Нанометры в микроэлектронике: физика, маркетинг и здравый смысл
Содержание
ToggleСовсем недавно Samsung Electronics триумфально объявила о начале серийного выпуска микросхем с использованием производственных норм 3 нанометра. Тайваньская TSMC, чья доля в мировых поставках полупроводников значительно больше, доводит до ума собственное 3-нм производство и вскоре также готова будет отгружать клиентам (в числе которых, кстати, Apple и Intel) первые литографированные по этому техпроцессу кремниевые пластины. В перспективе считаных лет миру обещаны и переход на 2-нм технологические нормы, и дальнейшая их миниатюризация — уже до единиц ангстремов (10 Å = 1 нм). Звучит действительно воодушевляюще, но как-то… нефизично, что ли?
Техника на грани фантастики
Вот если бы очередной техпроцесс именовался в соответствии с характерной величиной минимального по габаритам полупроводникового элемента, который удаётся при помощи данной технологии создать, всё было бы просто и очевидно: «22 нм» — значит, размер получаемого по этой производственной норме мельчайшего транзистора на микросхеме равен 22 нм, «3 нм» — значит, 3 нм. Просто, складно, легко запомнить. Увы, уже школьный курс физики даёт основания усомниться в наличии у единиц и тем более десятых долей нанометров — как обозначений технологических норм — прямого и явного физического смысла. Дело в том, что микропроцессоры сегодня массово изготавливают с применением фотолитографии: грубо говоря, засвечивают через маску-шаблон (и систему уменьшающих линз) кремниевую пластину со светочувствительным слоем на ней. А это, в свою очередь, значит, что минимально достижимый размер одиночного элемента на готовой микросхеме определяется законами оптики.
В массово применяемых сегодня чипмейкерами техпроцессах — от 22 до 7 нм — задействованы DUV-лазеры (глубокого ультрафиолетового диапазона — deep ultraviolet) с длиной волны 193 нм. Значит, транзисторы, получаемые при помощи этих лазеров и сложной оптики на поверхности кремниевой пластины, должны иметь характерный размер около 100 нм. Если же брать наиболее передовое на сегодня чипмейкерское оборудование, работающее в предельном ультрафиолетовом диапазоне (EUV — extreme ultraviolet) и ориентированное на техпроцессы под названиями «5 нм», «4 нм» и «3 нм», то оно литографирует полупроводниковые структуры, используя излучение с длиной волны 13,5 нм, — то есть законы оптики диктуют предельное разрешение для него на уровне 7-8 нм. Возникает парадоксальная ситуация, как если бы тупой увесистый колун служил главным инструментом для выполнения тончайшей резьбы по слоновой кости. Что-то тут явно не сходится: трудно допустить, что обозначение «х нм» напрямую соответствует наименьшему размеру какого-то физического элемента полупроводниковой микросхемы.
Справедливости ради отметим, что Intel ещё в прошлом году отказалась от использования термина «нанометр» для обозначения своих техпроцессов, поменяв «10 нм» на «Intel 7», «7 нм» на «Intel 4» и так далее. Да и TSMC всё чаще говорит о грядущих 3-нм производственных нормах как о «процессе N3», также избегая упоминать единицы измерения. И всё же это не отменяет путаницы с нанометрами — скорее даже размывает и без того нечёткие границы между различными технологическими нормами.
Углерод и нанометры
Сомнительность прямолинейного толкования маркетинговых терминов вроде «3 нм» наглядно иллюстрирует следующий пример. В середине 2022 г. команда исследователей из Международного центра наноархитектоники материалов (WPI-MANA) сообщила о создании первого в мире транзистора с физическим характерным размером (длиной канала, по которому пропускается ток при открытом затворе) 2,8 нм. Притом объявление это прозвучало почти на месяц позже, чем Samsung Electronics заявила о начале серийного выпуска чипов по 3-нм технологическим нормам.
Теперь понятно, зачем инженерам из WPI-MANA понадобился ПЭМ: принцип его действия — пропускание сквозь тонкий образец пучка электронов с последующей его фокусировкой и регистрацией. При этом высокоэнергетичный пучок, разумеется, может непосредственно воздействовать на облучаемые структуры: в частности, деформировать стенки нанотрубок — имеющие, напомним, толщину ровно в один атом углерода. В результате часть исходно металлической нанотрубки под воздействием ПЭМ становится полупроводниковой. Дальнейшее — дело техники: чтобы получить полевой транзистор, необходим полупроводник, включённый в электрическую цепь, и управляющий состоянием этого транзистора затвор. Как раз подвергнутый воздействию электронного пучка фрагмент металлической углеродной нанотрубки и становится полупроводниковым каналом — это его характерная длина, 2,8 нм, указана в сообщении WPI-MANA как физический размер полученного транзистора.
И всё было бы замечательно — вот он, вожделенный подлинно наноразмерный базовый элемент интегральной микросхемы! — но не стоит забывать, что речь идёт о лабораторном эксперименте, а не о разработке новой серийной технологии. Поскольку в типичном современном процессоре число транзисторов может достигать 50 миллиардов (например, столько их в выпущенном в 2021 г. чипе Tesla D1, предназначенном для решения задач машинного обучения), изготавливать их по отдельности с применением ПЭМ — явно не лучший вариант с точки зрения массового производства. Да, процедуру можно автоматизировать, доверив командование микроскопом некой машине с числовым программным управлением, но принципиально скорости это не прибавит. Актуальные на TSMC, Samsung Electronics, SMIC и иных предприятиях технологии основаны на другом принципе, по сути аналоговом: на фотолитографии. И что в этом случае означает обозначение производственной нормы «22 нм» или «7 нм» — по последней, кстати, и был изготовлен упомянутый процессор Tesla D1 — по-прежнему остаётся вопросом.
Светить сюда
Как уже было сказано, фотолитографический процесс очень похож на классическую аналоговую фотографию — из тех ещё времён, когда фотоснимки получали на стеклянных пластинках. Главный по соотношению цены, доступности и рабочих характеристик полупроводниковый элемент в ИТ-отрасли сегодня — кремний, вот почему основой для фотолитографии становится кремниевая пластина.
На её поверхность наносят слой светочувствительного материала (фоторезист), 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. Громоздкая, сложная и дорогостоящая система линз в современных литографических машинах успешно борется с обратной засветкой и дифракцией и — благодаря неимоверным техническим ухищрениям — позволяет достигать физического разрешения не в половину, а примерно в четверть длины волны используемого излучения. Засвеченные участки покрытия меняют свои физические свойства, и их смывают особыми химикатами. Таким образом формируется первый слой будущей сверхбольшой интегральной схемы (СБИС).
Одной экспозицией дело не ограничивается: чтобы сформировать даже отдельный полевой транзистор, необходим слой диэлектрической подложки, слой с управляющим затвором, собственно полупроводниковый канал, металлические межсоединения… Для каждого слоя — свой цикл нанесения фоторезиста, засветки и смывки; ну и свой фотошаблон, а то и не один. И это только для классических, одноуровневых микросхем, тогда как существенно многослойные СБИС вроде актуальных чипов флеш-памяти 3D NAND могут содержать под 200, а то и больше уровней полнофункциональных транзисторных ячеек.
В то же время поступательное сокращение технологических норм — удовольствие недешёвое. Один современный EUV-фотолитограф голландской компании ASML обходился заказчикам в начале 2022 года примерно в 200 млн долларов США (сегодня, надо полагать, ещё дороже). Чего ради городить столь недешёвый огород?
Учение Мура всесильно, но есть нюанс
Всё дело, конечно же, в экономической целесообразности: чем меньше размеры единичного транзистора, тем выше плотность размещения полупроводниковых структур на поверхности будущего чипа. Когда в 1965 г. Гордон Мур, в то время директор по НИОКР в компании Fairchild Semiconductor, формулировал своё знаменитое эмпирическое правило, известное ныне как «закон Мура», он прямо указывал: «Себестоимость полупроводникового элемента с немалой точностью обратно пропорциональна количеству компонентов на СБИС».
Поразительная ситуация: в выигрыше остаются все! Разработчики чипов, изготовители микросхем, поставщики оборудования для этой индустрии, программисты всех мастей, дистрибьюторы и продавцы — а в итоге ещё и конечные пользователи, которым всё это великолепие (включая новое ПО, запускать которое на прежнем «железе» было бы нецелесообразно) достаётся.
Каждый новый этап технологического прогресса в микроэлектронике одних обогащает, другим предоставляет ещё более обширные возможности, третьим просто позволяет заниматься любимым делом за достойную плату. Неудивительно, что за последние полвека с лишним цифровизация всего и вся развивалась настолько бурно: чем больше потенциальных сфер применения вычислительной техники, тем шире рынок сбыта микросхем — и тем выгоднее всем причастным к их разработке, производству, продаже и применению, чтобы закон Мура продолжал соблюдаться. Фактически сложились все предпосылки для превращения подмеченной Гордоном Муром эмпирической закономерности в самосбывающееся пророчество: в середине 1960-х раз в год, а примерно через десять лет уже раз в два года число транзисторов на наиболее передовых на данный момент микросхемах непременно должно было удваиваться. Это оказалось настолько экономически оправданно, что под «закон Мура» верстались планы расширения полупроводниковых производств и оборудования для них, планировались сроки выпуска новых чипов и устанавливались целевые показатели для отделов продаж.
Увы, начиная со сравнительно недавних пор в свои права начала вступать физика: габариты отдельных транзисторов слишком опасно приблизились к пределу, отделяющему привычный нам макромир от области действия квантовых эффектов, которая подчиняется совсем иным законам. Примерно в 2012 году перестал расти важнейший для всей ИТ-отрасли экономический показатель — количество транзисторов (в составе актуального на данный момент чипа), которые можно приобрести на один доллар, а ещё в начале 2000-х фактически на плато вышли предельно достижимые тактовые частоты процессоров и их теплопакеты под регулярной нагрузкой.
Прощание с физическим смыслом
Тем не менее «закон Мура» в формулировке 1975 года более или менее продолжал выполняться по меньшей мере до 2019-го (когда о его скорой деактуализации заявил, в частности, глава NVIDIA). Если принять размер передового в каждом поколении ЦП за постоянную величину, то удвоение числа транзисторов на этом чипе — допустим, их там равное количество по горизонтали и по вертикали — будет соответствовать уменьшению характерных размеров каждого из них примерно в 0,7 раза (обратная величина к квадратному корню из двух).
Изначально в терминах ITRS производственная норма (process node) определялась как наименьший половинный зазор (half-pitch) между контактными металлическими дорожками на самом нижнем уровне изготавливаемого по методу фотолитографии полупроводникового чипа. Физический смысл в таком определении прослеживается: для СБИС в целом важны не сами по себе габариты отдельных её элементов, а возможность уверенно разделять проводники (дорожки) и полупроводники (транзисторы), чтобы те и другие исправно работали должным образом.
Однако уже начиная с техпроцесса 45 нм, внедрённого в 2007 году, с физическим смыслом пришлось распрощаться. Именно тогда инженеры Intel создали традиционный планарный транзистор с длиной затвора 25 нм — а дальше, как выяснилось, уменьшать этот габарит не представляется возможным. Если не переходить от кремния к другим полупроводникам, конечно, — но это означает коренную перестройку всей микропроцессорной индустрии, на что пока ни решимости, ни денег у крупных игроков определённо нет.
Нужно меньше ангстремов
Оставим пока в стороне вопрос о том, как именно получить на кремниевой пластине 25-нм полупроводниковый элемент, используя 193-нм лазер (это непросто, но физически достижимо), и поясним, почему 25 нм — непреодолимый предел для размера транзисторного затвора. Всё дело в физике: чтобы полупроводниковый прибор работал как должно, необходимо не допускать электрического пробоя его затвора в закрытом состоянии. По целой совокупности причин для основанного на кремнии (даже с рядом улучшающих его свойства присадок) полупроводника невозможно более, чем это было достигнуто в 45-нм техпроцессе, снижать рабочее напряжение, сокращать длину затвора и наращивать концентрацию примесей, препятствующих самопроизвольному прохождению заряда через канал (пробою).
Иными словами, после фактического достижения длины канала в 25 нм на этапе 45-нм техпроцесса номенклатура техпроцессов по ITRS перестала соответствовать половинной ширине зазора между контактными дорожками — и маркетинговое наименование последующей технологической нормы, начиная с «32 нм», получалось простым умножением предыдущего на 0,7 с округлением.
Вот почему после 2012-го название производственной нормы в микроэлектронике, по сути, не имеет уже реальной связи с какими бы то ни было физическими размерами отдельных элементов на поверхности полупроводникового кристалла. Более-менее выдерживается темп внедрения новых техпроцессов — правда, за последние годы он по объективным причинам несколько отстаёт от заявленной в «законе Мура» одной пересменки в два года. Примерно сохраняется и курс на удвоение числа транзисторов в новейших микросхемах, а маркетинговое название очередной новой нормы получается путём безыскусного умножения наименования предыдущей на 0,7.