> 32 нм транз<strong>и</strong>сторов<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
1<br />
1.0 V<br />
NMOS PMOS<br />
1000<br />
Intel<br />
45nm<br />
>5x<br />
Intel<br />
32nm<br />
0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0<br />
I ON (mA/um)<br />
I OFF (nA/um)<br />
32 нм процесс обеспеч<strong>и</strong>вает существенное сн<strong>и</strong>жен<strong>и</strong>е токов<br />
утечк<strong>и</strong> <strong>и</strong> улучшает про<strong>и</strong>звод<strong>и</strong>тельность<br />
100<br />
10<br />
1<br />
1.0 V<br />
Intel<br />
45nm<br />
Intel<br />
32nm<br />
+14% +22%<br />
>10x<br />
Better Better<br />
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8<br />
I ON (mA/um)
32 нм фабр<strong>и</strong>к<strong>и</strong><br />
D1D Oregon - Now D1C Oregon - now<br />
Fab 32 Arizona - 2010<br />
Fab 11X New Mexico - 2010
22 nm test structures
Intel: Эволюц<strong>и</strong>ю технолог<strong>и</strong>й<br />
Process Name P1264 P1266 P1268 P1270 P1272<br />
Lithography 65nm 45nm 32nm 22nm 16nm<br />
1 st Production 2005 2007 2009 2011 2013<br />
Manufacturing<br />
Development<br />
Постоянный поток новых технолог<strong>и</strong>й <strong>и</strong>з сферы <strong>и</strong>сследован<strong>и</strong>й в сферу про<strong>и</strong>зводства
MARCO<br />
NERC<br />
Intel – кооперац<strong>и</strong>я в <strong>и</strong>сследован<strong>и</strong>ях<br />
JR<br />
i<br />
IRAI
Новая <strong>и</strong>н<strong>и</strong>ц<strong>и</strong>ат<strong>и</strong>ва:<br />
450 мм кремн<strong>и</strong>й
SSD<br />
- Скорость доступа к магн<strong>и</strong>тной памят<strong>и</strong> 1.3X за 13 лет<br />
- 175X CPU!!!
Ключевой вопрос<br />
• 1 000 000 000 (м<strong>и</strong>лл<strong>и</strong>ард)<br />
транз<strong>и</strong>сторов на столе:<br />
как <strong>и</strong>спользовать всю эту<br />
мощь?<br />
Slide 20
Встроенные<br />
Электрон<strong>и</strong>ка<br />
Новые направлен<strong>и</strong>я Нетбук /<br />
АТОМ<br />
2-е поколен<strong>и</strong>е<br />
Арх<strong>и</strong>тектуры IA<br />
Неттоп<br />
Моб<strong>и</strong>льные <strong>и</strong>нтернет<br />
устройства<br />
Slide 21
Atom processor<br />
Про<strong>и</strong>звод<strong>и</strong>тся по 45 нм технолог<strong>и</strong><strong>и</strong>. Каждое ядро состо<strong>и</strong>т <strong>и</strong>з 47<br />
м<strong>и</strong>лл<strong>и</strong>онов транз<strong>и</strong>сторов.<br />
Новый двухядерный Intel® Atom работает на 1.6GHz, <strong>и</strong>меет память 1MB<br />
второго уровня, потребляет не более 8W TDP.
Embedded Devices
Основные тенденц<strong>и</strong><strong>и</strong> полупроводн<strong>и</strong>ковой <strong>и</strong>ндустр<strong>и</strong><strong>и</strong><br />
• Закон Мура продолжает действовать<br />
• Рост сто<strong>и</strong>мост<strong>и</strong> разработк<strong>и</strong> новых технолог<strong>и</strong>й <strong>и</strong><br />
матер<strong>и</strong>алов, а также затраты на содержан<strong>и</strong>е<br />
фабр<strong>и</strong>к растут.<br />
• Про<strong>и</strong>звод<strong>и</strong>тельность также растет. Ож<strong>и</strong>дается<br />
скачек пр<strong>и</strong> переходе на 450 мм пласт<strong>и</strong>ны<br />
Как результат:<br />
• Разделен<strong>и</strong>е компан<strong>и</strong>й на “fabless” <strong>и</strong> “foundry”<br />
• Outsource основных R&D<br />
• Д<strong>и</strong>фференц<strong>и</strong>ац<strong>и</strong>я за счет разв<strong>и</strong>т<strong>и</strong>я software
Технолог<strong>и</strong><strong>и</strong> будущего
<strong>Проблемы</strong> л<strong>и</strong>тограф<strong>и</strong><strong>и</strong>
м<strong>и</strong>крон<br />
1<br />
0,1<br />
Л<strong>и</strong>тограф<strong>и</strong>я<br />
Размер<br />
248нм<br />
90нм<br />
65нм<br />
45нм<br />
дл<strong>и</strong>на волны<br />
л<strong>и</strong>тограф<strong>и</strong><strong>и</strong><br />
193нм<br />
Высокоапертурная<br />
л<strong>и</strong>нза<br />
OPC<br />
Фазовый сдв<strong>и</strong>г<br />
Маска<br />
0,01<br />
10<br />
1980 1990 2000 2010 2020<br />
1000<br />
100<br />
Новые разработк<strong>и</strong> позвол<strong>и</strong>л<strong>и</strong> сохран<strong>и</strong>ть 193 нм л<strong>и</strong>тограф<strong>и</strong>я<br />
для технолог<strong>и</strong><strong>и</strong> 32 нм<br />
нм
П<strong>и</strong>ксельная фазовая маска<br />
Atomic Force Microscope Picture of Pixelated<br />
Phase Mask<br />
SEM Picture of Cedarmill MT1 resist<br />
Pattern from Pixelated Phase Mask
Опт<strong>и</strong>ка отражен<strong>и</strong>я <strong>и</strong>дет на смену опт<strong>и</strong>ке преломлен<strong>и</strong>я<br />
Преломляющая опт<strong>и</strong>ка<br />
Л<strong>и</strong>нзы Маск<strong>и</strong><br />
Отражающая опт<strong>и</strong>ка<br />
Фокус<strong>и</strong>ровка Маска<br />
Опт<strong>и</strong>ческ<strong>и</strong>е<br />
матер<strong>и</strong>алы<br />
не<br />
прозрачны<br />
для 13.5 нм<br />
Многослойная<br />
Отражающая<br />
опт<strong>и</strong>ка
Si (~4.1nm)<br />
EUV отражающая маска<br />
Reflective<br />
multi-layer coating<br />
40 pairs Mo-Si<br />
Mo (~2.8nm)<br />
13nm EUV<br />
Cr absorber<br />
Low Thermal Expansion Substrate
Л<strong>и</strong>тограф<strong>и</strong>я дальн<strong>и</strong>м<br />
ультраф<strong>и</strong>олетом<br />
Действующая <strong>и</strong>сследовательская<br />
установка EUV в Орегоне<br />
Дорожк<strong>и</strong> 27 нм<br />
Контакты 41 нм
Иммерс<strong>и</strong>онная л<strong>и</strong>тограф<strong>и</strong>я<br />
Immersion lithography: $30M!!
<strong>Проблемы</strong> <strong>и</strong>ммерс<strong>и</strong>онная<br />
• Очень больш<strong>и</strong>е (дорог<strong>и</strong>е) л<strong>и</strong>нзы<br />
• <strong>Проблемы</strong> с г<strong>и</strong>дрод<strong>и</strong>нам<strong>и</strong>кой <strong>и</strong> механ<strong>и</strong>ческ<strong>и</strong>м<strong>и</strong><br />
перемещен<strong>и</strong>ям<strong>и</strong><br />
• Образован<strong>и</strong>е пузырьков в ж<strong>и</strong>дкост<strong>и</strong> в процессе экспоз<strong>и</strong>ц<strong>и</strong><strong>и</strong><br />
• Все в<strong>и</strong>брац<strong>и</strong><strong>и</strong> распространяются через ж<strong>и</strong>дкость <strong>и</strong> передаются<br />
л<strong>и</strong>нзам<br />
• Нагрев (неравномерный) ж<strong>и</strong>дкост<strong>и</strong> в процессе экспоз<strong>и</strong>ц<strong>и</strong><strong>и</strong><br />
• Возн<strong>и</strong>кновен<strong>и</strong>е новых механ<strong>и</strong>змов возн<strong>и</strong>кновен<strong>и</strong>я дефектов на<br />
пласт<strong>и</strong>не<br />
• Вза<strong>и</strong>модейств<strong>и</strong>е рез<strong>и</strong>ста с ж<strong>и</strong>дкостью<br />
• Загрязнен<strong>и</strong>е ж<strong>и</strong>дкост<strong>и</strong><br />
л<strong>и</strong>тограф<strong>и</strong><strong>и</strong><br />
• Эффекты поляр<strong>и</strong>зац<strong>и</strong><strong>и</strong>, сн<strong>и</strong>жен<strong>и</strong>е контраста
Двойная экспоз<strong>и</strong>ц<strong>и</strong>я
32nm Line/Space Array<br />
made with<br />
128nm Pitch on 193nm dry litho<br />
Line Edge Roughness<br />
1.5nm
SEM of 11nm node SRAM structure (22nm halfpitch)<br />
demonstrates scalability of SADP<br />
technology. (Source: Applied Materials)
LER/LWR
Imprint lithography
Основные проблемы<br />
• Новые нел<strong>и</strong>нейные фоторез<strong>и</strong>сты для<br />
двойного экспон<strong>и</strong>рован<strong>и</strong>я.<br />
• Новые рез<strong>и</strong>сты для EUV<br />
• Сн<strong>и</strong>жен<strong>и</strong>е ELR<br />
• Повышен<strong>и</strong>е квантового выхода!<br />
• Адекватные модел<strong>и</strong> процессов на всех<br />
технолог<strong>и</strong>ческ<strong>и</strong>х стад<strong>и</strong>ях<br />
• Новые пол<strong>и</strong>мерные матр<strong>и</strong>цы для rCEL<br />
на 193 нм.
<strong>Проблемы</strong> уменьшен<strong>и</strong>я<br />
размеров транз<strong>и</strong>сторов
Кремн<strong>и</strong>й работает до 10 нм!!
Пут<strong>и</strong> разв<strong>и</strong>т<strong>и</strong>я полевых<br />
транз<strong>и</strong>сторов<br />
90nm Node<br />
65nm Node<br />
2003<br />
P1264<br />
45nm Node<br />
2005<br />
P1266<br />
32nm Node<br />
2007<br />
P1268<br />
2009<br />
50nm Length<br />
(Production)<br />
30nm<br />
35 nm Length<br />
Uniaxial<br />
Strain<br />
SiGe S/D<br />
25 nm Length<br />
High-K/<br />
Metal-Gate<br />
15nm<br />
25 nm<br />
15nm Length<br />
(Research)<br />
Source Drain<br />
Gate<br />
Silicon<br />
Body<br />
22nm Node<br />
P1270<br />
2011<br />
L G = 10nm<br />
10nm Length<br />
(Research)<br />
2013-2019<br />
S G D<br />
C-nanotube<br />
Prototype<br />
(Research)<br />
Non-planar<br />
Tri-Gate<br />
Architecture<br />
III-V<br />
III-V Device<br />
Prototype<br />
(Research)<br />
5nm<br />
5 nm<br />
Nanowire<br />
Prototype<br />
(Research)
In 0.7Ga 0.3 As QWFET на кремн<strong>и</strong><strong>и</strong>
In 07Ga 03 As QWFET на кремн<strong>и</strong><strong>и</strong>
Металл<strong>и</strong>зац<strong>и</strong>я <strong>и</strong><br />
Low-k д<strong>и</strong>электр<strong>и</strong>к<strong>и</strong>
Структура соед<strong>и</strong>нен<strong>и</strong>й в ч<strong>и</strong>пе<br />
M8<br />
M7<br />
M6<br />
M5<br />
M4<br />
M3<br />
M2<br />
M1
Межсоед<strong>и</strong>нен<strong>и</strong>я (металл<strong>и</strong>зац<strong>и</strong>я)<br />
становятся все более сложным<strong>и</strong><br />
• 9 слоев медных соед<strong>и</strong>нен<strong>и</strong>й для 45 nm<br />
технолог<strong>и</strong>й<br />
• Low K д<strong>и</strong>электр<strong>и</strong>к<strong>и</strong> для сн<strong>и</strong>жен<strong>и</strong>я потерь<br />
M8<br />
M7<br />
M6<br />
M5<br />
M4<br />
M3<br />
M2<br />
M1
Масштаб<strong>и</strong>рован<strong>и</strong>е межсоед<strong>и</strong>нен<strong>и</strong>й<br />
ohm-um<br />
ohm-m<br />
0.040<br />
0.035<br />
0.030<br />
0.025<br />
0.020<br />
P1266<br />
P1264<br />
Cu Resistivity vs Cu Width (mid)<br />
Cu сопрот<strong>и</strong>влен<strong>и</strong>е<br />
0.015<br />
0.05<br />
0.15<br />
0.25<br />
0.35 0.45<br />
0.35 Copper CD (um) 0.45<br />
0.55<br />
0.65<br />
Copper CD (um)<br />
P1260 X1S<br />
193nm X3<br />
P1262 X3 Z145E99X<br />
P1262 X3 Z217E330<br />
248nm RELACS<br />
X3 POR (Doug)<br />
X3 ALD (Doug)<br />
Series8<br />
Source:Intel<br />
• Эффект<strong>и</strong>вное сопрот<strong>и</strong>влен<strong>и</strong>е возрастает <strong>и</strong>з-за:<br />
– Рассеян<strong>и</strong>я на гран<strong>и</strong>цах<br />
– Рассеян<strong>и</strong>е на поверхност<strong>и</strong>
Модел<strong>и</strong>рован<strong>и</strong>е разрыва
PVD<br />
Cu провода<br />
ALD<br />
based<br />
• Сн<strong>и</strong>жен<strong>и</strong>е толщ<strong>и</strong>ны барьера<br />
60nm top<br />
30nm bottom<br />
Cu filled via
Why Low-k Dielectrics?<br />
• Reduce RC constant<br />
without reducing size<br />
• R metal interconnect<br />
minimized with Cu<br />
• C dielectric<br />
need low-k
Required Properties of Low-k Dielectrics<br />
Electrical Mechanical Thermal Chemical General<br />
k
Low K д<strong>и</strong>электр<strong>и</strong>к<br />
• Пут<strong>и</strong> уменьшен<strong>и</strong>я<br />
д<strong>и</strong>электр<strong>и</strong>ческой прон<strong>и</strong>цаемост<strong>и</strong>:<br />
– Пор<strong>и</strong>стые матер<strong>и</strong>алы<br />
(регулярные <strong>и</strong> нерегулярные)<br />
– Включен<strong>и</strong>е мет<strong>и</strong>льных групп<br />
– Новые пол<strong>и</strong>меры с low K<br />
Source: Li et al, UCR, J Phys Chem, 2005<br />
Strength<br />
Zeolite<br />
3x<br />
k value<br />
CDO<br />
ILD<br />
ALD Liner
Выводы<br />
• Кремн<strong>и</strong>евые технолог<strong>и</strong><strong>и</strong> являются основным<strong>и</strong><br />
в <strong>современной</strong> полупроводн<strong>и</strong>ковой технолог<strong>и</strong><strong>и</strong><br />
<strong>и</strong> в бл<strong>и</strong>жайш<strong>и</strong>е годы закон Мура сохран<strong>и</strong>тся<br />
как м<strong>и</strong>н<strong>и</strong>мум до 2015 года.<br />
• Должны создать новые фоторез<strong>и</strong>сты для<br />
дальнейшего разв<strong>и</strong>т<strong>и</strong>я полупроводн<strong>и</strong>ковой<br />
<strong>и</strong>ндустр<strong>и</strong><strong>и</strong>.<br />
• Использован<strong>и</strong>е новых матер<strong>и</strong>алов <strong>и</strong><br />
технолог<strong>и</strong>й является кр<strong>и</strong>т<strong>и</strong>ческ<strong>и</strong>м для<br />
продолжен<strong>и</strong>я масштаб<strong>и</strong>рован<strong>и</strong>я<br />
межсоед<strong>и</strong>нен<strong>и</strong>й.
Расш<strong>и</strong>рен<strong>и</strong>е гран<strong>и</strong>ц закона Мура<br />
Мед<strong>и</strong>ц<strong>и</strong>на <strong>и</strong> кремн<strong>и</strong>евые нанотехнолог<strong>и</strong><strong>и</strong><br />
50nm<br />
Transistor for<br />
90nm-node<br />
Gate oxide=1.2nm<br />
Source: Intel<br />
100nm<br />
Influenza virus<br />
Source: CDC
Сенсоры ед<strong>и</strong>н<strong>и</strong>чных молекул
Расш<strong>и</strong>рен<strong>и</strong>е гран<strong>и</strong>ц закона Мура<br />
Мед<strong>и</strong>ц<strong>и</strong>на <strong>и</strong> кремн<strong>и</strong>евые нанотехнолог<strong>и</strong><strong>и</strong><br />
Б<strong>и</strong>олог<strong>и</strong>я<br />
Si нанотехнолог<strong>и</strong><br />
Мед<strong>и</strong>ц<strong>и</strong>на<br />
ДНК<br />
Анал<strong>и</strong>з<br />
Исследован<strong>и</strong>е<br />
болезней<br />
Интеллектуальные<br />
с<strong>и</strong>стемы<br />
мон<strong>и</strong>тор<strong>и</strong>нг<br />
здоровья
Как<strong>и</strong>е возможност<strong>и</strong> после CMOS?<br />
-Резонансно – туннельные пр<strong>и</strong>боры<br />
-Квантовые клеточные автоматы<br />
-Альтернат<strong>и</strong>вная лог<strong>и</strong>ка:<br />
сп<strong>и</strong>нтрон<strong>и</strong>ка<br />
пр<strong>и</strong>боры с фазовым<strong>и</strong> переходам<strong>и</strong><br />
фотонная лог<strong>и</strong>ка
Выводы<br />
• Зарядовые выч<strong>и</strong>слен<strong>и</strong>я <strong>и</strong>меют энергет<strong>и</strong>ческ<strong>и</strong>й<br />
предел <strong>и</strong> MOSFET достаточно бл<strong>и</strong>зок к нему<br />
• Необход<strong>и</strong>мо <strong>и</strong>скать альтернат<strong>и</strong>вные методы (не<br />
зарядовые) выч<strong>и</strong>слен<strong>и</strong>й<br />
• Так<strong>и</strong>е альтернат<strong>и</strong>вы должны позволять<br />
масштаб<strong>и</strong>ровать пр<strong>и</strong>боры до меньш<strong>и</strong>х размеров,<br />
требовать меньшую энерг<strong>и</strong>ю на переключен<strong>и</strong>е <strong>и</strong><br />
быть более «быстрым<strong>и</strong>»<br />
• Сп<strong>и</strong>нтрон<strong>и</strong>ка, орб<strong>и</strong>трон<strong>и</strong>ка <strong>и</strong> электр<strong>и</strong>ческ<strong>и</strong>е<br />
д<strong>и</strong>пол<strong>и</strong> являются на<strong>и</strong>более перспект<strong>и</strong>вным<strong>и</strong>.
Спас<strong>и</strong>бо
Change language