Полупроводники: трехмерное завтра

Андрей Борзенко

Первую в мире коммерческую модель трехмерного полупроводникового прибора Matrix 3-D Memory компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation (TSMC, http://www.tsmc.com/) и Matrix Semiconductor (http://www.matrixsemi.com/) представили еще в конце 2001 г. Надо сказать, что попытки создания трехмерных интегральных схем предпринимались университетами, исследовательскими лабораториями и отдельными учеными еще с начала 70-х годов прошлого века. Помимо использования поликристаллического кремния, изменение структуры которого предполагалось осуществлять с помощью лазерного луча, в этих работах предусматривались и другие конструктивные решения, позволяющие размещать несколько двухмерных микросхем друг над другом.

Вообще говоря, для тех областей применения, где ситуация обусловлена все большим сокращением размеров микросхем и уменьшением затрат на их разработку, трехмерная архитектура полупроводниковых устройств позволила бы добиться поразительных преимуществ в цене по сравнению с традиционными. Современные интегральные микросхемы являются двухмерными (часто их называют "планарными") по одной простой причине. Дело в том, что качество кристаллов, нужное для создания самых хороших транзисторов, сохраняется только в подложке или в самой кремниевой основе. Как только на эту подложку наносится изолирующий оксид или связующий металл, становится невозможным последовательное размещение атомов кремния таким образом, чтобы они сформировали требуемую кристаллическую решетку. Необходимый шаблон-подложка оказывается скрытым под этими слоями. В результате традиционные транзисторы создаются только в верхнем слое кремниевой подложки, а пространство над основой используется только для межсоединений. Тем не менее главная мотивация для перехода на трехмерную архитектуру очень проста. Как и в случае с недвижимостью, стоимость кремния напрямую зависит от размера используемой площади (а не от объема). Таким образом, трехмерный метод производства имеет два очевидных преимущества. Во-первых, это существенное снижение цен в расчете на фиксированное устройство и, во-вторых, увеличение числа транзисторов на кристалле со скоростью, не меньшей, чем предусматривает закон Мура в расчете на количество устройств, приходящихся на единицу площади.

Поскольку структура трехмерной интегральной схемы строится на основе двухмерной архитектуры (конструирование реальных устройств, а не только изоляторов и межсоединений на схеме над подложкой), трехмерная схема может использовать все существующие достижения в области полупроводниковых устройств, а вдобавок создать полностью обновленный диапазон решений. Эксперты полагают, что радикальное увеличение плотности, которое становится возможным благодаря вертикальному размещению элементов, вполне реально будет способствовать многократному сокращению затрат на производство микросхем по сравнению с традиционными микросхемами при той же технологии производства. Интересно, что по одной из оценок, изготовление акра обычных кремниевых транзисторов обходится примерно в миллиард долларов.

Кроме того, эксперты вполне резонно предполагают, что трехмерные микросхемы могли бы масштабироваться по крайней мере с той же скоростью, какую предусматривает закон Мура, тем самым давая потребителям возможность со временем использовать все преимущества трехмерной технологии и по-прежнему сокращать затраты на производство, на что рассчитывают участники отрасли.

Кристалл Matrix 3-D Memory содержит четыре слоя транзисторов

В 1998 г. во главе новой компании Matrix Semiconductor, которая занялась созданием трехмерных (3D) полупроводниковых устройств, встали два профессора Стэнфордского университета – Марк Джонсон и Томас Ли. Последний начал свою карьеру в качестве проектировщика микросхем еще в компании Analog Devices. В 1992 г. Томас Ли пришел в фирму Rambus, где занимался разработкой высокоскоростных микросхем оперативной памяти по КМОП-технологии. Кроме того, он принимал участие в создании некоторых микропроцессоров, в частности K6 и K7, в корпорации Advanced Micro Devices, а также процессоров StrongARM и Alpha в компании Digital Equipment. В 1994 г. профессор Ли был приглашен в Стэнфордский университет, где его основные научные интересы были сосредоточены на микросхемах как проводной, так и беспроводной связи в гигагерцевом диапазоне.

В основу проектируемых продуктов вновь образованной компании легла технология многослойного размещения транзисторов. Сегодня инвесторами Matrix Semiconductor являются такие крупнейшие корпорации, как Nintendo, Microsoft, Seagate, Sony и Thomson. Надо сказать, что сама идея 3D-транзисторов переживала подъемы и крушения. Сначала Matrix Semiconductor планировала наладить массовый выпуск своих микросхем в 2002 г. Однако, по словам одного из ведущих менеджеров компании, главный урок извлеченный из последовавших неудач состоял в том, что изготовить что-то в одном экземпляре легко, а производить то же самое миллионными тиражами очень трудно. В конструкцию микросхем и процесс их изготовления пришлось вносить серьезные изменения.

Несмотря на череду задержек, Matrix Semiconductor летом 2004-го все-таки выпустила трехмерные микросхемы памяти, используя мощности тайваньского полупроводникового гиганта TSMC. При производстве кристаллов для получения базовых слоев соблюдаются проектные нормы 0,15 мкм, а для последующих – 0,13 мкм. В отличие от флэш-памяти микросхемы Matrix 3-D Memory представляют собой ПЗУ с однократной записью. Иными словами, данные записываются на них методом "прожига" плавких перемычек. По этой причине потенциальный рынок для них довольно узок. Однако стоит отметить, что себестоимость подобных изделий почти вдвое меньше, чем у флэш-памяти. Поэтому компания в первую очередь нацеливается на промышленных заказчиков, желающих выпускать кристаллы с записями аудио, видео и другими неизменяемыми файлами. Например, фирма Mattel приспособила этот кристалл для хранения мультфильмов на своем портативном видеоплейере Juice Box. Другой потенциальный заказчик – корпорация Nintendo. Еще в начале 2003 г. этот игровой гигант инвестировал в Matrix Semiconductor около 15 млн. долл.

Особое внимание компания уделила совместимости с нынешними стандартами – новые микросхемы энергонезависимой памяти совместимы по контактам с кристаллами флэш-памяти с организацией NAND. Благодаря этому карты на основе Matrix 3-D Memory можно устанавливать в разъемы для флэш-носителей разнообразных цифровых устройств (включая фотокамеры, плейеры, карманные игровые консоли, персональные электронные секретари, мобильные телефоны и т. д.), применяя их в качестве недорогой альтернативы для однократной записи информации.

В начале мая этого года Matrix Semiconductor анонсировала новый кристалл трехмерной памяти (имеющей четыре уровня транзисторов) емкостью 1 Гбит и размером всего 31 кв. мм.

"Трехмерные" транзисторы

Примерно в то же время, когда из Matrix Semiconductor приходили победные реляции о создании трехмерных полупроводников, ученые из IBM Research – исследовательского подразделения корпорации IBM – на международной конференции по схемотехническому проектированию International Electron Devices Meeting рассказали о новой конструкции трехмерных микросхем, в которых транзисторы расположены в два или более слоев, а производственный процесс напоминает выпечку многослойного пирога. По их мнению, со временем именно такая конструкция может привести к появлению более мощных микропроцессоров с гораздо большим числом транзисторов по сравнению с современными однослойными структурами. Кроме того, в этом случае сокращается длина проводников, соединяющих транзисторы в микросхеме. Сегодня эксперты говорят о том, что подходы, используемые исследователями из Matrix Semiconductor и IBM, были довольно близки, однако в IBM более реально смотрели на вещи и оценивали новую технологию только как перспективную.

Надо сказать, что в начале XXI века интерес к полупроводниковым приборам с трехмерной структурой стали проявлять многие крупнейшие корпорации. Так, исследователи IBM в 2001 г. объявили о создании альтернативного типа транзистора, который благодаря лучшему управлению эффектом короткого канала, характеристике субпорогового напряжения, близкой к идеальной, и высокой подвижности носителей в канале сможет стать многообещающим кандидатом для будущих микросхем с высокой плотностью размещения элементов и малой потребляемой мощностью. При разработке этого прибора неоценимым оказался опыт корпорации в области технологии "кремний на изоляторе". Ток транзистора с двумя затворами и, следовательно, его сигнал почти вдвое выше, чем в обычном МОП-приборе с большими размерами элементов. Такую структуру легко масштабировать, и на ее базе можно выполнить практически любой тип МОП-транзистора. Основная задача при ее формировании состоит в получении приемлемого значения порогового напряжения транзисторов быстродействующих логических устройств при контроле значения проводимости канала.

Особый интерес представляет разновидность транзистора с двойным затвором – FinFET. В этом приборе тонкое кремниевое тело (столбик, вставка – fin) как бы "обернуто" затвором, который формирует два совмещенных канала, расположенных с двух сторон кремниевого тела. Выступающая передняя область тела – исток транзистора, выступающая задняя область – сток. Ток протекает в плоскости, параллельной плоскости тела, т. е. хотя затворы и выступают за пределы этой плоскости, структуру FinFET можно рассматривать как квазипланарную. Активная ширина прибора равна высоте тела-столбика, и ее можно увеличивать путем параллельного включения многих столбиков. По своей топологии FinFET не отличается от традиционного МОП-транзистора, за исключением того, что активная область формируется вставками, а не представляет собой плоский прямоугольник. Изготовление FinFET легко наладить: все необходимые технологические операции широко используются в современном полупроводниковом производстве и хорошо отработаны. Правда, самый критичный параметр этой структуры – толщина канала – зависит от разрешения процесса литографии.

В IBM были созданы симметричные и асимметричные n- и p-канальные МОП-транзисторы этого типа, характеристики которых оптимизированы для получения высокого быстродействия и низкого порогового напряжения соответственно. Процесс изготовления полностью обедненного симметричного FinFET предусматривает формирование рисунка тела-вставки толщиной 20 нм методами фотолитографии. Структура затвора состоит из термически выращенной пленки оксинитрида толщиной 1,6 нм и поликристаллического кремния. Выступающие области истока/стока изготовлены путем проведения ионной имплантации с четырех сторон пластины.

Совместными усилиями Калифорнийского университета в Беркли, корпорации Intel и Национальной лаборатории Лоуренса была создана FinFET-структура с длиной канала менее 20 нм, в которой размеры кремниевой вставки задаются промежутками между поликремниевыми затворами, а области истока/стока – процессом литографии. За счет нанесения специальных пленок на боковые стенки каждого промежуточного зазора разработчикам удалось вдвое увеличить ток транзистора и уменьшить толщину вставки в сравнении с приборами, изготовленными только с помощью процесса литографии. Структура затвора состояла из термически выращенного оксида толщиной 2,4 нм и SiGe толщиной 400 нм.

Новый FinFET-транзистор корпорации AMD стал результатом ее сотрудничества с учеными Калифорнийского университета и консорциумом Semiconductor Research. Это устройство имело длину затвора всего 10 нм.

Транзисторы для "Платформы 2015"

Как известно, долговременное видение корпорацией Intel развития фундаментальных элементов платформ, а также архитектурные инновации и фундаментальные знания, которые движут это развитие, изложены аналитиками в документе "Платформа 2015". Там, в частности, говорится о том, что до 2015 г. и далее полупроводниковая производственная КМОП-технология будет развиваться такими же темпами, что и сейчас. Тенденция появления новых материалов и новых структур будет продолжаться. При этом в качестве примеров технологий, находящихся в стадии разработки, названы диэлектрики High-K/Metal Gate и транзисторы с трехмерным затвором (или Tri-Gate-транзисторы).

Tri-Gate - транзистор с трехмерным затвором

Как известно, экспериментальный дизайн транзистора, получившего название Tri-Gate, впервые был представлен в Японии на конференции International Solid State Device and Materials в 2002 г. В его основе лежала трехмерная структура, представляющая собой "микробрусок", который с трех сторон облегают изолятор и проводник затвора. Подобная структура позволяла посылать электрические сигналы как по верхней части "бруска", так и по обеим его вертикальным сторонам. "Микробрусок" превращается в исток (сток) за пределами затвора. Увеличенная таким образом площадь, доступная для прохождения сигнала, дает возможность пропускать на 20% больше тока по сравнению с традиционной планарной конструкцией, занимающей аналогичную площадь.

В Tri-Gate использованы элементы технологии TeraHertz, представленной специалистами Intel в декабре 2001 г. Подобная технология позволяет создавать транзисторы, которые работают на частотах переключения порядка терагерц и обладают способностью к масштабированию. Такой класс транзисторов предназначен для того, чтобы максимизировать уровень производительности при уменьшении энергопотребления и стоимости производства. Заметим, что транзисторы, выполненные на основе технологий High-k/Metal Gate и Tri-Gate, относятся к классу TeraHertz.

Тройной затвор строится на сверхтонком слое полностью обедненного кремния, уменьшающего ток утечки закрытого транзистора. Он имеет наращенные сток и исток, позволяющие избежать роста сопротивления при уменьшении размеров транзистора. Кроме того, в новом транзисторе может использоваться диэлектрик High K, дополнительно снижающей ток утечки затвора.

Напомним, что наличие тонкого слоя диоксида необходимо для достижения высоких эксплуатационных характеристик диэлектрика затвора. Диоксид кремния – это материал, молекулы которого состоят из одного атома кремния и двух атомов кислорода. Он является хорошим изолятором, однако проблема состоит в том, что чем тоньше слой диоксида кремния, тем выше ток утечки, проходящий через изолятор. Следовательно, необходимо было заменить диоксид кремния новыми материалами, обладающими теми же свойствами, использование которых не потребует достижения низкой толщины слоя.

Материал на основе технологии High-k способен заменить диоксид кремния при изготовлении электрода затвора, поскольку этот материал обладает весьма неплохими изолирующими свойствами, а также создает достаточное емкостное сопротивление между затвором и каналом. Оба этих свойства желательны для достижения высоких эксплуатационных характеристик транзисторов. Символ "k" (фактически, греческая буква "каппа") указывает на способность материала сохранять электрический заряд. Те материалы, которые могут хранить электрический заряд лучше, чем другие, обладают более высоким значением "k". Применение материалов на основе технологии High-k намного уменьшает утечки, так как эти материалы могут иметь иную толщину, чем диоксид кремния, при сохранении тех же свойств.

Еще одним преимуществом транзисторов Tri-Gate является то, что выпускать микросхемы на их базе можно и с помощью существующего оборудования. Кроме того, можно строить структуры из нескольких "брусков" Tri-Gate, формируя силовые транзисторы. Как отмечают в Intel, этот тип транзистора разработан корпорацией для обеспечения возможности развертывания нового 45-нанометрового технологического процесса в 2007 г. Также в Intel планируются более глубокие исследования в области транзисторов III-V, углеродных нанотрубок и кремниевых нанопроводников. Цель всех этих исследований – увеличение скорости работы устройств, дальнейшее уменьшение их размеров, управление питанием и сокращение потребляемой мощности. Кроме того, интеграция между архитектурой кристаллов и производственной технологией позволит достичь еще большей плотности: на одном кристалле можно будет расположить миллиарды транзисторов. Такой подход очень важен. В процессе создания микропроцессоров и платформ будущего разработчики и технологи должны сотрудничать очень плотно.

Статья опубликована в PC Week/RE №19 от 31.05.2005 г., стр. 40.
Перепечатывается с разрешения автора.