Исследователи корпорации Intel разработали новые материалы, призванные заменить используемые для производства полупроводниковых компонентов уже более 30 лет. Это событие стало революционным достижением для отрасли, заинтересованной в снижении токов утечки в условиях, когда в крошечные полупроводниковые кристаллы “упаковывается” все больше и больше транзисторов.
Исследователи Intel создали транзисторы с рекордными параметрами производительности с использованием нового диэлектрика затвора с высокой диэлектрической проницаемостью и новых сплавов для производства затвора транзистора. Затвор – это электрод транзистора, управляющий его включением и выключением, а диэлектрик затвора – это тонкая изоляционная пленка под затвором. В совокупности новые материалы позволяют радикально снизить утечки тока, вызывающие сокращение времени автономной работы и порождающие нежелательное тепловыделение. По данным корпорации Intel, новый диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью позволяет снизить ток утечки более чем в 100 раз, по сравнению с диоксидом кремния, который применялся в полупроводниковом производстве последние три десятилетия.
“В отрасли производства полупроводников долгие годы считалось, что тепловыделение и токи утечки являются фундаментальной преградой для дальнейшего развития в соответствии с законом Мура, если мы будем продолжать рассчитывать на сегодняшние транзисторные материалы и структуры, – заявил Сунлин Чжоу (Sunlin Chou), старший вице-президент корпорации Intel и генеральный менеджер подразделения Technology and Manufacturing Group. – Перед отраслью давно стоит трудная задача выявления и интеграции в технологию новых материалов взамен диоксида кремния, подходящего к пределу своих возможностей. Эту задачу иногда сравнивают с созданием “искусственного сердца” для микросхем”.
Согласно закону Мура, количество транзисторов в интегральной микросхеме возрастает вдвое примерно каждые два года, что приводит к расширению функциональности, росту производительности и снижению себестоимости в расчете на один транзистор. Чтобы сохранять такой темп развития, необходимо постоянно сокращать размеры транзисторов. Однако при сегодняшних материалах возможности сокращения размеров транзисторов уже приблизились к своему пределу, обусловленному растущим энергопотреблением и нагревом. Таким образом, внедрение новых материалов и инновационных транзисторных структур – необходимое условие сохранения действия закона Мура в будущем.
Решение: диэлектрик с высокой проницаемостью и затвор из нового сплава
Все полевые транзисторы содержат изоляционный слой, т. н. диэлектрик затвора, свойства которого оказывают решающее влияние на работу транзистора. В последние 30 лет в качестве основного материала диэлектрика затвора использовался диоксид кремния. Это связано с его технологичностью и возможностью систематического улучшения характеристик транзисторов по мере уменьшения их размеров.
В корпорации Intel толщину слоя диэлектрика затвора из диоксида кремния удалось довести до 1,2 нанометра (нм), то есть всего пяти атомных слоев. Однако по мере уменьшения толщины слоя диоксида кремния возрастает ток утечки через диэлектрик затвора, что приводит к потерям тока и избыточному тепловыделению. Для решения этой важнейшей проблемы корпорация Intel планирует заменить используемый в настоящее время материал более толстым слоем диэлектрика затвора с высокой диэлектрической проницаемостью, что позволит существенно снизить токи утечки.
Вторая составляющая решения заключается в разработке специального материала затвора, поскольку диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью несовместим с материалами затворов. Сочетание диэлектрика затвора с высокой диэлектрической проницаемостью и нового сплава для изготовления затвора позволяет радикально снизить токи утечки, сохранив при этом высочайшие рабочие параметры транзисторов. Это, в свою очередь, позволяет продлить действие закона Мура и технологическое новаторство на значительную часть будущего десятилетия. Корпорация Intel убеждена, что эти новые открытия можно будет интегрировать в экономичный, массовый производственный процесс, и сегодня переводит исследование, о котором идет речь, на стадию разработки. Транзисторы на основе новых материалов рассматриваются в качестве одного из вариантов для изготовления будущих процессоров Intel уже в 2007 году, в рамках производственного процесса Intel с проектной нормой 45 нанометров.
Корпорация Intel представит подробности о разработке новых материалов для транзисторов 6 ноября этого года на Международном семинаре по диэлектрикам затвора в Токио. По приглашению организаторов семинара специалисты корпорации Intel будут говорить о важности и актуальности разработки и интеграции в производственный процесс новых материалов для решения существующих проблем токов утечки, энергопотребления и тепловыделения. Ключевую роль в решении этих проблем играют два революционных достижения: выявление подходящего диэлектрика затвора с высокой проницаемостью взамен используемого сегодня диоксида кремния и выбор новых сплавов, совместимых с новым диэлектриком затвора.
