Современные проблемы и направления развития микроэлектроники

Основной тенденцией развития микроэлектроники является по­вышение степени интеграции микросхем. Согласно знаменитому прогнозу, сделанному в 1965 г. и известному с тех пор как закон Мура, условное число транзисторов в наиболее скоростных процес­сорах удваивается каждые полтора года. Разумеется, эта тенденция не может сохраняться вечно, и уже с 90-х годов XX в. разные специ­алисты периодически высказывают мысль о том, что в своем разви­тии микроэлектроника вплотную подошла как к технологическому пределу увеличения размеров кристаллов СБИС и УБИС, так и к дальнейшему повышению «плотности» размещения компонентов на кристалле. Среди множества конструкторско-технологических про­блем, которые приходится решать при проектировании и производ­стве микроэлектронных изделий, можно выделить пять основных[7].

На первом месте стоит проблема уменьшения размеров эле­ментов интегральных схем. Уже сейчас оборудование для произ­водства процессоров Intel Pentium 4, использующее в процессе литографии излучение с длиной волны 248 нм, позволяет полу­чить на кристалле элементы размером 130 нм. По прогнозам ком­пании Intel уже в ближайшее время удастся уменьшить размеры отдельного транзистора примерно до 30 нм, что составляет всего несколько десятков атомных слоев. Корпорация Nikon сообщила о форсировании программы разработки оборудования для проек­ционной литографии (Electron Projection Lithography — EPL) с использованием норм 0,07-микронного технологического процесса. Сегодня EPL можно рассматривать как наиболее вероятную тех­нологию литографии следующего поколения[7].

Дальнейшие перспективы повышения разрешающей способ­ности литографии специалисты связывают с использованием при экспозиции мягкого рентгеновского излучения с длиной волны ~1 нм, а также различных методов электронной литографии. В од­ном из вариантов метода электронной литографии вообще не ис­пользуется технология резисторных масок, а предусмотрено не­посредственное действие электронного пучка на слой оксида крем­ния. Оказывается, что экспонированные области в дальнейшем травятся в несколько раз быстрее, чем неэкспонированных.

По-видимому, естественный предел дальнейшему росту мик­роминиатюризации СБИС и УБИС будет положен явлениями разупорядочивания структуры материалов за пределами окон в фо­торезистах. На более фундаментальном уровне он может быть обус­ловлен ограничением чистоты применяемых полупроводников и статистическим характером распределения в них дефектов и при­месей. Судя по наблюдаемой тенденции, этот предел, может быть, достигнут примерно к 2015 г.

На втором месте в ряду актуальных задач микроэлектроники стоит проблема внутренних соединений. Огромное число элемен­тов микросхемы, размещенных на подложке, должно быть ком­мутировано между собой таким образом, чтобы обеспечить на­дежное и правильное выполнение определенных операций над сигналами. Этот вопрос решается с помощью многоуровневой разводки, когда на первом (низшем) уровне формируют логиче­ские вентили, на втором — отдельные цифровые узлы типа триг­геров, на третьем — отдельные блоки (например, регистры) и далее по нарастающей степени функциональной сложности.

На третьем месте расположена проблема теплоотвода. Повы­шение степени интеграции обычно связано с уменьшением, как размеров самих элементов, так и расстояний между ними, что ведет к увеличению удельной мощности рассеивания. В естествен­ном режиме (без дополнительного теплоотвода) допустимая мощ­ность рассеивания современных микросхем не превышает 0,05 Вт/ мм 2, что ограничивает плотность размещения элементов на под­ложке. Для преодоления этого ограничения можно использовать несколько способов: снижение напряжения питания, использо­вание микрорежима работы транзисторов, переход к более эко­номичной элементной базе (например, комплементарная струк­тура металл—диэлектрик—полупроводник — КМДП) и, нако­нец, искусственное охлаждение. Однако у каждого из этих спо­собов существуют свои специфические трудности. Так, напри­мер, снижение напряжения питания неизбежно ведет к сниже­нию помехоустойчивости.

Четвертой в списке следует указать проблему дефектов под­ложки. Повысить степень интеграции можно простым увеличени­ем площади кристалла, однако при этом пропорционально возра­стает вероятность попадания в рабочую область дефектов кристаллической структуры (прежде всего дислокаций), наличие ко­торых на поверхности подложки неизбежно, хотя бы в силу тер­модинамических причин. Дефект подложки может привести к на­рушениям технологического процесса изготовления микросхемы и соответственно к браку. Единственным способом решения этой проблемы является совершенствование технологии изготовления подложек.

Последней в списке, но, пожалуй, первой по значимости сле­дует назвать проблему контроля параметров. Общеизвестно, что электроника проникла буквально во все области человеческой деятельности. Автоматические системы сегодня управляют слож­нейшими (и порой потенциально опасными) технологическими процессами, огромными транспортными потоками и т.д. Сбой в такой системе может привести к катастрофическим последствиям. В этих условиях проблемы надежности и качества оборудования, а следовательно, и контроля параметров производимой электрон­ной промышленностью продукции приобретают первостепенное значение. В силу большой сложности выполняемых функций чис­ло внешних информационных выводов современных СБИС варь­ируется от нескольких десятков до двух-трех сотен. Если принять для оценки число информационных выводов равным 50 и учесть, что цифровой сигнал на каждом из них может принимать два зна­чения («0» или «1»), то для полной проверки правильности фун­кционирования только одной СБИС и только в статическом ре­жиме потребуется 250 измерений. При длительности каждого из­мерения в 0,1 мкс (с типичной для современного уровня техно­логии частотой опроса 10 МГц) этот процесс займет более двух лет. Приведенные оценки показывают, что для реальной органи­зации контроля измерения по необходимости должны быть выбо­рочными. Поэтому тщательная проработка методики проверки (отбор контролируемых параметров, разработка эффективных ал­горитмов испытания, а также разработка соответствующей из­мерительной аппаратуры и программного обеспечения) представ­ляет собой важнейшую и очень сложную задачу.

В настоящее время на пути решения каждой группы перечис­ленных проблем достигнуты определенные успехи. Решающее зна­чение повышения степени интеграции СБИС и УБИС имеют раз­работка и практическая реализация конструкторско-технологических решений, позволяющих подняться на качественно новый уро­вень разработок. В качестве характерного примера таких решений можно привести применение в современных СБИС функциональ­но-интегрированных элементов, которые в одной полупроводниковой области совмещают функции нескольких простейших эле­ментов (например, у транзистора можно совместить коллектор­ную нагрузку и сам коллектор). Другой пример — трехмерная ин­теграция, когда элементы ИС формируют в разных слоях, напри­мер двухслойная КМДП-структура, состоящая из двух компле­ментарных МДП-транзисторов (металл—диэлектрик—полупро­водник), имеющих общий затвор.

Определенные перспективы имеют стремительно развивающи­еся в настоящее время нанотехнологии, основанные на использо­вании туннельной микроскопии. Рабочим органом нанотехноло-гической установки служит электрический зонд из твердосплав­ного материала, представляющий собой своеобразную иглу, ост­рие которой методами ионного травления «заточено» до атомарных размеров. Острие зонда располагается на весьма малом (~ м) расстоянии от поверхности, отполированной проводящей подлож­ки, и между подложкой и зондом прикладывается некоторое на­пряжение. Из-за малости зазора даже при весьма малых напряже­ниях напряженность поля в зазоре может достигать огромных ве­личин порядка … В/м, что приводит к появлению туннель­ного тока. Измеряя этот туннельный ток, можно с помощью пьезо-преобразователей поддерживать величину зазора с погрешностью порядка м. При этом диаметр пучка туннельных электронов имеет величину ~ м.

Увеличивая энергию пучка до уровня энергии межатомных свя­зей, можно оторвать отдельный атом от подложки и, перемещая подложку с помощью пьезоманипуляторов, перенести его вместе с зондом в новое положение. При снижении энергии пучка мо­жно осадить атом на подложку в этом новом положении.

Введя в активную область под зондом молекулы технологиче­ского газа, в условиях резко неоднородного электрического поля можно добиться их ионизации и, захватив зондом нужный ион, осадить его на подложку в нужном месте. Таким образом, форми­руют на подложке точечные или линейные структуры с характер­ными размерами порядка м. Наполняя рабочую область уста­новки газом-травителем, инициируют химические реакции, при­водящие к удалению с поверхности отдельных цепочек атомов, что позволяет создавать канавки нанометровой глубины.

Нано-технологии открывают практически неограниченные воз­можности построения как планарных, так и объемных структур, позволяющих создавать на подложке электронные элементы раз­мерами порядка атомарных. Теоретически быстродействие таких элементов может составлять величину порядка и даже с, а высочайшая степень интеграции наноэлектронных структур по­зволяет реализовать запоминающие устройства со сверхвысокой плотностью записи информации порядка 10ю бит/ , что на три порядка превосходит возможности современных лазерных дисков.

Однако повышение степени интеграции резко сужает область применения СБИС, так как они становятся слишком специализи­рованными и поэтому изготавливаются ограниченными партиями, что экономически невыгодно. Выходом из положения являются разработка и производство базовых матричных кристаллов. Такой кристалл содержит большое число одинаковых топологических яче­ек, образующих матрицу. Каждая ячейка содержит определенное число нескоммутированных элементов, подобранных таким обра­зом, чтобы из них можно было сформировать несколько функцио­нальных элементов (триггер, группу логических вентилей и т.д.). Выполняя металлическую разводку внутри топологических ячеек и соединяя их между собой, можно получать весьма сложные по ус­тройству электронные блоки, отличающиеся функциональными возможностями. На основе одного базового матричного кристалла с помощью простой замены фотошаблонов металлизации можно реализовать большое число модификаций БИС.

Возможности микроэлектроники далеко не исчерпаны, а пред­рекаемый предел ее развития как научной и технологической дис­циплины постоянно отодвигается во времени. Однако долгосро­чные прогнозы в такой динамично развивающейся области, как микроэлектроника, — дело неблагодарное. И даже если такой пре­дел будет, достигнут, это вовсе не означает, что прогресс в обла­сти электроники остановится. На смену полупроводниковой тех­нике придут новые технологии, основанные на иных физических принципах. Возможно, это будет функциональная электроника, оптическая, квантовая или, наконец, биоэлектроника.