Новый транзистор, созданный Intel, не только ставит рекорд производительности и миниатюризации, но и открывает эру «атомного» конструирования микросхем. Это, с одной стороны, гарантирует сохранение темпов роста степени интеграции на ближайшее десятилетие, а с другой, позволяет оценить временные границы развития силиконовых технологий.

- Закон Мура в действии.
Проблемы на пути привычных тенденций в развитии микропроцессоров

- Еще десять лет "на гарантии".
Проект ТераГерц-транзистор: даешь технологию 0,03 мкм к 2009 году

- Атомный конструктор.
Что ждет кремний в начале 2010-х

Тридцать шесть лет действия закона Мура и регулярные, как приход весны, сообщения о переходе всех ведущих производителей микросхем на очередную, еще более «мелкую», технологию приучили нас не удивляться при поступлении сообщений о «запуске» следующего «типоразмера». Так, скажем, сама по себе цифра: 0,13 мкм – характеристический размер текущей технологии – должна была бы поражать воображение, но соседство с уже «родными» и даже уходящими 0,18 мкм делает переход обыденным. Точно так же выпуск транзистора с размером затвора 15 нм, о создании которого недавно сообщила Intel, мог бы остаться «дежурным» достижением после предшественника с затвором 20 нм, тем более что о подобных достижениях почти в то же время сообщили IBM и AMD. И, вероятно, остался бы, если бы новая технология не ознаменовала переход к принципиально новым, «поатомным» механизмам его создания.

Собственно и 20-нанометровый, и даже еще более ранний – 30-нанометровый – транзисторы уже имели «атомное» измерение: у «меньшенького» электрод затвора отделялся от канала всего тремя слоями атомов, а у «большенького» – пятью. Но получалось это все как-то само собой: уменьшили размер – стало меньше атомов. Правда, при обсуждении закона Мура в прессе и не только уже давненько поговаривали о его естественном ограничении при приближении размеров элементов к размерам молекул. Но пока скептики предсказывали «теоретические границы» Intel продолжала «выполнять закон». С выходом 15-нанометрового транзистора все изменилось: теперь о переходе к подсчету атомов и естественным границам заговорил сам разработчик!

Конечно, не только необходимостью «считать атомы» определяется особое место этого изобретения. Чтобы понять, что новинка необычна, достаточно лишь бегло взглянуть на "скучную" диаграмму на рис. 1: нас интересует вовсе не характер кривой: важно, что 15-нанометровый транзистор заметно «оторвался» от линии, определяющей традиционную технологию. И это совсем не случайно: именно на борьбу с токами утечки и были направлены основные усилия компании при разработке новинки. Добрая часть представляющего новинку рассказа была посвящена борьбе с ростом "паразитных" токов по мере уменьшения расстояний между электродами (как через подложку, которая ведь полуПРОВОДНИК, так и через изоляторы: когда остаются один-два слоя атомов, их уже нельзя рассматривать как традиционные – нужно учитывать квантовые и т. п. эффекты). Ведь экспоненциальный рост токов приводит к такому же росту тепловыделения каждым транзистором, а число транзисторов тоже экспоненциально растет… Впрочем, обо всем по порядку.

Рис. 1. Соотношение размеров и сквозных токов утечки у транзисторов уже промышленно используемых (красные), созданным в рамках научных исследований (зеленые) и последним разработкам Intel (синие). Данные Intel.

Еще десять лет "на гарантии"

Анонсируя новый транзистор, представители исследовательского подразделения Intel Dr. Robert Chau

и Dr. Gerald Marcyk рассматривали задачи развития компонентной базы, исходя из продолжения «работы» закона Мура после 2005 года: линейная экстраполяция 18-месячного удвоения количества приборов на подложке той же площади требует к 2009 году технологии 0,03 мкм и 15-нанометрового транзистора. «Если Intel говорит – надо, разработчики отвечают -- есть». Таким образом, несколько забегая вперед, можно сказать, что на ближайшее десятилетие действие закона Мура уже обеспечено. А чтобы понять, как это сделано, а заодно и увидеть границы этого закона, нам придется рассмотреть новинку (рис. 2) повнимательнее.

Рис. 2. Фото новинки под электронным микроскопом и ее структура.

Чтобы легче было увидеть отличия на рис. 3 приведена структура «обычного» МОП (MOS) транзистора.

Рис. 3 Традиционный транзистор имеет существенно более простую «конструкцию».

Двигаясь по рисунку снизу вверх, «от подложки», вслед за технологическими операциями изготовления, рассмотрим отличия по очереди. Первым на нашем пути появляется изолирующий слой, отделяющий собственно транзистор от подложки. Он решает проблему роста тока утечки закрытого транзистора: по мере уменьшения размера затвора сопротивление току, протекающему через подложку, "в обход" канала, расположенного между истоком и стоком, становится все меньшим (меньше расстояние между электродами, короче "обходной" путь).

Возможность "отделить" транзистор от подложки обсуждается уже довольно давно и известна как технология "кремния на изоляторе" (SOI – Silicon on Insulator), ее новые, все более технологически привлекательные вариации, в частности "кремний на пустоте" (SON – Silicon on Nothing) докладываются на конференциях, и развиваются в Toshiba как продолжение идей двухлетней давности "пустота в кремнии" (ESS – Empty Space in Silicon).

Заслуга представленного Intel проекта, в первую очередь, в том, что решение комплексное, нет "сопутствующих" проблем. Во-первых, использование сверхтонкого слоя полностью обедненного кремния (так называемый DST – Depleted Substrate Transistor), "надстроенного" над изолирующим от основной массы кремния оксидом, позволяет обеспечить максимальный ток в открытом транзисторе и, соответственно, повысить быстродействие. Причем Intel удалось избежать роста сопротивления стока и истока не путем компромисса в использовании DST (технологии частично обедненного кремния на изоляторе – Partially Depleted SOI), а путем специального наращивания только областей стока и истока. Во-вторых, изолированное пространство под каналом не приводит к накоплению там заряда, создающего эффект "памяти" предшествующего состояния – канал (пространство под затвором между истоком и стоком) полностью "заполняется" током при открытии транзистора, так как обедненная подложка сверхтонкая, а исток и сток наращиваются и имеют уменьшенное сопротивление. Снижение их сопротивления, к тому же, позволяет снижать рабочее напряжение и ускоряет перезаряд паразитных емкостей.

Кроме того, изоляция транзистора от подложки резко снижает "уязвимость" транзистора для ионизирующего излучения, в первую очередь – для альфа-частиц. Всегда присутствующее так называемое фоновое излучение (радиационный фон) приводит к тому, что заряженные частицы ионизируют кремний. Если возникающий в результате ионизации заряд "доберется" в область затвора закрытого транзистора, то возникнет ток через канал и ошибочное определение состояния транзистора – так называемая soft-ошибка. Когда транзистор отделяется от подложки, то возникший в подложке заряд не может попасть в область затвора. А учитывая, что у 15-нанометрового затвора объем, по сравнению с "куском" кремния под ней, крошечный, то и вероятность попадания частицы прямо в затвор ничтожная: к счастью фоновое излучение не слишком велико – мы ведь живем не в ядерном реакторе:-). Таким образом, вероятность soft-ошибок резко снижается при отделении транзистора от подложки изолирующим слоем.

Следующий слой – почти невидимый на фото и исчезающе тонкий на рисунке – это центральная новинка технологии: затвор High K. Он обеспечивает малый ток утечки затвора и, в конечном итоге, малое энергопотребление всего транзистора. Мы подробнее рассмотрим его чуть позже, а пока закончим обсуждение конструкции.

По бокам от электрода затвора – традиционная изоляция "толстым" окислом, а проводящие (легированные) области стока и истока наращены, как мы уже знаем, для снижения их сопротивления. Таким образом, нет пропорционального размеру транзистора уменьшения толщины проводящего слоя стока и истока, не происходит увеличенного сопротивления току перезаряда паразитных емкостей (кстати, и сами емкости не возрастают так быстро, как если бы исток и сток расширялись "углублением"). Быстродействие оказывается сказочным: 2,6 ТГц.

Подводя итог: к 2009 году для соблюдения закона Мура требуется технология 0,03 мкм и прибор с размером затвора примерно 15 нм. Транзистор уже практически готов, более того, можно назвать его характеристики: рабочее напряжение – 0,75–0,6 В, частота переключения – до 2,6 ТГц. Конечно, исследователи оговариваются: "для создания промышленной технологии еще потребуется время и силы", но, похоже, особых сомнений в успешности этого процесса уже нет.

Чтобы понять, что и за этим транзистором еще есть немного будущего для закона Мура, рассмотрим новую технологию затвора.

Атомный конструктор

Как только мы перешли от "толстых" 3–5-атомных затворов к "тонким", решающее значение начинает играть материал. Intel гордится тем, что ей удалось создать продемонстрированный в начале декабря на конференции IEDM (International Electron Device Meeting) быстродействующий транзистор использующий затвор High K. Просто одноатомный изолятор удавалось создать многим и раньше, но приборы получались медленными. Что именно придумали в компании, какие именно материалы и технологии используются – пока, естественно, секрет, и докладчики объясняют работу затвора High K "на примере оксида циркония" – нам, естественно, не остается ничего, кроме как воспользоваться их примером.

Выращивание слоя оксида циркония (ZrO2) происходит в несколько этапов: сначала на поверхность кремниевой пластины осаждается одноатомный слой хлорида циркония (ZrCl4), поступающего в газообразном виде. Затем поверхность обрабатывается перекисью водорода (H2O2), которая окисляет цирконий до ZrO2 (образующаяся при этом соляная кислота удаляется в газообразном виде). Контроль за газообразными агентами позволяет обеспечить строго одноатомный слой оксида циркония на поверхности кремния, что и необходимо для создания затвора High K. Утечка тока через образованный таким образом диэлектрик во многие тысячи раз меньше, чем через диоксид кремния – что, собственно, и требовалось для создания транзистора с затвором 15 нм.

Рис. 4. Сравнение различных материалов по токам утечки (данные Intel)

Научившись строить одноатомные по толщине изоляторы, Intel, безусловно, вышла на новый технологический уровень. Однако за этим решением стоит скорее вопрос, чем ответ – ведь понятно, что невозможно сделать толщину изолятора в "пол-атома". Является ли анонсированный транзистор последним в ряду достижений? Заканчивается ли с ним кремниевая технология? Если предположить, что ZrO2 хоть отдаленно напоминает найденное Intel решение, то ответ на этот вопрос можем поискать на рис. 4. Размещение материалов по вертикали на этой диаграмме определяется токами утечки. Как видим, ZrO2 – не единственная альтернатива оксиду кремния. Судя по рисунку, будут и еще более миниатюрные транзисторы. Если, конечно, удастся разработать приемлемую технологию создания "одноатомного изолятора" из, например, окиси тантала (Ta2O5). Нет гарантии, что на диаграмме присутствует найденное Intel решение для ее 15-нанометрового транзистора, но точно так же не исключено, конечно, и то, что найдется еще несколько материалов, не попавших на диаграмму. Во всех случаях очевидно лишь то, что закончилась эпоха "масштабирования", когда для уменьшения размеров транзисторов достаточно было создать новую технологию литографии более высокой точности. Еще несколько кремниевых "шагов" после 2009 года, в который нацелен 15-нанометровый транзистор, нас, вероятно, ожидает, а затем... Впрочем, вопрос о том, что будет после кремния – уже не из этих заметок. Пока ясно, что на две ближайшие пятилетки Intel "обеспечит" исполнение закона Мура. Можем готовиться к будущим десяткам ГигаГерц и миллиардам транзисторов в процессоре нашего ПК.