2.3. Технологическая (проектная) норма
Основным параметром технологии является минимальная технологическая (топологическая, проектная, литографическая) норма (technology node, feature size). Говоря о проектной норме, обычно имеют в виду минимально достижимый размер (в мкм, нм) топологических элементов на данном уровне технологического процесса. Обычно это значение близко к длине затвора LG и, разумеется, много меньше реальных размеров самого МОП–транзистора, которые и задают в ИС плотность упаковки. Эти размеры можно оценить по другому параметру, который в нашей литературе называют «шаг затвора» (сontacted gate pitch). Связь этого параметра с длиной затвора (и проектной нормой) иллюстрируется на рис. 2.3 по данным корпорации Intel. Длина затвора МОП транзистора приблизительно в 1,5…2 раза меньше технологической нормы. Длина канала, как правило, оказывается еще меньше длины затвора.
Рис.2.3
Высокая степень доверия полупроводниковой отрасли к технической осуществимости и экономической обоснованности закона Мура привела к тому, что с 1998 года публикуется и регулярно обновляется на сайте Международная маршрутная карта развития полупроводниковых приборов, материалов и технологий (ITRS - International Roadmap for Semiconductors) на следующие 15 лет. Дорожная карта с одной стороны является руководством для исследований, с другой стороны помогает синхронизировать развитие технологий и своевременность изготовления оборудования. Дорожная карта ITRS – замечательный пример самоорганизации и взаимной координации усилий внутри полупроводниковой промышленности, в том числе среди конкурирующих компаний. ITRS позволила скоординировать действия разработчиков оборудования для производства полупроводников и их потребителей (фабрики), и в результате скорость обновления технологии выросла с одного поколения каждые три года до одного поколения каждые два года.
Ничто не вечно под луной – КМОП-технология тоже. Недавно был опубликован документ, касающийся дальнейших перспектив развития отрасли. Но это уже не ITRS. У документа новое название – Международная маршрутная карта развития приборов и систем (International Roadmap for Devices and Systems, IRDS).
О чем говорит смена названия? О том, что степень интеграции микроэлектроники достигла нового уровня и происходит переход от закона Мура к концепции «больше, чем Мур»: «системы-на-кристалле» во многих случаях становятся или уже стали преемниками радиоэлектронных систем или модулей. В IRDS, по сравнению с ITRS, введены новые разделы. В частности, речь идет о возможности интеграции материалов с высокой подвижностью носителей заряда, таких как германий и материалы типа АIIIВV, с кремниевой КМОП-платформой с целью с целью увеличения рабочего тока на порядок. Концепции всех предложенных структур и подходов базируются на предположении, что «закон Мура» постепенно прекращает свое действие, и новые полупроводниковые приборы будут основаны на иных физических принципах. К подобным приборам относятся нейроморфные схемы, квантовые кубиты, спинтронные приборы и многое другое. Их включение в перспективные планы освоения новых технологий означает, что традиционная ставка на КМОП- технологии и микропроцессорную технику уже не отвечает потребностям нового времени и требуется «расширенный» подход к организации научно-исследовательских работ.
Рис. 2.4 показывает, как за последние десятилетия изменялись линейные размеры и быстродействие КМОП–транзисторов и ИС на примере продукции корпорации Intel.
Изменение
технологической нормы идет по поколениям,
с приблизительно одинаковым масштабным
множителем
. Соответствующий ряд параметров
технологических норм исторически имеет
следующий вид:
0,5 мкм..0,35..0,25..0,18..0,13 ..(130 нм)..90..60..45..32 22 16 10 7нм...
Рис. 2.4. Изменение размеров элементов ИС и рабочей частоты по годам (данные корпорации Intel).
Переход к следующему поколению соответствует приблизительно увеличению степени интеграции в 2 раза. Очевидно, что закон, декларирующий экспоненциальный рост количества транзисторов на одной интегральной схеме, не может быть справедливым в течение неограниченного времени. Независимо от «маршрутных карт» развития полупроводниковых приборов, принятых различными поставщиками ИС, действие «закона Мура» продолжает замедляться на каждом новом топологическом уровне – из-за резкого возрастания сложности и дороговизны процесса. «Маршрутные карты», разумеется, могут меняться. Например, Intel в данный момент планирует освоить 10‑нм процесс во второй половине 2017 г., 7-нм процесс – в начале 2020-го, а производство ИС по 5-нм технологии намечено на начало 2023 г
Правда, производить новые ИС по-прежнему способен крайне ограниченный круг компаний – это крупнейшие IDM (Intel, Samsung) и кремниевые заводы (TSMC, GlobalFoundries).
-------------------------------------------------------------------------------------------------------IDM (integrated device manufacturers) – традиционные полупроводниковые фирмы полного цикла – разработка, проектирование, производство и маркетинг ИС.
Fabless (от FABricationLESS) – тип организации полупроводникового бизнеса, при котором фирма занимается только разработкой, проектированием и маркетингом ИС, а само изготовление осуществляется на мощностях кремниевых заводов или свободных мощностях традиционных фирм (IDM).
Кремниевый завод (foundry) – производство ИС по спецификациям заказчика с предоставлением широкого спектра услуг по использованию инструментальных средств фирм-союзников из числа поставщиков САПР для проектирования собственных ИС с использованием базы библиотек стандартных элементов различных fabless- и IDM- фирм (по контрактам foundry c последними), платформ и сложнофункциональных блоков (на тех же условиях). Кремниевые заводы могут заниматься разработкой новейших технологических процессов, но разработкой собственных конструкций ИС, как правило, не занимаются.
В настоящее время самыми передовыми наноразмерными МДП-структурами являются структура полностью обедненного КНИ МДП-транзистора (кремний на изоляторе) (FD-SOI) и структура FinFET (рис. 2.5). Структура FinFET может изготавливаться как на объемной, так и на КНИ-подложке (рис. 2.6).
Рис.2.5
Рис.2.6
Появление FinFET знаменует переход от традиционной планарной технологии (2D) в третье измерение (3D).