Нанотехнологии гарантируют будущее полупроводниковых технологий

Сунлинь Чжоу, старший вице-президент корпорации Intel, генеральный директор подразделения Technology and Manufacturing Group, который 29 октября выступит с докладом на Форуме Intel для разработчиков в Москве, рассказывает о том, как отодвинуть пределы возможного.

В прошлом году в нескольких крупных изданиях, включая газету «Washington Post», были опубликованы статьи о работе профессора Университета Делавэра Ричарда Вула, который изучал возможность использования... куриных перьев в качестве замены кремнию при производстве полупроводников.

Хотя исследования Вула и показали, что микросхемы, при создании которых использовалось сырье из куриных перьев, обладают некоторыми положительными свойствами, старший вице-президент корпорации Intel, генеральный директор подразделения Intel Technology and Manufacturing Group (TMG) Сунлинь Чжоу утверждает, что именно кремний - а не перья и никакие другие материалы - останется основой для производства полупроводников в течение обозримого будущего. Уверенность Чжоу основана на результатах исследований, проведенных корпорацией Intel совместно с крупнейшими университетами, включая Беркли и Кембридж.

Нанотехнологии - будущее полупроводниковых технологий

Оппоненты пророчат скорую кончину полупроводниковой технологии на основе кремния едва ли не с самого зарождения "кремниевой" индустрии. Сколько раз они торжествовали, утверждая, что Intel и другие компании-производители "традиционных" полупроводников будто бы дошли до неизбежной границы возможного - рубежа, когда кремниевая полупроводниковая технология достигает объективного физического предела. Однако в течение нескольких последних лет, по словам Чжоу, исследователи в Intel и других организациях нашли и сегодня продолжают изыскивать новые возможности использования новаторских технологий, отодвигая границу применимости кремния все дальше и дальше. Большие ожидания Intel в этом плане связаны с так называемыми нанотехнологиями.

Нанотехнология включает в себя производственно-технологические процессы, материалы и структурные схемы устройств, используемые для создания транзисторов и элементов схем размером менее 100 нанометров (одной десятимиллионной части метра). Первые транзисторы размером менее 100 нм корпорация Intel произвела около четырех лет назад, а в этом году она начнет производство уже 50-нм транзисторов на основе 90-нм технологии.

Человеческий волос толще одного такого транзистора примерно в тысячу раз, хотя, по мнению Чжоу, волос человека в качестве сравнительного атрибута уже устарел. Говоря о транзисторах, главный производственный технолог Intel предпочитает сравнивать их размеры с величиной вирусов - мельчайших микроорганизмов, поскольку некоторые слои материала, из которого состоит транзистор, даже тоньше, чем диаметр вируса. Так, оксидный затвор транзистора состоит примерно из пяти атомарных слоев, общая толщина которых чуть больше одного нанометра.

"Может показаться, что чем меньше окажутся устройства, тем труднее будет управлять их работой, - говорит Чжоу, опровергая один из наиболее популярных в кругах скептиков аргумент. - На самом же деле в области нанотехнологий может наблюдаться обратный эффект. С уменьшением размеров устройств в игру вступают новые физические механизмы, и на практике устройства могут начать вести себя даже лучше. Они могут пропускать больше тока, а не меньше, вопреки предположениям традиционной физики. В этом-то и заключается прелесть нанотехнологий, которые позволяют открыть много самых неожиданных эффектов и возможностей".

Одной из методик, используемых корпорацией Intel для ускорения перехода на 50-нм транзисторы, является использование напряженного кремния. Говоря простым языком, на молекулярном уровне кремний похож на решетку. Эта решетка "натягивается" - или напрягается, - позволяя электронам передвигаться быстрее с меньшим сопротивлением. Это, в свою очередь, позволяет изготавливать более быстродействующие транзисторы, из которых создаются более производительные микросхемы. Подобный эффект известен уже много лет, однако корпорация Intel стала первой, задействовавшей его в массовом производстве. По мере снижения эффективности традиционных методов "ускорения" транзисторов, эта новая методика позволит корпорации Intel упрочить лидерство в сфере производительности транзисторов.

По словам Чжоу, основой для будущих открытий и прорывов станут значительные достижения специалистов корпорации Intel в долгосрочных научных исследованиях и разработках. Эти разработки включают в себя изготовление экспериментальных транзисторов размером около 10 нм (предполагается, что в ближайшие 10 лет транзисторы уменьшатся примерно до такого размера). По словам Чжоу, даже столь малые транзисторы ведут себя достаточно предсказуемо, и изучая их, корпорация Intel сможет ещё до начала массового производства определить те улучшения, которые необходимо будет внести.

Постоянный инновационный поиск привел корпорацию Intel к разработке транзистора с тройным затвором. В нем используется новаторская трехмерная структура затвора, позволяющая току течь и по верхней поверхности, и по боковым вертикальным сторонам транзистора, что эффективно утраивает его активную площадь. "Транзистор с тройным затвором помогает находить решение некоторых проблем, связанных с масштабированием, - говорит Чжоу. - После смены примерно пары поколений производственных процессов мы с успехом сможем применить этот новый тип структуры транзистора". На горизонте также забрезжили наномикросхемы и нанопровода - структуры, которые можно будет интегрировать с будущими технологиями на основе кремния в качестве новых форм проводников (межкомпонентных соединений) или транзисторов.

"Ещё рано делать точные прогнозы в отношении того, насколько наши исследования окажутся успешными, но мы уже сейчас ведем работы с несколькими университетами, - говорит Чжоу. - Когда у нас будет достаточно первых результатов университетских исследований, мы сможем выбрать наиболее перспективные направления и сфокусировать на них наши собственные внутренние программы".

Главная задача - интеграция

Чжоу предполагает, что полупроводниковая индустрия будет развиваться в сторону постепенного внедрения новых материалов. Примером данной тенденции является недавний переход с алюминиевых соединений на медные. Ещё один пример - корпорация Intel уже работает над так называемым "диэлектриком с высоким коэффициентом k", который придет на смену диоксиду кремния в структурах затвора транзистора. Это, по словам Чжоу, позволит сократить утечку тока на затворе. Изучение нанотехнологий позволяет открывать новые полезные материалы и создавать новые устройства, причем гораздо практичнее внедрять эти инновации в серийное производство на базе кремниевых технологий, под которые уже создана массивная инфраструктура, нежели пытаться создать совершенно новую инфраструктуру. Вот почему, говорит Чжоу, маловероятно, что в ближайшее время появится какая-то новая базовая технология, способная заменить технологию на основе кремния. К тому же даже на нынешнем уровне развития кремниевых технологий многие компании далеко не полностью выработали их производственный потенциал. Так, корпорация Intel смогла без проблем внедрить свой 130-нм процесс в массовое производство с высокой выработкой с начала 2001 г., тогда как многие другие участники индустрии, в том числе, имеющие собственные "литейные" заводы - foundry, или мегафабрики, на которых производится полупроводниковая продукция, - имеют низкую выработку на техпроцессе того же поколения. Также немногие производители полупроводников имеют достаточный резерв, чтобы перевести свои мощности на производство 300-мм кремниевых подложек и добиться за счет этого серьезного снижения себестоимости продукции, которого уже добилась корпорация Intel.

Другими словами, корпорация Intel преуспела во многом, в чем другие компании пока не смогли продвинуться, и именно поэтому вполне осознанно занимается исследованием будущих технологий. "Существует множество вариантов таких технологий, - говорит Чжоу. - Но лишь малая часть из них окажется успешной, исходя из задач массового производства". Например, многие новые материалы могут казаться привлекательными сами по себе, однако в рамках массового производственного процесса они будут неэффективны.

"Мы, пожалуй, лучше других в индустрии владеем навыками поиска инноваций, и это дает нам реальные преимущества, - говорит Чжоу. - Вот почему наш 130-нм процесс удалось внедрить так безболезненно, тогда как для других компаний этот переход стал сущим кошмаром. Сегодня к внедрению в массовое производство готов наш 90-нм процесс - мы опять впереди индустрии. Однако задача интеграции сложна даже для нас, и наш успех - это огромная заслуга таланта, образованности и самоотверженности наших специалистов по технологиям производства".

Метод, который позволяет достигать впечатляющих результатов и которым владеет корпорация Intel, прост: интенсивные инвестиции в научно-исследовательские проекты (в прошлом году корпорация Intel вложила в эту сферу около 4 млрд. долл., а в текущем году планирует инвестировать 4,2 млрд. долл.), а после того, как разработан надежный производственный процесс - его точное копирование на нескольких заводах. "Мы стремимся добиться высокой выработки, что позволяет решать все интеграционные проблемы ещё до начала развертывания производства", - говорит Чжоу. Впрочем, так было не всегда. Intel и прежде осуществляла значительные инвестиции в научно-исследовательские проекты, но на первых порах разработчики корпорации передавали специалистам по производству незрелые процессы с достаточно низким коэффициентом выработки. После того, как производственники получали технологию, им приходилось, по словам Чжоу, "латать, изменять её и зачастую работать над технологией годами, прежде чем она начинала давать высокую выработку". Ситуация изменилась в середине восьмидесятых. Разработчики корпорации Intel начали создавать процессы так, чтобы их можно было запускать в массовое производство сразу с высокой выработкой. "Более того, если разработчики все делали правильно, специалистам по производству, к которым попадал процесс, не нужно было возиться с ним, а можно было сразу приступать к внедрению", - рассказывает Чжоу.

Постоянное совершенствование - часть метода точного копирования (Copy-exactly), разработанного Intel. Усовершенствования тщательно проверяются на предмет "надежности" и внедряются один к одному на всех заводах для получения максимальных преимуществ.

По словам Чжоу, изменение методики в середине восьмидесятых стало тем самым переломным событием, которое помогло корпорации Intel занять положение лидера в технологиях и производстве. "Оно переопределило и расширило обязанности всех участников. Было крайне трудно, но результат был очень достойным. Другие компании пытались подражать нам, но я не знаю ни одной, которая делала бы это так же последовательно и эффективно, как мы. Именно прогрессивное мышление и действие будет стимулировать движение корпорации Intel вперед в течение многих лет в будущем", - говорит Чжоу.