Сегодня, когда размер мельчайших элементов логических микросхем – транзисторов – от поколения к поколению становится все меньше и меньше, а плотность их интеграции на кристалле полупроводникового устройства, согласно закону Мура, стремительно возрастает, разработчикам становится все труднее решать технологические проблемы, возникающие в силу действия естественных законов физики. Летом этого года корпорация Intel выпустила микросхему (процессор Intel® Itanium® 2, ранее известный под кодовым названием Madison), содержащую 410 млн транзисторов на кристалле площадью всего 374 мм2 (меньше двухрублевой монеты!), не за горами – чипы с миллиардом транзисторов на кристалле. При этом инженерам приходится иметь дело со слоями материала толщиной всего в несколько атомов!
Закон Мура гласит, что число транзисторов на микросхеме удваивается каждые два года. Естественно, у специалистов все чаще возникают сомнения – нельзя же бесконечно уменьшать размеры транзисторов, должен же быть какой-то физический предел миниатюризации! Вместе с тем, существуют эффективные технологии – и инженеры Intel уже приступили к внедрению некоторых из них, – которые позволяют сохранить набранный отраслью темп интеграции транзисторов на кристалле даже в жестких рамках непреложных законов физики.
Главными барьерами на пути миниатюризации транзисторов являются выделение тепла при работе транзистора и утечка электрического тока в том же процессе. Чем меньше транзистор, тем выше тепловыделение и больше ток утечки.
Все полевые транзисторы содержат специальный изолирующий слой – тонкую диэлектрическую пленку под затвором, т.е. электродом, управляющим “включением” и “выключением” транзистора. Свойства диэлектрика затвора оказывают решающее влияние на работу транзистора. Последние 30 лет в качестве основного материала для диэлектрика затвора использовался диоксид кремния (SiO2), что было обусловлено его технологичностью и возможностью систематического улучшения характеристик транзисторов по мере уменьшения их размеров. На сегодняшний день в транзисторах, производимых корпорацией Intel, толщина слоя диэлектрика затвора из диоксида кремния составляет всего 1,2 нанометра – то есть, сопоставима с пятью атомарными слоями. Фактически, это уже близко к пределу для данного материала, поскольку в результате дальнейшего уменьшения самого транзистора и, как следствие, утоньшения слоя диоксида кремния ток утечки через диэлектрик затвора значительно возрастет, что приведет к существенным потерям тока и избыточному тепловыделению. По оценкам экспертов корпорации Intel, в современных чипах уже почти 40% энергии теряется из-за утечек.
“В области полупроводникового производства долгие годы считалось, что тепловыделение и токи утечки являются фундаментальной преградой для дальнейшего развития индустрии в соответствии с законом Мура и с использованием сегодняшних транзисторных материалов и структур, – заявил Сунлинь Чжоу (Sunlin Chou), старший вице-президент корпорации Intel и генеральный менеджер подразделения Technology and Manufacturing Group. – Перед отраслью давно стоит глобальная задача разработки и внедрения новых материалов взамен диоксида кремния, находящегося на пределе своих возможностей. Решение этой задачи по степени важности иногда сравнивают с созданием “искусственного сердца”.
Исследователи Intel предлагают сразу два революционных технологических решения, которые позволяют преодолеть вышеупомянутые сложности и продлевают действие закона Мура, как минимум, еще лет на десять. Для решения все возрастающих проблем тепловыделения и тока утечки корпорация Intel планирует заменить используемый в настоящее время в качестве диэлектрика затвора тонкий слой диоксида кремния более толстым слоем совершенно нового диэлектрика с высоким диэлектрическим коэффициентом “к” (так называемым “high-k” диэлектриком), что позволит существенно – примерно в 100 раз! – снизить токи утечки. Вторая часть решения заключается в разработке нового материала (сплава металлов) для затвора, поскольку новый “high-k” диэлектрик плохо совместим с прежним материалом затвора – поликристаллическим кремнием.
Специалисты корпорации Intel убеждены, что новые, открытые в результате многолетних исследований материалы можно будет интегрировать в экономически эффективный, массовый производственный процесс. Транзисторы на основе новых материалов, обладающие рекордными параметрами производительности, рассматриваются в качестве базового варианта для изготовления будущих процессоров Intel в рамках производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров (техпроцесс под кодовым номером 1266 на основе 300-мм подложек, медных соединений, технологии “растянутого кремния”, а также нового затвора и диэлектрика затвора будет запущен в массовое производство уже в 2007 году).
Параллельно с корпорацией Intel разработки в направлении поиска новых материалов ведут и другие разработчики, включая Texas Instruments, IBM и Motorola, но ни одному из этих “грандов” полупроводниковой индустрии не удалось продвинуться в своих исследованиях так далеко, как корпорации Intel.
Технологический прорыв корпорации Intel произвел в компьютерном сообществе впечатление разорвавшейся бомбы. “Диоксид кремния в течение многих лет был сердцем транзистора, и его замена сравнима по значимости с операцией по пересадке сердца”, – считает Робин Дегрейв (Robin Degraeve), исследователь из бельгийского межуниверситетского центра микроэлектроники. “Постоянное стремление к миниатюризации CMOS-транзисторов напоминает подъем на все более крутую гору. “Вершины” впереди едва различимы, а невероятные сложности в процессе интеграции новых материалов и структур заставляют многих “восходителей” терять уверенность в себе, – пишет EE Times в редакционной статье 23 сентября 2003 г. – Сегодня ни у кого не вызывает сомнений тот факт, что CMOS-транзисторы должны меняться, причем очень быстро. На компьютерном рынке происходит нечто похожее на естественный отбор, открытый Дарвиным в мире живой природы: выживают лишь те компании, которые выберут для создания своих продуктов верные материалы и схемы интеграции. У других будет два пути: либо погибнуть, либо слиться с победителями”.
Таким образом, последовательно инвестируя значительные средства в научные исследования и новые разработки, корпорации Intel удается развеивать скепсис маловеров, обеспечивать выполнение закона Мура и продолжать создавать все более мощные и в то же время компактные устройства для самого широкого круга пользователей.
