«То, что теперь воспринимается как данность,

когда-то считалось игрой воображения»,

Уильям Блейк.

И практика, и текущая рыночная ситуация заставляют задуматься об использовании в архитектуре интегральных схем третьего измерения. Сегодня существуют технологии и материалы, которые позволяют наладить массовое производство трехмерных полупроводниковых устройств. Для тех областей применения, где ситуация обусловлена все большим сокращением размеров микросхем и уменьшением затрат, трехмерная архитектура полупроводниковых устройств позволит добиться поразительных преимуществ в цене, которые, как предполагается, будут увеличиваться со скоростью, не меньшей, чем предусматривает закон Мура. Такая перспектива послужит действенным стимулом к использованию новой парадигмы в дизайне полупроводниковых устройств — проектирование и создание микросхем в вертикальной архитектуре.

Современные интегральные микросхемы являются двухмерными по одной простой причине. Качество кристаллов, необходимое для создания самых хороших транзисторов, сохраняется только в подложке или в самой кремниевой «основе». Как только на эту подложку наносится изолирующий оксид или связующий металл, невозможно последовательно разместить атомы кремния таким образом, чтобы они сформировали совершенную кристаллическую решетку; необходимый шаблон-подложка оказывается скрытой этими слоями.

Рис. 1. При производстве интегральных схем по традиционной технологии создается единый плоский слой вычислительных элементов в электрически активной верхней части основы. Изоляторы, слои межсоединений и остальная часть микросхемы существуют для связи устройств и предохраняют подложку от повреждений во время производства

В результате, традиционные транзисторы создаются только в верхнем слое кремниевой подложки, а пространство над основой используется только для проводки. Вся электрическая активность в современных процессорах возникает в этом тонком слое подложки, измеряемом микронами, при том что «основы», как правило, в сотни, а то и в тысячи раз толще просто по причинам, обусловленным механической прочностью (рис. 1).

Плоская технология интегральных схем служила во благо отрасли сорок лет или около того, с момента своего создания, но она, без сомнения, уже устарела. Специалисты с потрясающей регулярностью твердят о прекращении действия закона Мура — практически с того момента, как он был сформулирован, т. е. с начала 60-х годов. Однако теперь уже большинство специалистов соглашается с тем, что в ближайшие десять лет закономерность, описывающая развитие основной технологии, перестанет существовать. Безусловно, уменьшение размеров транзисторов не может продолжаться вечно по той простой причине, что если ситуация будет развиваться в соответствии с законом Мура, то в конечном итоге это приведет к созданию устройств, в которых размер критически важных элементов окажется меньше атома.

Новая парадигма для проектирования интегральных схем

Законы физики неумолимо свидетельствуют о том, что необходимы некие фундаментальные изменения, прежде чем начнется выпуск устройств с субатомарными характеристиками. Таким «неким фундаментальным изменением» может стать отказ от ограниченности двумя измерениями. Действительно, в отрасли полупроводниковых устройств давно возникла насущная потребность использовать в архитектуре микросхем третье измерение.

Рис. 2. Возможности масштабирования в соответствии с законом Мура для микросхемы, проектируемой в традиционном плоском (двухмерном) процессе, и микросхемы с «надстроенными» друг над другом элементами, созданной в соответствии с трехмерной технологией. При фиксированном числе транзисторов на микросхему, эта диаграмма демонстрирует потенциальные экономические выгоды создания полупроводниковых микросхем при использовании третьего измерения

Основная мотивация для перехода на трехмерную архитектуру очень проста: как и в торговле недвижимостью, стоимость кремния прямо пропорциональная используемой площади (а не объему). Когда недвижимость дорогая, вы строите вверх, а не вширь, что может подтвердить любой человек, побывавший в Токио. Трехмерный метод производства предлагает два новых (причем кардинально новых) преимущества: (1) снижение на порядок цен в расчете на фиксированное устройство и (2) увеличение числа транзисторов на кристалле со скоростью не меньше, чем предусматривает закон Мура в расчете на количество устройств на единицу площади (рис. 2).

Рис. 3. Пример трехмерной интегральной схемы. В вертикальном «срезе» полупроводниковой микросхемы, при проектировании которой задействовано третье измерение, можно обнаружить изолятор, проводник или полупроводник. Подобные архитектуры определят направление развитие в эпоху трехмерного проектирования микроэлектронных компонентов (темно-серым обозначены вычислительные элементы, светло-серым цветом — проводники)
Так как структура трехмерной интегральной схемы строится на основе двухмерной архитектуры — конструирование реальных устройств, а не только изоляторов и межсоединений на схеме над подложкой — трехмерная схема может использовать все существующие достижения в области полупроводниковых устройств, а вдобавок создать полностью обновленный диапазон решений (рис. 3). Радикальное увеличение плотности, которое становится возможным благодаря вертикальному размещению элементов, вполне реально может позволить вдесятеро сократить затраты на производство микросхем по сравнению с традиционными микросхемами при той же технологии производства. Кроме того, вполне резонно предположить, что трехмерные микросхемы будут масштабироваться по крайней мере с той же скоростью, какую предусматривает закон Мура, тем самым со временем давая потребителям возможность использовать все преимущества трехмерной технологии и по-прежнему сокращать затраты, на что рассчитывают участники отрасли.

Препятствий больше нет

Создание трехмерных микросхем — идея отнюдь не новая. Различные предложения по изготовлению трехмерных интегральных схем начали появляться практически с изобретения самого транзистора. Однако до сих пор не существовало решений, которые можно было использовать для массового производства таких устройств. Лишь последние разработки базовых технологий в самых разных областях впервые сделали возможным и практичным выпуск трехмерных микросхем.

Итак, в стандартных интегральных схемах пространство над подложкой служит только для проводки, связывающей микросхемы, напечатанные на подложке. Поскольку в этом слое применяется только изолятор и металл, не составляет труда понять, почему потребовалось так много времени на то, чтобы начать использовать третье измерение. Основная причина — в неадекватных электрических характеристиках слоя, состоящих из некристаллических полупроводниковых материалов.

При попытке нанести кремний на некристаллическую поверхность получается материал, который либо аморфен (полностью неупорядочен) или поликристалличен (нечто среднее между полностью неупорядоченным и полностью упорядоченным). В течение многих лет качество устройств, созданных из таких материалов, оставалось настолько низким, что нельзя было всерьез говорить об их практическом применении, за исключением весьма немногих специализированных задач, таких как солнечные элементы.

Однако актуальность задачи по-прежнему способствует появлению новаторских решений, а необходимость использования поликристаллического кремния, отличающегося весьма полезными электрическими характеристиками, заставляет отрасль предпринимать соответствующие шаги. В частности, отрасли жидкокристаллических дисплеев потребовались транзисторы на стеклянных подложках, которые и были созданы. После сложного и дорогостоящего цикла разработки такие тонкопленочные транзисторы (TFT) стали применяться повсеместно, и теперь используются в панелях для дисплеев практически каждого мобильного компьютера.

Производство трехмерной электроники позволяет напрямую и более эффективно использовать значительные инвестиции отрасли жидкокристаллических дисплеев в анализ и разработку TFT для создания практически применимой на производстве технологии. Хотя ЖК-дисплеи требуют только одного слоя транзисторов, базовая технология размещения поликремния позволяет сделать производство многослойных устройств реальностью.

Еще одно новаторское решение позволило значительно упростить производство относительно большого числа слоев, необходимых для создания трехмерных микросхем. Традиционные цифровые интегральные схемы подтолкнули разработчиков технологических процессов к разработке инновационных методов для последовательного формирования необычайно плоских слоев. Создание технологии Chemical-Mechanical Polishing (CMP) в начале 90-х годов совершило настоящую революцию. До появления CMP использование трех (или даже двух) слоев металлизации считалось рискованным, поскольку неоднородность структуры поверхности серьезно усложняла фокусировку инструментов фотолитографии, используемых для определения последующих уровней, не говоря уж о сложностях травления и заполнения таких структур, как контакты.

Однако благодаря CMP каждый слой преобразовывался в оптически плоскую поверхность, которая служила идеальной основой для дальнейшей обработки. Сейчас семь или восемь слоев — дело обычное, и развитие различных сегментов рынка микроэлектроники показывает, что число слоев межсоединений с каждым следующим поколением увеличивается почти на три четверти слоя. Так же, как и в случае с технологией TFT, создание практически применимых технологий производства трехмерной электроники позволяет эффективно использовать значительные инвестиции в CMP для формирования трехмерных структур.

«Никаких новых атомов»

Благодаря применению технологий TFT и CMP трехмерные микросхемы могут выпускаться в массовом порядке на уже имеющемся оборудовании с помощью стандартного оборудования. Не менее важно и то, что этот производственный процесс не требует использования новых материалов. Интенсивные исследования привели к созданию разного рода экзотических материалов (в частности, органические полимеры, фулерины, сегнетоэлектрики, магнетики), которые обладают свойствами, потенциально полезными для оптимизированной архитектуры интегральных схем. Однако применение нового материала, по определению, увеличивает сложность цикла разработки. По этой причине в первых исследованиях, посвященных трехмерной электронике, рассматриваются только те материалы, которые используются на традиционных КМОП-производствах.

Это обусловлено прагматическими соображениями. Прежде всего, литейное производство в силу необходимости весьма консервативно: здесь в первую очередь опасаются риска загрязнения (и, как следствие, брака, который обходится очень дорого), который может возникнуть с внедрением новых материалов в производственных линиях. Скажем, отрасль столкнулась с серьезными трудностями в том, что на первый взгляд, кажется весьма простым: замена алюминиевой проводки на медную.

Далее, обработка новых материалов может потребовать создания абсолютно нового производственного оборудования, что, опять-таки, приведет к увеличению сложности, стоимости и задержкам. Любой руководитель хорошо отлаженного полупроводникового производства стремится избежать всех этих рисков.

Еще одно важное преимущество работы с существующими материалами состоит в том, что кремний изучен лучше других веществ и об этом материале известно больше всего. Использование других материалов помимо кремния означало бы отказаться от больших ресурсов и базы знаний, созданных по кремнию. Реализация принципа «неприменения новых атомов» в процессе проектирования трехмерной электроники стала возможной благодаря технологическим новшествам, описанным выше, и это самый логичный подход к производству трехмерных интегральных схем.

Второе дыхание производственного оборудования

Увеличение плотности микросхем в отрасли приветствуется всегда, и действие закона Мура сохраняется благодаря росту разрешения фотолитографических инструментальных средств. Мягкое рентгеновское излучение, также называемое глубокими ультрафиолетовыми лучами (E-UV), теперь применяется как источник света, поскольку только оно имеет достаточно короткие длины волн, подходящие для создания миниатюрных компонентов современных интегральных схем.

К сожалению, каждое следующее поколение фотолитографического оборудования намного дороже предыдущего. Действительно, далеко не один авторитетный эксперт выразил сожаление о том, что одним из реальных барьеров к миниатюризации интегральных схем может, в конечном итоге, стать финансовая, а не физическая, «ошибка» закона Мура. С уменьшением размеров все становится намного сложнее, в том числе, и разработка подходящих источников излучения E-UV, линз, нужных для фокусировки света, химических фоторезисторов, необходимых для работы с этим светом и масок, которые должны определять точные шаблоны.

Создание вертикально ориентированных структур позволит смягчить многие из ограничений и быстро нарастить плотность, не требуя чудес от литографии. Другой способ, использование третьего измерения, — это значит уже сейчас добиться уровня плотности, предполагаемого в будущем. Данная технология в состоянии сократить утомительные процедуры литографии, при этом обеспечив рост плотности микросхем, на которую рассчитывает отрасль. И опять-таки, поскольку значительно более плотные структуры обеспечивают уменьшение размеров кристаллов, той же эффективности можно добиться за счет использования более укоренившихся технологий обработки и более старых инструментальных средств. Эта свобода может продлить срок службы значительно обесценившегося фабричного оборудования, тем самым еще больше сокращая затраты на производство трехмерных микросхем.

Где будет применяться трехмерная электроника

Как всегда это происходит в случае с самыми передовыми разработками, проектирование вертикальных структур требует определенных компромиссов. Один из таких компромиссов заключается в том, что транзисторы, созданные из так называемых депозитных материалов, оказываются ниже по качеству, чем сделанные на монокристаллической основе. Дальнейшие усовершенствования технологии, о которых рассказывается в литературе, позволят, как предполагается, создать транзисторы, имеющие «приемлемое качество». В данном случае, «приемлемое качество» можно определить как достижение уровня производительности, при котором преимущества трехмерной архитектуры (например, массовый параллелизм или высокая побитовая производительность при низкой цене) с лихвой компенсируют любые недостатки, сохранившиеся на уровне отдельного устройства.

Сама природа уже продемонстрировала такого рода увеличение производительности за счет аналогичного использования параллелизма. Человеческий мозг состоит из обрабатывающих элементов, каждый из которых намного медленнее, чем любой из применяющихся сейчас электронных элементов. Однако благодаря сочетанию их коэффициентов чистоты и высокой степени связности удается преодолеть ограничения скорости отдельных нейронов миллисекундного уровня, которая несравненно ниже наносекундного уровня современных электронных устройств. Потенциал трехмерной технологии открывает путь к таким будущим усовершенствованиям.

Что касается приложений, история отрасли свидетельствует о том, что микросхемы оперативной памяти часто используются как отправной момент для внедрения более совершенных технологий. Компании, выпускающие полупроводниковые устройства, зачастую опробуют новый производственный процесс на модулях памяти прежде, чем предпринимать попытки массового производства более сложных микросхем, таких как устройства с микрологикой. Разумно предположить (и весьма вероятно), что первыми трехмерными полупроводниковыми устройствами станут именно модули памяти.

Перспективы трехмерной архитектуры

Есть основания предполагать, что пришло время для смены парадигмы, определяющей архитектуру интегральных схем. Сейчас новаторские решения по-прежнему направлены на то, чтобы разместить на одной подложке кристаллы еще меньшего размера. По-видимому, в будущем масштабирование микросхем будет происходить как вертикально, так и горизонтально, при этом третье измерение послужит для увеличения эффективности и поиска новых решений, выходящих за рамки возможного в плоском мире. Технология и инновации, позволяющие реализовать такое масштабирование, станут не просто потенциально возможными, но и практически применимыми.

Преимущества многослойного подхода к проектированию микросхем — высокоэффективное производство недорогих микроустройств, при котором применяются уже устоявшиеся технологии — слишком перспективно, чтобы его можно было игнорировать и, безусловно, указывает кардинально новые направления поиска будущих полупроводниковых архитектур.

Профессор Томас Ли начал свою карьеру в качестве проектировщика микросхем компании Analog Devices. В 1992 году он пришел в компанию Rambus, где занимался созданием высокоскоростных микросхем оперативной памяти в КМОП-технологии. Он также принимал участие в создании некоторых микропроцессоров, в частности, K6 и K7 в корпорации Advanced Micro Devices, а также процессоров StrongARM и Alpha в корпорации Digital Equipment. В 1994 году профессор Ли был приглашен в Стэнфордский университет, где его основные научные интересы были сосредоточены на микросхемах как проводной, так и беспроводной связи в гигагерцевом диапазоне. Он является автором широко известного учебника «Проектирования радиочастотных интегральных схем в технологии КМОП» (The Design of CMOS Radio Frequency Integrated Circuits, Cambridge University Press, 1998).

Thomas Lee, The Case of 3-D Microelectronics. Matrix Semiconductor, 2001. Все права сохранены. Перевод публикуется с разрешения компании Matrix Semiconductor.


Субатомарные характеристики

Дальнейшая миниатюризация и создание устройств с субатомарными характеристиками — это путь в мир квантовых вычислений. Речь идет о разработке компьютерной технологии, основанной на принципах квантовой теории, которые определяют природу и поведение энергии и материи на атомарном и субатомарном уровне. Пока квантовые вычисления по-прежнему остаются, в основном, теоретическими лабораторными экспериментами и в ближайшее время не имеют никаких перспектив реализации в коммерческих продуктах.


Закон Мура

Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel, в 1965 году пришел к выводу, что, начиная с момента изобретения интегральных схем, число транзисторов на единицу площади интегральных схем каждый год удваивается. Со временем, когда эти темпы несколько замедлились, Мур изменил формулировку, заменив в ней год на полтора. Анонсированная в июне 2001 года технология производства микросхем с нормой проектирования 0,02 микрон позволит продлить действие закона Мура для двумерных микросхем до 2007 года, однако и эта технология проектирования, и этот процесс производства еще не апробированы. Как известно, в настоящее время ведущие производители микропроцессоров переходят с производства по 0,18-микронной на 0,13-микронную технологию.


Современные интегральные схемы

При производстве интегральных схем множество копий микроэлектронных микросхем одновременно формируются на тонкой полупроводниковой основе в плоской ориентации. Дополнительные слои добавляются для связи элементов (чаще всего транзисторов), однако эта конструкция не является «трехмерной», поскольку эти слои сами по себе не выполняют ни электрические, ни логические функции, а лишь служат для обеспечения соединений с электрически активной «двухмерной» основой.


История вопроса

Первые попытки создания трехмерных интегральных схем предпринимались университетами, исследовательскими лабораториями и отдельными учеными, начиная, по крайней мере, с 1971 года. Большинство предложений по этой теме прекрасно описано Акасаки в статье «Тенденции развития трехмерных интегральных схем» (Three-Dimensional IC Trends, IEEE Proceedings, Dec. 1986). Помимо использования поликристаллического кремния, изменение структуры которого выполняется с помощью лазерного луча, в этих работах предполагались и другие конструктивные решения, позволяющие размещать несколько двухмерных микросхем друг над другом.


CMP

Chemical Mechanical Polishing (CMP) — процесс, который применяется для выравнивания полупроводниковой подложки. CMP использует синергетический эффект физических и химических сил для полировки подложек. Когда подложка находится на подставке, то и подставка, и подложка начинают вращаться в противоположных направлениях, и одновременно снизу подается жидкость, содержащая абразивы и химические реактивы.


TFT

Процесс производства TFT-пластин предполагает размещение очень тонких изоляторов, проводников и транзисторов на стеклянной основе, которая служит нижним стеклом жидкокристаллических дисплеев. Как и при традиционной обработке интегральных схем, для формирования компонентов используется фотолитография. Металл и кремний последовательно добавляются и вытравливаются из основы, при этом формируется матрица проводов, транзисторов и изоляторов на более чем одном уровне.


Медь: применение новых материалов

Переход на более быстрые медные межсоединения вместо алюминиевых, применяемых вот уже более четырех десятков лет, порождает серьезные трудности, связанные с затратами и сложностями. Предотвращение диффузии меди в кремний требует размещения дополнительного «барьерного» слоя, а также дополнительной полировки. (Semiconductor Magazine, июнь 2000).


Новое дорогостоящее оборудование литографии

Сканеры для следующего поколения инструментальных средств литографии могут стоить от 15 до 25 млн. долл. каждый. По данным консорциума EUV прототипные машины появятся не ранее 2004 года, а коммерческие устройства будут выпущены лишь в 2006 году. Кроме того, существуют и различные трудности — финансовые, политические и технические, препятствующие быстрому распространению этой технологии, которая призвана продлить действие закона Мура применительно к двухмерным микросхемам до 2005 года (EETimes, 16 апреля 2001 года).

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями