Что будет с микроэлектроникой в ближайшей (до 2018 г.) и отдаленной (до 2026 г.) перспективе? Какие технологии будут доминировать? Об этом специалисты думают уже сейчас.
Ассоциация Semiconductor Industry Association (SIA) опубликовала план ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors – «Международный проект развития полупроводниковых технологий»), который был представлен в Инчхоне, Южная Корея, в декабре прошлого года. Этот проект поддерживается странами Европы, Японией, Кореей, Тайванем и США, а за его выполнением следит ассоциация SIA – рупор американских производителей полупроводников.
Значение проекта ITRS
Предусматривая решение вопросов на ближайшую (до 2018 г.) и отдаленную перспективу (2019–2026 гг.), а также инновационное развитие отрасли, этот план представляет видение того, в каком направлении пойдет проектирование и производство полупроводников до 2026 г. Цель этого плана – предвидеть возможные трудности, чтобы позволить отрасли и сообществу разработчиков своевременно с ними справиться. Одной из главных проблем, стоящих перед индустрией, является её способность идти в ногу с законом Мура (см. рис.), т.е. обеспечить соответствующее увеличение производительности систем при снижении размеров полупроводниковых элементов.
 |
Закона Мура пока ещё работает
Каждая рабочая группа ITRS координирует работу коллективов специалистов, которые составляют отчеты о текущем состоянии технологии, проблемах ее реализации, перечисляют насущные потребности, предлагают потенциальные решения и области инновационного развития. В этих отчетах даются общие направления развития всей индустрии с точки зрения технологических перспектив, но без учета коммерческой составляющей. Проект ITRS служит руководством для разработки корпоративных стратегических планов и программ развития бизнес-подразделений. Он позволяет оценить время на освоение планов по созданию оборудования, освоению производственных технологий и разработке материалов с учетом показателей производительности и рентабельности, тенденций развития производства, отраслевых циклов и экономических моделей.
 |
Типичные этапы разработки и производства микроэлектронной продукции. От идеи до выхода на коммерческое производство может уйди до 10 лет (120 месяцев по горизонтальной шкале этого графика).
Главные задачи на краткосрочный период (до 2018 г.)
Проект ITRS должен учитывать требования новой эпохи, когда будут достигнуты теоретические пределы масштабирования КМОП-структуры. В связи с этим отрасли предстоит решить такие проблемы как формирование рисунка на пластинах, усовершенствованные материалы, проектирование непланарных структур, токи утечки через переход, управление техпроцессом и технологичность.
Масштабирование планарных КМОП-структур будет сопряжено со значительными трудностями, т.к. стандартные методы уменьшения изолирующего слоя затвора, его длины и повышение концентрации примесей в канале скоро не будут отвечать требованиям приложений по таким показателям как производительность и энергопотребление. Для решения этой задачи помимо совершенствования управления техпроцессом потребуется создание новых архитектур устройств.
В ближайшей перспективе в области методов проектирования останутся такие задачи как управление питанием, проектная производительность и проектирование с учетом технологических требований. Проектная производительность продолжает оставаться в центре внимания стратегического плана развития отрасли, т. к. экономические показатели масштабирования зависят, главным образом, от возможности вывести новую электронную продукцию на рынок с низким риском за меньшее время. С точки зрения вариативности производственных технологий и надежности схем, проектная производительность неразрывно связана с необходимостью совершенствования дизайна с учетом технологических требований. В то же время энергопотребление стало ключевым техническим параметром, который определяет возможность масштабирования полупроводников. Вопрос управления питанием электронных устройств стал настолько важным, что стратегия совершенствования технологий проектирования энергоэффективных устройств была включена в раздел проекта ITRS Design. Помимо того, концепция More-Than-Moore (период времени после прекращения действия закона Мура – новая область микро- и наноэлектроники, которая реализуется с помощью методов, отличающихся от традиционных полупроводниковых технологий и приложений) становится необходимым компонентом масштабирования полупроводниковой продукции. Наконец, в документе ITRS большее внимание стало уделяться гетерогенным системам, в т. ч. РЧ- и аналого-цифровым блокам.
 |
Текущие планы по освоению производства чипов на 450-мм кремниевых пластинах
Главные задачи на долгосрочный период (после 2019 г.)
В долгосрочной перспективе потребуется, в первую очередь, решить такие задачи как снижение токов утечки. В противном случае придется отказаться от самого КМОП-процесса, как в свое время это пришлось сделать с биполярной технологией. Мощность утечки экспоненциально изменяется в зависимости от таких основных параметров как длина затвора, толщина слоя подзатворного диэлектрика и пороговое напряжение. В результате серьезно осложняется задача масштабирования технологии и увеличивается ее вариативность. Токи утечки могут возрастать на порядок с каждым новым поколением миниатюризации устройств, что побуждает совершенствовать методы проектирования.
В долгосрочной перспективе основное внимание будет уделено проектным технологиям, включая проектирование параллельно работающих программ и проектирование с учетом технологических требований и повышения отказоустойчивости. В эпоху систем на кристалле для успешной реализации схемы в равной степени важны и программное, и аппаратное обеспечение. По мере всё меньших геометрических размеров элементов и расстояния между ними, увеличения количества функций в кристалле, способность системы противостоять разрушению и ошибкам, вызванным вариациями параметров, а также длительный срок службы изделий станут определяющими требованиями приложений.
Другие разделы документа
В проекте ITRS детально рассматриваются основные вопросы совершенствования памяти, МЭМС и датчиков. Дальнейшей разработке DRAM-памяти в этом проекте уделяется особое место, поскольку её модернизация ускорит внедрение таких систем как высокопроизводительные серверы и графические процессоры высокой сложности для игровых консолей.
Флэш-памяти также отводится особая роль, т. к. она используется в мобильных устройствах – цифровых камерах, планшетах и сотовых телефонах, которые по объемам продаж уже обгоняют традиционные компьютеры. Ожидается, что флэш-память будет ускоренно совершенствоваться в течение ближайших двух лет, а появление трехмерных ИС (предположительно в 2016 г.) расширит возможности микросхем памяти для потребительских устройств.
Кроме того, в планах ITRS предусматривается дальнейшее развитие схем межсоединений, ключей, устройств и нанотехнологических материалов, а также РЧ- и аналого-цифровых технологий.
В документе ITRS рассматриваются не только вопросы масштабирования и повышения производительности, но и модели расширения возможностей сложного производства и технологий измерения для изготовления компактных и более энергоэффективных полупроводников. Должное внимание в ITRS отводится вопросам экономичного производства и сбережения ресурсов, успешное решение которых позволит в лучшей мере отвечать быстро меняющимся требованиям в области инновационного проектирования.
В ITRS рассмотрены также вопросы применения неклассических КМОП-материалов; идентификации, выбора и реализации новых структур памяти; предстоящие задачи в области РЧ- и аналого-цифровых технологий; переход от традиционного к эквивалентному масштабированию.
В разделе «Emerging research devices» представлена перспектива развития новых технологий памяти, логических устройств и устройств для обработки данных. Этот раздел является связующим между КМОП- и наноэлектронными устройствами. В разделе рассматриваются две области, определяющие технологии на перспективу: 1) расширение функционала КМОП-платформы за счет масштабирования и гетерогенной интеграции новых технологий; 2) создание новой парадигмы обработки информации. Связь между двумя этими областями схематично иллюстрируется на следующем рисунке.
 |
Связь между областями More Moore, More-than-Moore и Beyond CMOS
Расширение КМОП-платформы за счет стандартных методов изменения геометрических размеров элементов и функционального масштабирования носит название «More Moore» (область, где закон Мура ещё работает). Далее КМОП-платформа эволюционирует в направлении технологий «More-than-Moore». Этой теме посвящена отдельная часть главы, где поясняется, что добавленная стоимость устройств обеспечивается за счет реализации функциональных возможностей, которые могут и не изменяться по закону Мура. С другой стороны, новые средства обработки данных и архитектуры, которые чаще всего относят к области технологий из области «Beyond CMOS» («за пределами КМОП»), остаются главным предметом этого раздела. Гетерогенная интеграция областей «Beyond CMOS» и «More-than-Moore» в область «More Moore» позволит расширить функционал КМОП-платформы, благодаря чему ее можно будет отнести к области «Extended CMOS» («КМОП-технология с расширенным функционалом»).
 |
 |
Тенденции и прогнозы по уменьшению минимальных технологических размеров на микросхемах DRAM и флеш-памяти (верхний рисунок) и вычислительных устройств (процессоров) с 1995 по 2030 гг.
В разделе «Front End Processes» рассматриваются будущие требования к технологическим процессам и возможные решения для масштабирования MOSFET, запоминающих конденсаторов DRAM и энергонезависимой памяти. Основное внимание в этом разделе направлено на определение комплексных требований и возможных решений для ключевых производственных технологий предварительной обработки кремниевых пластин, а также используемых материалов.
 |
Ближайшая эволюция ключевых технологических решений в кремниевой микроэлектронике
В других разделах документа ITRS рассматриваются вопросы литографии, межсоединений, увеличения выхода годных, моделирования и симуляции и др.
С полным текстом отчета ITRS (на англ. языке) можно ознакомиться на сайте www.itrs.net по ссылке.
Читайте также:
Полупроводниковая отрасль неизбежно станет расти
Тенденции развития встраиваемых многоядерных СнК следующего поколения