Кремний жил, кремний жив...

Андрей Борзенко

По прогнозам корпорации Dataquest, доходы полупроводниковой индустрии в 2000 году увеличатся на 31% по сравнению с 1999 г. и достигнут 222 млрд. долл. Эта тенденция будет наблюдаться вплоть до 2002 г., когда продажи полупроводниковых изделий возрастут до 321 млрд. долл., а затем на рынке наступит некоторый спад. Аналитики из Dataquest подобный бум связывают с появлением нового поколения электронных устройств на потребительском рынке, для которых потребуются самые современные кристаллы, отличающиеся не только повышенным быстродействием, но и малой потребляемой мощностью.

Перспективные технологии

Как известно, степень интеграции микросхемы зависит от размера кристалла и количества помещенных на нем транзисторов. Основным фактором, определяющим возможность увеличения числа транзисторов сверхбольшой интегральной схемы, являются минимальные топологические размеры элементов, называемые также проектными нормами. Обычно эта величина измеряется в микронах (мкм). По мере уменьшения проектных норм могут быть увеличены и тактовые частоты работы микропроцессора.

Полупроводниковый кристалл

Сетевой график развития индустрии, утвержденный полупроводниковой промышленной ассоциацией SIA (Semiconductor Industry Association), исключает проектные нормы 0,15 мкм для производства полупроводниковых микросхем. Стандартными проектными нормами в 2002 г. должны стать 0,13 мкм, 2005 г. - 0,1, 2008 г. - 0,07 и в 2014 г. - 0,035 мкм. Последние цифры, в частности, означают, что при производстве терабитных микросхем на 1 кв. см будет расположено до 390 млн. транзисторов. Заметим, однако, что потребляемая мощность - один из основных факторов, ограничивающих сложность кристалла.

В свое время высокие уровни быстродействия и степени интеграции связывались главным образом с арсенид-галлиевыми полупроводниковыми приборами. Однако высокая стоимость и большая рассеиваемая мощность ограничили области их применения. Сейчас большие надежды связываются с так называемой кремниево-германиевой технологией, которая является улучшенной разновидностью биполярной КМОП-технологии BiCMOS, но обеспечивает низкий уровень энергопотребления, присущий обычному производственному процессу CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).

Еще одним перспективным направлением повышения быстродействия при низкой потребляемой мощности считается объединение технологии "кремний на изоляторе" - КНИ (SOI, Silicon On Insulator) с медными межсоединениями (copper interconnect) на полупроводниковых кристаллах. В этой области, безусловно, лидирует корпорация IBM (http://www.ibm.com), а точнее - ее подразделение IBM Microelectronics.

По сравнению с технологией, при которой межсоединения выполнены на основе алюминия, в результате применения меди кристалл становится не только быстрее, но и меньше. Медная металлизация приводит к уменьшению общего сопротивления и соответственно увеличению скорости работы кристалла на 15-20%. Малое сопротивление позволяет уменьшать и геометрические размеры проводников. В свою очередь технология КНИ снижает паразитные емкости, возникающие между элементами микросхемы и подложкой. Благодаря этому тактовая частота работы транзисторов возрастает. Увеличение скорости от использования КНИ может составить 20-30%. Таким образом, в идеальном случае возможно достижение 50-процентного общего роста производительности.

Первым микропроцессором IBM с медными межсоединениями в 1998 г. стал PowerPC 750, а уже в конце прошлого года корпорации удалось объединить на одном полупроводниковом приборе кремниево-германиевую (SiGe) технологию с медными межсоединениями. Благодаря этому теперь можно создавать широкий спектр высокопроизводительных кристаллов с малым энергопотреблением, которые могут быть использованы как для оборудования глобальных или локальных сетей, так и для мобильных беспроводных устройств. Полоса пропускания подобных чипов оценивается на уровне 40 Гбит/с. Первые кристаллы были получены из 8-дюймовых кремниевых пластин при соблюдении проектных норм 0,18 мкм.

В конце мая корпорация IBM объявила о выпуске новой серии серверов AS/400, в которых используются микропроцессоры PowerPC, выполненные по технологии КНИ. В качестве изолятора служит специальный диэлектрический материал, получивший название "low-k". По имеющейся информации, новые микропроцессоры работают на 20-30% быстрее тех, что изготовлены по традиционной технологии. А вот сами машины серии 800, оснащенные подобными кристаллами, действуют в 3,6 раза быстрее своих предшественников (серия 700). Среди новых серверов две модели (270 и 250) предназначены для использования в сфере малого и среднего бизнеса. Пользователям предлагаются также специальные серверы, ориентированные на работу с приложениями Lotus Domino. Плановые поставки таких компьютеров, оснащенных последней версией ОС OS/400, V4R5, начнутся в августе. Базовые цены моделей 820, 830 и 840, входящих в серию 800 AS/400e, составляют от 30 до 700 тыс. долл. Ближайшей осенью IBM планирует внедрить технологию КНИ для микропроцессоров, которыми оснащают компьютеры семейства RS/6000, и использовать ее для следующего поколения кристаллов Power4.

Не забывает IBM и о других участниках рынка. Так, по данным некоторых источников, в новом микропроцессоре PA-8700 корпорации Hewlett-Packard (http://www.hp.com), будет также применена технология КНИ IBM.

Слухи о том, что IBM производит мощные микропроцессоры Alpha для корпорации Compaq Computer (http://www.compaq.com), ходили уже давно. Но только сравнительно недавно они получили официальное подтверждение. По заявлению представителя Compaq, корпорации подписали соглашение, в соответствии с которым IBM будет производить для Compaq микропроцессоры Alpha с медными межсоединениями. Кроме того, в ближайшем будущем IBM также начнет выпускать кристаллы Alpha на базе собственной технологии КНИ. Стоит отметить, что новое соглашение никак не повлияет на отношения Compaq c Samsung Electronics (http://www.samsungelectronics.com). Дело в том, что этот крупнейший производитель микросхем еще только собирается переходить на технологии КНИ и медных межсоединений для Alpha. Таким образом, пока кристаллы будут производиться на заводах как Samsung Electronics, так и IBM.

Спасение кремния

Крупнейшие полупроводниковые корпорации и научно-исследовательские организации, в частности Lawrence Livermore National Laboratories (http://www.llnl.gov), Sandia National Laboratories (http://www.sandia.gov), Intel (http://www.intel.com), AMD (http://www.amd.com), озабочены сегодня созданием новых технологий, которые позволят фирмам-производителям полупроводниковых приборов по крайней мере еще десять лет применять в качестве базового материала кремний. Вокруг одной из таких технологий, Extreme Ultra Violet (EUV), объединилось несколько известных компаний. EUV нацелена на улучшение процесса фотолитографии при производстве микросхем. Использование коротких ультрафиолетовых волн позволит реализовать более жесткие проектные нормы и, как следствие, разместить на одной и той же площади поверхности кристалла большее количество элементов.

Как известно, цель фотолитографии - создание в слое материала фоторезиста "окна" заданной конфигурации для доступа травильного вещества к расположенной под этим слоем полупроводниковой пластине с окисной пленкой. Такие "окна" образуются при экспонировании фоторезиста в потоке ультрафиолетового излучения лазера, в результате чего фоторезист теряет (или приобретает) растворимость. Конфигурацию "окон" задают соответствующие маски, а полученное с их помощью изображение фокусируется затем специальной системой линз. Современная фотолитографическая машина обрабатывает за один час несколько десятков 8-дюймовых полупроводниковых пластин.

Управлять ультракоротковолновым излучением не просто. Поскольку EUV-излучение хорошо абсорбируется стеклом, то по новой технологии предусмотрено применение серии из четырех специальных выпуклых зеркал, уменьшающих и фокусирующих изображение, полученное с помощью маски. Каждое такое зеркало содержит 80 отдельных металлических слоев, толщина каждого из них примерно 12 атомов.

Ожидается, что использование технологии EUV уже к 2005 г. приведет к появлению кристаллов, работающих на тактовой частоте 10 ГГц. Как известно, в соответствии с законом Мура количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 18 месяцев. Одной из предпосылок для этого и является уменьшение базовых размеров элементов (иначе говоря, ужесточение проектных норм), что позволяет фирмам-производителям размещать на одной и той же пластине больше базовых элементов.

В настоящее время эксперты отмечают некоторые ограничения в использовании технологии фотолитографии, которая полностью исчерпает свои возможности уже к 2003 г. В то же время технология EUV уже сейчас позволяет говорить о размерах базовых элементов порядка 70 нм, а к 2009 г. они могут уменьшиться до 30 нм, что соответствует примерно 150 атомам. Теоретическим пределом пока считаются размеры в 15-20 нм.

Коалиция, поддерживающая технологию EUV и включающая в себя AMD, Intel, Infineon Technologies, Motorola, Micron и другие корпорации, планирует в 2001 году продемонстрировать некоторые результаты производственного процесса на опытном оборудовании. Уже в 2002 г. обновленные литографические системы будут продаваться только членам EUV. Здесь стоит отметить, что корпорация IBM до сих пор не присоединилась к данной коалиции.

Наряду с внедрением новых технологий в области фотолитографии основными заботами полупроводниковой индустрии остаются уменьшение проектных норм и переход на 12-дюймовые пластины (300 мм).

Итак, следующим барьером для индустрии станут топологические размеры элементов 0,13 мкм. Так, у корпорации Intel во второй половине 2001 г., одновременно с внедрением технологии медных межсоединений, все полупроводниковые фабрики начнут работать с соблюдением проектных норм 0,13 мкм. А вот крупнейший производитель микросхем динамической памяти - корпорация Samsung Electronics уже анонсировала проектные нормы 0,12 мкм для выпуска 512 Мбит DRAM.

Выигрыш при переходе на полупроводниковые пластины большего размера очевиден, однако такая акция требует и немалых затрат. Так, по мнению авторитетных источников, стоимость полностью оснащенной фабрики может достигать 2 млрд. долл. Именно поэтому многие компании объединяются в совместные предприятия, как, например, Motorola и Infineon Technologies.

Хотя реальной альтернативы кремнию в настоящее время практически не существует, по мнению большинства экспертов, к 2011 г. полупроводниковая индустрия все-таки найдет ему достойную замену.

Статья опубликована в PC Week/RE № (244)22 от 6/27/00, стр. 08
Перепечатывается с разрешения автора.