Состоялся научный совет ОНИТ РАН по теме «Больше Мура и больше, чем Мур»

Состоялся научный совет ОНИТ РАН по теме «Больше Мура и больше, чем Мур»

09.04.2021
8 апреля в Российской академии наук очно и в формате видеоконференцсвязи прошел Научный совет ОНИТ РАН «Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и управляющих систем и материалов для ее создания» по теме «Больше Мура и больше, чем Мур».

Заседание Научного совета провел председатель Научного совета, академик-секретарь Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН, академик РАН Г.Я. Красников. В заседании приняло участие 23 из 47 членов Совета. 60 организаций представлены 135 учеными и специалистами, из которых 27 приняло участие в обсуждении.

IMG_1020.jpg

  На Научном совете были представлены доклады:

академик РАН Красников Геннадий Яковлевич (АО «НИИМЭ»). «Современные транзисторные структуры».
член-корр. РАН Лукичев Владимир Федорович, д.ф.-м.н. Руденко Константин Васильевич, к.ф.-м.н. Мяконьких Андрей Валерьевич, к.ф.-м.н. Рогожин Александр Евгеньевич, к.ф.-м.н. Вьюрков Владимир Владимирович (ФТИАН им. К.А. Валиева РАН). «Физические и технологические аспекты транзисторов на основе кремниевых нанопроводов с огибающим затвором: от сегментированных каналов к 3D стекам».
к.ф.-м.н. Свинцов Дмитрий Александрович (МФТИ), к.ф.-м.н. Вьюрков Владимир Владимирович, член-корр. РАН Лукичев Владимир Федорович (ФТИАН им. К.А. Валиева РАН). «Перспективные туннельные транзисторы для интегральных схем сверхнизкого энергопотребления».
• к.ф.-м.н. Ковешников Сергей Викторович (ИПТМ РАН). «3-D Flash - основы технологии, достижения и перспективы».
• д.ф.-м.н. Витухновский Алексей Григорьевич (МФТИ, ФИАН), к.ф.-м.н. Чубич Дмитрий Анатольевич, Колымагин Данила Анатольевич (МФТИ), д.х.н. Чесноков Сергей Артурович (ИМХ РАН). «Фотонные интегральные схемы (PIC) непланарной топологии и 3D печать».
• к.т.н. Краснов Михаил Игоревич, к.т.н. Сашов Александр Анатольевич, к.т.н. Стешенко Владимир Борисович (АО «Российские космические системы»). «Современные эксплуатационные требования и методы их подтверждения для высокоинтегрированных многокристальных модулей и «систем в корпусе», предназначенных для применения в бортовой аппаратуре перспективных космических аппаратов с длительным сроком активного существования».
• д.т.н. Тимошенков Сергей Петрович, д.т.н. Калугин Виктор Владимирович, к.т.н. Вертянов Денис Васильевич (НИУ МИЭТ). «Перспективы развития технологий трехмерной интеграции для микросистемной техники».
к.ф.-м.н., PhD Илларионов Юрий Юрьевич (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Institute for Microelectronics (TU Wien, Австрия)), к.ф.-м.н. Банщиков Александр Гаврилович, д.ф.-м.н. Соколов Николай Семенович (ФТИ им. А.Ф. Иоффе), Федоров Владимир Викторович (СПбАУ РАН им. Ж.И. Алферова), к.ф.-м.н. Сутурин Сергей Михайлович, профессор РАН, д.ф.-м.н. Векслер Михаил Исаакович (ФТИ им. А.Ф. Иоффе), Knobloch Theresia, PhD Polyushkin Dmitry K., PhD Wachter Stefan, habilitated PhD Mueller Thomas, habilitated PhD Grasser Tibor (Institute for Microelectronics (TU Wien, Австрия)). «Эпитаксиальные фториды как универсальная платформа для электроники More Moore и More than Moore на основе двумерных материалов».
• к.ф.-м.н. Шорохов Владислав Владимирович (МГУ имени М.В. Ломоносова, ЦКТ ФФ МГУ имени М.В. Ломоносова), к.ф.-м.н. Преснов Денис Евгеньевич (НИИЯФ МГУ, ЦКТ ФФ МГУ имени М.В. Ломоносова), к.ф.-м.н. Трифонов Артем Сергеевич, к.ф.-м.н. Дагесян Саркис Арменакович, Божьев Иван Вячеславович, д.ф.-м.н. Крупенин Владимир Александрович (МГУ имени М.В. Ломоносова, ЦКТ ФФ МГУ имени М.В. Ломоносова), д.ф.-м.н. Снигирев Олег Васильевич (ЦКТ ФФ МГУ имени М.В. Ломоносова, МГУ имени М.В. Ломоносова). «Твердотельные одноатомные транзисторы и устройства».
Архипова Екатерина Александровна, к.ф.-м.н. Востоков Николай Владимирович, к.ф.-м.н. Данильцев Вячеслав Михайлович, к.ф.-м.н. Дроздов Михаил Николаевич, д.ф.-м.н. Дроздов Юрий Николаевич (ИФМ РАН - филиал ИПФ РАН), Колесников Максим Иванович (АО «ВЗПП-С»), к.ф.-м.н. Королев Сергей Александрович, Краев Станислав Алексеевич (ИФМ РАН - филиал ИПФ РАН), к.т.н. Крюков Виталий Львович (ООО «МеГа Эпитех»), к.х.н. Охапкин Андрей Игоревич, Скороходов Евгений Владимирович (ИФМ РАН - филиал ИПФ РАН), Харченко Максим Эдуардович (АО «ВЗПП-С»), Хрыкин Олег Игоревич, д.ф.-м.н. Шашкин Владимир Иванович (ИФМ РАН - филиал ИПФ РАН). «Вертикальный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом на основе GaAs».

Председатель Совета, академик РАН Г.Я. Красников отметил существенную роль двух направлений развития полупроводниковой промышленности – «Больше Мура» (More Moore, CMOS) и «Больше, чем Мур» (More than Moore, Beyond CMOS). В рамках первого направления продолжается масштабирование закона Мура – осваивается в производстве технологические процессы с проектными нормами 5 нм и 3 нм, исследуются технологии с нормами 2 нм и 1 нм. Второе направление ориентировано на компоненты для применений (Application driven components – аналоговые, радиочастотные, микроэлектромеханические системы, датчики, оптика и др.) и подразумевает новые конструктивные исполнения – как трехмерную интеграцию гетерогенных схем, так и деление чипа на чиплеты по функциональному принципу.

Начиная с проектных норм 65 нм масштабирование длины затвора замедлилось. На рубеже 22 нм стали развиваться технологии FinFET, GAAFET. В 2021 г. Samsung сообщила о создании 256-Мбит массива памяти SRAM с использованием 3 нм техпроцесса и совершенно новых транзисторов MBCFET. TSMC освоила 5 нм процесс, осваивает 2 нм и 3 нм процессы. Затвор типа GAA (5 нм) в горизонтальной структуре типа NanoSheet обеспечивает повышение производительности, экономию энергии, повышение плотности компоновки логических цепей, снижение токов утечки, а также позволяет создавать транзисторы с различными характеристиками в одном технологическом цикле. Технологический процесс Forksheet аналогичен процессу NanoSheet за исключением нескольких дополнительных этапов процесса – разделительный слой будет иметь высокую масштабируемость по площади и производительности. IMEC ведет работы над серией технологических цепочек CFET, которая позволит выпускать комплементарные пары полевых транзисторов с использованием технологических норм менее 2 нм. По прогнозам для технологического процесса 3 нм плотность размещения – 300 млн. транзисторов на 1 мм2, для 1 нм – 1 млрд. транзисторов на 1 мм2.

IMG_1037.jpg

ФТИАН им. К.А. Валиева РАН исследует вопросы перехода от планарного транзистора к непланарным приборам с целью снижения статического и динамического энергопотребления и тепловыделения. Разработан затворных стек poly-Si/TaN/HfO2/Si (32нм) с расстояниями между плавниками 30 нм и размером 10-11 нм. Исследована селективность и скорость травления кремния по отношению к HfO2 и разработаны процессы анизотропного травления кремния для создания fin-структур. При моделировании выявлено, что что 99% всех дефектов находятся в слое толщиной 3 нм, которые можно удалить в результате окисления и жидкостного травления. Выполнено осаждение и исследование high-k диэлектриков, разработан процесс их атомно-слоевого травления. Проведена 3D плазменно-иммерсионная ионная имплантация для конформного легирования и показано достижение крутизны профиля 2-6 нм на декаду. Различают два направления – применение дорогой подложки или сложной технологии. Для изоляции p-n переходов в FinFET на объемной подложке применяют вертикальное расположение транзисторов. В ходе перехода к GAAFET с перспективным диаметром проводов 5 нм разработан процесс анизотропного травления кремния, исследована роль дефектов травления в деградации проводимости, проведено удаление окисла. Выявлены нерешаемые в настоящее время проблемы нанопроволочных кремниевых транзисторов: создание стресс-слоев для сжатия или растяжения канала, для изменения подвижностей.

Во ФТИАН им. К.А. Валиева и МФТИ ведутся работы по туннельным транзисторам для интегральных схем сверхнизкого энергопотребления. Выполнено моделирование структуры с квантовыми эффектами с применением и учетом статистики Ферми-Дирака, поперечного квантования в канале, интерференции, квантового отражения и туннелирования. Далее решали уравнение Шредингера с самосогласованным полем, учитывая сложную зонную структуру. Использовался подход Ландауэра-Бюттикера. При решении уравнении Шредингера наталкивались на вычислительные сложности, свойственные расчету электромагнитных волноводов. Очень важно для практических целей моделирование различных неоднородностей в канале, например, одиночных зарядовых центров или шероховатостей. Измеряя характеристики шума, можно сказать, в каком режиме работает транзистор: в квантовом или в классическом. Для туннельных транзисторов ограничение 60 мВ/дек при комнатной температуре уже преодолевается. Крутизну позволяет увеличить межзонное туннелирование. Предложен вариант увеличения крутизны – продлённый контакт, для которого нужны дополнительные электроды (затворы). Рассмотрен латеральный туннельный транзистор на основе графена, который может работать на высокой частоте, но с предельной крутизной не больше 60 мВ/дек. Предложен также туннельный транзистор на основе двойного слоя графена. Особенности в плотности состояний такого материала позволяют достичь крутизны 20 мкм/дек.
В современной FLASH-технологии осуществляется переход от 2D к 3D интеграции, позволяющей расширить потолок объема памяти до 1 ТБ. Основные производители – Intel/Micron и Samsung. В качестве перспективных альтернативных материалов каналов может использоваться SiGe, SiGeSi, Si/III-V и гетероструктуры на их основе. В России научные группы из ИПТМ РАН, МФТИ, ФТИАН им К.А. Валиева, институтов в Новосибирске и Н. Новгороде работают над созданием приборов энергонезависимой резистивной памяти, способных заменить DRAM и FLASH и использоваться, в частности, в нейроморфных вычислениях. В ИПТМ РАН разработали мемристорную структуру на основе оксида гафния, в которой наблюдается 4 надежных многоуровневых переключения с контролем максимального напряжения в режиме Reset, которые не перекрываются от уровня к уровню. В перспективе – концепция многоуровневого мемристора на базе беспереходного транзистора с зарядом в широкозонном подзатворном диэлектрике.
В АО «Российские космические системы» решаются вопросы в области эксплуатационных требований и методов их подтверждения для высокоинтегрированных многокристальных модулей и «систем в корпусе», предназначенных для применения в бортовой аппаратуре перспективных космических аппаратов с длительным сроком активного существования. К модели внешних воздействующих факторов и показателям надёжности предъявляются требования по механической нагрузке, радиационной стойкости и надежности. При тенденции снижения количества запусков растет спрос на срок активной службы – более 15 лет при сохраняемости более 25 лет. ЭКБ должна обладать приемлемой стоимостью мелкосерийного производства при обеспечении требований функционала, длительного жизненного цикла, надёжности, стойкости к дестабилизирующим факторам и отказоустойчивости. Применяются компоненты с проектными нормами 180 нм и менее, с тактовыми частотами не менее 250 МГц, интерфейсными микросхемами со скоростью передачи не менее 2,5 Гбит/с, памятью со временем доступа к ячейке не более 7 нс и объемом 8-16 ТБ. Уровень отечественных сборочных технологий для космического применения близок к современному мировому, результат предварительных испытаний современных отечественных микросхем – положительный, микросхемы соответствуют требованиям ТЗ. Требуется: (1) развитие методов проектирования и технологий производства ЭКБ; (2) развитие исследований и разработок по уточнению модели внешних воздействующих факторов, методик прогнозирования и моделирования, разработки программного и методического обеспечения; (3) проведение исследований и экспериментальных подтверждений обеспечения необходимой стойкости и надежности новых материалов для технологий 2,5D и 3D сборки; (4) разработка модели надежности ЭКБ и многокристальных модулей.

В МФТИ, ФИАН и ИМХ РАН ведутся работы в области фотонных интегральных схем непланарной топологии и 3D печати. Многолучевая схема двухфотонной полимеризации позволяет размножать один пучок и формировать несколько структур одновременно. Полученные в ЦКП МФТИ чипы используются для работы и создания фотонных проводов, применяемых при передаче сигнала в фотонных системах. Технология двухфотонной фотополимеризации позволяет также делать микролинзы для рентгеновского диапазона. Ведутся работы по реализации коннекторов для подключения стандартного оптоволокна к интегральной схеме. Достигнуты успехи в построении полимерных 3D мостов на основе специфического резиста. Их формирование выполняется методом двухфотонной фотополимеризации (прямого лазерного письма – DLW) с использованием фокусировки фемтосекундного лазера в каплю фоторезиста. В ней небольшой области капли происходит фотохимическая реакция и мономер превращается в полимер.
В ФТИ им. А.Ф. Иоффе ведутся работы в области поиска подходящих диэлектриков для гетероструктур на основе двумерных материалов, которые могут использоваться для создания полевых транзисторов, устройств оптоэлектроники и сенсоров. К ним предъявляются требования по качественному интерфейсу и низким токам утечки. Так, CaF2 формирует квази вандерваальсов интерфейс с двумерными материалами и является кристаллическим диэлектриком с малым количеством дефектов. Этот материал также обладает хорошими диэлектрическими свойствами, что обеспечивает малость токов утечки при эквивалентной толщине менее 1 нм. Благодаря налаженной в ФТИ им. А.Ф. Иоффе технологии эпитаксиального роста слоев CaF2 толщиной 1-2 нм на поверхности кремния, были изготовлены первые качественные прототипы полевых транзисторов с диэлектриком CaF2 и перенесенными пленками MoS2 в качестве канала. С целью масштабирования и дальнейшего улучшения технологии планируется разработать подходы по прямому росту на поверхности CaF2 пленок MoS2, MoSe2 и MoTe2 методом лазерной эпитаксии. Также изучаются подходы к микросхемной интеграции таких приборов.
Вектор развития технологий трехмерной интеграции для микросистемной техники нацелен на разработку элементов микро-, опто-, электромеханических систем и оптимизацию операций сборки и последующего корпусирования. В операциях сборки сосредоточены основные потери по площади и массогабаритным показателям.

Анализируются, развиваются и применяются методы изготовления микросистем с использованием структур «кремний-на-изоляторе», различных многослойных структур, получаемых на основе разнообразных технологических операций сращивания, термокомпрессии, технологии TSV (Through Silicon Vias) и т.д. Основные направления – гетерогенная интеграция, встроенный (внутренний) монтаж, перевернутый монтаж (Flip-Chip), корпусирование кристаллов на уровне пластины, а также системы-в-корпусе с 2-, 2,5- и 3-мерной интеграцией. Наблюдаются тенденции в области увеличения интеграции с функциональными элементами и компонентами, изготавливаемыми по различным технологиям — интегральными микросхемами, МЭМС, фотонными интегральными элементами и схемами и т.д. Применяются различные виды сборки ИС, МЭМС и оптических элементов, ведутся работы по разработке и изготовлению инерциальных навигационных систем, блоков датчиков (микроакселерометров, микрогироскопов, инерциальных измерительных модулей) на основе различных материалов, элементов кремниевой технологии и интерфейсов.

В ИФМ РАН разработан и изготовлен прототип вертикального полевого транзистора с управляющим p-n переходом, являющийся мультиплицируемым фрагментов системы мощного высоковольтного силового транзистора на основе GaAs. Оригинальный технологический маршрут формирования транзисторной структуры включает стадии жидкофазной эпитаксии, фотолитографии, плазмохимического травления, очистки и металлоорганической газофазной эпитаксии. Представлены концепция, маршрут и соответствующие методы изготовления GaAs транзистора со статической индукцией. Планируется создание многоканального силового транзистора с напряжением более 600 В, превосходящего аналоги по частоте коммутации и температуре работы.

Работы в области твердотельных одноатомных транзисторов и устройств на их основе ведутся в МГУ имени М.В. Ломоносова, ЦКТ ФФ МГУ имени М.В. Ломоносова и НИИЯФ МГУ. Работа началась примерно в 2010 г. с создания одноатомных транзисторов на примесных атомах мышьяка, затем – на атомах фосфора, в результате был получен достаточно узкий перешеек. Для работы при более высоких температурах применялись нестандартные примесные атомы с более высоким потенциалом ионизации, в том числе Au, и имплантировались фокусированным ионным пучком. Разработана технология создания затворов на расстоянии 15 нм от мостика, в котором расположены примесные атомы. С атомами Ka получили одноатомный транзистор, работающий при комнатной температуре. Также в группе занимаются вычислением транспортных характеристик с помощью разработанного программного обеспечения. Есть попытки создания структур на карбиде кремния, проработкой возможности использования технологии атомно-слоевого осаждения. Одноатомные структуры применяются для создания более сложных устройств, например, резервуарной сети.

В заключительном слове председатель Совета, академик РАН Г.Я. Красников поблагодарил авторов за высокий научный уровень докладов и выразил уверенность в интеграции усилий в части развития технологий «Больше Мура» и «Больше, чем Мур» между организациями, представленными членами Совета, приглашенными учеными и специалистами.