Два основных направления развития:
- разработка архитектуры;
- усовершенствование полупроводниковой технологии (создание более маленьких микроструктур специальными технологиями изготовления элементов, разработка новых материалов и оборудования для производства микросхем и т.д.).
В основе всех современных микросхем лежат КМОП-транзисторы (преимущество по энергоэкономичности, размерам транзисторов и более простой технологии).
Биполярные транзисторы применяются в сверхбыстродействующих микросхемах (1000 ГГц).
Закон Мура (1975 г.): «Плотность схемы полупроводникового микрочипа будет удваиваться каждые 18 месяцев».
С уменьшением размеров транзистора, т.е. с уменьшением длины затвора увеличивается быстродействие, что является определяющим.
Проблемы: ток через открытый канал зависит от приложенного напряжения на затворе. Чем короче канал МОП-транзистора, тем больше рабочий ток → быстрее работает (перезаряжает паразитные ёмкости). Можно пропорционально уменьшить и другие размеры не ухудшая рабочий ток. С уменьшением геометрических размеров уменьшается энергопотребление.
Проблемы в конструировании и производстве:
1. С уменьшением длины канала необходимо рассматривать толщину подзатворного диэлектрика. Толщина диэлектрика влияет на крутизну транзистора, т.е. чем тоньше толщина, тем больше его крутизна → работает быстрее.
Возникают токи утечки при работе транзисторов.
Сначала использовали диоксид кремния SiO2 ввиду его технологичности. По мере уменьшения размеров до 45-65 нм толщина диэлектрика стала примерно несколько нм (5 атомарных слоев) и возможно возникновение токов утечки через диэлектрик за счет свободного дрейфа носителей, которые проявляют свойства не только носителей, но и электромагнитных волн. Следовательно, невозможно гарантировать управление этим транзистором.
2. С уменьшение транзистора уменьшается рабочее напряжение (0,7-1,5)В. Однако, при напряжении ~1В трудно полностью «закрывать транзистор» → возникает ток утечки от истока к стоку. → значительный паразитный ток, который существеннее тока утечки затвора. Для борьбы с ним применяют спящие транзисторы (отключают от питания, когда этот участок микросхемы не задействован).
Изолятор с высокой диэлектрической проницаемостью значительно снижает ток утечки.
 |  |
Ток утечки увеличивается по экспоненте, что делает невозможным создание быстродействующих микросхем (на утечку тратится до 40% энергии).
Специальный материал: механически и химически совместимый с кремнием, удобство производства в едином технологическом цикле, увеличение диэлектрической проницаемости и уменьшение тока утечки.
| High-к vs SiO2 | Преимущество | |
| Емкостное сопротивление | На 60% ↑ | ↑ быстродействие |
| Ток утечки | более чем в 100 раз меньше | ↓ тепловыделения |
Материал гафний – диэлектрическая проницаемость 10-14, емкостное сопротивление больше.
Сменили и материал самого затвора (при замене SiO2 на гафний возникли проблемы взаимодействия с поликристаллическим кремнием, который использовался в качестве затвора) → потеря подвижности электронов, уменьшился порог напряжения. Следовательно, нужно заменить поликремний на специальные сплавы.
Гафний – редкоземельный элемент похожий на цирконий.
В напряженном кремнии присутствует небольшое растяжение кристаллической решетки, что значительно увеличивает подвижность электронов, что позволяет увеличить быстродейтвие МОП-транзисторов.
нужно создать для n–МОП и p-МОП. Механизм формирования напряжения кремния должен быть различим:
- для n используется внешнее покрытие слоем высоконапряженного нитрида кремния, который растягивает кристаллическую решетку, кремния под затвором → ток канала ↑ на 10%;
- для p: в качестве материала доя области стока и истока используется селективно осажден. на кремнии области и соединен. Si с германием, что сжимает кристаллическую решетку кремн. Под затвора в направлении канала и рабочий ток ↑ на 25%.
Сочетание обеих технологий дает 30% увеличение тока при росте себестоимости всего на 2%.
Использование кремния на изоляторе - более дорогая технология, позволяющая уменьшить токи утечки, перспективная технология, транзисторы имеют увеличенный подпороговый ток из-за эффекта плавающей подложки и попытки ↓ приводят к ↑ порогового напряжения → ↑ напряжение питания → ↑ потребление мощности.
Применение современных методов фотолитографии.
Используются для создания рисунка. Для структур с размерами 100 нм необходимо использование новых способов экспонирования. Можно выделить 4 основных направления с учетом создания высокопроизвод. систем:
1. Экстремальный ультрафиолет (предельный) – EUVL;
2. Электон. проекционная литография – SCALPEL;
3. Рентгеновская литография – XL;
4. Ионная литография.
1. Экстремальный ультрафиолет (предельный) – EUVL.
Обычная оптическая литография, но с использованием излучения с длиной волны 11-14 нм, отражательн. оптикой и фотошаблонами. Используется излучение из лазерной плазмы.
(мощность 40 Вт), фокусируется на импульсной газовой трубе.
Для данного излучения в камерах нельзи использовать линзы. Поэтому применяют зеркала сложной формы. Фотошаблоны заменяют масками. В процессе изготовления наносятся 40-80 слоев молибдена и кремния (каждый слой несколько нм)
2. Электон. проекционная литография – SCALPEL.
Недостатки: термический нагрев маски, большие числовые апертуры (линз, диафрагм).
SCALPEL использует новый тип масок (набор мембран, изготовленных из легких элементов с высокой проницаемостью для электронов, а рисунок создается из элементов с большой отражающей способностью).
Достоинства: маска не поглощает электронный поток как раньше, снижает тепловую нестабильность.
Среди технологических новинок: замена алюминия на медь в разводке, уменьшение сечения межкомпонентных соединений.
Алюминий лучше образует контакт с кремнием.
После 10-ти лет исследований удалось создать сверхтонкую область между кремнием и медью, предотвратив диффузию этих материалов.