Регистрация / Вход
Прислать материал

Механика в технологии производства современных интегральных схем

ФИО
Шушпанников Павел Сергеевич
Surname Name
Shushpannikov Pavel
Организация
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук
Область наук
Математика. Механика
Название доклада
Механика в технологии производства современных интегральных схем
Project title
Mechanics in the technology of manufacture of modern integrated circuits
Резюме
Представлен краткий обзор современного состояния технологии «напряжённого кремния», основанной на фундаментальном явлении, связанном с изменением зонной структуры полупроводниковых материалов (к примеру, кремния) при его механическом деформировании. Внимание уделено описанию причин возникновения напряжённо-деформированного состояния в интегральных схемах, а также описанию способов управления этим напряжённо-деформированным состоянием. Представлены новые решения упругих и термоупругих задач, имеющих приложения в технологии изготовления современных планарных и трёхмерных интегральных схем.
Ключевые слова
механика деформируемого твёрдого тела, технология напряжённого кремния, трёхмерные интегральные схемы
Тезисы

В 1965 году Гордон Мур, ставший в 1968 году со-основателем фирмы Intel, обратил внимание на то, что число транзисторов, размещаемых на интегральных схемах (далее ИС), изобретённых незадолго до этого, удваивается каждые два года. Он предположил, что подобная тенденция, названная впоследствии «законом Мура», будет иметь место и в следующее за 1965 годом десятилетие. Удивительно, что до недавнего времени развитие микро- и наноэлектроники следовало эмпирическому «закону Мура». Более того, можно сказать, что «закон Мура» выступал в роли движущей силы, мотивируя крупные компании следовать заданному почти полвека назад темпу.

Во времена Гордона Мура число транзисторов, размещаемых на интегральных схемах, исчислялось сотнями, при этом характерные размеры транзисторов измерялись микронами. Коммерчески доступные в настоящее время микропроцессоры содержат миллиарды транзисторов и изготавливаются по 14нм технологическим норам. Указанный прогресс в развитии микро- и наноэлектроники оказался достижим благодаря ряду технологий, внедрявшихся последовательно по мере уменьшения размеров транзисторов, являющихся основным базовым элементом большинства ИС.

Одной из таких технологий является технология «напряжённого кремния», основанная на фундаментальном явлении, связанном с изменением зонной структуры полупроводниковых материалов (к примеру, кремния) при его механическом деформировании. Изменение зонной структуры материала приводит, в свою очередь, к изменению транспортных свойств носителей заряда в нём. Использование технологии «напряжённого кремния» позволило существенно улучшить функциональные свойства транзисторов, продлив тем самым эпоху «закона Мура».

В настоящей работе представлен краткий обзор современного состояния технологии «напряжённого кремния». При этом основное внимание уделено описанию причин возникновения напряжённо-деформированного состояния (далее НДС) в ИС и, в частности, транзисторах, а также описанию способов управления этим НДС.

С целью увеличения степени интеграции в ближайшее десятилетие планируется последовательный переход на 10-нм, 7-нм и 5-нм технологические нормы. Возможность дальнейшего уменьшения технологических норм ставится под сомнение, вследствие существующих физических ограничений и технологических сложностей, возникающих на разных этапах изготовления таких ИС.

В качестве перспективного рассматривается альтернативный подход, связанный с изготовлением трёхмерных ИС, состоящих из нескольких планарных ИС, уложенных в вертикальном направлении и электрически соединённых интегрированными в кристалл межкристальными межсоединениями (англ. through-silicon-via, далее TSV). TSV имеют цилиндрическую форму и изготавливаются из меди. Коэффициент температурного расширения (далее КТР) меди существенно отличается от КТР окружающей TSV кремниевой матрицы. В процессе изготовления и эксплуатации температура ИС изменяется в широких пределах, что приводит к возникновению внутри и в окрестности TSV НДС, влияющего как на функциональные свойства транзисторов, так и на долговечность TSV. В настоящей работе представлено новое решение термоупругой задачи о НДС в окрестности TSV. Полученное решение использовано для определения способов размещения транзисторов в окрестности TSV, оптимальных с точки зрения их функциональных свойств.

Summary of the project
A brief state-of-the-art review of the «strain silicon» technology is presented. The technology is based on the fundamental phenomenon consisting in changing of the energy band structure of the semiconductor materials (e.g. silicon) under applied mechanical deformations. An attention is given to the description of the sources of the stress-strain state in the integrated circuits and the methods of control of the stress-strain state. New solutions of the elastic and thermoelastic problems having applications in the technology of manufacture of the modern planar and three-dimensional integrated circuits are presented.
Keywords
mechanics of the deformable solid body, strain silicon technology, three-dimensional integrated circuits