Università degli Studi di Milano - Bicocca
I Nuovi Materiali nella
Nanoelettronica
Paolo Cappelletti
STMicroelectronics
Milano, 25.10.2004
Central R&D
Mercato dei Semiconduttori
SC Market %
Growth
SC Market $ Billions
1000
Internet
Portable
Office
PC
Main
Frame
75%
Convergence
Home
PC
C.T.V.
VCR
Defense
100
50%
10
25%
1
0%
SC Current Market
Trend Line
+15% all’anno per 40 anni; ~220B$ nel 2004
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
3
0
1
0
0
2
2
0
9
9
7
1
9
9
5
1
9
9
3
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9
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8
7
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3
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6
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1
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9
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1
9
5
1
9
1
3
-25%
9
0
Source : WSTS, ST
L’Impatto Economico Globale
y Internet service
providers
y Giochi
5000B€
y Operatori telefonici
y Trasmissioni
Radio/Tv
Auto Automazione industriale
Elettromedicale Difesa Spazio
y Industria
Elettronica
800B€
y Industria
Microelettronica
Central R&D
141B€
P.Cappelletti, 25.10.2004
L’evoluzione della Microelettronica…
1.E+09
256M
64M
1.E+08
16M
Transistors
1.E+07
4M
1M
1.E+06
256K
1.E+05
1.E+04
1.E+03
1.E+02
1965
64K
4K
1K
4004
1970
Pentium 4
Pentium III
Pentium II
Pentium
486
286
386
8086
8080
8008
1975
1980
1985
YEAR
Central R&D
512M
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1990
1995
2000
2005
1000
130
100
90
65
45
32
22
MPU gate length
16
10
1
2000
Central R&D
2005
2010
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2015
2020
NANOTECHNOLOGY
T ecn o lo g y g en eratio n (n m )
…continua, nella Nanoelettronica!
45nm
30nm
Slim Spacers
NiSi
30
nm
16nm
il transistore MOS planare è scalabile almeno fino a 10-15nm…
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
1000
130
100
90
65
45
32
22
MPU gate length
16
10
Evolutionary CMOS
1
2000
2005
Classical Architecture
New Materials
Central R&D
Revolutionary
CMOS
2010
2015
New Architectures
New Materials
Quantum Corrections
P.Cappelletti, 25.10.2004
Exotic
NANOTECHNOLOGY
T ecn o lo g y g en eratio n (n m )
… ma serve più innovazione!
2020
Quantum structures
Non CMOS
Nuovi Materiali
Strained Si-Ge, SOI
Dielettrici ad alto k
Dielettrici porosi
Dielettrici a basso k, Rame
Saliciuri (Ti, Co, Ni, Pt?), Tungsteno
Barriere(Ti, TiN, Wti, TaN), Siliciuro di Tungsteno
Silicio, Ossido, Nitruro, Alluminio
0.6
1.5
1.0
250
350
120
180
Central R&D
90
nanometri
micron
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32
65
45
25
130nm Flash Technology
SEM
section
along
Bit Line
TEM
section
along
Word Line
256Mb 1.8V Multibank
2 bit/cell
0.16 um2 Memory Cell
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
130nm Flash Memory Cell Cross-Section
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
130nm Flash Memory Cell Cross-Section
Al
Ti / TiN
W
SiO2
CoSi2
SiO2
Si3N4
Si3N4
Poly-crystal Si
SiO2
Si crystal
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
90nm Flash Technology
128Mb 1.8V Multibank
0.08 um2 Memory Cell
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
90nm Flash Technology
Interconnessioni in Rame
128Mb 1.8V Multibank
0.08 um2 Memory Cell
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
Ultra Thin Gate Oxide:
High K Oxide
High K Oxide
(HfO2)
Gate Oxide (SiO2)
1.6 nm
2nm HfO2
1.2nm SiO2
0.8 nm
Central R&D
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Phase Change Memory
Amorphous
Poly-crystalline
Storing mechanism
High Resistivity
Low Resistivity
• Amorphous/poly-crystal phases
Sensing mechanism
I
• Resistance change
V
Tm
RESET
Tx
Central R&D
SET
Writing mechanism
• Joule effect due to current flow
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Calcogenuri
IVA VA VIA
C N O F
Si P
1970
Xerografy
1990
DVD-RW
CD-RW
2000
Memories
S Cl
Ge As Se Br
Sn Sb Te I
Pb Bi Po
Central R&D
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Memorie a Cambiamento di Fase
Ge2Sb2Te5 chalcogenide alloy
crystalline
CRYSTALLINE
Current
amorphous
"1"
AMORPHOUS
"0"
resistive
electrode
Vread
I
Voltage
Quenching:
Crystalline => Amorphous
Slow cooling:
Amorphous => Crystalline
300ns
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
t
Memorie a Cambiamento di Fase
Cu
GST
180nm CMOS technology
0.32um2 cell size
8Mb Test Chip / BJT-type
PCM Cell
Central R&D
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Laboratorio MDM
(Materiali e Dispositivi per la Microlettronica)
Laboratorio Nazionale dell’INFM
Nato nel 1996 dalla collaborazione tra l’Istituto
Nazionale di Fisica della Materia e STMicroelectronics
Realizzato in spazi messi a disposizione da ST nella
propria sede di Agrate Brianza
Dedicato allo sviluppo di nuovi materiali e di metodi
analitici di interesse nel campo della microlettronica
Central R&D
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MDM - Risorse
Staff: 25 persone
Direttore: Marco Fanciulli
Ricercatori: 8 ricercatori, 3 post-docs, 2 PhD, 5 post-Laurea, 3 studenti
Personale tecnico e di segreteria: 3 persone
Dotazione Strumentale
Processo: 350m2 (area laboratorio) con una camera pulita in classe 1000
e attrezzature di crescita (ALD & MBE), processo e litografia ottica
Caratterizzazione: XRR, XRD, SPM, UHV-SPM Raman, FTIR, EPR,
Mossbauer, caratterizzazione elettrica, IETS, IPE, XPS, LEIS, TOF-SIMS, SEM
Dotazione Finanziaria Annua: ~1,25 Milioni di Euro
(20% ST, 30% INFM, 50% progetti di ricerca finanziati UE o nazionali)
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
MDM – Linee di Ricerca
• Materiali per dispositivi CMOS ultra-scalati
•
•
•
•
High-k Dielectrics
Substrates (Si, SiGe, Ge, III-V)
Low-k Dielectrics
Interconnections (Silicides, Cu)
• Materiali e processi per nuove memorie non-volatili
• Nanoclusters in SiO2
• Phase Change NVM
• Tecniche avanzate di caratterizzazione e nuovi
dispositivi
•
•
•
•
Electron Spin Resonance and Quantum Computing
Spintronics
Organic semiconductor based devices
Neuroelectronics
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
High K Oxide
HfO2 deposited by Atomic Layer Deposition
10000
0.8
t
HfCl4+HF(O Bu)2(mmp)2
5000
HfCl4+H2O
0
10
20
30
0.6
C/Cox
Intensity (arb. units)
1.0
10 nm HfO2
HfCl4+mmp2
HfCl4+H2O
theor
0.4
∆VFB
0.2
40 50 60
Two Theta (°)
70
80
90
0.0
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
BIAS(V)
rms 0.2 nm
Central R&D
rms 0.8 nm
P.Cappelletti, 25.10.2004
-0.5
0.0
0.5
1.0
Si nanocrystals in SiO2 for advanced NVM
TOF-SIMS depth profiling:
Development of a methodology to characterize nanocrystals
dox
Si implantation followed
by thermal annealing
5 nm
Bw
7 nm
dt
10 nm
Poly-Si
Poly-Si
SiO2
Si
Si
• define the position
the
nanoclusters
in the SiO2 layer
defineofthe
position
of the nanoclusters
in the SiO2 layer
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
Conclusioni
L’evoluzione dell’integrazione su silicio continua: la
nanoelettronica è la più pervasiva e la più
importante nanotecnologia
Quanto più la tecnologia si spinge verso i limiti fisici
dei dispositivi e dei materiali, tanto più decisivo è
l’apporto della ricerca e dell’innovazione
Il ruolo dei materiali innovativi è e sarà sempre più
determinante nello sviluppo della nanoelettronica
Central R&D
P.Cappelletti, 25.10.2004
