рис. 1,2,3
С
момента первой публикации статьи из цикла
“В недрах микросхем” прошел год. За это
время развитие микроэлектронной индустрии
не останавливалось ни на одну секунду.
Сегодня я постараюсь вкратце изложить суть
основных новых и популярных старых
технологий, не загружая вас техническими
терминамиJ.
Начнем
с недавно нашумевшей технологии “растянутый
кремний”.
Совершенству
нет придела! Каждый раз, когда инженеры
подходят к физической грани, переступить
которую не позволяют законы физикиJ,
и возникает вопрос - неужели дальнейшее
развитие невозможно? В этот момент
появляется человек, который предлагает
изменить подход к существующим технологиям
и предлагает оригинальное решение.
Физический предел снова отодвинут, но как
долго инженеры смогут находить “новый”
поход к старым технологиям пока не известно.
Одним
из таких подходов является технология
разработанная корпорацией IBM, которая
называется “растянутый кремний” или как
ее еще называют на западе “strained silicon”.
Эта технология официально была
представлена 9 сентября 2003 года. По
заявлениям IBM, она позволяет поднять
производительность микропроцессоров до 35%,
при этом должен снизится уровень
энергопотребления.
Суть
технологии лежит в увеличении расстояния
между атомами кремния. Для этого используют
материал, у которого расстояние между
атомами больше чем у кремния и “соединяют”
кристаллические решетки. Например, на
рисунке 1 показано две кристаллические
решетки – кремния (внизу) и растягивающего
материала (например, германия) - сверху. При
сведении этих материалов на расстояния не
превышающих межатомные, между ними
возникает взаимодействие (рис 2). Эти
межатомные силы вызывают искажение
строения кристаллической решетки и
расстояние между атомами на приконтактном
участке изменяется (рис 3).
рис. 1,2,3
Увеличение
межатомных расстояний в кремнии приводит к
уменьшению сопротивления прохождения
основных носителей тока (см. литературу [2,3]),
что приводит к уменьшению сопротивления
канала под затвором и как следствие
уменьшение задержек в передача тока (скорость
света тоже имеет физическую границуJ).
При этом также уменьшается тепловыделение
при прохождении тока.
Какой
результат? Не меняя технологические нормы
(90 нм или 130нм) можно еще немного повысить
рабочую частоту чипов и снизить их
тепловыделение, вырастив лишь
еще один слой на подложке кремния (рис 4).
рис. 2.
Технология
растянутый кремний разрабатывалась
преимущественно для использования
совместно с технологией кремний на
изоляторе [3], которая в свою очередь
позволяет выращивать элементы микросхемы
не только в одной плоскости (приповерхностном
шаре), как это было раньше, но и на
поверхности подложки в несколько слоев.
По
словам представителей IBM увеличение
производительности путем уменьшения
размеров отдельных элементов практически
подошло к границе, так как размеры
отдельных элементов становятся
практически соизмеримы с размерами атомов,
а переход на новый (более точный)
технологический процесс приводит
к все большим затратам на
переоборудование существующих
производственных мощностей. На сегодняшний
день для основных гигантов индустрии это
обходится в миллиарды условных енотовJ.
Но, по словам IBM для перехода на новую
технологию “растянутый кремний” их
производственные мощности кардинальным
образом переоборудовать не придется.
Однако в корпорации полагают, что новый
метод изготовления микросхем будет
использован в промышленном производстве не ранее чем через
два - три года, хотя в начале 2004 года
предполагается появление первых
рабочих микросхем. Ну что ж, будем ждатьJ!
Тем,
кто стал неравнодушен к этой технологии,
советую посетить официальный сайт IBM:
www.ibm.com
или www.ibm.com/ru/,
там вы найдете много красивых фотографий на
эту тему.
Но
не только на западе изобретают
оригинальные решения, и у нас в СНГ есть
свои открытия.
Альтернатива
“растянутому кремнию”
Бродя
по просторам необъятной всемирной паутины,
я наткнулся на информацию о том, что
специалистам института микроэлектроники и
информатики Российской Академии Наук
совместно с западными коллегами из
Великобритании удалось разработать новую
технологию получения основного на
сегодняшний день элемента – транзистора,
без применения ранее рассмотренной
технологии растянутого кремния или
дальнейшей миниатюризации.
По
словам инженеров, переход от равномерной к
периодически меняющейся (с периодом меньше
100 нм) концентрации примесей приводит к
повышению подвижности дырок и электронов, и
как следствие – уменьшение задержек при
распространении сигнала.
Специально для этого технологического
процесса была разработана новая
модификация ионной камеры. При перемещении
(точнее пролетанииJ)
атомов кремния от источника до подложки (мишени),
они слегка сталкиваются, взаимодействуют
между собой и образуют на положке
волнообразную структуру. Используя эту
технологию, по словам разработчиков, можно
достичь 8 нм технологический процесс (сейчас
“гиганты” начинают переход с 130 нм на 90 нм).
Что
можно сказать? Хорошая разработка, главное
чтобы она не осталась незамеченной, как
многие интересные проекты отечественных
инженеров.
И
на последок я хочу ознакомить вас с
принципом работы FLASH памяти, которая сейчас
набрала большую популярность.
FLASH
– базовый принцип работы
Для
того чтобы понять работу FLASH памяти
рассмотрим устройство элементарной ячейки
памяти основанной на всем нам известном
полевом транзисторе [3].
Этот транзистор отличается от обычного
наличием электрически изолированного слоя
поликремния под затвором (рис 5). Напомню,
что “поликремний” или “поликристаллический
кремний” – это вещество схожее по
свойствам с обычным монокристаллическим (“моно”
- один) кремнием, но как следует из названия,
не имеет строго-определенной
кристаллической решетки. В микроелектроной
промышленности поликремний получают
выращиванием кремния на
поликристаллической поверхности, в нашем
случае - это находящийся на поверхности
подложки оксид кремния (SiO2).
рис.
5
Для
того, чтобы занести нужные данные в ячейку,
нужно приложить между стоком и истоком
определенный потенциал. При этом
электронны получают значительную энергию и
некоторые таким образом преодолевают “барер”
слоя оксида кремния и попадают в
поликремний. Для дальнейшего перемещения у
электронов не будет достаточной энергии и
они остаются “запертыми” в
поликристаллическом слое – “плавающем
затворе”. После снятия напряжения,
потенциал “плавающего затвора” остается
стабильным (читай постоянным) в течении
длительного периода – десятки лет. Так как
в нашем мире нет ничего идеального и оксид
кремния не идеальный диэлектрик, то через
него протекает очень незначительный поток
электронов и потенциал плавающего затвора
уменьшается. По проведенным тестам, сейчас FLASH
память
способна
сохранять
информацию до пятидесяти - ста лет, а иногда
и больше. Поэтому сейчас вопросу “утечку
информации” приделяют не очень много
внимания.
Итак,
информация записана, теперь ее нужно
считать. Как вы помните полевой транзистор
это прежде всего “ключ” который
открывается при приложении определенного
потенциала –порогового напряжения к
затвору. Это потенциал зависит от
концентрации основных и неосновных
носителей в области канала (в
полупроводнике под затвором), расстояния от
затвора до полупроводника, потенциала (заряда)
диэлектрической области под затвором. Так
как первые два параметра остаются
постоянными в конечной микросхеме, то
потенциал под затвором в технологии FLASH
может меняться, так как это ни что иное, как
потенциал плавающего затвора. Теперь
остается лишь точно измерить пороговое
напряжение, который необходимо приложить
для возникновения канала (замыкания ключа)
и на основе полученных данных сделать вывод,
какой бит информации здесь записан: 0 – если
заряд есть (пороговое напряжение
составляет приблизительно 5В или выше) или 1
– если его нет (если пороговое напряжение
меньше 3В). Я думаю вам все понятноJ!
Как
вы заметили, при чтении информации мы
замеряли пороговое напряжение, а кто сказал,
что оно должно быть 3В или 5В? Оно зависит от
заряда плавающего электрода, и если заряд
строго дозировать, то и пороговое
напряжение можно достаточно точно задать.
Отсюда вывод: FLASH память
является не цифровой (способной хранить в
одной ячейке памяти один бит – 0 или 1) а
аналоговая, способная хранить столько
разных потенциалов, сколько электронов
будет помещено в плавающий затвор.
К
сожалению, из-за наличия токов утечки и
несовершенства (читай - дороговизны) схем
считывания записать столько цифровой
информации сейчас невозможно, хотя
существуют аналоговые запоминающие
устройства, например цифровые диктофоны.
Используя
то свойство памяти, что она аналоговая,
корпорация Intel (www.intel.com,
www.intel.ru)
создала память, у которой в одной ячейке
может размещается не один, а два бита
информации. В этой технологии при
считывании информации различают четыре
пороговые напряжения, к примеру 2В
соответствует двум битам
установленным в 11; 3В – 10; 4В – 01; 5В – 00.
Совершенствуя
технологический процесс появляется
возможность уменьшить разброс пороговых
напряжений для одинакового состояния всех
ячеек, что позволяет либо снизить рабочее
напряжение питание либо увеличить
количество бит, которые смогут быть
записанными в одну ячейку.
На
сегодня все, жду от вас писем. И да будут
ваши полупроводники прохладнымиJ.
Тем,
кто не прочитал предыдущие статьи, сообщаю
координаты:
“В недрах микросхем”
Использование материала без разрешения автора ЗАПРЕЩЕННО!