Лекция 3. Особенности инсталляции современного оборудования оптической фотолитографии, состав его основных систем, принципы его управления и диагностики (стр. 4 )

Лекция 6. Методика определение себестоимости операций оптической фотолитографии

Закон Мура описывает эволюцию микроэлектронного производства (технологии и изделий микроэлектроники) уже более 35-ти лет, и вера в него производителей ИМС достигла такого уровня, что на основе этого закона делаются производственно санкционированные прогнозы (roadmaps) в будущее на ближайшие 15 лет. Национальный технологический прогноз для полупроводниковой промышленности США (NTRS - The National Technology Roadmap for Semiconductors) был впервые разработан ассоциацией полупроводникового производства (SIA - Semiconductor Industry Association) в 1992 году, чтобы служить в качестве производственного стандарта закона Мура.

Проверка и корректировка этого технологического прогноза (NTRS) осуществлялась в версиях 1994 года и 1997 года, а с 1999 года технологические прогнозы на основе закона Мура стали международными (ITRS - The International Technology Roadmap for Semiconductors). В последних версиях ITRS  прогнозируется развитие микроэлектронного производства до 2024 года на основе закона Мура.

Исторически, в соответствии с законом Мура, переход от одного уровня технологии (УТ) к следующему УТ происходит каждые 2-3 года и требует совершенствования технологического оборудования и процессов по разрешающей способности, анизотропии, равномерности (однородности), конформности, селективности и дефектности, и в первую очередь установок и операций литографии, травления, имплантации и отжига (см. табл.1).

При переходе к более высокому УТ уменьшается не только минимальный размер элемента Lmin, но и все топологические размеры (проектные нормы) других элементов микросхемы во всех ее функциональных слоях. Совершенствование ДОЗУ и МП по функциональным возможностям, быстродействию и стоимости происходит как при переходе от одного УТ к другому, так и внутри одного УТ (см. табл.2).

Почему закон Мура выполняется так долго? Будет ли он справедлив в ближайшие 15 лет? И есть ли у него предел? Ответы на эти вопросы требуют детального анализа и разъяснений.

Сам Гордон Мур много раз говорил, что экспоненциальность развития не может наблюдаться всегда, так как все экспоненциальные законы должны достигать предела. Существуют экономические и технологические пределы развития, причем первые всегда наступают раньше, чем вторые. Действительно, никакой суммой денег нельзя преодолеть законы физики.

Исторически микроэлектронное производство способно изготавливать кремниевые ИМС при практически постоянной стоимости единицы обрабатываемой площади кремния.

В 1980 году средняя система фотолитографии стоила 500 тысяч долларов и имела максимальную производительность в 40 пластин диаметром 100 мм в час, т. е. стоимость обработки 1 см2 кремния составляла 159 долларов. В 2003 году стоимость степпера-сканера была 10 миллионов долларов, и он обрабатывал 90 пластин диаметром 300 мм в час, т. е. стоимость обработки 1 см2 кремния составляла 157 долларов.

Закон Мура является следствием законом опыта (Experience Low) применительно к специфике микроэлектронного производства. Закон опыта был открыт в конце 60-х годов прошлого века бостонской консалтинговой группой (Boston Consulting Group - BCG) в рамках эмпирических исследований изменения цен и издержек (затрат) в различных отраслях промышленности.

В современной формулировке он гласит, что реальные (т. е. без учета инфляционной составляющей) затраты (издержки) на производство одной единицы продукции уменьшаются на относительно постоянную величину (порядка (10-30)%), когда совокупное (накопленное, кумулятивное) количество произведенной продукции удвоится.

Для микроэлектронного производства, которое исторически поддерживает практически постоянную стоимость обработки 1 см2 кремния, закон опыта можно сформулировать в виде: себестоимость изготовления основной функциональной единицы ИМС (стоимость на функцию) уменьшается на относительно постоянную величину (порядка 29% в год), когда минимальный размер элементов (минимальная топологическая норма) Lmin = 1/2 min pitch уменьшается на 30% (или масштабируется в 0,7 раза) с каждым следующим уровнем технологии.

Уменьшение минимального размера в 0,7 раза при переходе от одного уровня технологии к другому эквивалентно удвоению функциональных единиц (например, МОП-транзисторов или ячеек памяти) в ИМС. Действительно, снижение Lmin в 0,7 раза приводит к двукратному уменьшению площади, занимаемой МОП-транзистором, а, следовательно, к увеличению их количества, формируемого на единице площади или кристалле ИМС, в 2 раза.

Основными факторами снижения стоимости обработки единицы площади кремния, кроме увеличения диаметра обрабатываемых пластин, являются:

- уменьшение сроков строительства фабрик, ускорение их запуска и выхода на целевые параметры;

- повышение производительности и коэффициента использования оборудования;

- повышение надежности и коэффициента готовности оборудования, улучшение его диагностики и обслуживания;

- повышение целевого значения выхода годных изделий и сокращение периода его достижения, начиная от момента запуска изделий;

- увеличение объема производства фабрик.

Так как процесс масштабирования ИМС определяется в первую очередь процессом литографии, то современные технологии микроэлектронного производства пытаются всеми способами отодвигать физические пределы по разрешению проекционной оптической литографии. При подходе к физическому пределу литографии стоимость для продолжения целевого улучшения совершенства ИМС за счет их миниатюризации (уменьшения размеров) начинает экспоненциально возрастать. Поэтому экономический предел совершенствования ИМС всегда достигается перед физическим пределом используемого процесса литографии (см. рис.1).

В процессе масштабирования кремниевая КМОП-технология приближается и к фундаментальным физическим пределам. Физические пределы возникают из того факта, что электронный сигнал не может двигаться через соединения со скоростью выше скорости света и квантовомеханические неопределенности должны препятствовать этому. В конце 20-го века таким фундаментальным пределом считалось достижение каналом МОП транзисторов размера, сопоставимого с длиной размерного квантования в кремнии, которая при комнатной температуре составляет 15 нм. Считалось, что при этих размерах традиционные полевые и биполярные транзисторы, до сих пор используемые в микросхемах, станут функционально непригодными.

Однако в 2002 году сотрудникам американской компании IBM с помощью высокоразрешающего процесса электронно-лучевой литографии удалось изготовить на КНИ (SOI - silicon on insulator) пластинах со слоем приборного монокремния толщиной 7 нм МОП-транзисторы с эквивалентной толщиной подзатворного диэлектрика 1,2 нм и длинами каналов 12 нм и 6 нм. Эти МОП транзисторы работали обычным образом и имели при напряжении питания 1,5 В эффективные управляющие токи насыщения Id, sat соответственно 439 мкА/мкм и 130 мкА/мкм.

Поэтому в настоящее время фундаментальный предел для логических приборов, как в кремниевой КМОП-технологии, так и в любой другой, определяется минимальным количеством энергии, необходимым для выполнения однобитовой операции при комнатной температуре, т. е. для переключения МОП-транзистора из состояния «0» в состояние «1» или наоборот. Формула минимального количества энергии для выполнения однобитовой операции Emin, называемая по имени авторов выражением Шеннона - Неймана - Ландауэра, имеет вид:

       Emin = kB·T·(ln2),        (1)

где T - абсолютная температура, K; kB = 1,38·10-23 Дж/K = 8,625·10-5 эВ/K - постоянная Больцмана. При комнатной температуре T = 295 K, Emin = 0,017 эВ.

Из соотношения неопределенностей Гейзенберга для координаты x и импульса p и для энергии E и времени t: (Дx·Дp) = (ДE·Дt)≥h/2р=ħ, где h = 6,626·10-34 Дж·сек - постоянная Планка, можно получить следующие значения для минимального размера и минимального времени переключения МОП-транзистора, как элемента бинарной логики:

       Lmin = ħ/(2me·kB·T·ln2)1/2 = 1,5 нм,        (2)

       фmin = ħ/(kB·T·ln2) = 0,04 пс,        (3)

где me - масса электрона.

Ожидается, что при современных темпах масштабирования в соответствие с законом Мура, передовые микроэлектронные изделия подойдут к этим пределам в ближайшие (10 - 15) лет. Это обстоятельство стимулирует поиск новых решений по созданию переключающих элементов, отличных от элементов, создаваемых по имеющейся кремниевой технологии. Для дальнейшего прогресса миниатюризации потребуется переход к нанотехнологии, и возможна замена кремния, в качестве основного материала микроэлектроники (см. рис.2).

Расчет себестоимости (cost of ownership - COO) изготовления микросхем или других микроэлектронных изделий проводится согласно стандарту SEMI E35 по формуле: