У волны растут мозги, глаза и руки

Цифровое проектирование и микроэлектроника / РАЗРАБОТКИ Ведущие мировые разработчики микроэлектроники предсказывают, что микроэлектронная революция будет продолжаться еще долгие годы. У России есть шанс занять в этом движении достойное место
Иллюстрация: КОНСТАНТИН БАТЫНКОВ

Международная ассоциация полупроводниковой промышленности издала очередной прогноз развития отрасли International Technology Roadmap for Semiconductors. В нем названы главные технологические проблемы микроэлектроники, которые надо решить, чтобы обеспечить ее дальнейшее революционное развитие.

Во-первых, речь идет о трендах, позволяющих продолжить миниатюризацию электронных элементов: создание новых видов фотолитографии, переход от планарной технологии изготовления чипов к объемной, применение новых материалов. Во-вторых, прогноз концентрируется на радикальном расширении применения микроэлектроники, в первую очередь через создание микроэлектромеханических устройств (МЭМС). Все это может привести к тому, что не только закон Мура останется в силе еще на неопределенное время, но и новый долгосрочный технологический драйвер экономики опять, как и полвека назад, будет связан с ИКТ.

В своей нашумевшей книге «Технологические революции и финансовый капитал» известный экономист Карлота Перес показывает, что с конца XVIII века человечество пережило пять технологических революций, каждая из которых порождала технологическую волну, сопровождавшуюся распространением достижений технологических революций в виде новой техники и технологий. Длительность каждой из волн составляла примерно пятьдесят лет. И этот срок был не случайным. Он определялся особенностями функционирования связки финансового капитала и инновационных возможностей новой технологии. Исчерпание технологической волны лишает экономику драйверов развития и ведет к кризису, из которого экономика выходит благодаря следующей волне. Последняя технологическая революция, по мнению Перес, была связана с изобретением в 1961 году микросхемы, на основе которой были созданы современное телевидение, мобильная связь, персональные компьютеры, интернет. Если следовать логике Перес, то технологическая волна, связанная с этим изобретением, находится в стадии исчерпания и человечество должно ожидать новой революции, а пока его будут мучить кризисы.

С Перес не согласен Алан Астье, вице-президент по производству STMicroelectronics — одной из крупнейших в мире компаний, занимающихся разработкой, изготовлением и продажей различных микроэлектронных компонентов, который, как и авторы прогноза, не видит признаков угасания микроэлектронной революции: «В настоящее время 90 процентов инноваций основано на микроэлектронных решениях, и эта тенденция нарастает. Мы не предвидим какого-либо изменения в этом направлении в ближайшей и среднесрочной перспективе. Все крупные страны — развитые или развивающиеся — напротив, стремятся уделять больше внимания и оказывать больше поддержки полупроводниковой отрасли, так как рассматривают ее в качестве основного двигателя инноваций и социального прогресса». Чтобы разобраться, кто точнее предсказывает будущее, стоит вспомнить, какие фазы проходила нынешняя волна.

Больше Мура

В 1965 году один из создателей корпорации Intel Гордон Мур высказал предположение, которое впоследствии назвали законом

Как соблюсти закон Мура

По мнению генерального директора компании НТ-МДТ Виктора Быкова, совмещающего бизнес с работой заместителем директора по науке ФГУП Институт физических проблем им. Ф. В. Лукина, можно сказать, что на современном этапе развития микроэлектроники свойства функциональных элементов микросхем определяются уже не только их геометрией, но и размерными эффектами, при которых не работает прямое масштабирование. А компьютерное моделирование активных элементов существенно усложняется, и для него требуется решение уравнения Шредингера с использованием аппарата квантовой химии и молекулярной динамики. В технологии изготовления чипов превалирующую роль начинают играть молекулярно детерминированные технологические процессы и высокоразрешающая литография.

«Вопрос о предельных возможностях фотолитографии, — как заметил академик Геннадий Красников, — ставится практически каждый год. Определяются проблемы, которые нужно решить, и пока их удавалось решить. Когда в 1981 году я пришел в НИИ микроэлектроники, все говорили, что литографию с разрешением меньше полмикрона невозможно сделать, если не будет рентгеновской литографии. Сейчас уже разрешение в 22 нанометра получается на длине волны 193 нанометра. То есть длина волны излучения в литографической установке в десять раз больше разрешения технологического процесса». Одновременно ведутся работы, в том числе в России, по литографии на длине волны 13,5 нм (см. «Сложить нанопасьянс», «Эксперт» № 4 за 2012 год), что позволит достичь разрешения 6 нм и меньше. Компания ASMLithography уже сообщила о создании опытного образца литографа с разрешением 14 нм.

В настоящее время наметился, как отмечено в статье, серьезный прорыв в многолучевой электронной литографии, когда одновременно более десяти тысяч электронных лучей рисуют необходимую топографию будущего чипа без маски непосредственно на фоторезисте, нанесенном на полупроводниковую пластину. Разрешение такой литографии — единицы нанометров.

Уменьшение проектных норм с помощью фотолитографии выявило другое узкое место в технологии микроэлектроники — геометрические размеры транзисторов. Дело в том, что проектные нормы — термин, обозначающий минимум половину шага между металлическими проводниками, который способны обеспечить технологии изготовления микросхем. Но этот показатель уже не может быть единственной проблемой миниатюризации, потому что не менее, а может быть, более важными оказываются проблемы, связанные с уменьшением геометрических размеров самих транзисторов, в частности с возрастанием токов утечки из-за уменьшения толщины подзатворного окисла, обычно изготавливаемого из диоксида кремния (SiO2), которая уже при проектных нормах 90 нм равняется 1,2 нм, что соответствует примерно пяти атомам.

«В результате возникающего туннельного эффекта, — поясняет академик Красников, — подзатворный окисел становится прозрачным для электронов и токи утечки становятся сравнимыми с токами, протекающими через транзистор. Это резко увеличивает энерго- и теплопотери микросхем. Но проблему удалось решить, когда вместо диоксида кремния для формирования подзатворного окисла стали использовать диэлектрики с более высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости. Например, диоксид гафния, коэффициент диэлектрической проницаемости которого на порядок больше».

Третье узкое место — рост времени задержки на металлизации, которая становится сравнимой со временем задержки на самих транзисторах. Время задержки определяет рабочую частоту микросхемы. Когда-то считали, что это паразитное время задержки ставит предел микроминиатюризации. Дело в том, что задержки считаются как произведение сопротивления на емкость. По мере уменьшения размеров металлических проводников их сопротивление увеличивается и емкости растут, то есть растут задержки. Но заменили алюминиевую металлизацию на медную — задача, решить которую было весьма непросто, — и проблема задержек тоже разрешилась.

Мировой рынок производства полупроводников