Наука и технологии
11 марта 2015, 08:00

Технологии полупроводников. Часть 2

Мы продолжаем рассказывать про основные полупроводниковые технологии. Максимально простым языком. В этой части цикла речь пойдет о видах литографии, об эффекте короткого канала и о будущем полупроводниковых технологий.

Технологии полупроводников. Часть 2

Увеличение разрешающей способности

На протяжении последних десятилетий перед инженерами неизменно стояла задача уменьшения размеров кристаллов. Одним из способов является использование света с малой длиной волны, которое позволяет достичь большего разрешения. Нечто похожее можно наблюдать в электронном микроскопе. Использующиеся в нем короткие волны де Бройля обеспечили микроскопу выдающуюся разрешающую способность, которая во много раз превышает разрешение любого оптического микроскопа. Аналогично в фотолитографии можно повысить разрешение посредством использования источников света, генерирующих короткие волны.

График зависимости разрешения от длины волны

В этой области инженерам удалось добиться значительного прогресса. Начиналось все с ртутных ламп, которые генерировали ультрафиолетовый свет с длиной волны порядка 400 нм. После того как потенциал таких ламп был исчерпан, индустрия переключилась на использование лазеров, которые смогли не только обеспечить более высокую разрешающую способность, но и ускоряли весь процесс производства. Первым таким устройством стал криптоно-фторидный лазер, генерирующий длину волны около 248 нм. Следующим шагом было использование аргоно-фторидного лазера. Длина волны в этом случае составляла всего 193 нм. Увы, но для того чтобы использовать еще более короткие волны (например, глубокий ультрафиолет) весь литографический процесс необходимо проводить в вакууме. Причина этого заключается в том, что воздух поглощает все излучение с длиной волны меньше 186 нм. На практике даже излучение с длиной волны 193 нм, которое вырабатывается аргоно-фторидным лазером, отчасти поглощается воздухом, что можно видеть на графике ниже.

Излучение с длиной волны 185 нм и меньше поглощается воздухом

Иммерсионная литография

Еще одним способом увеличения разрешающей способности является иммерсионная литография. Разные производители начали использовать эту технологию в разное время. Это произошло в период между выпуском первых 65-нм и 32-нм чипов. Иммерсионная литография является относительно простым процессом. Его смысл заключается в том, что воздушное пространство между последней линзой и пленкой фоторезиста заполняется жидкостью с показателем преломления больше единицы. Благодаря этому повышается числовая апертура оптической системы, потому как свет от источника лучше рассеивается. Кстати, в качестве иммерсионной жидкости, как правило, используется высокоочищенная (деионизированная) вода.

Нужно отметить, что в деионизированной воде должны отсутствовать какие-либо газы, поскольку под влиянием высокой температуры и давления они могут стать причиной появления пузырьков между линзой и пластиной. В этом случае коэффициент преломления в воде может непредсказуемо изменяться, что приведет к дефектам литографии. К слову, излучение с длиной волны 193 нм также может ионизировать воду, тем самым провоцируя реакции с фоторезистом.

Увы, но с появлением фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV, Extreme ultraviolet lithography) использовать метод иммерсионной литографии стало невозможным, поскольку использующиеся жидкости поглощают всю выделяемую энергию.

Мультипаттернинг

А вот технологию мультипаттернинга (Multiple Patterning) использовать вместе с фотолитографией в глубоком ультрафиолете уже возможно. При этом существует далеко не один способ ее реализации. Суть мультипаттернинга заключается в следующем. К примеру, если определенная система умеет печатать линии на расстоянии 64 нм друг от друга за один проход, то во время второго прохода она сможет нанести еще две такие же линии с таким же интервалом, причем одна из них будет располагаться между линиями первого прохода. Как итог, всего будет нанесено 4 линии на расстоянии 32 нм друг от друга.

Одним из основных способов мультипаттернинга является двойное формирование рисунка LELE (Litho-Etch, Litho-Etch). В процессе LELE используется два отдельных фоторезистивных слоя. Во время первого прохода литография производится на твердой маске, после чего следует проявление. Очень важно использовать именно твердую маску, так как во время второго прохода используется еще один слой фоторезиста, который впоследствии также экспонируется и проявляется. Если бы не твердая маска, то после применения второго слоя фоторезиста от первого рисунка ничего бы не осталось. Что касается технологии LFLE (Litho-Freeze, Litho-Etch), то она является своего рода модификацией LELE. В LFLE не используется твердая маска. После начального литографического процесса фоторезист замораживают, покрывая его определенным химическим веществом, а затем проявляют. Тем самым первый резистивный слой отделяется от второго. После этого применяется второй литографический проход, и процесс завершается.

На этом рисунке можно увидеть разницу между процессами LELE и LFLE

Помимо LELE и LFLE, применяется способ под названием SADP (self-aligned double patterning) — двойное формирование рисунка с самовыравниванием. Этот способ также состоит из двух этапов. На первом шаге происходит травление временных шаблонов, которые впоследствии становятся линиями травления в финальном шаблоне. После этого временные шаблоны заполняются твердой маской, к которой несколько позже применяется процесс травления для экспонирования боковых стенок линий временного шаблона. Затем временный шаблон удаляется, а к экспонированному оксиду также применяется процесс травления. В результате получаются линии, расположенные вдвое ближе друг к другу, причем результат достигается только за один литографический проход.

В названии технологии SADP не зря указано слово «самовыравнивание». Благодаря тому, что после наложения временного шаблона нет повторного процесса экспонирования, беспокоиться о выравнивании линий не приходится. Вдобавок ко всему, из-за того, что боковые стенки создаются с помощью твердой маски, результирующие линии получаются максимально ровными и точными.

Мультипаттернинг может показаться идеальным способом дальнейшего увеличения разрешающей способности, однако это не совсем так. Главный его недостаток (и весьма существенный) — его дороговизна. Даже из-за самого минимального несоответствия выравниваний между двумя шаблонами пластина приходит в негодность.

Наглядное сравнение LELE- и SADP-процессов

Вычислительная литография

Вычислительная литография представлена двумя основными методами: технологией фазосдвигающихся масок (phase shifting masks, PSM) и оптической коррекцией близости (optical proximity correction, OPC). Суть первой заключается в коррекции толщины отдельных пикселей маски для изменения их прозрачности, что изменяет фазу проходящего сквозь них света. В результате достигается больший контраст между экспонированными и неэкспонированными зонами, что увеличивает разрешающую способность.

Сравнение фазосдвигающихся и обычных масок

Процесс оптической коррекции близости кардинально отличается от технологии фазосдвигающихся масок. По сути, эти два метода вообще не связаны между собой. Одним из самых больших недостатков литографии является то, что рисунок с фотомаски переносится на фоторезист с искажениями. Например, ширина полученных линий во многом зависит от плотности шаблона около этих самых линий. В итоге результирующие полосы, как правило, получаются более узкими и располагаются не совсем так, как на маске. Технология OPC как раз отвечает за коррекцию искажений. С ее помощью создается такая фотомаска, чтобы в итоге все элементы располагались на нужных позициях.

Синим цветом на схеме обозначен предполагаемый паттерн, зеленым — скорректированный с помощью OPC паттерн, а красным — финальный паттерн

От SOI к FINFET

По мере того как уменьшаются размеры транзисторов, факторы, которые не имели особого значения в прошлом, становятся все более значимыми. Одной из самых больших проблем является ток утечки.

Прежде всего, нужно отметить, что поведение электронов больше похоже на поведение системы из квантовой механики, нежели из классической механики. Это приводит, например, к туннельному эффекту (quantum tunneling), когда электроны проходят через изолирующие слои. И если раньше туннельный эффект не оказывал столь значительного влияния, то с переходом на более тонкие техпроцессы проблема постоянно возрастала.

Всего существует пять эффектов короткого канала. Наибольший интерес для полупроводниковой индустрии представляет DIBL-эффект (drain-induced barrier lowering). Суть этого эффекта заключается в том, что из-за небольшой длины канала напряжение, которое применяется к стоку, может оказывать влияние и на исток, потому как сток сам по себе выступает в роли конденсатора.

DIBL-эффект

Это означает, что эффективность затвора в плане контроля протекающего тока значительно снижается. При этом сдвигается и уровень порогового напряжения. Пороговое напряжение представляет собой то значение, когда ток в канале начинает расти экспоненциально по мере увеличения напряжения на затворе. Сдвиг уровня порогового напряжения также приводит к тому, что к затвору необходимо применять большее напряжение для того, чтобы увеличить ток в канале.

Решить эту проблему пытались путем легирования определенных областей между истоком и стоком, однако нужного эффекта это не принесло. Почему? Во-первых, в легированных областях был довольно большой разброс электронов, и сами частицы становились менее подвижными. Во-вторых, легирование привело к тому, что пороговое напряжение у каждого транзистора довольно сильно различалось.

Так или иначе, в результате DIBL-эффекта резко падает производительность. Для предотвращения действия эффектов короткого канала существует несколько технологий: растянутый кремний (straining silicon), кремний на изоляторе SOI (silicon on insulator), металлический затвор с высоким значением диэлектрической константы (high-k metal gate) и FINFET.

Кремний на изоляторе (SOI)

Суть метода SOI (кремний на изоляторе) заключается в использовании трехслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычной монолитной кремниевой пластины. Этот метод имеет свои преимущества и недостатки.

Прежде всего, стоит сказать, что при использовании технологии SOI удается значительно сократить паразитную емкость. Проблема паразитной емкости состоит в том, что на нее затрачивается достаточно большая часть потребляемой мощности в момент переключения транзистора из одного состояния в другое. А время, затраченное на этот переход, как раз и определяет общее быстродействие. Добавление слоя оксида кремния под транзистор позволяет сократить паразитную емкость, а значит уменьшить и время, которое затрачивается на переключение транзистора.

Технология SOI

Главным недостатком SOI, как и в случае с мультипаттернингом, является высокая стоимость. Кроме этого, из-за того, что транзисторы располагаются на изолирующем слое, рассеивание выделяемого им тепла не столь эффективно, как в случае с монолитным кремнием. Кстати, это стало причиной тому, что компания AMD вернулась к использованию монолитного кремния.

Растянутый кремний

Если метод SOI утратил былые позиции, то технология растянутого кремния, наоборот, становится популярнее. Путем помещения германий-кремния (SiGe) или карбида кремния (SiC) в исток и сток кремний в канале растягивается, эффекты электростатических сил в нем сокращаются. Носители заряда становятся более подвижными, что увеличивает производительность транзистора. Существует далеко не один способ реализации технологий, но смысл остается тем же.

Впервые технология использовалась компанией Intel при производстве 90-нм процессоров в 2003 году.

Сравнение кристаллических решеток кремния и растянутого кремния

Металлические затворы и материалы с высоким показателем диэлектрической константы

Применение металлических затворов и материалов с высоким показателем диэлектрической константы началось с 45-нм процессоров Intel Penryn, которые увидели свет в 2007 году. Почему же эти технологии так важны? Тут опять необходимо вернуться к квантовой механике. Уменьшая расстояние между пластинами конденсатора, увеличивается его емкость. При этом эффект поля усиливается, и транзистор переключается быстрее. Однако при малой толщине случается так, что электроны начинают туннелировать из затвора в кремниевый канал, минуя на своем пути изолятор. Это приводит к тому, что токи утечки находятся на достаточно высоком уровне, даже если транзистор не переходит из одного состояния в другое. Поэтому уменьшать толщину еще больше становится невозможно.

Для того чтобы это все-таки было возможно, и применяются high-k диэлектрики. Обратной стороной медали является то, что использование таких материалов приводит к определенным сложностям в производстве. Возникают проблемы с формированием каналов, поэтому ради увеличения производительности транзистора необходимо использовать металлические затворы.

Схема стандартного транзистора (слева) и транзистора с металлическим затвором и high-k диэлектриком (справа)

FINFET

С переходом на 22-нм техпроцесс влияние эффектов короткого канала еще больше увеличилось. И хотя с помощью металлических затворов и high-k диэлектриков удается уменьшить токи утечки и улучшить производительность транзистора, остается проблема контроля за каналом со стороны затвора, поскольку его размеры относительно подложки постоянно уменьшаются. Исправить это могут Tri-Gate транзисторы, в которых структура канала немного видоизменена и похожа на плавник (fin). Увидеть отличия в дизайне Tri-Gate и обычного транзистора можно на картинках ниже.

Схема традиционного планарного транзистора

Схема Tri-Gate транзистора

Основным плюсом Tri-Gate транзистора является то, что влияние DIBL-эффекта значительно снижается. Это также означает, что больше нет необходимости легировать канал. Следовательно, пороговые напряжения у каждого транзистора будут одинаковыми. Кроме этого, увеличивается и производительность транзистора за счет более быстрого перехода между состояниями.

Смотрим в будущее

Наконец, настало время поговорить, что ждет нас и всю полупроводниковую индустрию в ближайшем будущем. Скорее всего, производство 10-нм процессоров станет лебединой песней для 193-нм иммерсионной литографии. Огорчаться не стоит, поскольку технология и так используется намного дольше, чем предрекали специалисты. Что же может прийти ей на смену? Это литография в глубоком ультрафиолете, нанопечатная литография (nanoimprint lithography) и электронная литография (electron-beam lithography).

Литография в глубоком ультрафиолете

В отличие от иммерсионной литографии, этот метод использует излучение с длиной волны около 13,5 нм. Столь короткие волны и порождают массу проблем. Во-первых, источники глубокого ультрафиолета не являются лазерами. Это значит, что энергоэффективность такого источника света во много раз ниже, чем у современных лазеров. Поэтому для генерации необходимой энергии потребуются очень мощные источники. Во-вторых, воздух поглощает глубокий ультрафиолет, поэтому литография должна осуществляться в вакууме. Кроме того, процесс производства в вакууме не столь быстрый, как в воздухе. За один час в вакууме производится значительно меньше пластин, нежели в воздушном пространстве. Вдобавок ко всему в вакууме невозможно использовать линзы — их заменяют зеркалами.

Наконец, глубокий ультрафиолет — своего рода ионизирующая радиация. Это значит, что когда молекула поглощает EUV-свет, то ее электроны могут высвобождаться. К сожалению, это снижает разрешающую способность, поскольку фотоэлектроны двигаются через фоторезист случайным образом. В целом все недостатки литографии в глубоком ультрафиолете снижают ее разрешение примерно до 15-19 нм. А для того чтобы достичь разрешающей способности хотя бы 10 нм, требуется двойной паттернинг, о котором шла речь выше.

Нанопечатная литография

Нанопечатная литография является достаточно простым методом. Здесь изображение образуется за счет механической деформации полимерного покрытия штампом, после чего к деформированному покрытию применяется травление. Казалось бы, ничего сложного, но и здесь есть свои нюансы. Во-первых, нанопечатная литография, как и технология EUV, тоже должна выполняться в вакууме. Во-вторых, после многократного использования штампа его разрешающая способность снижается. Ну и в-третьих, для производства самого штампа требуется очень точная литография.

Электронная литография

Электронная литография — это метод нанолитографии с использованием электронного пучка. Главным ее преимуществом является то, что она позволяет достичь невероятно высоких разрешений (менее 10 нм). С помощью электронной литографии даже можно переносить шаблон напрямую на кремниевую пластину, минуя этап с фоторезистом.

Увы, но основным недостатком технологии является ее низкая производительность. Электронная литография позволяет получать всего около десяти кремниевых пластин в час. Для сравнения: большинство других современных методов литографии имеют производительность более 100 пластин в час. Для того чтобы понять, насколько медленным является электронная литография, приведем пример. Используя один-единственный электронный пучок, литография одной 300-миллиметровой пластины заняла бы порядка 22 лет! Конечно, для ускорения процесса можно одновременно использовать тысячи пучков. Однако в данном случае одни электроны будут влиять на траектории других. Поэтому здесь необходимы сложные предварительные расчеты.

Вместо заключения

Предсказать, что именно случится с полупроводниковой промышленностью в ближайшей перспективе, довольно сложно. Но мы все-таки поделимся нашими ожиданиями. Скорее всего, на смену Dual- и Tri-Gate технологиям (FINFET) придет GAA (gate-all-around), которая в очередной раз изменит вид транзистора. Тем не менее, пока что непонятно, когда именно это случится. К примеру, первые FINFET-транзисторы были показаны в 1999 году. Прошло около 10 лет, прежде чем они пошли в массовое производство. Первые же GAAFET-транзисторы были показаны около 8 лет назад.

GAAFET-транзистор изображен снизу

Также нужно отметить, что кремний постепенно исчерпывает свой потенциал. Существует ряд материалов, которые, возможно, станут его заменой. Это и графен, и фосфорен, и германий, и молибденит. На сегодняшний день наиболее перспективным материалом выглядит графен, однако и тут есть свои сложности. Дело в том, что он является полуметаллом. Следовательно, у него нет запрещенной зоны. Кроме этого, графен не запущен в массовое производство. То же самое касается и фосфорена. Более подробную информацию об альтернативных кремнию материалах вы можете узнать из этой статьи.

Не стоит исключать и то, что в ближайшем будущем механизм работы транзистора также изменится. Вполне возможно, работа транзистора будет основываться на туннельном эффекте.

Схема транзистора, основанного на туннельном эффекте