Прошедший 2007 год стал дважды знаменательным для полупроводниковой промышленности. Во-первых, благодарное человечество отметило знаменательную дату – 60-ти летие открытия транзистора, положившее начало современной компьютерной техники¹. Во-вторых, компания Intel совершила истинный прорыв в конструировании и технологии транзисторов, фактически создав новую технологию.

Загвоздка традиционной кремниевой технологии возникла при достижении 45-нм минимального топологического размера элементов и пропорционального уменьшения толщины подзатворного диэлектрика (SiO₂) до 2 нм. При этом токи утечки оказались неприемлемыми. Более 600 исследователей Intel работали над преодолением ситуации в течение нескольких лет с невероятным напряжением сил и энтузиазмом. Как заявил руководитель проекта «45 нм» Kaizad Mistry – «Yeah, it was hard work, there were many sleepless nights, long days, hours for many people» – «Ох! Это была тяжелая работа со многими бессонными ночами, нескончаемыми днями и часами для многих людей».

Было перебрано множество новых материалов для изолятора с более высокой диэлектрической постоянной «high-k» и для проводящих слоев, в частности, отдельных независимых металлов с оптимальной работой выхода для затворов PMOS и NMOS транзисторов. В январе 2007г. Intel анонсировала завершение разработки, продемонстрировав статическую оперативную память (SRAM), а в ноябре приступив к серийному выпуску и поставкам новых процессоров семейства Penryn. Фактически Intel выиграла жесточайшую битву, вновь доказав свое превосходство в процессорах.

На прошедшей (10–12 декабря с.г.) в Вашингтоне конференции International Electron Device Meeting (IEDM’2007) Intel раскрыла некоторые детали разработки.

На фото – микроизображение транзистора, наделавшего так много шума в полупроводниковом сообществе

Транзистор имеет общую физическую длину затвора 35 нм, 1.0-нм эффективную толщину подзатворного «high-k» диэлектрика, напряженные слои кремния за счет введения SiGe островков и 9-ти слойные медные межсоединения. Используется «сухая» 193-нм литография. Точный состав диэлектрических и проводящих материалов компания пока не раскрывает.

Сегодня о разной степени готовности 45-нм технологии заявляют и основные конкуренты Intel:

• **Advanced Micro Devices Inc. (AMD)* планирует приступить к производству 45-нм чипов в первой половине 2008г. и начать поставки процессоров на их основе во второй половине 2008г.;
• Toshiba Corp. и NEC Electronics занимались разработкой совместно, в результате запущена массовая NAND флэш-память;
• Toshiba совместно с Sony планируют перевести на 45 нм процессор «Cell» к концу 2008г.;
• NEC планирует приступить к массовому производству 45-нм динамической оперативной памяти (DRAM) на 300 мм подложках к марту 2009г.;
• Компания Ситроникс (Зеленоград) приступит к разработке 65– и 45-нм чипов на 300 мм подложках с января 2008 г. и планирует начать их массовое производство с октября 2009г. (компания получила от МЭРТ 2.3 млрд. долл. на строительство фабрики по их производству; сегодняшний уровень Ситроникс – запуск 180-нм технологического процесса для смарт-карт в кооперации с компанией STMicroelectronics с планируемым их массовым производством к концу 2008г.)

Очевидно, в 2008г. конкуренция за преодоление 32-нм барьера станет еще более жесткой. Достижение 32-нм – не самоцель. «32 нм» позволит вдвое увеличить число транзисторов на чипе и снизить потребляемую мощность на 45%, (в сравнении с «45 нм»). Отсюда снижение стоимости устройств, дальнейшее совершенствование мобильных устройств.

Intel уже заявила о разработке 32-нм технологического процесса, изготовив 291 Мб статическую оперативную память (SRAM) с размером ячейки 0.18 мкм². Чип содержит 1.9 млрд. транзисторов.

IBM, еще не объявив о завершении 45-нм разработки, очевидно, решила дать бой компании Intel на 32-нм поле. Для ускорения работ создан альянс «IBM и партнеры» (другое название – Fishkill alliance, по месту проведения совместных работ в исследовательском центре IBM во Fishkill (N.Y.)). В альянс входят AMD, США; Chartered Semiconductor Manufacturing, Сингапур; Freescale Semiconductor, США; Infineon Technologies, Германия; Samsung, Ю.Корея; недавно присоединившаяся STMicro-electronics, Швейцария. По планам альянса технология "high-k/металлический затвор» с минимальным топологическим размером 32 нм будет готова во второй половине 2009 г. На IEDM’2007 альянс продемонстрировал в рамках 32-нм технологии 1.5 Мб статическую оперативную память (SRAM) с площадью ячейки менее 0.15 мкм². Они также ввели материалы с высоким k в 32-нм технологию кремния-на-изоляторе (SOI).

Гигантская кремниевая компания Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. (TSMC) на IEDM’2007 представила информацию об испытании полностью функционирующего прототипа 2 Мб SRAM чипа, изготовленного по 32-нм технологии (компания не использует материалы с высоким k).

AMD планирует начать производство своих 32-нм чипов с использованием материалов с высоким k в 2010 г. В настоящее время 70 инженеров компании сосредоточились на разработке технологии материалов с высоким k для 45– и 32-нм процессоров.

Судя по данным, представленным на IEDM’2007, лидеры (Intel, «IBM и партнеры», TSMC) наступают на пятки друг другу. Но, как отметил К. Mistry (вице-президент Intel), «период от сообщения о разработке SRAM на IEDM до серийного продукта не менее 2 лет и, как правило, размер серийной ячейки оказывается значительно большим». Он же уверяет, что 32-нм SRAM, заявленная Intel, это – не экспериментальная память, а законченная разработка.

Однако успех 32-нм технологии определят не только интеллектуальные усилия ученых. Не менее важным станет способность компаний вложить в разработку процесса значительные инвестиции. За последнее десятилетие стоимость строительства современной полупроводниковой фабрики выросла на 250%, а стоимость разработки современного микропроцессора возросла на 400%. Срабатывает правило – чем меньше, тем больше.

Стоимость разработки 32-нм технологического процесса оценивается аналитиками компании Gartner в 3 млрд. долл. (что в 2 раза выше стоимости разработки 65-нм технологии), а стоимость фабрики по выпуску 32-нм чипов оценивается в 3.5 млрд. долл.

Вот несколько цифр, отражающих финансовую ситуацию в преуспевающей современной полупроводниковой компании, способной выиграть конкуренцию за 32 нм: в 2006 г. доход Intel составил 35.4 млрд. долл., компания потратила на исследования и разработки 5.9 млрд. долл.

На фоне таких фантастических сумм становится объяснимым стремление злейших конкурентов к консолидации и сотрудничеству – совместные исследования и разработки; создание совместных текущих производств.

На фото – первый в мире полупроводниковый транзистор на прижимном контакте, изобретенный в 1947 г. Brattain’ом и Bardin’ом (Bell Labs). W.Shockley продолжил их работы и в 1948 г. зарегистрировал патент на изобретение транзистора. В 1956 г. W. Brattain, J.Bardin, W.Shockley получили Нобелевскую премию за исследование и разработку полупроводниковых транзисторов. Первый полевой транзистор (основа современных компьютеров) изобрел в 1960 г. John Atalla (рисунок был также в одной из работ Shockley)

В рамках новых технологических достижений (high-k, металлический затвор, напряженные слои кремния, иммерсионная 193-нм литография, кластерная имплантация, бездиффузионный высокотемпературный миллисекундный отжиг) 45-нм технология может быть традиционно масштабирована к размерам 32– 22– и даже 11 нм. Этот путь потребует все более гигантских финансовых вложений. Посему не менее интенсивно в ведущих компаниях ведутся исследования технологических вариантов «down-top». Но нужно признать, что здесь конец пути еще за горизонтом.

В ряде докладов на IEDM’2007 обсуждались результаты исследований квантовых наноструктур на гетеропереходах с квантовыми ямами и квантовыми точками и приборов на их основе, таких как лазеры, однофотонные эмиттеры, фотодетекторы. Их ближайшая перспектива – устройства отображения, биомедицина и газовые датчики.

На стадии глубокого исследования полевые транзисторы на квантовых проволочках и квантовых точках. Они найдут применение в следующих поколениях электроники. Обсуждался также вопрос о том, что «за пределами кремния» – германий, А³В⁵, углеродные нанотрубки, графен или другие молекулярные структуры? Итог панельной дискуссии на эту тему подвел Dimitri Antoniadis (профессор Массачусетского технологического института) следующей фразой – «Of course, declaring silicon dead is premature at best, so the timing of transitions will be dictated by the limits of our collective ingenuity in stretching the legs of the old warhorse»(не дословно это может прозвучать так: «Конечно, декларировать смерть кремния, по меньшей мере, преждевременно, переход к другим материалам будет диктоваться нашей коллективной изобретательностью в попытках оттянуть время, когда эта боевая лошадка протянет ноги». Эта точка зрения близка к «После кремния будет снова кремний» (академик К.А. Валиев в одном из давних интервью).

¹

Материал подготовлен на основе ноябрьских и декабрьских сообщений сайтов http://www.eetimes.com/ и http://www.semiconductor.net/