La miniaturizzazione continua, con i dielettrici low-k!

Legge di Moore

Ci siamo occupati, nel recente passato, della legge di Moore e di alcuni suoi aspetti connessi con la tecnologia presente ed una previsione del futuro. Tuttavia la tecnica è perfettibile e questo rende necessario interrogarsi sia su che cosa potrebbe succedere nel futuro sia sulla possibilità che la tecnologia che oggi utilizziamo, in quanto all’avanguardia, possa non essere quella che utilizzeremo domani, perchè limitata. E questo vale sia per i processi sia per i materiali impiegati. Oggi, infatti, vediamo alcuni tipi di materiali che potranno garantire il mantenimento del trend di crescita relativo al numero ed alle dimensioni dei transistor che siamo capaci di integrare.

Nell’industria dei semiconduttori esistono materiali cui si fa riferimento con il nome di “dielettrici low-k”. Si tratta di materiali che hanno una costante dielettrica relativa più bassa di quella del biossido di Silicio (SiO2). La motivazione alla base dell’utilizzo di questi materiali è quella di apportare delle modifiche tecnologiche ai processi di fabbricazione in modo da riuscire a mantenere il trend attuale nella miniaturizzazione dell’industria dei dispositivi microelettronici. Se da un lato, infatti, continuare a ridurre le dimensioni il più possibile risulta un fattore fondamentale dal punto di vista non soltanto tecnologico ma economico, esiste una legge “sperimentale” che descrive il comportamento e l’andamento di tale tendenza, alla quale si fa espresso riferimento con il nome di “legge di Moore che rischia di vacillare proprio a causa di alcuni problemi relativi alla tecnica con la quale si realizzano i dispositivi.

Per diverso tempo si è utilizzata la legge di Moore come metodo di analisi ma anche come prospettiva per lo sviluppo futuro.

Quando parliamo di circuiti digitali c’è da considerare che i dielettrici che servono per effettuare gli isolamenti o le passivazioni separano nettamente gli strati conduttori gli uni dagli altri, indipendentemente dal fatto che siano piste conduttive oppure strati di transistor od altri componenti. Man mano che le dimensioni dei singoli dispositivi sono state diminuite, ed i transistor sono stati disposti in maniera molto più ravvicinata, gli strati dielettrici di isolamento sono diventati molto più sottili al punto da sollevare una serie di problematiche relative all’accumulo di carica locale, e quindi differenze di potenziale “parassite”, e problemi di diafonia (crosstalk).

La sostituzione del biossido di silicio con questo tipo di materiali, benché a parità di spessore, riduce proprio le componenti capacitive da parassite permettendo velocità di commutazione maggiori ed una minore dissipazione di calore.

Come è facilmente intuibile, se esistono materiali “low”-k è perché ne esistono anche di tipo “high”. In particolare, si tratta di materiali la cui costante di elettrica, se confrontata con quella del biossido di silicio, è più alta. L’implementazione di questi materiali rientra comunque nell’ambito del “tentativo” di mantenere il trend definito dalla legge di Moore.

Il biossido di silicio è stato utilizzato per realizzare il gate dei transistor MOS per decenni ma dal momento in cui questi sono diminuiti in dimensione, lo spessore della regione di gate ha necessariamente dovuto ridursi. Questo ha aumentato la capacità di gate e, di conseguenza, la corrente di pilotaggio, rendendo le prestazioni molto migliori.

I limiti tecnologici riguardanti le dimensioni in oggetto sono quelli relativi alla precisione del processo fotolitografico. È noto, infatti, che la realizzazione dei dispositivi di cui stiamo trattando ha come limite la precisione con la quale è possibile realizzare le maschere che vengono esposte alla radiazione ultravioletta grazie alla quale il fotoresist si polimerizza.

Man mano che lo spessore si riduce fino alla dimensione di 2 nm, le correnti di perdita dovute all’effetto “tunnel” aumentano in maniera considerevole, con il risultato di aumentare il consumo di potenza.

Altra conseguenza è la diminuzione dell’affidabilità del dispositivo. Questo è tanto più vero quanto, man mano che aumenta la dissipazione di potenza, aumenta anche la necessità di dissipare il calore prodotto. Il raffreddamento diventa, di conseguenza, una delle caratteristiche irrinunciabili di un sistema che operi con tecnologia allo stato solido.

Se si prova a sostituire il biossido di silicio con materiale dielettrico di diversa natura, la capacità di gate può aumentare, o diminuire, rendendo più o meno importanti i fenomeni di perdita.

Indipendentemente da quale tipo di materiale si scelga, esistono diverse soluzioni che possono essere impiegate allo scopo di realizzare questi strati isolanti e che possono essere facilmente integrati all’interno dei processi di fabbricazione.

Per quanto riguarda i materiali low-k, gli sforzi nello sviluppo si sono concentrati sulla creazione di diversi materiali, tra i quali ci sono i biossidi di silicio drogati con fluoro, quelli drogati con il carbonio nonché strati dello stesso materiale ma porosi, ovvero in cui è stato creato il “vuoto” all’interno della struttura in posizioni ben determinate. Dal punto di vista tecnologico, ovviamente, la posizione di queste modifiche alla struttura cristallina, definite generalmente “impurità”, deve necessariamente essere precisa perché che queste si trovino in posizione “sostituzionale” e non “interstiziale” permette di garantire proprio le prestazioni richieste.

Una delle soluzioni di maggior interesse quando trattiamo di dielettrici low-k è il vetro fluorosilicato (in sigla FSG, acronimo di Fluorosilicate Glass) si tratta di un materiale che viene utilizzato nei processi di fabbricazione dei circuiti integrati come dielettrico da frapporre tra strati metallici (in genere rame). Il materiale è già di largo impiego da quando la tecnologia realizzativa dei MOSFET ha raggiunto i 250 nm. Questo è stato possibile anche in virtù del fatto che questo tipo di materiali dimostra di avere delle ottime proprietà dal punto di vista meccanico.

Il processo di drogaggio dell’SiO2 con il fluoro produce uno strato che dimostra una costante dielettrica più bassa, molto vicina a 3,5.

Le caratteristiche generali di cui deve essere dotato un materiale dielettrico di tipo low-k possono essere riassunte in categorie, come indicato in quest’ottimo riferimento. In breve, però, possiamo riassumere che principalmente è proprio il basso valore di k a determinare la scelta di questo tipo di materiali. Tuttavia non è l’unica motivazione, perché, come accennato in precedenza, la stabilità termica gioca un ruolo essenziale. Tra le proprietà meccaniche di cui abbiamo vagamente accennato c’è, certamente, una buona capacità di adesione agli strati sui quali il materiale è deposto. Per ragioni tecnologiche si utilizzano questo tipo di dielettrici anche per via del fatto che si riesce a realizzare strati di spessore omogeneo, il che garantisce uniformità nell’isolamento.

I materiali porosi, altra possibilità proposta in questa materia, propongono diversi svantaggi, primo dei quali è la scarsa resistenza meccanica. Dal punto di vista termico, inoltre, la scarsa conducibilità termica potrebbe portare anche alla rottura per effetto di un eccesso di temperatura localizzato. Inoltre, come detto in precedenza, questi materiali hanno comunque necessità di essere utilizzati insieme con il biossido di silicio per garantire l’aderenza.

Esistono anche differenze relative proprio al tipo di tecnica, di processo tecnologico impiegato per realizzare questi materiali; principalmente sono due le tecniche che si contendono il “primato”: la CVD (acronimo di Chemical-Vapor Deposition) e la Spin-on Deposition. Ciascuna delle due propone vantaggi e svantaggi ma entrambe rappresentano una possibilità concreta per l’utilizzo di materiali low-k.

Anche l’utilizzo di “ponti” (bridges) e di “air-gaps” risulta piuttosto interessante ma, allo stato attuale sembra comunque indispensabile continuare la ricerca in merito vista la “instabilità” della soluzione.

Sulle interconnessioni e sull’utilizzo del rame, nonché sui trend attualmente in “gioco” è necessario fare un’attenta riflessione. La scelta del rame, infatti, come sarà certamente noto, non è casuale ma dipende dal fatto che rispetto ad altri materiali propone un ottimo compromesso tra resistività e costo. Il problema fondamentale di questo tipo di contatti è rappresentato dal fenomeno dell’elettromigrazione, che di solito è dovuto alle dimensioni ed alla forma dello strato in esame come effetto dei processi tecnologici di deposizione.

La resistività effettiva del materiale varia in maniera significativa con la temperatura e questo, unito agli effetti termici dell’utilizzo di materiali inadeguati per effettuare la passivazione, può generare ogni tipo di malfunzionamento circuitale.

Un punto di vista da prendere in considerazione è quello trattato in un esempio che spiega quale sia la necessità di “interazione” tra i processi di fabbricazione dei contatti in rame e delle interconnessioni con dielettrici low-k. Grazie alle immagini  riportate si vede chiaramente quali siano le regioni in cui si possono manifestare effetti indesiderati riguardo i ritardi di interconnessione e la capacità parassita.

Insomma, la legge di Moore sembra poter continuare a descrivere il futuro della tecnologia così come la conosciamo oggi per lungo tempo ancora se questo trend dovesse continuare. In questo, la ricerca di nuovi materiali e tecnologie sono certamente destinate a giocare un ruolo predominante.

 

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