Предыдущий материал на тему калибровки технологических норм при производстве микропроцессоров внёс, хочется верить, некоторую ясность в то, по какой причине названия производственных процессов «22 нм», «10 нм», «7 нм» не соответствуют напрямую физическим размерным характеристикам активных полупроводниковых структур, реально сформированных литографическими машинами на соответствующих чипах.
Безусловно, фактическая длина формируемого на кремниевой пластине типичного транзистора заметно превосходит габарит, указанный в маркетинговом названии любого современного техпроцесса. Но всё же величина эта существенно меньше длины волны рабочего лазера в DUV-литографической машине — 193 нм. А значит, каким-то образом инженерам-микроэлектронщикам удаётся с помощью столь неделикатного инструмента создавать полупроводниковые элементы с характерными размерами в десятки и даже единицы нанометров. Отметим, что серийные производственные нормы вплоть до «7 нм» на чипмейкерских фабриках задействуют сегодня именно DUV-машины, и лишь от этой отметки вниз простирается вотчина EUV-агрегатов.
Во-первых, микроэлектроника — это просто красиво (источник: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd.)
Начать стоит с того, что не все размеры структурных элементов СБИС одинаково значимы. Действительно, минимальная ширина гребня FinFET-транзистора, выполненного по производственной норме TSMC «7 нм», близка к 6 нм, а сопоставимого с ним по миниатюрности Intel «10 нм» — к 7 нм. Но сама по себе эта величина не принципиально важна: с точки зрения «закона Мура» — поступательного наращивания плотности транзисторов на квадратный дюйм — первостепенное значение имеет дистанция между базовыми полупроводниковыми элементами, в англоязычной терминологии pitch.
Основные характерные размеры «10-нм» транзистора Intel: высота гребня (Hfin) — 46 нм, ширина гребня (Wfin) — 7 нм, толщина затвора (Lg) — 18 нм (источник: WikiChip)
Так вот, для «10-нм» техпроцесса Intel расстояние между соседними гребнями (fin pitch) достигает 34 нм. Чуть меньше протяжённость зазора между полупроводниковыми гребнями для производственной нормы Intel 4 (в девичестве «Intel 7 нм»), 30 нм. И всё это неимоверно миниатюрное великолепие выполняется с применением DUV-фотолитографов, основной рабочий инструмент которых — лазер с длиной волны 193 нм.
Базовая производственная ячейка, в пределах которой литографическая DUV-машина формирует полупроводниковые структуры в рамках «10-нм» техпроцесса Intel с зазором между гребнями транзисторов (показаны красным) 34 нм, простирается на 272 нм. Терракотовым цветом выделены затворы (дистанция между соседними — 54 нм), аквамариновым — металлические межсоединения самого нижнего слоя (разнесены на 40 нм) (источник: WikiChip)
Между тем сверхжёсткий, или экстремальный, ультрафиолет (EUV, длина волны 13,5 нм) вступает в свои права лишь начиная с «7-нм» маркетинговых производственных норм на фабриках Samsung и «5-нм» в случае TSMC, причём поставки голландской ASML чипмейкерам соответствующих литографических машин начались лишь в 2019 г. Всё дело в том, что самый, казалось бы, очевидный путь миниатюризации техпроцесса — установить в литограф ещё более коротковолновый источник света — с точки зрения технической реализации гораздо сложнее, чем последовательное совершенствование DUV-машины, успешно продолжавшееся десятилетиями.
Технология DUV оказалась чрезвычайно удачной для микропроцессорного производства, поскольку всё излучение с длиной волны короче ~200 нм быстро поглощается без остатка даже атмосферным воздухом, не говоря уже об оптическом стекле. Фотоны столь высоких энергий слишком активно взаимодействуют практически с любой средой, через которую проходят, — именно это ведёт к их быстрому поглощению. Отметим, что ещё в первые годы XXI века инженеры пробовали применять для фотолитографии 157-нм лазер на молекулярном фторе, но довести эту технологию до стадии коммерческого применения до сих пор так и не смогли.
«Окна прозрачности» земной атмосферы для излучения на разных длинах волн, от УФ до радиодиапазона. Видно резкое падение пропускной способности на 0,2 мкм (200 нм) — более короткие волны воздух уже не пропускает (источник: INPE)
Находящиеся сегодня у всех на слуху EUV-машины полагаются на столь коротковолновое УФ-излучение, что это уже, по сути, мягкий рентген: если уж атмосферный воздух его эффективно поглощает, то оптическое стекло и подавно. Поэтому вместо рефракторной (пропускающей) оптической схемы в EUV-машинах применяют рефлекторную (отражающую) — со множеством многослойных фокусировочных зеркал сложной формы, выполненных с невероятной точностью и помещённых в вакуумную камеру.
Каждый из чередующихся слоёв молибдена и кремния в составе такого зеркала имеет толщину около 3,4 нм (четверть длины волны рабочего излучения). Почему так, углублённо рассматривать пока не станем (для интересующихся упомянем закон Брэгга), — здесь важно, что изготовление, монтаж и юстировка одной только системы зеркал для фотолитографа представляет собой неимоверно сложную и дорогостоящую процедуру.
Схема прохождения 13,5-нм излучения в вакуумированной системе зеркал внутри серийного EUV-фотолитографа (источник: ASML)
Недаром голландская ASML, единственный в мире изготовитель EUV-машин, оценивает каждую их них в 200 млн долл. США (для сравнения: её же DUV-фотолитографы обходятся заказчикам всего-то в 40-60 млн долл. за штучку). И пока основная масса современных чипов в мире производится на DUV-оборудовании, имеет смысл выяснить, каким образом именно оно, пусть и на пределе возможностей, всё-таки умудряется формировать кремниевые структуры с предельным физически достижимым характерным размером 6-7 нм.
Способов этих к настоящему времени разработано множество — и, кстати, в EUV-оборудовании некоторые из них также нашли применение, что позволяет этой технологии в перспективе уверенно осваивать горизонты масштаба в единицы ангстрем. Группируются эти способы в два больших блока: те, что улучшают возможности литографических машин на участке от источника света до контакта его с фоторезистом (оптические) и после (инженерно-технологические). Начнём с оптики — и сперва разберёмся, как именно формируется наноразмерное изображение на слое фоторезиста; каковы физические пределы его миниатюризации на уровне оптической системы.
Процесс фотолитографии заключается в том, что на поверхность кремниевой пластины наносят слой светочувствительного материала (фоторезиста), затем этот слой экспонируют световым потоком, проходящим через маску (фотошаблон) — прорисовку структуры будущей электронной схемы. Сегодняшние маски значительно крупнее (в масштабе), чем итоговые кремниевые полупроводниковые структуры, — поэтому засветка производится через систему уменьшающих линз.
Основные этапы фотолитографического процесса (для упрощения, в отсутствие линз): нанесение на полупроводниковый субстрат (Si) диэлектрической основы (masking film), покрытие основы фоторезистом, установка маски, экспонирование, проявка, травление (etching) открытых участков диэлектрика и смыв (stripping) остатков фоторезиста (источник: OpenStax)
Даже если оставить пока в стороне сами линзы (а заодно связанные с ними проблемы, ухудшающие качество картинки, такие как аберрации, обратное рассеяние, поглощение светового потока в толще стекла и т. п.), экспонирование фоторезиста через маску с микроскопическими отверстиями представляет собой крайне непростую задачу — из-за явления дифракции.
Свет, проходя через щель, неизбежно рассеивается вследствие своей дуалистической корпускулярно-волновой природы, так что изображение на мишени (на фоторезисте) получается несколько размытым по краям. Но если щель настолько мала, что дифракционные картины от её краёв фактически соприкасаются, а то и накладываются, никакого чёткого изображения на слое фоторезиста получить не выйдет.
Дифракция света, проходящего через отверстие, размер которого сокращается с 4,69 мкм до 194 нм (источник: Wikimedia Commons)
Выходит, невозможно за счёт одной только миниатюризации прорезей на фотошаблоне получать более мелкие элементы будущих транзисторов на экспонируемой подложке. Минимально допустимый масштаб ясно различимого изображения после прохождения света через узкую щель определяет т. н. дифракционный предел.
Длина волны используемого для экспонирования щели излучения (λ), интегральная характеристика применяемой оптической системы (её численная апертура, numeric aperture, NA) и величина разрешающей способности той же оптической системы — то бишь минимальный фактический масштаб детализации итогового изображения (critical dimension, CD) — связаны следующим уточнённым законом:
CD = k*(λ/NA)
«Уточнённым» его называют потому, что чаще всего в прикладной оптике, особенно в микроскопии, безразмерный коэффициент k полагают равным 0,61, — тогда получается формула для определения минимального размера объекта, который способна уверенно отобразить оптическая система: критерий Рэлея. В общем же случае k довольно сложным образом зависит от апертуры оптической системы.
Графическое представление критерия Рэлея через уверенное различение (слева) и слияние (справа) соседствующих пиков интенсивностей светового потока (источник: European Physical Journal Plus)
Уточнённый закон предельного разрешения, называемый ещё главной формулой оптической литографии, явственно указывает на возможные способы миниатюризации производственных процессов в полупроводниковой индустрии. Чтобы минимизировать масштаб CD, надо либо уменьшать длину волны излучения λ (вот почему то в каждом новом поколении чипмейкерских машин уходит во всё более дальний ультрафиолет), либо увеличивать апертуру NA, либо делать то и другое разом. Правда, поскольку k от NA всё-таки зависит — а именно нелинейно снижается от 0,61 до 0,50 с ростом апертуры от 0 до 1, — необходимо это принимать в расчёт, не допуская, чтобы увеличение NA оказывалось скомпенсировано сокращением k.
Так или иначе, в реальных фотолитографических машинах предельно достижимый масштаб детализации итогового изображения оказывается пропорционален длине волны используемого для засветки фоторезиста излучения с коэффициентом примерно 0,5. В 1970-х фотолитографические машины использовали ртутные лампы высокого давления (примерный диапазон рабочих длин волн — 350-470 нм), линзы с апертурой 0,16 и k около единицы, получая на выходе СБИС с минимально достижимым размером функциональных элементов около 2,7 мкм — то есть 2700 нм. И пока масштаб детализации на поверхности чипа был заведомо больше длины волны излучателя фотолитографической машины, особых проблем не возникало.
Применение все более коротковолновых источники света (красный график) стала вносить в осваиваемые чипмейкерами технологические нормы (синий график) заметно меньший вклад во второй половине 1990-х, и все применявшиеся для этого инструменты миниатюризации техпроцессов мы рассмотрим ниже: это коррекция оптической близости, фазосдвигающие маски, иммерсивная и многопроходная литография (источник: Newport Corporation)
Однако уже в середине 1990-х две эти величины сперва сблизились, а затем масштаб детализации начал раз за разом (одно поколение технологий за другим) оказываться всё меньше длины волны рабочего излучения — сперва дуговых ламп, а затем криптон-фторидных лазеров (248 нм). В 2004-м появились первые машины DUV, полагающиеся на эксимерные аргон-фторидные лазеры с длиной волны 193 нм, — именно тогда общепринятый масштаб детализации на полупроводниковых кристаллах (полузазор между соседними кремниевыми структурами на поверхности чипа, half-pitch) впервые достиг 65 нм — и тем самым оказался меньше половины длины волны применяемого излучения. На этом возможности главной формулы оптической литографии, казалось, были исчерпаны.
Однако как раз примерно с того времени чипмейкеры принялись активно внедрять в оптический тракт своих техпроцессов усовершенствования, призванные обойти уточнённый закон предельного разрешения. И для начала... просто добавили воды.
Сравнение хода лучей в обычном (слева) и иммерсионном микроскопе: видно, что проходящий через жидкую среду луч отклоняется сильнее, что соответствует увеличению апертуры (источник: Florida State University)
Упомянутая чуть выше апертура оптической системы NA определяется коэффициентом преломления пропускающей свет среды, n, и углом полураскрыва светового потока, попадающего в объектив, α:
NA = n * sin α
Как видно, чем выше n, тем больше апертура. Сравнительно простой способ увеличить n — погрузить (англ. immerse, отсюда иммерсионная фотолитография) нижнюю линзу микроскопа и образец в жидкость, обладающую бóльшим показателем преломления, чем атмосферный воздух при нормальных условиях (т. е. с n > 1,0).
Для иммерсионной фотолитографии применяют воду высокой степени очистки, которая вдобавок тщательно деионизируется (источник: Newport Corporation)
Чаще всего в иммерсионной литографии применяют самую обычную воду — разумеется, избавленную от всевозможных примесей и даже ионов — с n ≈ 1,4 (для излучения с длиной волны около 200 нм), но в принципе возможно использование особых жидкостей с ещё бóльшим показателем преломления. Хотя, напомним, коротковолновое излучение в более плотной среде будет поглощаться гораздо сильнее, так что просто залить в фотолитограф минеральное масло с n ≈ 1,6, используемое в иммерсионных микроскопах для биологических исследований например, не выйдет: придётся наращивать мощность лазерного источника, отводить от линз дополнительное тепло, бороться с их тепловым расширением и т. п.
Наращивание апертуры NA позволяет уменьшить масштаб детализации, но всё-таки не кардинально. Более того, дифракция искажает проходящий через щели на маске литографической машины световой поток, из-за чего формируемое на фоторезисте изображение оказывается неизбежно размыто по краям. Это особенно досадно, если размеры изображения — десятки нанометров: проходя через строго прямоугольную прорезь на маске, до фоторезиста свет DUV-лазера добирается, увы, в виде теряющего к краям резкость овала.
Однако дифракция — явление, подчиняющееся математическим закономерностям, а значит, его можно использовать и в обратную сторону, руководствуясь известным принципом «тот, кто нам мешает, тот нам и поможет». Вполне реально не только для прямоугольной, но и для сколь угодно сложной щели решить обратную задачу: какой должна быть фактически вырезываемая на маске щель, чтобы после прохождения лазерного луча через нее и через всю оптическую систему иммерсионного литографа на фоторезисте отобразилась бы исходно желаемая форма?
Коррекция оптической близости позволяет, предварительно рассчитав нужный профиль щели, получить гораздо более чёткое литографированное изображение (источник: IBM)
Такая задача носит название коррекции оптической близости (optical proximity correction, OPC), и, хотя к её решению в каждом конкретном случае привлекаются довольно значительные вычислительные мощности, овчинка тут определённо стоит выделки. Правда, ситуация осложняется тем, что дифракция на фотошаблоне для изготовления современных СБИС — множественная: на нём теснятся не одно, не два, а миллионы, если не миллиарды крохотных отверстий.
В этих условиях реально достижимое разрешение оказывается ещё меньше, чем допускает главная формула оптической литографии — даже с учётом OPC. А всё потому, что интерференционные картины от расположенных поблизости щелей сплошь и рядом перекрываются так неудачно (на максимум амплитуды одной волны приходится минимум соседней), что контрастность волнового фронта на уровне фоторезиста драматически падает. И в результате тонкая структура щелей, прорезанных на маске, попросту не воспроизводится.
Принцип работы фазосдвигающей маски: после добавления в часть прорезей прозрачных пластин, задерживающих проходящее излучение на половину длины волны, конструктивная паразитная интерференция превращается в деструктивную, и контрастность изображения возрастает (источник: University of Waterloo)
Для борьбы с этой напастью применяется такой остроумный механизм, как фазосдвигающая маска: обычные щели чередуются с перекрытыми особым прозрачным веществом, проходя через которое световая волна меняет фазу на Pi/2. В результате налагающиеся интерференционные картины от соседних щелей взаимно усиливаются именно там, где нужно. Ещё начиная с техпроцесса 85 нм фазосдвигающие маски стали неотъемлемыми компонентами литографических машин.
Другой вариант борьбы с интерференцией предполагает применение внеосевого освещения: когда вместо того, чтобы направлять световой поток перпендикулярно плоскости маски, его пускают под определённым углом. В этом случае можно довольно тонко контролировать взаимное наложение интерференционных картин от соседних щелей, добиваясь нужного эффекта без дорогостоящих и сложных манипуляций с фазосдвигающими масками. Однако внеосевое освещение само порождает ряд проблем, которые необходимо решать, и прежде всего — паразитную засветку от внутренних стенок оптического канала, в котором располагается система линз.
Внеосевое освещение фотомаски в литографической машине позволяет повысить как контрастность, так и глубину резкости (источник: Synopsys)
В итоге современные DUV-фотолитографы оснащаются громоздкими и чрезвычайно дорогостоящими иммерсионными линзовыми системами с апертурой 1,33 и коэффициентом k на уровне 0,3 — и всё это ради того, чтобы формировать на поверхности фоторезиста объекты минимальным размером немногим более 40 нм (примерно 130 уложенных в рядок атомов углерода). Это уже физический предел разрешения, перешагнуть через который без дополнительных ухищрений невозможно.
Более того: чтобы элементы, образующие транзистор, уверенно функционировали, между ними необходимы зазоры, точная ширина которых определяется свойствами используемых полупроводников, — и она примерно равна расстоянию между истоком и стоком. Так что фактически достижимый шаг (pitch) расположения структурных элементов для иммерсионной DUV-технологии — тот численный показатель, что напрямую соответствует физическим возможностям техпроцесса, — оказывается равным примерно 82 нм.
Современная фотомаска для полупроводниковой литографии — настоящее произведение искусства, и не только инженерного (источник: SKC)
Исчерпав возможности сокращения масштаба детализации в оптическом тракте, инженеры обратились к самому объекту фотолитографического процесса — к полупроводниковой пластине, на которой путём экспонирования фоторезиста и последующего травления образуются в итоге транзисторные структуры. Но чтобы понять, как именно работают найденные в итоге способы дальнейшей миниатюризации элементов полупроводниковой логики, необходимо освежить в памяти ряд базовых представлений — как о принципе действия полупроводниковых приборов, так и о том, как из этих приборов формируются контуры, способные производить вычисления.
Зачем вообще создателям вычислительных машин понадобились полупроводники? Дело в том, что эти вещества не просто занимают промежуточное положение между металлами (пропускают электрический ток при нормальных условиях) и диэлектриками (блокируют перенос электрического заряда), но меняют свои электропроводящие свойства в зависимости от внешних обстоятельств. То есть их можно применять как управляемые реле, воплощая на практике самые различные логические схемы. Вот как этот простенький сумматор, например:
Принципиальная схема сумматора на 28 КМОП-транзисторах (источник: IEEE Xplore)
Едва ли не самый распространённый сегодня в микроэлектронике тип полупроводникового прибора, МОП-транзистор, управляется приложенным к затвору напряжением. «МОП» означает «металл-оксид-полупроводник», и обычно такой транзистор на полевом эффекте (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, MOSFET) состоит из:
Основные элементы планарного МОП-транзистора (источник: Hackaday)
Школьного курса физики вполне достаточно, чтобы понимать, как работает МОП-транзистор, но на всякий случай напомним: заряд в твёрдом теле, имеющем кристаллическую структуру, переносят электроны. Если брать в качестве исходного материала для полупроводника кремний, то его кристаллическую структуру можно представить на плоскости (реально она объёмная, но здесь важен принцип) как равномерное замещение соприкасающимися окружностями, в центре каждой из которых находится положительно заряженное ядро атома Si, а на самих окружностях располагаются по 4 отрицательно заряженных электрона — поскольку внешняя оболочка атома кремния образована как раз четырьмя электронами.
Атомы в кристаллической решётке плотно сцеплены ковалентными электронными связями (источник: AllAboutCircuits)
Через такую структуру ток протекать не будет: соседние по кристаллической решётке электроны объединены в пары прочными ковалентными связями, так что заряд переносить попросту нечему. Но электроны даже в парах подвержены тепловому воздействию. И если температура образца повысится настолько, что передаваемая электронам тепловая энергия превысит энергию ковалентной связи, один из них может сорваться с орбиты вокруг своего атома и перескочить на соседнюю в решётке, оставив вместо себя «дырку» (hole) — ничем не занятое место. Вблизи соседнего же атома, соответственно, окажется уже не 4 электрона, а 5.
Перескочив на соседнюю позицию в кристаллической решётке, электрон становится носителем отрицательного заряда, а отсутствие электрона (дырка, hole) на его прежнем месте — положительного (источник: AllAboutCircuits)
Тем самым атом, от которого убежал (перескочил к соседу) электрон, словно бы становится ионом и приобретает фиктивный положительный заряд (дырку на месте убежавшего отрицательного), а соседний с ним, заполучивший избыточный электрон, — отрицательный. В целом же данный участок решётки из двух соседних атомов всё равно остаётся нейтральным: заряды ниоткуда не возникли и никуда не исчезли, просто перераспределились.
Но сам факт этого перераспределения порождает возможность и далее переносить заряд по всему объёму макроскопического образца полупроводника. Если создать на его противоположных границах разность потенциалов, то высвободившийся электрон получит стимул перескакивать с орбиты на орбиту в сторону «плюса», тогда как дырки — эквивалентные избыточному положительному заряду свободные от электронов позиции в атомных оболочках — потянутся к «минусу».
Перемещение электрона в зоне проводимости полупроводника схоже с движением шарика по цепочке лунок: под действием разности потенциалов он последовательно переходит с позиции на позицию в направлении от «минуса» к «плюсу» (источник: AllAboutCircuits)
Сами атомы из узлов кристаллической решётки при этом, разумеется, никуда не смещаются — просто в ион Si+ (с тремя электронами на внешней оболочке вместо исходных четырёх) вследствие каскадных перескоков свободных электронов будет каждый раз временно превращаться очередной атом, располагающийся всё ближе и ближе к «отрицательной» границе образца.
⇡#Пропустить нельзя заблокировать
Если свободных электронов в образце много, время от времени неизбежна рекомбинация заряда: очередной электрон «взаимоуничтожится» с дыркой, сев на внешнюю оболочку к атому, у которого как раз одного электрона в данный момент недостаёт. Логично поэтому легировать полупроводниковый материал — добавлять к нему в небольших количествах примеси, которые будут обеспечивать избыток дополнительных зарядов в образце. «Небольшие» — это примерно один-два атома примеси на десять миллионов атомов кремния, иначе свободных зарядов окажется слишком много, и образец начнёт вести себя не как полупроводник, а как сильно загрязнённый шлаками металл.
Легирование кристаллического кремния возможно атомами как с лишним электроном на внешней оболочке, так и с недостающим (источник: AllAboutCircuits)
Важно, что легирование возможно как электронами, так и дырками. Если у атома, физико-химические свойства которого позволят ему без труда встроиться в кремниевую кристаллическую решётку, больше электронов на внешней оболочке, чем у Si (т. е. больше 4 — например, 5, как у фосфора, P), то это будет примесь так называемого n-типа, negative: она сразу же обеспечивает присутствие в образце дополнительных свободных — точнее, не обременённых ковалентными связями — электронов. А если число электронов на внешней оболочке меньше 4 (как у бора, B, у которого их 3), получается легирующая примесь p-типа, positive, автоматически порождающая в образце дополнительные дырки.
Теперь, хочется верить, значительно более ясной становится схема работы МОП-транзистора, наверняка уже неоднократно встречавшаяся пытливому читателю. В данном случае на схеме изображён транзистор типа n-МОП (NMOS), с каналом на электронной (а не дырочной) проводимости:
Исток и сток с легированием n-типа в транзисторе NMOS погружены в субстрат p-типа (источник: CircuitBread)
На подложке с проводимостью p-типа (дырочной, т. е. с усиленной легированием нехваткой свободных электронов) создают — опять-таки за счёт локального точечного легирования другого типа — две зоны с n-проводимостью, разнесённые на небольшое расстояние (длину канала L): исток и сток будущего транзистора. Далее на поверхность полупроводника наносят изолирующий слой, через который к истоку и стоку подводят металлические контакты, а над зоной канала размещают затвор.
Если включить такой транзистор в схему с источником питания, ток через неё не потечёт, поскольку сток изолирован от истока областью p-проводимости, — электроны там перемещаться не могут (точнее, могут, но сразу же будут рекомбинировать с имеющимися в избытке дырками).
К затвору приложено напряжение — канал открыт (источник: CircuitBread)
При подаче положительного управляющего напряжения на затвор тот формирует положительный заряд, который выталкивает избыточные дырки из области канала в сторону подложки (базы), а в зону непосредственно под затвором стекаются доступные в толще полупроводника свободные электроны. Даже невзирая на оставшиеся в толще p-легированного образца дырки, свободные электроны неизбежно будут возникать под затвором вследствие теплового разрыва ковалентных связей, и для временного формирования канала их вполне хватит.
В какой-то момент концентрация электронов в области непосредственно под затвором станет достаточной, чтобы канал, на время приобретя проводящие свойства, открылся. Именно тогда по нему и пойдёт перенос заряда. Чем выше уровень напряжения на затворе, тем шире получающийся под ним канал — и тем выше сила тока через транзистор.
Одиночный МОП-транзистор — по сути, простейший переключатель: в зависимости от внешней команды (открыть/закрыть затвор) он пропускает либо не пропускает ток. В принципе, можно было бы всю микроэлектронику выстраивать на n-МОП-транзисторах, однако выяснилось, что с точки зрения и логики, и инженерии лучше использовать комплементарные (взаимодополняющие) связки n-МОП и p-МОП, получая тем самым структуры КМОП (CMOS в англоязычном обозначении).
Комплементарная структура из NMOS- и PMOS-транзисторов (виды в разрезе и сверху): на единой подложке с p-проводимостью создан обширный участок с n-легированием (n-well), а уже внутри него сформирован PMOS-транзистор, причём транзисторы обоих типов отграничены от соседних структур защитными кольцами, препятствующими бесконтрольному перетоку зарядов (источник: German Aerospace Center)
Транзисторы n-МОП называют прямыми (они открываются при подаче на затвор напряжения), а p-МОП — инверсными (наоборот, открываются при снятии напряжения с затвора). Комплементарность их проявляется в том, что инверсный МОП-транзистор устроен обратным по отношению к прямому образом: основу p-МОП образует полупроводник n-типа, исток и сток формируют инклюзии p-типа, а вместо электронной проводимости в открытом канале образуется дырочная.
Работа компьютеров архитектуры фон Неймана основана на операциях бинарной (двоичной) логики, воплощать которые при помощи КМОП-транзисторов оказывается легко и просто. Ну как — просто…
Штрих Шеффера на КМОП-транзисторах: Vcc обозначает «Voltage Collector Collector», напряжение источника питания на общей шине (источник: Wikimedia Commons)
Здесь приведена схема реализации на четырёх МОП-транзисторах так называемого штриха Шеффера — бинарной логической операции И-НЕ (в англоязычном варианте — NAND; одно из принятых для него обозначений в формулах бинарной логики— собственно вертикальный штрих, «|»), «отрицания конъюнкции» для двух аргументов. Смысл штриха Шеффера в том, что если оба аргумента, A и B, истинны одновременно, то результат применения штриха Шеффера к ним —
F = A | B
— получается ложным. Во всех же остальных случаях, т. е. когда хотя бы один из аргументов ложен, штрих Шеффера даёт значение «истина».
В плане удобства вычислений вручную эта операция может показаться чрезмерно громоздкой: логическое И, логическое ИЛИ, логическое НЕ значительно проще для бытового восприятия. Однако с точки зрения прикладной микроэлектроники он ценен тем, что все базовые операции бинарной логики могут быть представлены через один только штрих Шеффера:
⇡#(A | A) | (B | B) = A || B (логическое ИЛИ),
⇡#(A | B) | (A| B) = A & B (логическое И)
и т. д. В результате — если сразу подходить к проблеме построения сложных логических схем с учётом перспективы их реализации на некой элементной базе — выходит, что заполненная штрихами Шеффера (точнее, реализующими эту элементарную операцию блоками транзисторов) микросхема может стать основой для создания вычислительных систем любой сложности. «Любой» лишь в пределах архитектуры фон Неймана, само собой, — но для машин такого рода задач имеется предостаточно, а для более сложных уже ведётся разработка квантовых компьютеров. С точки же зрения полупроводникового производства чем выше степень однотипности миниатюрных элементов разрабатываемой микросхемы, тем проще её проектировать и легче изготавливать.
Ещё одна схема штриха Шеффера на КМОП-транзисторах: здесь Vdd, «Voltage Drain Drain», обозначает напряжение на стоке транзистора, подключённом к общей шине, и по смыслу эквивалентно Vcc с предыдущего рисунка (источник: Wikimedia Commons)
Читать схему реализации штриха Шеффера (n-МОП- и p-МОП-транзисторы на ней несложно различить по отсутствию либо, соответственно, наличию кружка на условном обозначении затвора) особенно просто, если представить, что по шине Vcc /Vdd на подключённые к ней элементы СБИС «подаётся» логическая единица, а шина заземления «генерирует» логический ноль. Штрих Шеффера же выступает при этом допущении в роли сложного вентиля, что под воздействием управляющих сигналов по определённым правилам коммутирует на выход либо логический ноль снизу, либо логическую единицу сверху.
Тогда если оба (подаваемых, напомним, на затворы каждой комплементарной пары n-МОП- и p-МОП-транзисторов) управляющих сигнала A и B одновременно принимают значение «истина», то два прямых МОП-транзистора (внизу, соединены последовательно) будут открыты, а инверсные (вверху, соединены параллельно) — оба закрыты. Значит, на выход такой схемы свободно «пройдёт» логический ноль от шины заземления снизу, а логическая единица от шины питания будет «блокирована» разомкнутыми инверсными транзисторами.
Теперь пусть хотя бы один из управляющих сигналов A и B равен логическому нулю. В этом случае окажется разомкнута нижняя часть схемы (через включённые последовательно прямые транзисторы, хотя бы один из которых непременно окажется разомкнут, «не пройдёт» логический ноль), а сверху хотя бы один из параллельных инверсных транзисторов свободно «пропустит» логическую единицу.
Таким образом, для построения единичного штриха Шеффера по приведённой ранее схеме достаточно будет расположить поблизости два ряда чередующихся полупроводниковых элементов n- и p-типов с соответствующими инклюзиями для истоков и стоков, перпендикулярно разместить управляющие затворы — и всё это соединить металлическими шинами. Получается примерно вот что — это вид сверху на плоскость, на которой размещены в три слоя элементы, формирующие транзисторы и соединения между ними:
Практическая реализация штриха Шеффера на КМОП-транзисторах (источник: Wikimedia Commons)
Чёрные квадраты обозначают металлические контакты, соединяющие слои насквозь, по вертикали. Для того чтобы строить более сложные логические схемы, необходимо объединять особым образом штрихи Шеффера — именно для этого служат дополнительные металлические слои (не показанные здесь) поверх изображённого голубым цветом.
В последнее время идут работы по созданию транзисторов с вертикально, а не на одном уровне расположенными транзисторами n-МОП и p-МОП — это позволит без каких бы то ни было дополнительных ухищрений в очередной раз выполнить «закон Мура», удвоив плотность транзисторов на квадратный дюйм на уже имеющемся оборудовании. Но пока вертикальное размещение комплементарных транзисторов (реализуемое, кстати, при помощи технологии, родственной SAMP, о которой речь пойдёт чуть ниже) остаётся перспективной разработкой, не вышедшей на уровень серийного производства.
Микрофотография лабораторного образца полупроводниковой микросхемы, у которого транзисторы n-МОП размещаются над комплементарными им p-МОП (источник: Intel)
Остаётся теперь выяснить в деталях, каким же образом сверхминиатюрные полупроводниковые компоненты будущих транзисторов формируют при серийном производстве микропроцессоров технически — и за счёт чего чипмейкерам удаётся всё-таки перешагнуть через достигнутый на уровне оптической системы порог предельно допустимого разрешения 82 нм (или ~40 нм, если брать половинную ширину зазора между повторяющимися компонентами).
⇡#Как Левша оправку вытравливал
Одно из наиболее эффективных технических ухищрений на этом пути — многопроходная (multiple patterning) обработка заготовки. Базовая процедура фотолитографии на полупроводнике предусматривает однократное экспонирование фоторезиста (photoresist, PR), за которым следуют проявка и смывка, после чего полупроводниковую подложку на обнажившихся участках протравливают (etch) и, наконец, удаляют остатки фоторезиста.
Основные этапы классической (однопроходной) фотолитографии (источник: Lam Research)
Допустим, эта процедура проводится уже на пределе реально достижимого разрешения системы (те самые 82 нм для DUV-фотолитографии). Однако никто не запрещает, точно нацелившись, второй раз проэкспонировать тот же самый образец со сдвигом в половину этого самого предела разрешения — так, чтобы создаваемые при этом на поверхности полупроводника структуры помещались точно между изготовленными за первый проход. Без каких бы то ни было дополнительных усилий сразу выходит сокращение фактической производственной нормы вдвое.
Здесь как раз очень помогает тот факт, что базовые структуры в составе полупроводникового чипа — будь это микросхема памяти или логическая — однотипны и довольно равномерно расположены. Грубо говоря, они представляют собой выстроенные шеренгами штрихи Шеффера, а все сложные нетривиальные комбинации из них — логические вентили, сумматоры и т. п. — образуются за счёт соединения между собой в нужном порядке элементов И-НЕ металлическими контактами, выполняемыми уже на более высоких слоях микросхемы и с бóльшим характерным масштабом.
Микрофотография сечения «16-нм» процессора Exynos 7420, литографированного по многопроходной технологии, вдоль одного из рядов плавников FinFET и поперёк транзисторных затворов: показаны сами затворы, подходящие к истокам/стокам контакты и лежащие сверху металлические слои межсоединений (источник: TechInsights)
Для реализации двухпроходной фотолитографии разработали несколько методик, предусматривающих использование так называемых жёстких масок (hardmasks). Жёсткими их называют потому, что они должны выдерживать процедуру смывки первичного слоя фоторезиста, так что в их роли не могут выступать гелеподобные по консистенции органические полимеры, применяемые при однопроходном процессе.
Более того, вторая жёсткая маска обязана выдерживать протравливание и смывку первой, так что это должны быть ещё и разные по химическим свойствам вещества: карбид и оксид кремния, например. В итоге операция понижения реально достижимого масштаба микроструктур вдвое сводится к последовательности «литография — травление — литография — травление» (lithography-etching-lithography-etching, отсюда аббревиатура LELE).
Двухпроходная фотолитография по методу LELE: фоторезист (PR) наносится на особый противоотражающий слой (Bottom Anti-Reflectant Coating, BARC) и две жёсткие маски. После первого цикла ««литография — травление» снова производится нанесение BARC и PR на нужных участках, затем цикл повторяется (источник: IEEE Xplore)
Усовершенствованный вариант этого метода — многопроходная литография с самовыравниванием (self-aligned multiple patterning, SAMP). Дело в том, что проэкспонировать кремниевую пластину диаметром 300 мм (стандартная заготовка для DUV-машин) дважды с идеально точным сдвигом всего лишь на десятки нанометров — задача, мягко говоря, технологически сложная.
Проще сразу позаботиться о том, чтобы на поверхности полупроводника, покрытой фоторезистом, образовались структуры с характерным шагом вдвое меньшим, чем реально достижимый предел разрешения. Проще это опять-таки благодаря заведомой регулярности таких структур — и, соответственно, применяемых для экспонирования шаблонов.
В классическом однопроходном процессе на фоторезисте формируют отдельные узкие полосы, каждая из которых после травления станет зазором между соседними полупроводниковыми рёбрами (те в итоге окажутся гребнями транзисторов FinFET), и потому расстояние между полосами соответствует толщине этих самых рёбер. Шаблон же для SAMP построен так, чтобы через него экспонировался лишь каждый второй зазор между полупроводниковыми рёбрами. Вертикальные структуры, возникающие после проявки и смыва первого слоя фоторезиста, выступают в роли оправок или мандрелей (mandril) — так в слесарном деле называют приспособление в виде слабо сужающегося к одному из торцов конуса для штамповки/формовки кольцевых или цилиндрических деталей, а также для выправки мятых труб.
Двухпроходная фотолитография по методу SADP: формовка оправок на жёсткой маске — нанесение разделителя — травление разделителя и выемка материала оправок — финальное травление жёсткой маски (источник: Lam Research)
На стенки этих оправок с использованием тонких методов равномерного осаждения (atomic layer deposition, ALD, или chemical vapor deposition, CVD) наносится буквально атом за атомом слой разделительного материала, образующий словно бы облицовку созданных на пределе разрешения фотолитографа структур. Расстояние между внешними границами соседних облицовок несложно сделать вдвое меньше этого самого предела, зная скорость осаждения облицовочного материала и контролируя время.
Тогда после удаления уже самих оправок (в ходе процесса, аналогичного смыву засвеченного фоторезиста, но с другими химикатами) и травления оставшейся не закрытой разделительным материалом поверхности соседние полупроводниковые рёбра будут отстоять одно от другого на расстояние вдвое меньшее, чем реально достижимый на данном литографе процесс. И никакого противоречия с законами физики — просто на помощь оптике пришла изобретательная инженерия.
Ставка на SAMP избавляет от необходимости производить два раздельных экспонирования пластины-заготовки с микроскопически точным её сдвигом. Более того: можно и повторять эту процедуру, если озаботиться предварительно нанесением нескольких жёстких масок для формирования оправок, — и два раза, и четыре.
Четырёхпроходная фотолитография по методу SAQP сводится к двум последовательным SADP — только с предварительно нанесёнными на образец двумя жёсткими масками, двумя слоями блокировки травления (etch stop) и двумя слоями для формовки оправок (источник: SPIE)
В результате если двухпроходный SADP (multiple в аббревиатуре конкретизировано до double) позволяет на базовой DUV-установке достигать зазора между элементами (pitch) примерно в 40 нм вместо 82, то четырёхпроходный SAQP (quadruple) — уже почти 20 нм. При этом толщина полупроводникового гребня (одиночной мельчайшей детали на поверхности подложки) для уже упоминавшегося техпроцесса TSMC «7 нм» составляет 6 нм — кстати, практически столько же, сколько и для предшествующей производственной нормы «10 нм». Так что, в принципе, маркетинговое наименование «7 нм» всё же имеет некий физический смысл, хотя уже и не указывает напрямую на размер главного активного полупроводникового элемента МОП-транзистора — длину его канала.
Последовательные микрофотографии поперечных срезов заготовки, литографируемой по методу SAQP, слева направо: формирование оправок — нанесение разделителя — выемка материала оправок верхнего ряда — нанесение нового разделителя на остатки прежнего, выступающие теперь в роли новых оправок, — выемка материала между разделителями — финальное протравливание заготовки до подложки с получением структур шириной 15 нм и дистанцией (pitch) 30 нм (источник: SPIE)
Но, как было подчёркнуто не раз, «закон Мура» сформулирован вовсе не для размеров единичного транзистора, а для плотности транзисторов на готовом чипе. Именно поэтому габариты типового полупроводникового элемента не так уж важны: значение имеет то самое расстояние между соседними гребнями (fin pitch, FP) и, в несколько меньшей степени, зазор между соседними металлическими токоведущими дорожками (minimum metal pitch, MMP). Так вот, при переходе от «10-нм» к «7-нм» техпроцессу FP стало меньше примерно на 17% (было 34-36 нм, стало 27-30 нм), MMP — всего-то на 5% (было 36-44 нм, стало 36-40 нм для различных реализаций соответствующих производственных норм у Intel и TSMC).
Сводная таблица плотностей транзисторов на поверхностях СБИС, выполненных по фактически реализованным техпроцессам от «14 нм» до «7 нм» на разных фабриках, млн шт. на кв. мм: производственная норма Samsung «7 нм» достигается на машинах EUV, остальные — на DUV (источник: WikiChip)
Плотность размещения транзисторов на чипе для воплощённых сегодня в серийных DUV-установках технологических норм составляет 90-102 млн на 1 мм2, и это, судя по всему, уже предел эксимерной лазерной фотолитографии. Именно теперь приходит черёд основанной на принципиально другой оптической схеме технологии EUV, а вместе с ней и совершенно иных физических проблем, технологических находок и ухищрений. Но это уже совсем, совсем другая история.