Особенности технологии изготовления наночипов сбис.

Два основных направления развития:

• разработка архитектуры;

• усовершенствование полупроводниковой технологии (создание более маленьких микроструктур специальными технологиями изготовления элементов, разработка новых материалов и оборудования для производства микросхем и т.д.).

В основе всех современных микросхем лежат КМОП-транзисторы (преимущество по энергоэкономичности, размерам транзисторов и более простой технологии).

Биполярные транзисторы применяются в сверхбыстродействующих микросхемах (1000 ГГц).

Закон Мура (1975 г.): «Плотность схемы полупроводникового микрочипа будет удваиваться каждые 18 месяцев».

С уменьшением размеров транзистора, т.е. с уменьшением длины затвора увеличивается быстродействие, что является определяющим.

Проблемы: ток через открытый канал зависит от приложенного напряжения на затворе. Чем короче канал МОП-транзистора, тем больше рабочий ток → быстрее работает (перезаряжает паразитные ёмкости). Можно пропорционально уменьшить и другие размеры не ухудшая рабочий ток. С уменьшением геометрических размеров уменьшается энергопотребление.

Проблемы в конструировании и производстве:

1. С уменьшением длины канала необходимо рассматривать толщину подзатворного диэлектрика. Толщина диэлектрика влияет на крутизну транзистора, т.е. чем тоньше толщина, тем больше его крутизна → работает быстрее. Возникают токи утечки при работе транзисторов. Сначала использовали диоксид кремния SiO₂ ввиду его технологичности. По мере уменьшения размеров до 45-65 нм толщина диэлектрика стала примерно несколько нм (5 атомарных слоев) и возможно возникновение токов утечки через диэлектрик за счет свободного дрейфа носителей, которые проявляют свойства не только носителей, но и электромагнитных волн. Следовательно, невозможно гарантировать управление этим транзистором.

2. С уменьшение транзистора уменьшается рабочее напряжение (0,7-1,5)В. Однако, при напряжении ~1В трудно полностью «закрывать транзистор» → возникает ток утечки от истока к стоку. → значительный паразитный ток, который существеннее тока утечки затвора. Для борьбы с ним применяют спящие транзисторы (отключают от питания, когда этот участок микросхемы не задействован). Изолятор с высокой диэлектрической проницаемостью значительно снижает ток утечки.

Затвор

1,2 нм SiO₂

Кремниевая подложка

Затвор

Кремниевая подложка

3 нм High-к

Ток утечки увеличивается по экспоненте, что делает невозможным создание быстродействующих микросхем (на утечку тратится до 40% энергии). Специальный материал: механически и химически совместимый с кремнием, удобство производства в едином технологическом цикле, увеличение диэлектрической проницаемости и уменьшение тока утечки.

	High-к vs SiO2	Преимущество
Емкостное сопротивление	На 60% ↑	↑ быстродействие
Ток утечки	более чем в 100 раз меньше	↓ тепловыделения

Материал гафний – диэлектрическая проницаемость 10-14, емкостное сопротивление больше.

Сменили и материал самого затвора (при замене SiO₂ на гафний возникли проблемы взаимодействия с поликристаллическим кремнием, который использовался в качестве затвора) → потеря подвижности электронов, уменьшился порог напряжения. Следовательно, нужно заменить поликремний на специальные сплавы.

Гафний – редкоземельный элемент похожий на цирконий.

В напряженном кремнии присутствует небольшое растяжение кристаллической решетки, что значительно увеличивает подвижность электронов, что позволяет увеличить быстродейтвие МОП-транзисторов.

нужно создать для n–МОП и p-МОП. Механизм формирования напряжения кремния должен быть различим:

• для n используется внешнее покрытие слоем высоконапряженного нитрида кремния, который растягивает кристаллическую решетку, кремния под затвором → ток канала ↑ на 10%;

• для p: в качестве материала доя области стока и истока используется селективно осажден. на кремнии области и соединен. Si с германием, что сжимает кристаллическую решетку кремн. Под затвора в направлении канала и рабочий ток ↑ на 25%.

Сочетание обеих технологий дает 30% увеличение тока при росте себестоимости всего на 2%.

Использование кремния на изоляторе - более дорогая технология, позволяющая уменьшить токи утечки, перспективная технология, транзисторы имеют увеличенный подпороговый ток из-за эффекта плавающей подложки и попытки ↓ приводят к ↑ порогового напряжения → ↑ напряжение питания → ↑ потребление мощности.

Применение современных методов фотолитографии.

Используются для создания рисунка. Для структур с размерами 100 нм необходимо использование новых способов экспонирования. Можно выделить 4 основных направления с учетом создания высокопроизвод. систем:

1. Экстремальный ультрафиолет (предельный) – EUVL;

2. Электон. проекционная литография – SCALPEL;

3. Рентгеновская литография – XL;

4. Ионная литография.

1. Экстремальный ультрафиолет (предельный) – EUVL.

Обычная оптическая литография, но с использованием излучения с длиной волны 11-14 нм, отражательн. оптикой и фотошаблонами. Используется излучение из лазерной плазмы.

(мощность 40 Вт), фокусируется на импульсной газовой трубе. Для данного излучения в камерах нельзи использовать линзы. Поэтому применяют зеркала сложной формы. Фотошаблоны заменяют масками. В процессе изготовления наносятся 40-80 слоев молибдена и кремния (каждый слой несколько нм)

2. Электон. проекционная литография – SCALPEL.

Недостатки: термический нагрев маски, большие числовые апертуры (линз, диафрагм). SCALPEL использует новый тип масок (набор мембран, изготовленных из легких элементов с высокой проницаемостью для электронов, а рисунок создается из элементов с большой отражающей способностью). Достоинства: маска не поглощает электронный поток как раньше, снижает тепловую нестабильность.

Среди технологических новинок: замена алюминия на медь в разводке, уменьшение сечения межкомпонентных соединений.

Алюминий лучше образует контакт с кремнием.

После 10-ти лет исследований удалось создать сверхтонкую область между кремнием и медью, предотвратив диффузию этих материалов.