Проблемы развития кремниевой микро- и

наноэлектроники

А.А.ОрликовскийФизико-технологический институт РАНdirector@ftian.ru

1.Развитие высокопроизводительной литографии (~100 пластин/час).

2.Проблемы энерговыделения и теплоотвода в КМОП СБИС.

3. Эволюция структуры МДП-транзистора.4. Разброс характеристик МДП-

транзисторов с длинами каналов в глубоком суб-100 нм диапазоне?

5.После МДП-транзистора?6.Проблемы многоуровневых соединений в

СБИС.

Содержание.

Закон Мура

Развитие оптической литографии

R = k1/NA

k1 – несовершенство систем изображения, дифракционные эффекты, несовершенство

регистрирующей среды. Оптимальная коррекция шаблонов Оптимизация резистов Совершенствование оптической

системы

= 193 нмNA=0,95; k1=0,25; R= 50 нм

Оптические степперы-сканеры 1. 436 нм (g-линия) 2. 365 нм (i-линия) 3. 248 нм (KrF) 4. 193 нм (ArF)

Иммерсионная литографияλ = 193 нм

R = k1/NA NAimm = nNAdry, n – коэффициент

преломления

n = 1,436 (вода на = 193 нм ) и NAimm=1,35 R = 37нм !!!

DOF = k2 /NA2

DOF = 150 нмПроблемы: новые

источники дефектов (пузырьки, капли)

Проблемы иммерсионной литографии

Перспективы иммерсионной литографии на длине волны 193 нм Применение жидкостей с большими n

(1,6; 1,8). Для 2-ой генерации (1,6) степперов-сканеров R ≤ 32 нм,

для 3-ей (1,8) R ~ 28 нм.

Двойное экспонирование и проявление (double patterning)

Двойное экспонирование(double patterning)

Литография для поколений ИС с минимальным размером 22 нм и меньше1. ЭУФ на λ = 13,5 нм (EUV) – отражающая

оптика, производительность до 100 пластин/час

2. Высоковольтная многолучевая электронная литография (HVEB-DW)

3. Низковольтная многолучевая электронная литография (LVEB-DW)До 10000 пучков, производительность от 5 до 30 пластин/час

ЭУФ-литография

Преимущества:- ЭУФЛ является

оптической и проекционной, используются стеклянные заготовки для шаблонов;

- может быть использована для нескольких поколений ИС;

- работоспособность уже продемонстрирована на прототипах литографов,

- возможность создать источник света с меньшей длиной волны.

NA=0,25 – 0,40; k1=0,6 – 0,4; R = 32 – 12 нм

ЭУФ-литографияПроблемы:

- ЭУФ-источник с высокой оптической мощностью (115 и 180 Вт для чувствительности резистов 5 и 10 мДж/см2),

- Светосильные асферические зеркала для объектива с ошибками формы ≤ 0.1 нм,

- Многозеркальные (6) объективы с NA ≥ 0,3

- Ультраплоские подложки для масок с низкой плотностью дефектов,

- Транспортные системы для масок и пластин (100 пластин/час),

- Резисты, отвечающие требованиям по разрешению, чувствительности и ширине шероховатости края

Эволюция уровня выделения тепла в блоках высокопроизводительных ЭВМ

КМОП СБИС

Подложка

исток сток

затвор

КМОП ИС – 90% рынка ИС с начала 1980-х годовPΣ ≈ CΣ f (Vп)2

Lк=10 нм, CΣ = 5х10-17Ф, f=10 ГГц, N=5.109, Vп=1B, PΣ = 2,5 кВт !!!

Воздушное охлаждение

Р=60-85 Вт/см2

RT1 = 0,20-0,27 0C/ВтР = 141,5 Ра

RT2 = 0,10-0,07 0C/Вт

Жидкостное охлаждение:непрямое (микроканалы < 0,1 мм)

T = 600C, Р = 227 Вт/см2 (а), 320 Вт/см2(b), 397 Вт/см2(c)

Прямое охлаждение кристалла процессора водой: распылением и струйное

Способ/ жидк. FC-72 ВОДАраспылением 60 Вт/см2 160 Вт/см2

струйное 120 Вт/см2 460 Вт/см2

Прямое охлаждение кристалла процессора водой: Power 6, 65 нм

5.104 микроканалов шириной 30-50 мкм

P 400 Вт/см2

при низкой мощности насоса

ITRS Product Technology TrendsFig 7&8 Simplified – Option 1

2005 ITRS Product Technology Trends - Half-Pitch, Gate-Length

1.0

10.0

100.0

1000.0

1995 2000 2005 2010 2015 2020

Year of Production

Prod

uct H

alf-P

itch,

Gat

e-Le

ngth

(nm

)

DRAM M1 1/2 Pitch

MPU M1 1/2 Pitch(2.5-year cycle)

Flash Poly 1/2 Pitch

MPU Gate Length -Printed

MPUGate Length -Physical

MPU M1.71X/2.5YR

Nanotechnology (<100nm) Era Begins -1999

GLpr IS =1.6818 x GLph

2005 - 2020 ITRS Range

MPU & DRAM M1& Flash Poly

.71X/3YR

Flash Poly.71X/2YR

Gate Length.71X/3YR

Before 1998 .71X/3YR

After 1998.71X/2YR

Быстродействие ВПСК1. f ~ 1/Lk

при Lk≥ 100 нм f/P ~ (1/Lk)3

2. При Lk≤ 100 нм f/P ~ (1/Lk)2

В области длин канала 100 нм зависимость потребляемой мощности от длины канала меняется

МДП-транзистор«Золотое время масштабирования» закончилось при МР ~ 100 нмРазмеры: Lk, Wk, tox,

ширина соединения1/

Nk VП 1/Плотность размещения 1/2

Быстродействие Мощность 1/2

Плотность мощности 1Энергия на операцию 1/3

1.1. Увеличение Увеличение NNkk приводит к приводит к катастрофическому катастрофическому снижениюснижению подвижности подвижности носителей в каналеносителей в канале

2.2. Напряжение питания (Напряжение питания (~~1 1 В) уменьшать возможно В) уменьшать возможно только в ущерб только в ущерб производительностипроизводительности

3.3. Толщина подзатворного Толщина подзатворного диэлектрика становится диэлектрика становится туннельно тонкойтуннельно тонкой

4.4. Сопротивление поли-Сопротивление поли-Si Si затворазатвора становится становится неудовлетворительно неудовлетворительно высокимвысоким

Подложка

З

И С

Напряжение питания Vп мин = 0,8 – 1,0 B Iвкл μCox(Wk/2Lk)(Vп-Vпор)2

Iвыкл ~ μ(Wk/Lk)(kT/e)2exp(-Vпор/nkT), n>1

1. Vп снижать нельзя из-за снижения Iвкл → 2. Vпор снижать нельзя из-заэкспоненциального увеличения Iвыкл и неизбежногобольшого разброса Vпор

Полная рассеиваемая кристаллом мощностьPΣ ≈ CΣ f (Uп)2 + Iут Uп + Iвыкл Uп

Токи утечки:Iox- ток прямого туннелирования

через подзатворный диэлектрик,Ip-n – ток утечки обратно смещенного

р-п перехода «сток-подложка»,Iист-ст – ток прямого туннелирования

«исток-сток»

Увеличение доли статической мощности (высокопроизводительные системы на кристалле - ВПСК) Увеличение

производительности ВПСК осуществляется схемотехническими, архитектурными и алгоритмическими средствами

С уменьшением Lk плотность статической мощности становится сравнимой с плотностью динамической мощности

Ток прямого туннелирования «исток-сток»Ток туннелирования IT ~ exp{-2(2mUb/ћW2)1/2}, Ub – высота барьера над уровнем Ферми в контактах, W – ширина барьера.

Термоэммиссионный ток (в закрытом состоянии) ITE ~ exp {- (Ub/kT)}.Условие преобладания IT над ITE : W < (ћ2Ub/8mkT)1/2.

ITE = 10-9 A/мкм, Ub/kT = 20 -→ W (Lk) < 12 нмЭксперимент: при Lk = 5 нм IT ~ 10-6 A/мкм (J.Lolivier et al. SOI2005)

Вклад тока туннелирования «сток-исток» в статическую мощность

2015 год: Lk = 10 нм, N = 5.109 МДП КНИ транзисторов

Рст = 10-9 А/мкм х(30х10-3

мкм)х1Вх 5.109 = 150 мВт

2020 год: Lk = 5 нм, N = 5.1010

транзисторовРст = 10-6 А/мкм х (15х10-3мкм)х1Вх5.1010 =

750 Вт (!)

Туннельный транзистор: смена концепции, схемотехники, материалов(?)

Эволюция структуры МДП-транзистора Подзатворный диэлектрик в высоким (ZrO2, HfO2, ZrSiO4, HfSiO4,

Si3N4, Al2O3 и др.) Металлический затвор (Ta с работой выхода 4,3 эВ для n- МДПТ и

TiN (4,9 эВ) p-МДПТ с HfSiO4, NiSi для транзисторов обоих типов) Применение структур с напряженным кремнием в канале

(увеличение подвижности электронов и дырок), применение нелегированного сверхтонкого КНИ, поиск материалов для каналов р- и п- транзисторов с высокой подвижностью, встроенных в кремниевую подложку (Ge, Ge/Si и др)

Iвкл μCox(Wk/2Lk)(Vп-Vпор)2

Сверхмелкое легирование областей стока и истока (xj ~ 10 нм и меньше)

Технология сверхмелких р-п переходов(Плазменный иммерсионный имплантер ФТИАН)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 1502x1017

1018

1019

1020

1021

1022

level of n-doping

as implanted

RTA, T=900 oC, t=6 sec

RTA, T=900 oC, t=12 sec

RTA, T=900 oC, t=24 sec

Bor

on c

once

ntra

tion,

cm

-3

Depth, nm

Xj moving

Эволюция структуры МДП транзистора

Поколение ИС

65 нм 45 нм 32 нм 22 нм

Технология Объемная подложка,Одноосные напряжения

нКНИ.Биаксиальн. напряжения

нКНИ.Ультра-тонкий КНИ

Ультра-тонкий КНИ

Затвор Поли-кремний

Поли-кремний/металлы/силициды

Металлы,силициды

Металлы,силициды

Подзатворн. диэлектрик SiON SiON/

HfO2

HfO2 HfO2

НаноМДПТ в ультратонком КНИ

(Lk ~ 10 нм, tSi =2-5 нм )Si layer каналисток сток

затвор

O ffse tS pacer

Drai nBO X

G ateS e lec tiveE p itax ia lS i

L gate= 8n mSource

O ffse tS pacer

Drai nBO X

G ateS e lec tiveE p itax ia lS i

L gate= 8n m

O ffse tS pacer

Drai nBO X

G ateS e lec tiveE p itax ia lS i

L gate= 8n mSource

• Меньше токи утечки• Почти идеальный наклон подпороговых характеристик (~60 мВ/дек)• Ниже разброс пороговых напряжений •Меньше емкости «сток/исток – подложка»

Квантовые эффекты в наноМДП-транзисторе 1. Эффекты, связанные с поперечным квантованием

носителей в канале транзистора: а) Сдвиг порогового напряжения и изменение тока

открытого транзистора; б) Квантовый транспорт в канале транзистора: учет

зонной структуры кремния; в) Емкость «канал-затвор»; г) Сильное рассеяние на шероховатостях поверхности: подвижность от толщины слоя кремния ~ d^6 или d^4;

2. Квантовомеханическое отражение и интерференция при продольном движении в канале.

3. Статистика Ферми-Дирака в контактах.

4. Туннелирование между истоком и стоком.

Квантовое моделирование наноМДП транзистора в ультратонком КНИ

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0

4.0x10-6

8.0x10-6

1.2x10-5

Dra

in C

urre

nt, [

A]

Drain Voltage, [V]

flat channel corrugated channel ( 0.5 nm step)

channel thickness 3 nm

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0

4.0x10-6

8.0x10-6

1.2x10-5

Dra

in C

urre

nt, [

A]

Drain Voltage, [V]

without impurities in channel 1 positive impurity in channel 1 negative impurity in channel

channel thickness 3 nm

Неоднородный каналПроизвольные примеси в

канале

Требования к совершенству ультратонкого КНИ резко возрастают!

После МДП-транзистора(направления поисков)►Нанотрубки, графены в

канале ПТ (Гейм, Новоселов)

►Кремниевые нанопровода в канале МДПТ

►Одноэлектронные транзисторы

► Новые архитектуры (crossbar - HP,

CMOL – Струков, Лихарев)

Проблемы многоуровневых соединений

Global

Intermediate

Metal 1

Passivation

DielectricEtch Stop Layer

Dielectric Capping LayerCopper Conductor with Barrier/Nucleation Layer

Pre-Metal Dielectric

Metal 1 Pitch

Tungsten Contact Plug

Via

Wire

Global

Intermediate

Metal 1

Passivation

DielectricEtch Stop Layer

Dielectric Capping LayerCopper Conductor with Barrier/Nucleation Layer

Pre-Metal Dielectric

Metal 1 Pitch

Tungsten Contact Plug

Via

Wire

1. Промышленное внедрение новых материалов: медь, “low k” диэлектрики, барьерные слои, слои “etch stop” и т.д.

2. Минимизация потерь и задержек в соединениях (ρ, RC)

3. Обеспечение надежности соединений и контактов

4. Создание метрологических методов и средств

Сопротивление медных проводников

10 100 10000

1

2

3

4

5sidewall

grain boundary

bulk resistivity

Res

istiv

ity [µ

cm

]

Line width [nm]Linewidth (nm)10 100 1000

0

1

2

3

4

5sidewall

grain boundary

bulk resistivity

Res

istiv

ity [µ

cm

]

Line width [nm]Linewidth (nm)10 100 1000

2

3

4

Height 50 nm Height 155 nm Height 190 nm

Res

istiv

ity [

cm

]

Line width [nm]

1. Зависимость от ширины проводника

2. Зависимость от аспектного отношения

Задержки сигналов в соединениях и наведенные

сигналы (помехи)

0.1

1.0

10.0

100.0

2030405060708090Process Technology Node (nm)

Rel

ativ

e R

C D

elay

Scaled Metal1 (ideal Cu)Scaled Metal1 (real Cu)Scaled Intermediate (ideal Cu)Scaled Intermediate (real Cu)Global (ideal Cu)Global (real Cu)

90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm

0

0.2

0.4

0.6

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6Time (ps)

Volta

ge (V

)Crosstalk level

Input signal

kc = CIMD / CILD

10-кратное увеличение задержек в глобальных уровнях соединений

Non-conformal deposition

Sacrificial material

Проблемы и особенности деградации медной металлизации Кинетика разрушения:

электромиграция вакансий, генерация и эволюция напряжений и деформаций, образование и развитие вакансионных кластеров (плотности тока > 105 -106 A/см2 )

Рост термодинамически устойчивых микрополостей от нанометровых размеров до поперечной ширины линии (размеров зерна в случае бамбуковых структур)

Конкуренция различных мод разрушения (электромиграционных отказов) в области соединительных контактов токопроводящих линий: 1) рост микрополости в местах соединения контактного столбика с соседними уровнями металлизации 2) эрозия открытого торца проводящей линии в результате выхода вакансий на его поверхность3) рост микрополости на границе линии с изолирующим диэлектриком (вглубь линии)

Время на отказ в двухуровневой металлизации для различных геометрических параметров и температур, j = J10-10 А/m2

Проблемы теории и моделирования для медной металлизации Адгезионная прочность интерфейсов в условиях электрических, механических и

тепловых нагрузок в зависимости от дефектности слоев, образующих интерфейс (отсутствие отслоений, коробления и т.д.)Интерфейсы и контакты: между проводящей линией (ПЛ) и барьерными слоями, ПЛ и защитным диэлектриком, ПЛ и слоями материалов, вводимых между ПЛ и контактной ножкой для улучшения адгезии (Ta, TaN, TiN); металлический электрод–high-K диэлектрик–полупроводник с высокой подвижностью (структуры типа TiN/HfO2/Ge)

Оптимизация адгезионной прочности межсоединений в зависимости от концентрации и распределения дефектов, текстуры границ и рабочих параметров (немонотонность и существенная нелинейность работы отрыва и поверхностного натяжения)

Рост сопротивления и нагрева из-за необходимости использования до 20% сечения медного проводника для барьерной пленки, предотвращающей диффузию атомов меди в примыкающие диэлектрики

Отсутствует точное описание действия обратных механических напряжений (недостаточно экспериментальных данных для Сu металлизации)

Необходимо дальнейшее развитие микроскопической дискретной теории электромиграционного разрушения, развитой К.Валиевым, Т.Махвиладзе, М.Сарычевым, для плотноупакованных нанотранзисторных ИС (дискретное описание транспорта вакансий и ионов, процессов деформирования, атомистическое описание структуры проводящих элементов)

Развивающиеся методы соединений 1. Оптические

соединения (эмиттеры, волноводы, модуляторы, детекторы)

2. СВЧ (передающие и принимающие антенны, генераторы, волноводы, свободное пространство и т.д.)

3. 3D - интеграция 4. Нанотрубки

Фотонные переключатели с большой полосой пропускания, соединяющие ядра процессора

Волноводы и модуляторы, изготовленные по кремниевой технологии

Оптические соединенияПропускная способность 40 Гбит/с на один канал

Лазеры и фотоприемники

Оптические соединения

Внутри- и межчиповые соединения с использованием интегрированных передатчиков и приемников

1,16 Гбит/с

СВЧ беспроводные соединения

1. Согласно закону Мура ожидается, что к 2020 году будет освоена КМОП технология с длинами каналов транзисторов 6 нм. Это потребует преодоления следующих проблем: Проблема литографии в суб-10 нм диапазоне минимальных

размеров Проблема большого энергопотребления Проблема выполнения требований к разбросу параметров

транзисторов Проблема создания высоконадежных и скоростных

соединений на кристалле

Заключение

2. Закон Мура может быть завершен и раньше 2020 года, если эквивалентная стоимость одного компонента системы на кристалле перестанет снижаться прежними темпами.

3. После 2020 года наступит эра квантовых процессоров, для

развития которых будут сформулированы новые закономерности.

Заключение