У волны растут мозги, глаза и руки

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.