Appunti dalle lezioni del corso. Ing. Caterina Ciminelli

Transcript

1 Appunti dalle lezioni del corso Ing. Caterina Ciminelli Anno Accademico

2 CAPITOLO 1 INTRODUZIONE Appunti dalle lezioni del corso Ing. Caterina Ciminelli Anno Accademico

3 CAPITOLO 1 - INTRODUZIONE Definizioni ed evoluzione della micro/nanotecnologia Legge di Moore e sue implicazioni Approccio top-down e bottom-up Riferimenti bibliografici 14 i

4 CAPITOLO 1 INTRODUZIONE 1.1 Definizioni ed evoluzione della micro/nanotecnologia Il termine nanotecnologia indica qualsiasi tecnologia che opera su scala nanometrica, cioè con dimensioni inferiori a 100 nm, e che trova applicazione nel mondo reale. La nanotecnologia abbraccia una varietà di campi di ricerca e sviluppo, spesso a carattere interdisciplinare. Si potrebbe dire che essa riguarda lo studio, la realizzazione e l applicazione di sistemi fisici, chimici e biologici con scale variabili dai singoli atomi o molecole a dimensioni submicrometriche (da 0.1 a 100 nm), così come l integrazione delle nanostrutture risultanti in sistemi di più grandi dimensioni. Aspetto rilevante è che la creazione di tali sistemi avviene anche attraverso lo sfruttamento di nuovi fenomeni e proprietà che si manifestano a livello nanometrico. La scala spaziale caratteristica delle nanotecnologie è quindi il nanometro (un milionesimo di millimetro, tre ordini di grandezza inferiore rispetto al micron che è l unità di riferimento tradizionale per la microelettronica). Per avere un idea si consideri che il nanometro è confrontabile con la larghezza del DNA (circa 2.5 nm) ed è la lunghezza di una catena lineare costituita da 6 atomi di carbonio. Gli oggetti a cui ci si riferisce nell ambito della nanotecnologia sono quindi atomi, molecole, macchine molecolari che possono essere opportunamente assemblati in nanostrutture. La nanotecnologia sta avendo un profondo impatto sull economia e sulla società nel 21 secolo, confrontabile con quello della tecnologia dei semiconduttori, della information technology o della biologia cellulare e molecolare. La ricerca scientifica e tecnologica in tale ambito sta riportando importanti scoperte in aree quali materiali e tecniche di fabbricazione, nanoelettronica, medicina, energia, biotecnologia, information technology e sicurezza per cui è ampiamente diffusa l idea che la nanotecnologia rappresenti una nuova rivoluzione industriale. 1

5 Nell ambito di medicina e salute l integrazione dei nano materiali con la biologia ha portato allo sviluppo di dispositivi diagnostici, agenti di contrasto,strumenti di analisi, sensori e dispositivi di rilascio di farmaci. Si ricordano ad esempio i sistemi lab-on-a-chip microfluidici, i dispositivi in array per il riconoscimento del DNA e l ingegnerizzazione di tessuti artificiali. Catalisi chimica e filtraggio sono due esempi di applicazioni in cui la nanotecnologia giocherà un ruolo fondamentale nell ambito della chimica e del controllo ambientale. Si possono citare a tale proposito nuovi sistemi per il trattamento dei rifiuti in acqua o la purificazione dell aria. I progetti più avanzati di nanotecnologia nell ambito dell energia riguardano l immagazzinamento, la conservazione e la produzione. Il consumo di energia elettrica può essere fortemente ridotto con l utilizzo di LED, ad esempio. Le celle solari consentono la produzione di energia e la nanotecnologia consentirà un aumento della loro efficienza. Come esempio di applicazione nell ambito dell industria pesante si possono citare i sistemi per l aerospazio in cui peso e dimensioni sono aspetti critici e la cui riduzione è garantita dall uso della nanotecnologia. Ambito di immediata e naturale applicazione delle nanotecnologie è quello dell informazione e della comunicazione. Esempi da citare sono i dispositivi a semiconduttore CMOS come processori e memorie di dimensioni sempre più ridotte, i nuovi dispositivi nanometrici a semiconduttore, i dispositivi optoelettronici, i display, i sistemi per il calcolo quantistico. Ricaduta immediata dell utilizzo delle nanotecnologie si avrà ovviamente anche in tutti i beni di largo consumo. L intuizione che si potesse giungere a manipolare singoli atomi e molecole risale storicamente al fisico teorico Richard Feynman che, nel 1959, espose una famosa relazione dal titolo There s Plenty of Room at the Bottom (ovvero C è abbondanza di

6 spazio nel piccolo ) al congresso annuale della American Physical Society. Egli affermò che.. i principi della fisica non sono contro la possibilità di manipolare gli oggetti operando su un atomo alla volta. è un qualcosa che può essere fatto. Per la prima volta quindi venne presentata l ipotesi che fosse possibile realizzare oggetti operando con gli elementi più piccoli in natura che sono atomi e molecole. Il vero impulso alle nanotecnologie si è però avuto negli anni 80 con l invenzione del primo microscopio a effetto tunnel (STM, Scanning Tunneling Microscope) mediante il quale si riesce a osservare la materia fino ai singoli atomi. Lo sviluppo della nanoelettronica è stato sostenuto dall evoluzione delle tecnologie microelettroniche di tipo top-down, caratterizzata dalla legge di Moore, che ha portato ad una miniaturizzazione sempre più spinta dei circuiti integrati. Il continuo miglioramento delle tecniche fotolitografiche ha permesso di realizzare dispositivi con dimensioni minime inferiori a 100 nm, giungendo alla soglia delle nanotecnologie. Chiaramente questo si è accompagnato ad altissimi costi di realizzazione degli impianti di fabbricazione, cresciuti esponenzialmente fino a raggiungere diversi milioni di Euro. Lo scenario dei micro e nanosistemi è piuttosto ampio: esso include i micro/nano sistemi elettromeccanici (Micro/Nano ElectroMechanical Systems: MEMS/NEMS), cioè sensori, attuatori e sistemi miniaturizzati per l elaborazione di segnali prevalentemente nella micromeccatronica, nell optoelettronica, nella microfluidica e nei sistemi integrati. Questi sistemi possono sentire, controllare ed attivare dispositivi su scala micro/nanometrica e funzionare individualmente o in un insieme per generare effetti su scala macrometrica. A causa della natura flessibile di questi sistemi e del loro impatto significativo sulle applicazioni commerciali e della difesa, venture capitalist, industria e governi hanno rivolto nelle ultime decadi un particolare interesse verso questo campo in

7 sviluppo, portando molti di questi dispositivi e sistemi ad essere oggi commercialmente disponibili ad un costo anche molto contenuto. 1.2 Legge di Moore e sue implicazioni Il rapido aumento della capacità di calcolo è derivato dai continui miglioramenti nella miniaturizzazione dei dispositivi e dal contemporaneo aumento della densità e della complessità circuitale sul singolo chip. La funzionalità per chip è cresciuta in accordo alla legge di Moore. Essa stabilisce che la funzionalità misurata dal numero di transistori e i bit raddoppino ogni anni. Il numero di transistori per chip di silicio ha seguito un andamento esponenziale dalla fine degli anni 60 come mostrato in figura 1.1, passando da 2300 transistori su 12 mm 2 con l utilizzo di 6 maschere per la fabbricazione nel caso del processore Intel 4004 (1971) a 820 milioni di transistori su 210 mm 2 e l uso di 30 maschere per il processore Intel Xeon L5420 (2008). Questo ha consentito un miglioramento molto spinto della capacità di calcolo, fornendo ai consumatori prodotti migliori a costi ridotti. Fig. 1.1 Legge di Moore ed evoluzione negli anni delle famiglie di processori Negli ultimi anni sono emerse questioni fondamentali quali:

8 esiste un limite alla legge di Moore? la complessità dei circuiti integrati può continuare a crescere esponenzialmente oppure insormontabili problemi tecnologici o aspetti economici possono frenare questo continuo progresso? la tecnologia CMOS è ancora il futuro dei sistemi di calcolo? è prioritario avere un consumo basso di potenza oppure una velocità più elevata? gli sviluppi futuri del calcolo vanno ricercati nella dimensione nanometrica? quali sono gli aspetti fondamentali per il futuro dei sistemi di calcolo? I due principali driver tecnologici dell industria dei semiconduttori sono stati e sono memorie e microprocessori. I principali punti critici per le RAM sono costo e capacità della memoria. Il parametro di valutazione della famiglia tecnologica solitamente adottato è lo half pitch, definito come la separazione fra due celle adiacenti di memoria sul chip. Di conseguenza la principale direzione di sviluppo è la minimizzazione dell area di ciascuna cella per consentire l aumento della densità di memoria. I punti critici per i microprocessori sono costo e prestazioni. I parametri di valutazione della famiglia tecnologica in questo caso sono la lunghezza del gate e il numero degli strati di interconnessioni. La drastica riduzione della lunghezza di canale consente di conservare la validità della legge di Moore. Pertanto i fattori che hanno contribuito allo sviluppo esponenziale della complessità dei circuiti sono stati: aumento dell area del chip riduzione delle dimensioni delle strutture elementari nei circuiti miglioramento della capacità di progettazione di dispositivi. L analisi dei dati ha confermato la validità di questi tre fattori come catalizzatori dello sviluppo.

9 L area del chip è aumentata di un fattore 4 dal 1965 al 1975 grazie ad un miglioramento della quantità dei materiali ma è stata poi limitata dai costi accettabili dei prodotti (il costo per unità di area dei circuiti integrati, espresso in dollari/cm 2, è rimasto sostanzialmente stabile nel tempo). La dimensione lineare minima definita nelle strutture MOS si è ridotta di un fattore 3 ogni 10 anni e ha fornito il contributo principale allo sviluppo. Il miglioramento nella capacità di progettazione di dispositivi complessi si è concentrato essenzialmente sul tempo di progettazione. Per le memorie, tecniche di autoallineamento e di sviluppo tridimensionale di dispositivi hanno permesso di ridurre ulteriormente l ingombro. Considerazioni ulteriori da fare per giustificare la continua crescita della microelettronica sono le seguenti: il costo di produzione è proporzionale all area dei circuiti integrati. I circuiti integrati sono prodotti in serie su substrati di silicio di dimensioni standard (wafer). Il costo di lavorazione di ogni wafer è costante, quindi, il costo del circuito integrato è inversamente proporzionale all area. il mercato è in grado di recepire una quantità pressoché illimitata di prodotti. I circuiti integrati hanno consentito di sostituire a minor costo circuiti formati da tanti dispostivi discreti assemblati su di una piastra stampata. l aumento della densità di integrazione è determinata solo dalle risorse investite in ricerca e sviluppo, cioè non esistono barriere tecnologiche fondamentali. La crescita esponenziale si è mantenuta invariata per quasi 40 anni dando luogo ad un aumento di produttività senza precedenti nella storia dell umanità. Ritornando alle questioni su cui la comunità scientifica dibatte negli ultimi decenni certamente la prima di queste a cui dare risposta è quanto a lungo ancora la

10 legge di Moore potrà conservare la sua validità, anche in relazione alle considerazioni su esposte. Nel cercare una risposta a tale questione sono emersi come potenziali limiti sia aspetti tecnici che aspetti economici. I limiti di tipo tecnico possono essere ulteriormente distinti in fisici e pratici. I limiti fisici sono quelli legati ai principi fisici alla base del funzionamento di un dispositivo soggetto a miniaturizzazione. Esempi sono la variazione della tensione di soglia, gli effetti di canale corto e gli effetti di campo elevato che potrebbero impedire la scalabilità del MOSFET sotto una certa dimensione, L phys (limite fisico). I limiti pratici sono legati più strettamente ai problemi di fabbricazione e, quindi, di natura tecnologica. Esempi sono l impossibilità di definire geometrie sotto una dimensione critica, L litho, con l utilizzo di una tecnica litografica, la riduzione dello spessore dell ossido al gate e la realizzazione delle interconnessioni. Inoltre, la realizzabilità pratica di tecnologie avanzate si basa sulla disponibilità di attrezzature per la fabbricazione, materiali di estrema purezza, sistemi di misura, software per la progettazione di circuiti integrati complessi. Ciascuno di questi aspetti o una loro combinazione può minacciare la validità della legge di Moore. Pertanto, per evitare che la legge di Moore ralenti è necessario individuare i colli di bottiglia che limitano lo sviluppo della microelettronica suggerire le attività di ricerca necessarie a rimuovere i colli di bottiglia. L industria dei semiconduttori ha analizzato i dati e tracciato i trend di sviluppo per le principali tecnologie (memorie e processori), passando ad una fase di evoluzione guidata rappresentata dalla International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). La ITRS fornisce la descrizione dello scenario necessario a supportare la crescita esponenziale con l indicazione delle tecnologie da sviluppare e delle date in cui esse devono essere disponibili. La roadmap è anche uno strumento di lavoro per organizzare le attività di ricerca e sviluppo, anche a livello internazionale.

11 Fra i fattori chiave da considerare si ricordano: la crescita dei ritardi interni All aumentare della distanza tra le interconnessioni, aumentano le capacità parassite. Inoltre, a causa della diminuzione della sezione delle interconnessioni, aumentano le resistenze serie. Di conseguenza, diminuisce la velocità di propagazione dei segnali, mentre si vuole aumentare la frequenza di funzionamento dei dispositivi. la crescita della dissipazione termica Le potenze dissipate dai circuiti CMOS, sia in funzionamento che in standby, sono in continua rapida crescita, tanto che i valori indicati dalla roadmap sono difficilmente compatibili con la alimentazione a batterie. Esistono anche aspetti economici legati alla conservazione della legge di Moore. La 2 legge di Moore, illustrata in figura 1.2, esamina i problemi economici legati alla produzione di circuiti integrati. Fig a Legge di Moore In accordo a tale legge il costo degli impianti di fabbricazione necessari per produrre una nuova generazione di circuiti integrati aumenta di un fattore 2 ogni 3 anni. I costi di investimento per gli impianti di fabbricazione cominciano ad essere proibitivi e rappresentano un fattore che potrà ritardare un ulteriore sviluppo. Fermo

12 restando il fatto che l entità dell investimento dipende in maniera significativo dal tipo di prodotto in sviluppo, una stima intorno ai 5 milioni di dollari è realista. Si assiste, quindi, ad una riduzione del numero di società che si possono permettere linee pilota avanzate. Inoltre si verificano fenomeni di associazione di società diverse per condurre ricerca in comune. Il ritorno economico deve essere adeguato agli investimenti fatti pertanto ogni generazione tecnologica nuova deve produrre utili sufficienti a ripagare le spese di sviluppo e ciò è possibile solo se si aprono nuovi mercati di massa. La figura seguente mostra che il numero di componenti sul chip scala con la feature size. Fig. 1.3 Legge di Moore che riporta il numero di componenti su chip in funzione della feature size Per mantenere il trend storico della legge di Moore è necessario cha la feature size del dispositivo sia ridotta al di sotto di 0.1 µm, con la conseguente necessità di affrontare e risolvere i problemi precedentemente elencati. Ulteriori aspetti critici sono quelli legati al progetto, al testing ed al packaging di circuiti contenenti miliardi di transistori. Nel dettaglio della immagine seguente è evidente che al di sotto di 0.1 µm e scendendo fino alla dimensione atomica è necessario considerare effetti quantistici che aprono la strada a dispositivi alternativi alla tecnologia CMOS.

13 Fig. 1.4 Trend di riduzione della feature size e domini fisici Sebbene ci siano limiti fisici e tecnologici che sembrano poter contrastare l ulteriore sviluppo di circuiti integrati, possono intervenire fattori evoluzionari e rivoluzionari a sostegno dello sviluppo secondo Moore. I fattori evoluzionari sono rappresentati dai continui progressi nella riduzione dei dispositivi in tecnologia CMOS attraverso miglioramenti della tecnologia di fabbricazione e delle tecniche di packaging. I fattori rivoluzionari sono legati alla disponibilità di tecnologie diverse da quella CMOS. Si possono individuare i seguenti domini di ricerca, illustrati in figura 1.5: o o o More Moore More than Moore Beyond Moore Feature size Year Fig. 1.5 Trend di riduzione della feature size e domini di ricerca

14 Il dominio More Moore riguarda tradizionalmente le tecnologie relative al CMOS nanometrici. Il fattore chiave è lo scaling. Lo scaling geometrico (a campo costante) si riferisce alla continua riduzione delle dimensioni fisiche orizzontali e verticali dei dispositivi su chip e degli elementi di memorizzazione per migliorare la densità (con riduzione dei costi per funzione) e le prestazioni (velocità e potenza), nonché l affidabilità. Lo scaling equivalente si verifica in congiunzione con lo scaling geometrico continuo. Si riferisce al miglioramento di strutture 3D unitamente al ricorso a tecniche non geometriche e a nuovi materiali che possono influenzare le prestazioni elettriche del chip. Il dominio More than Moore ha come fattore chiave la diversificazione funzionale. Si basa sull inserimento nei dispositivi di funzionalità che non scalano necessariamente in accordo con la legge di Moore ma forniscono un valore aggiunto all utente finale in diversi modi. Questo approccio consente tipicamente funzionalità non digitali (ad esempio comunicazioni RF, MEMS, componenti passivi, sensori, attuatori). Il dominio Beyond Moore riguarda le tecnologie ed i principi dei dispositivi definiti di rottura rispetto alla tecnologia CMOS (ad esempio dispositivi non a carica, passaggio dalla tecnologia dei semiconduttori a quella molecolare). Candidati Beyond CMOS per dispositivi logici e di memoria sono transistori nanowire, transistori CNT, dispositivi resonant tunneling, dispositivi NEMS, transistori a singolo elettrone, transistori molecolari, dispositivi basati su spintronica. E importante stabilire se questi sono candidati abili a fare sistema. I criteri per valutare l abilità a costituire sistema sono: l abilità a ospitare/integrare tre funzionalità base del sistema quali calcolo, memoria e comunicazione (interconnessioni), la densità di potenza e/o il consumo di energia, 1

15 la temperatura di funzionamento durante le fasi di calcolo e di registrazione, la possibilità di variare il dispositivo e di individuare soluzioni costeffective, i limiti fondamentali, la possibilità di realizzare sistemi analogici o misti, l affidabilità e la resa, il valore aggiunto rispetto ai circuiti CMOS su silicio. 1.3 Approccio top-down e bottom-up Il primo approccio che storicamente è stato adottato dall industria microelettronica per la realizzazione di circuiti integrati di crescente complessità è stato quello di progettare e fabbricare strutture sempre più piccole migliorando la risoluzione e le prestazioni degli apparati macroscopici per la manipolazione dei materiali. La parola chiave in questo contesto è stata scalabilità, definendo così una metodologia di tipo top-down, per ottenere la quale si è lavorato soprattutto sulla progressiva riduzione della lunghezza d onda delle sorgenti da usare nella tecnica fotolitografica nonché sul miglioramento dei relativi materiali e dell intero processo tecnologico. Tale approccio, tipicamente ingegneristico, consente di realizzare trutture molto definite, stabili, regolari e tipicamente planari nonché nanostrutture a stato solido facendo uso di radiazioni ad alta energia (raggi X, ioni o elettroni). In questo contesto, strumenti quali microscopi di scansione a sonda hanno consentito di sviluppare nuove tecniche nanolitografiche a carattere complementare. Dal punto di vista concettuale, infatti, la maggior parte di queste tecniche si basa sulla rimozione spazialmente selettiva di un polimero o la deposizione/formazione locale di molecole nelle zone desiderate.

16 Nell ambito delle nanotecnologie esiste, però, una metodologia alternativa che sta emergendo negli ultimi anni e che di fatto è quella più caratterizzante: costruire dal basso verso l alto (bottom-up). Essa rappresenta il tentativo di fabbricare entità complesse sfruttando le capacità di autoassemblamento o di autoorganizzazione dei sistemi molecolari. È pertanto un approccio di tipo chimico o biologico, potenzialmente in grado, a differenza delle tecniche litografiche, di creare strutture tridimensionali complesse a basso costo ed in grande quantità. Le nanotecnologie bottom-up nascono dal progetto di molecole o aggregati molecolari che hanno la capacità di autoassemblarsi o autoorganizzarsi in strutture di ordine più elevato. Un tale approccio può essere molto efficace impiegando molecole che siano maggiormente adatte ad autoassemblarsi spontaneamente sotto l azione di uno specifico agente chimico o fisico, come la variazione di ph, la concentrazione di uno specifico soluto o l applicazione di un campo elettrico. Le due metodologie descritte, che trovano applicazione nelle nanotecnologie, non sono in contrapposizione, anzi attualmente lo sforzo maggiore è ricercare tra esse la sinergia più adeguata per l applicazione desiderata. Nell approccio bottom-up si parte dall introduzione di nanoblocchi che presentano proprietà fisiche innovative a seconda della dimensione, della morfologia e della composizione chimica. È fondamentale comprendere le proprietà fondamentali delle nuove nanostrutture in modo da poter ricavare le descrizioni funzionali di ogni nanocella. In questo modo è possibile mettere in relazione ogni nuovo concetto di nanodispositivo/nanocella con quelli noti e disponibili dalla tecnologia dei circuiti integrati in modo da poterli combinare efficacemente per progettare sistemi integrati di tipo innovativo. È necessario allora comprendere preliminarmente cosa accade alle proprietà di un oggetto man mano che ne diminuiscono le dimensioni fino ad arrivare a quelle del nanometro.

17 Un parametro importante è il rapporto tra l area della superficie e il volume dell oggetto. Negli oggetti macroscopici, che hanno un piccolo rapporto area/volume, le proprietà chimiche e fisiche sono essenzialmente determinate dalla struttura del solido (bulk). Negli oggetti più piccoli, con un elevato rapporto area/volume, le caratteristiche della superficie diventano determinanti, influenzando fortemente le proprietà ottiche, l adesività, la bagnabilità, l attrito, la reattività chimica, ecc.. Uno dei maggiori ostacoli allo sviluppo delle applicazioni delle nanotecnologie risiede nelle scale di tipo spaziale e temporale secondo le quali si svolgono gli eventi chimico/fisici di interesse. Esse, infatti, variano rispettivamente dal nanometro a centinaia di nanometri e dal nanosecondo al femtosecondo. Pertanto, al fine di studiare ed esplorare la ricchezza e la complessità di questi sistemi, si richiedono strumenti altamente sofisticati, sia di tipo teorico che sperimentale. 1.4 Riferimenti bibliografici [1] B. Bhushan, Handbook of Nano-technology, Springer Ed., [2] S. Luryi, J. Xu, A. Zaslavsky, Future trends in microelectronics, John Wiley & Sons, Inc. Ed., [3] K. F. Brennan, A. S. Brown, Theory of Modern Electronic Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, Inc. Ed., 2002.