Изготовление микропроцессоров. Технологические этапы производства микропроцессоров
Как производятся микропроцессоры
Вам не приходилось бывать в сердце полупроводниковой индустрии - на фабрике по производству микросхем? Каждое подобное сооружение - творение, способное впечатлить любого, даже непосвященного в производственные процессы человека.
У побывавших там возникало ощущение, будто совершаешь фантастическое путешествие в футуристический муравейник роботов или внутрь самой микросхемы. Там, в стерильном зале размером с три футбольных поля, снуют роботы и десятки специалистов, облаченных в скафандры и защитные шлемы. А высокоточные машины для производства микросхем «парят» на специальных платформах, освещенные желто-оранжевым светом…
Этапы производства кристаллов микросхем и фотолитография
Интегральные микросхемы делают на поверхности монокристаллического кремния (Кремний (Si) используется потому, что он является наиболее подходящим для этих целей полупроводником. В свою очередь, полупроводники - это класс материалов, чья электрическая проводимость находится посреди между проводимостью проводников (главным образом, металлов) и изоляторов (диэлектриков). Кремний также может выступать как в качестве диэлектрика, так и в качестве проводника - в зависимости от количества и типа присутствующих в нем примесей других химических элементов. И эта особенность широко используется при производстве микросхем. Впрочем, в редких случаях вместо кремния применяют и другие материалы. В частности, Intel умеет внедрять в свой 90-нм техпроцесс биполярные транзисторы с гетеропереходами (HBT) на кремний-германии (SiGe)) путем последовательного создания различных слоев на тонкой (меньше миллиметра) круглой (диаметром до 30 см) кремниевой пластине, именуемой подложкой [Тонкие пластины нарезаются из тяжеленной длинной цилиндрической болванки монокристаллического кремния, которая выращивается специальным прецизионным способом. Затем пластины полируются до зеркального блеска механическими и химическими методами. «Рабочая» поверхность (то есть та, на которой далее создается микросхема) пластины должна быть гладкой и совершенной на атомарном уровне и иметь весьма точную кристаллографическою ориентацию (подобно различным граням бриллианта при огранке, но еще более совершенной)]. Слои формируются при помощи различных процессов с использованием химических реактивов, газов и света. Производство современных микропроцессоров является сложным процессом, состоящим из трехсот с лишним шагов - более двадцати слоев «витиевато» соединены между собой, дабы сформировать схему микропроцессора с трехмерной структурой. Точное число слоев на подложке (вафле) зависит от дизайн-проекта конкретного процессора. Сотни идентичных микропроцессоров создаются на одной кремниевой подложке и на финальной стадии разрезаются на отдельные прямоугольные кристаллы - чипы.
Процессы формирования различных слоев и рисунков элементов микросхемы на подложке достаточно хитроумны (фактически это целая область науки), однако в их основе лежит одна простая идея: поскольку характерные размеры создаваемого рисунка настолько малы (Например, ячейка кэш-памяти процессора на 90-нм ядре Prescott в сто раз меньше красной кровяной клетки (эритроцита), а один ее транзистор - величиной с вирус гриппа), что осаждать те или иные материалы в нужных местах просто невозможно, поступают проще - материал осаждают сразу на всю поверхность подложки, а затем его аккуратно удаляют из тех мест, где он не нужен. Для этого служит процесс фотолитографии.
Ч
то
такое «чистая комната» и почему они
используются на полупроводниковых
фабриках?
Кристаллы микросхем должны производиться в условиях контролируемого и очень чистого воздуха. Поскольку функциональные элементы (транзисторы, проводники) на микрочипах очень малы, любая чужеродная частица (пыль, дым или чешуйки кожи), попавшая на пластину с будущими микросхемами на промежуточных стадиях ее производства, способна вывести из строя целый кристалл. «Чистые комнаты» классифицируются по размеру и количеству микрочастиц, присутствующих в единице объема (кубическом футе, примерно равном одной тридцатой части кубометра) воздуха. Например, комнаты класса 1, используемые в современном производстве, примерно в тысячу раз чище, чем хирургическая операционная. «Чистая комната» управляет чистотой воздуха путем фильтрации поступающего воздуха, удалением грязи с установок, ламинарным перемещением воздуха от потолка к полу (примерно за шесть секунд), регулировкой влажности и температуры. Люди в «чистых комнатах» ходят в специальных скафандрах, закрывающих, в том числе, весь волосяной покров (а в ряде случаев - даже с собственной системой дыхания). Для устранения вибраций чистые комнаты располагаются на собственном виброзащитном фундаменте.
Фотолитография является незыблемой основой производства микросхем, и в обозримом будущем ей вряд ли найдется достойная замена. Поэтому имеет смысл рассмотреть ее подробнее. Например, нам нужно создать рисунок в слое какого-то материала - диоксида кремния или металла (это наиболее распространенные в современном производстве операции). Прежде всего, на подложке тем или иным способом создается тонкий (обычно тоньше одного микрона) и сплошной, без дефектов, слой нужного материала. Далее на нем проводится фотолитография. Для этого сперва на поверхность пластины наносится тонкий слой светочувствительного материала, называемого фоторезистом (Фоторезист наносится из жидкой фазы, равномерно распределяется по поверхности пластины вращением в центрифуге и сушится до затвердевания). Затем пластина с фоторезистом помещается в прецизионную установку, где нужные участки поверхности облучаются ультрафиолетом сквозь прозрачные отверстия в фотомаске (ее еще называют фотошаблоном). Маска содержит соответствующий (наносимый на поверхность пластины) рисунок, который разрабатывается для каждого слоя в процессе проектирования микросхемы. Под действием ультрафиолета облученные участки фоторезиста меняют свои свойства так, что становится возможным их селективно удалить в определенных химических реактивах (Существует негативный и позитивный фоторезист. Один при облучении «крепчает», поэтому удаляют его необлученные участки, а другой, наоборот, теряет химическую стойкость, поэтому удаляются его облученные участки. Соответственно, различают позитивную и негативную фотолитографию). После снятия фоторезиста остаются открытыми только те области поверхности пластины, над которыми требуется совершить нужную операцию - например, убрать слой диэлектрика или металла. Они успешно удаляются (эта процедура называется травлением - химическим или плазмохимическим), после чего остатки фоторезиста можно окончательно убрать с поверхности пластины, оголив сформированный в слое нужного материала рисунок для дальнейших действий.Фотолитография завершена.
П
ри
производстве современных микропроцессоров
приходится совершать операции
фотолитографии до 20–25 раз - каждый раз
над новым слоем. В общей сложности это
занимает несколько недель! В одних
случаях это слои изолирующих материалов,
служащих подзатворным диэлектриком
транзисторов или пассивирующими
(изолирующими) прослойками между
транзисторами и проводниками. В других
- это формирование проводящих
поликремневых затворов транзисторов
и соединяющих транзисторы металлических
проводников (В целях упрощения часть
операций иногда совмещают - например,
так называемые самосовмещенные затворы
изготавливаются на базе одной и той же
фотолитографии одновременным формированием
рисунка подзатворного диэлектрика и
тонкого поликремниевого затвора). В
третьих - это формирование селективно
легированных областей (главным образом
- стоков и истоков транзисторов), причем
легирование участков поверхности
монокристаллической кремниевой пластины
ионизированными атомами различных
химических элементов (с целью создания
в кремнии полупроводниковых областей
n- или p-типа) производится не через окна
в фоторезисте (он слишком нестоек для
этого), а сквозь рисунок в достаточно
толстом слое нанесенного диэлектрика
(например, того же оксида кремния). После
чего диэлектрик удаляется вместе с
фоторезистом.
Иногда применяется и такой интересный метод, как взрывная фотолитография. То есть сперва формируется рисунок (вытравливаются окна в фоторезисте или временном слое диэлектрика), затем на поверхность пластины наносится сплошной слой нового материала (например, металла), и, наконец, пластина помещается в реактив, удаляющий остатки фоторезиста или временный диэлектрик. В результате удаляемый слой как бы «взрывается» изнутри, унося с собой лежащие на нем куски нанесенного последним металла, а в предварительно «открытых» участках (окнах) металл остался и сформировал нужный нам функциональный рисунок (проводников или затворов). И это только верхушка айсберга, называемого микроэлектронной технологией, в основе которой лежит принцип фотолитографии.
Таким образом на поверхности кремниевой пластины создается сложная трехмерная структура толщиной в несколько микрон, которая, собственно, и является электронной схемой. Сверху схема покрывается толстым (микроны) слоем пассивирующего диэлектрика, защищающего тонкую структуру от внешних воздействий. В нем лишь открываются окна для больших, стороной в десятки микрон, квадратных металлических контактных площадок, через которые на схему подаются извне питающие напряжения и электрические сигналы. А снизу механической основой микросхемы служит кремниевая пластина толщиной в сотни микрон. Теоретически, такую схему можно было бы сделать очень тонкой (10–30 мкм) и при желании даже «свернуть в трубочку» без потери функциональности. И подобные работы уже некоторое время ведутся в отдельных направлениях, хотя традиционные кристаллы микросхем (чипы) по-прежнему остаются «несгибаемыми».
После завершения технологических процедур каждый из кристаллов на пластине тестируется (подробнее об этом - в следующей статье), а потом пластина разрезается на отдельные кристаллы (прямоугольные чипы) при помощи алмазной пилы (Перед разрезанием на кристаллы толщина пластины у современных микропроцессоров уменьшается примерно на треть при помощи механической полировки. Это позволяет помещать их в более компактные корпуса. Полировка обратной стороны преследует также цели удаления посторонних материалов с последующим формированием электрического и адгезионного контактов к подложке при корпусировке). Далее каждый чип упаковывается в свой корпус, что позволяет подключать его к другим приборам. Тип упаковки зависит от типа микросхемы и от того, как она будет использоваться. Напоследок все упакованные чипы тестируются еще раз (негодные отбраковываются, годные проходят специальные стресс-тесты при различных температурах и влажности, а также проверку на электростатический разряд), сортируются по характеристикам и соответствию тем или иным спецификациям и отгружаются заказчику.
Технология Intel Copy Exactly
У
большинства производителей микросхем
оборудование и процессы, используемые
в лабораториях для исследований и
разработок, отличаются от того, что
применяется на фабриках производства
готовой продукции. И при переводе
производства с опытного на серийное
часто возникают серьезные задержки,
связанные с тем, что на новом оборудовании
требуется заметно дорабатывать и
адаптировать технологические процессы,
чтобы достичь высокого процента выхода
годной продукции, ранее полученного в
лабораториях. Это не только задерживает
массовое производство, но и приводит к
изменениям сотен параметров техпроцессов
и даже конечных изделий. То же самое
справедливо, если процесс, отлаженный
на одной фабрике, переносится на другую
с новым оборудованием.
Чтобы предотвратить возможные издержки, корпорация Intel, имеющая уже более десятка полупроводниковых фабрик, несколько лет назад внедрила у себя технологию Copy Exactly, суть которой в том, что при переносе технологии изготовления того или иного продукта из лаборатории на фабрику или между разными фабриками производится полное, до мелочей повторение (дупликация) всего, что с этим техпроцессом связано. Для этого, в частности, менеджеры с заводов участвуют в разработке продукта. А при переносе технологии копируется буквально все - не только входные и выходные параметры процессов (более 500!), но и их протекание, оборудование и параметры его настроек, поставщики исходных материалов для техпроцессов, трубопроводная система, чистые комнаты и даже методики обучения персонала.
Эта новаторская методика переноса технологий оказалась очень успешной. Сегодня она позволяет заводам выходить на полную мощность практически сразу после запуска - в течение нескольких недель. К тому же технология Copy Exactly придает фабрикам одной корпорации большую гибкость: начатые на одном заводе, пластины без ущерба для качества и выхода годных могут быть завершены на другом. А в случае аварии или реорганизации одной из фабрик другие «подхватят» ее дело и бизнес практически не пострадает. Эту технологию по достоинству оценивают и конкуренты - например, AMD и IBM, - хотя между ними в настоящее время она неприменима, поскольку их технологические маршруты несколько различаются.
Полупроводниковые фабрики
С
ейчас
в промышленности по производству чипов
подходит к завершению одна из тех
революций, которые раз в десятилетие
меняют облик индустрии. Изготовители
переходят от подложек диаметром 200 мм
к подложкам диаметром 300 мм (см. фото
справа), в результате чего появляется
возможность заметно удешевить производство
микросхем, а вместе с этим - всей
электронной полупроводниковой продукции.
Дело в том, что подложка диаметром 300 мм
обеспечивает 225-процентное увеличение
площади кремниевой пластины и
240-процентное увеличение полезного
выхода чипов с каждой подложки. Кроме
того, значительно улучшаются и
экологические характеристики производства,
которое требует меньшего расхода
химических реактивов и энергии в
пересчете на каждый процессор, создает
меньше отходов. По данным Intel, по сравнению
с заводом, работающим на 200-миллиметровых
подложках, новая фабрика выбрасывает
на 48% меньше летучих органических
веществ, расходует на 42% меньше сверхчистой
воды и примерно на 40% меньше энергии. На
50% сокращаются затраты труда.
Современные «300-мм» фабрики - это гигантские промышленные предприятия стоимостью около 2 млрд. долларов и площадью более сотни тысяч квадратных метров. Лишь немногие из современных компаний-производителей чипов (двадцатку лидеров см. во врезке на стр. 34) могут позволить себе вложения в такие дорогие фабрики. Ведь для постройки и дальнейшей эксплуатации подобных предприятий требуется достичь уровня ежегодных продаж в размере как минимум 6 млрд. долларов в расчете на каждую фабрику. Подобные фабрики принято называть «foundry» - один из переводов этого термина на русский язык означает «литейное производство». Название олицетворяет колоссальный индустриальный масштаб: ювелирный процесс изготовления высокотехнологичных элементов микропроцессоров становится на промышленный поток, масштаб которого сравним разве что с масштабом производства продукции огромными металлургическими цехами. В 2000 году, когда продажи чипов были на подъеме, всего десять компаний в мире имели объемы продаж выше 6 млрд. долларов. Из «старой гвардии» сегодня только Intel, IBM, Infineon, AMD, Texas Instruments и Samsung владеют собственными действующими фабриками по производству микросхем на 300-мм подложках. Другие создаются и управляются совместно объединениями компаний - например, «Motorola - Philips - STMicroelectronics - Taiwan Semiconductor». Несомненным лидером в планах постройки новых фабрик является Тайвань. Уже в 2001 году на острове была изготовлена пятая часть всего мирового производства подложек, а к 2010 году эта доля может достичь 40%. На пятки Тайваню наступают Китай, Малайзия и Сингапур - они планируют построить 15 фабрик, пять из которых будут работать на 300-мм пластинах.
У
корпорации Intel таких действующих в
промышленном масштабе фабрик уже четыре:
F11X в Рио-Ранчо (штат Нью-Мексико), две -
D1C и D1D - в Хиллсборо (штат Орегон) и
недавно введенная в строй Fab 24 в ирландском
городке Лейкслип (Leixlip). Все они могут
выпускать процессоры по 90-нм технологии;
пятая же, Fab 12 в Чандлере (штат Аризона)
для 65-нм техпроцесса, будет переведена
на 300-мм пластины к 2005 году. А, например,
у AMD ввод в строй первой 300-мм фабрики
Fab 36 планируется лишь в следующем году,
см. обзор на www.terralab.ru/system/33692. Как полагают
эксперты, существующие фабрики с 200-мм
подложками смогут продержаться «на
плаву» до 2005 года, после чего они уже не
смогут выдержать ценовой конкуренции
с 300-мм процессом. К 2005 году чипы будут
делаться по технологии 65 нм, а на
микропроцессорах будет интегрировано
по миллиарду транзисторов! Чипы станут
настолько крошечными, что позволят
встраивать сотовые телефоны с голосовым
набором номера в авторучку.
Почему фабрики для производства микросхем так дороги (до 5 млрд. долларов)? Полупроводниковые фабрики выполняют наиболее сложные задачи среди всех фабрик в мире. Они используют только специализированные материалы, болты, конструктивные элементы, оборудование и пр. Кроме того, интеловские фабрики, например, почти вдвое больше, чем средний размер подобных заводов в мире. Само здание стоит примерно 25% от общей стоимости фабрики и еще лет десять после постройки остается сооружением, пригодным для решения самых современных задач. Оборудование (установки для фотолитографии, газофазного осаждения, ионной имплантации) и автоматы на этаже стоят остальные 75%.
Дополнительные измерения проводятся для того, чтобы убедиться в виброустойчивости фундамента и установок. Даже если фабрика - внешне одно здание, на самом деле это несколько зданий, отделенных друг от друга набольшими (до 10 см) промежутками, и каждое здание имеет собственный фундамент. Это помогает гасить различные вибрации - как от внешних источников (автотранспорта, поездов), так и собственных вибраций оборудования.
Современные микропроцессоры - одни из сложнейших устройств, изготавливаемых человеком. Производство полупроводникового кристалла намного более ресурсоемко, чем, скажем, возведение многоэтажного дома или организация крупнейшего выставочного мероприятия. Однако благодаря массовому выпуску CPU в денежном эквиваленте мы этого не замечаем, да и редко кто задумывается обо всей грандиозности элементов, занимающих столь видное место внутри системного блока. Мы решили изучить детали производства процессоров и поведать о них в данном материале. Благо в Сети сегодня достаточно информации на эту тему, а специализированная подборка презентаций и слайдов корпорации Intel позволяет выполнить поставленную задачу максимально наглядно. Предприятия других гигантов полупроводниковой индустрии работают по тому же принципу, поэтому с уверенностью можно сказать, что все современные микросхемы проходят идентичный путь создания.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Первое, о чем стоит упомянуть, - строительный материал для процессоров. Кремний (англ. silicon) - второй после кислорода наиболее распространенный элемент на планете. Он является природным полупроводником и используется как основной материал для производства чипов всевозможных микросхем. Больше всего кремния содержится в обычном песке (особенно кварце) в виде диоксида кремния (SiO2).
Впрочем, кремний - не единственный материал. Самый близкий его родственник и заменитель - германий, однако в процессе совершенствования производства ученые выявляют хорошие полупроводниковые свойства у соединений других элементов и готовятся опробовать их на практике или уже это делают.
1 Кремний проходит многоступенчатый процесс очистки: сырье для микросхем не может содержать больше примесей, чем один чужеродный атом на миллиард.
2 Кремний расплавляют в специальной емкости и, опустив внутрь постоянно охлаждаемый вращающийся стержень, «наматывают» на него благодаря силам поверхностного натяжения вещество.
3 В итоге получаются продольные заготовки (монокристаллы) круглого сечения, каждая массой около 100 кг.
4 Заготовку нарезают на отдельные кремниевые диски - пластины, на которых будут расположены сотни микропроцессоров. Для этих целей используются станки с алмазными режущими дисками или проволочно-абразивные установки.
5 Подложки полируют до зеркального блеска, чтобы устранить все дефекты на поверхности. Следующий шаг - нанесение тончайшего фотополимерного слоя.
6 Обработанная подложка подвергается воздействию жесткого ультрафиолетового излучения. В фотополимерном слое происходит химическая реакция: свет, проходя через многочисленные трафареты, повторяет рисунки слоев CPU.
7 Реальный размер наносимого изображения в несколько раз меньше собственно трафарета.
8 Участки, «протравленные» излучением, вымываются. На кремниевой подложке получается рисунок, который затем подвергается закреплению.
9 Следующий этап изготовления одного слоя - ионизация, в процессе которой свободные от полимера участки кремния бомбардируются ионами.
10 В местах их попадания изменяются свойства электрической проводимости.
11 Оставшийся полимер удаляют, и транзистор почти готов. В изолирующих слоях делаются отверстия, которые благодаря химической реакции заполняются атомами меди, используемыми в качестве контактов.
12 Соединение транзисторов представляет собой многоуровневую разводку. Если взглянуть в микроскоп, на кристалле можно заметить множество металлических проводников и помещенных между ними атомов кремния или его современных заменителей.
13 Часть готовой подложки проходит первый тест на функциональность. На этом этапе на каждый из выбранных транзисторов подается ток, и автоматизированная система проверяет параметры работы полупроводника.
14 Подложка с помощью тончайших режущих кругов разрезается на отдельные части.
15 Годные кристаллы, полученные в результате данной операции, используются в производстве процессоров, а бракованные отправляются в отходы.
16 Отдельный кристалл, из которого будет сделан процессор, помещают между основанием (подложкой) CPU и теплорас-пределительной крышкой и «упаковывают».
17 В ходе окончательного тестирования готовые процессоры проверяются на соответствие требуемым параметрам и лишь затем сортируются. На основании полученных данных в них прошивается микрокод, позволяющий системе должным образом определить CPU.
18 Готовые устройства упаковываются и направляются на рынок.
 |
 |
 |
 |
Интересные факты о процессорах и их производстве
«Силиконовая долина» (Silicon Valley, США, Калифорния)
Получила свое название благодаря основному строительному элементу, использующемуся в производстве микрочипов.
«Почему пластины для производства процессоров круглые?» - наверняка спросите вы.
Для производства кремниевых кристаллов применяется технология, позволяющая получать только цилиндрические заготовки, которые затем режутся на части. До сих пор еще никому не удавалось изготовить квадратную пластину, лишенную дефектов.
Почему микрочипы квадратные?
Именно такая литография позволяет использовать площадь пластины с максимальной эффективностью.
Зачем процессорам столько ножек/контактов?
Помимо сигнальных линий каждый процессор для работы нуждается в стабильном питании. При энергопотреблении порядка 100-120 Вт и низком напряжении через контакты может протекать ток силой до 100 А. Значительная часть контактов CPU выделена именно под систему питания и дублируется.
Утилизация отходов производства
Раньше дефектные пластины, их остатки и бракованные микрочипы шли в отходы. На сегодняшний день ведутся разработки, позволяющие использовать их в качестве основы для производства солнечных батарей.
«Костюм кролика».
Такое название получил комбинезон белого цвета, который обязаны носить все рабочие производственных помещений. Делается это для поддержания максимальной чистоты и защиты от случайного попадания частиц пыли на производственные установки. «Костюм кролика» впервые был использован на фабриках по производству процессоров в 1973 году и с тех пор стал общепринятым стандартом.
99,9999%
Для производства процессоров пригоден только кремний высочайшей степени чистоты. Заготовки очищают спецхимией.
300 мм
Таков диаметр современных кремниевых пластин для производства процессоров.
1000 раз
Именно настолько чище воздух в помещениях фабрик для производства чипов, чем в операционной.
20 слоев
Процессорный кристалл очень тонкий (меньше миллиметра), но в нем умещаются более 20 слоев сложнейших структурных объединений транзисторов, которые выглядят как многоуровневые хайвеи.
2500
Именно столько кристаллов процессора Intel Atom (имеют наименьшую площадь среди cовременных CPU) размещаются на одной 300-миллиметровой пластине.
10 000 000 000 000 000 000
Сто квинтиллионов транзисторов в виде структурных элементов микрочипов отгружаются с фабрик каждый год. Это приблизительно в 100 раз больше, чем оценочное количество муравьев на планете.
A
Стоимость производства одного транзистора в процессоре сегодня равна цене печати одной буквы в газете.
В процессе подготовки статьи использовались материалы с официального веб-сайта корпорации Intel, www.intel.ua
Производство микросхем — весьма непростое дело, и закрытость этого рынка диктуется в первую очередь особенностями главенствующей в наши дни технологии фотолитографии. Микроскопические электронные схемы проецируются на кремниевую пластину через фотошаблоны, стоимость каждого из которых может достигать $200 000. А между тем для изготовления одного чипа требуется не меньше 50 таких масок. Добавьте к этому стоимость «проб и ошибок» при разработке новых моделей, и вы поймете, что производить процессоры могут только очень большие компании очень большими тиражами.
А что делать научным лабораториям и высокотехнологичным стартапам, которым необходимы нестандартные схемы? Как быть военным, для которых закупать процессоры у «вероятного противника» — мягко говоря, не комильфо?
Мы побывали на российском производственном участке голландской компании Mapper, благодаря которой изготовление микросхем может перестать быть уделом небожителей и превратится в занятие для простых смертных. Ну или почти простых. Здесь, на территории Технополиса «Москва» при финансовой поддержке корпорации «Роснано» производится ключевой компонент технологии Mapper — электронно-оптическая система.
Однако прежде чем разбираться в нюансах безмасочной литографии Mapper, стоит вспомнить основы обычной фотолитографии.
Неповоротливый свет
На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.
Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.
Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа.
Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.
Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.
Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.
Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.
Как сегодня делают процессоры
Идеально отполированную круглую кремниевую пластину диаметром 30 см покрывают тонким слоем фоторезиста. Равномерно распределить фоторезист помогает центробежная сила.
Будущая схема экспонируется на фоторезист через маску. Этот процесс повторяется многократно, потому что из одной пластины получается множество чипов.
Та часть фоторезиста, которая подверглась ультрафиолетовому излучению, становится растворимой и с легкостью удаляется с помощью химикатов.
Участки кремниевой пластины, не защищенные фоторезистом, подвергаются химическому травлению. На их месте образуются углубления.
На пластину вновь наносят слой фоторезиста. На этот раз с помощью экспонирования обнажают те участки, которые подвергнутся ионной бомбардировке.
Под воздействием электрического поля ионы примесей разгоняются до скоростей более 300 000 км/ч и проникают в кремний, придавая ему свойства полупроводника.
После удаления остатков фоторезиста на пластине остаются готовые транзисторы. Сверху наносят слой диэлектрика, в котором по все той же технологии протравливают отверстия под контакты.
Пластину помещают в раствор сульфата меди, и с помощью электролиза на нее наносят проводящий слой. Затем весь слой снимают шлифовкой, а контакты в отверстиях остаются.
Контакты соединяются многоэтажной сетью из металлических «проводов». Количество «этажей» может достигать 20, а общая схема проводников называется архитектурой процессора.
Только теперь пластину распиливают на множество отдельных чипов. Каждый «кристалл» тестируют и лишь затем устанавливают на плату с контактами и накрывают серебряной крышкой-радиатором.
13 000 телевизоров
Альтернативой фотолитографии считают электролитографию, когда экспонируют не светом, а электронами, и не фото-, а электрорезист. Электронный пучок легко фокусируется в точку минимального размера, вплоть до 1 нм. Технология напоминает электронно-лучевую трубку телевизора: сфокусированный поток электронов отклоняется управляющими катушками, рисуя изображение на кремниевой пластине.
До последнего времени эта технология не могла конкурировать с традиционным методом из-за низкой скорости. Чтобы электрорезист среагировал на облучение, он должен принять определенное количество электронов на единицу площади, поэтому один луч может экспонировать в лучшем случае 1 см2/ч. Это приемлемо для единичных заказов от лабораторий, однако неприменимо в промышленности.
К сожалению, решить проблему, увеличив энергию луча, невозможно: одноименные заряды отталкиваются, поэтому при увеличении тока пучок электронов становится шире. Зато можно увеличить количество лучей, экспонируя несколько зон одновременно. И если несколько — это 13 000, как в технологии Mapper, то, согласно расчетам, можно печатать уже десять полноценных чипов в час.
Конечно, объединить в одном устройстве 13 000 электронно-лучевых трубок было бы невозможно. В случае Mapper излучение из источника направляется на коллиматорную линзу, которая формирует широкий параллельный пучок электронов. На его пути встает апертурная матрица, которая превращает его в 13 000 отдельных лучей. Лучи проходят через матрицу бланкеров — кремниевую пластину с 13 000 отверстий. Около каждого из них располагается отклоняющий электрод. Если на него подается ток, электроны «промахиваются» мимо своего отверстия, и один из 13 000 лучей выключается.
Пройдя бланкеры, лучи направляются к матрице дефлекторов, каждый из которых может отклонять свой луч на пару микронов вправо или влево относительно движения пластины (так что Mapper все же напоминает 13 000 кинескопов). Наконец, каждый луч дополнительно фокусируется собственной микролинзой, после чего направляется к электрорезисту. На сегодняшний день технология Mapper прошла тестирование во французском научно-исследовательском институте микроэлектроники CEA-Leti и в компании TSMC, которая производит микропроцессоры для ведущих игроков рынка (в том числе и для Apple iPhone 6S). Ключевые компоненты системы, включая кремниевые электронные линзы, производятся на московском заводе.
Технология Mapper обещает новые перспективы не только исследовательским лабораториям и мелкосерийным (в том числе военным) производствам, но и крупным игрокам. В настоящее время для тестирования прототипов новых процессоров приходится изготавливать точно такие же фотошаблоны, как для массового производства. Возможность относительно быстрого прототипирования схем обещает не только снизить стоимость разработки, но и ускорить прогресс в этой области. Что в конечном счете на руку массовому потребителю электроники, то есть всем нам.
Большие дела начинаются с малого. Это высказывание справедливо для многих вещей, но в этой статье пойдет речь об изготовлении микропроцессоров, которыми нашпигованы самые разные бытовые приборы, что вас окружают, от смартфонов и до холодильников.
Подготовка сырья
Компьютерные чипы сложнейшей структуры, способные производить мгновенные вычисления, рождаются огромных тиглях из кварцевого стекла, наполненных до краев песком, прошедшим многоступенчатую очистку.Прежде всего из песка, набранного в каком-нибудь карьере, получают «технический» кремний путем добавления в минерал углерода при высокой температуре. Получившийся в результате кремний при чистоте достигает 98%, но все еще совершенно не подходит для целей электронной промышленности и, чтобы стать «электронным кремнием», ему требуется дополнительная обработка хлором. В процессе каскада химических реакций с хлором, кремний буквально синтезируется заново, избавляясь от последних признаков примесей.
Только после этого тигель с чистейшим электронным кремнием помещают в герметичную печь, которая наполнена аргоном. Конечно, можно было бы откачать из нее воздух, но создать идеальный вакуум на земле очень сложно, если не невозможно, а с химической точки зрения аргон дает практически тот же эффект. Этот инертный газ замещает кислород, защищая состав от окисления, а сам никак не реагирует с кремнием в тигле.
Только после этого бывший песок разогревается до 1420 градусов Цельсия, что всего на 6 градусов выше его точки плавления. Для этого используется графитовый нагреватель. Выбор материала, как и в случае с кварцем тигля, обусловлен тем, что графит не реагирует с кремнием и, следовательно, не может загрязнить материал будущего процессора.
В нагретый тигель опускается тонкий затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш. Он должен запустить процесс кристаллизации. Дальнейшее можно воспроизвести в домашних условиях с раствором соли, сахара, лимонной кислоты или, например, медного купороса. Остывающий раствор начинает кристаллизироваться вокруг затравочной точки, образуя идеальную молекулярную решетку. Так выращивают кристаллы соли, так растет и кремний.
Затравочный кристалл кремния постепенно поднимают из тигля, со скоростью примерно полтора миллиметра в минуту, и с ним из раствора поднимается растущий монокристалл. Рост кристалла происходит медленно и на один тигель уходит в среднем 26 часов, так что производство работает круглосуточно.
За это время образуется «буля» - цельный цилиндрический кристалл диаметром 300 миллиметров, длиной до 1-2 метров и весом около 100 килограммов. Если взглянуть на него под сильным увеличением, взгляду откроется строгая структура - идеальная кристаллическая решетка из атомов кремния, совершенно однородная по всему объему.
Кристалл настолько прочен, что его вес может выдержать нить диаметром всего 3 миллиметра. Так что, готовую заготовку для процессоров вытягивают из тигля за тот самый затравочный кристалл.
Однако с «буля» обращаются аккуратнее, чем с антикварной вазой, кристалл выдерживает огромные нагрузки на разрыв, но чрезвычайно хрупок.
После химического и рентгеноскопического исследования для проверки чистоты кристалла и правильности молекулярной решетки, заготовку помещают в установку для резки кремния. Она разделяет кристалл на пластины толщиной около 1 миллиметра при помощи проволочной пилы с алмазным напылением.
Конечно, не обходится без повреждений. Какой бы острой ни была пила, после нарезки, на поверхности пластин остаются микроскопические дефекты. Так что за нарезкой следует этап полировки.
Но даже после обработки в мощной шлифовальной машине пластины кремния ещё недостаточно гладкие, чтобы пустить их на производство микрочипов. Поэтому полировку повторяют снова и снова уже с использованием химических реагентов.
В результате получается поверхность, по сравнению с которой, зеркало напоминает крупную наждачную бумагу. Такая пластина без разрывов и микродефектов становится основой для миллионов микроэлектронных устройств, образующих микросхему. Очищенные от пыли, кремниевые диски, которые принято называть «вэйфер» или «вафля» в герметичных контейнерах отправляются в чистую комнату.
В чистой комнате
В 1958 году изобретателю интегральной микросхемы Джеку Кирби удалось совершить прорыв, разместить на своей схеме один транзистор. В наши дни число логических элементов микропроцессора перевалило за миллиард и продолжает удваиваться каждые два года в соответствие с законом Мура.
Работа с такими микроскопическими деталями ставит перед изготовителями чипов серьезный вызов, поскольку даже единственная пылинка может погубить будущее изделие. Поэтому цеха площадью в пару тысяч квадратных метров, полностью изолируют от внешнего мира, оснащают сложнейшими системами очистки и кондиционирования воздуха, делающими его 10000 раз чище, чем в хирургической палате.
Все специалисты, работающие в такой чистой комнате, не просто соблюдают стерильность, но и носят защитные костюмы из антистатических материалов, маски, перчатки. И все же, несмотря на все предосторожности, чтобы уменьшить риск брака, компании-производители процессоров стараются автоматизировать максимум операций, производимых в чистой комнате, возложив их на промышленных роботов.
Процесс изготовления процессоров поставлен на конвейер. Доставленная в герметичном боксе идеально ровная «вэйфер» проходит через 400-500 технологических операций и выходит из цеха только спустя несколько месяцев уже в виде готового микрочипа.
Создание из «вафли» микрочипа подразумевает построение сложнейшей технологической цепочки, описать которую в деталях нет никакой возможности из-за ограничений на объемы статьи. Даже если бы их не было, компании вроде Intel и AMD вовсе не спешат делиться секретами производства. В конструкторских отделах компаний проектируются сложнейшие трехмерные схемы взаимного расположения элементов процессора - топологии микросхем. Они представляют собой многоуровневое нагромождение элементов, которое разделяется на слои и послойно наносится на кремниевую подложку. Делать это вручную, конечно же невозможно, слишком тонкий процесс, слишком мелкие элементы, буквально нанометрового размера.
Процессоры Intel восьмого поколения, известные под обозначением Coffee Lake, усеяны 14 нанометровыми транзисторами, AMD анонсировала второе поколение процессоров AMD Ryzen, известное под кодовым названием Pinnacle Ridge построенных на 12 нанометровых элементах. Новейшие видеокарты NVIDIA с архитектурой ядер Volta также построены по 12 нанометровой технологии. Система на чипе Qualcomm Snapdragon 835 еще миниатюрнее - всего 10 нанометров. Постоянно уменьшать размеры функциональных элементов процессора и, следовательно, увеличивать его производительность, удается благодаря совершенствованию технологии под названием фотолитография.
В общих чертах этот процесс можно описать следующим образом:
Сначала пластина кремния покрывается основой - материалом, которой должен будет стать частью будущей схемы, затем поверх равномерным слоем наносится химический реагент, чувствительный к свету. Этот состав выполнит всю работу, но суть позже.
Прежде из корпоративных архивов извлекается хранимая в строжайшем секрете подробная схема процессора. Ее нижний слой представляют в виде негатива и переносят на фотошаблон -защитную пластину, действующую подобно трафарету. Она значительно больше чипа, так что проходящий сквозь нее свет фокусируют при помощи сложной системы линз, уменьшая проецируемое изображение до нужного размера.
В тех местах, где свет не достигает кремния, пластина остается нетронутой, в освещенных он инициирует реакцию в химическом реагенте, меняющую его свойства. Затем будущий процессор обработают еще одним составом, и эти участки растворятся, оставив только те области, что не подвергались воздействию. Они-то и образуют токопроводящие логические элементы процессора.
После на пластину нанесут слой диэлектрика и поверх добавят новые компоненты процессора, опять же, при помощи фотолитографии.
Некоторые слои нагреваются, на некоторые воздействуют ионизированные плазмы, а другие покрываются металлом. Каждый тип обработки изменяет свойства слоя и медленно создает часть головоломки, формирующей конкретную модель чипа. В результате получается своеобразный слоёный пирог, где у каждого слоя своя функциональность и они связаны между собой сложным образом по средствам «дорожек» из атомов меди, которую осаживают на кремниевую подложку из раствора сульфата меди, пропуская через него электрический ток.
Это завершающий этап обработки, после которого микрочипы проверяют на работоспособность. Несмотря на все меры предосторожности и многодневные усилия процент брака остается высок. Роботы выберут и вырежут из кремниевой пластины только 100% работоспособные чипы.
Они будут рассортированы по показателям энергоэффективности, токам, и максимальным рабочим частотам, получат различные обозначения и, в конечном счете, будут проданы по различной цене.
Последние штрихи
На пути к покупателям процессоры покидают чистую комнату и отправляются на сборочную линию, где готовую микросхему приклеивают на квадрат, называемый подложкой. Кристалл спаивается с ней в специальной печи при температуре 360 градусов Цельсия.
Затем чип накрывается крышкой. Она служит и для защиты все еще хрупкого кремния от повреждений и для отвода от него тепла. Вы наверняка хорошо ее себе представляете, именно к крышке будет прижиматься основание системы охлаждения, будь то кулер или теплообменник СВО (системы водяного охлаждения). Это не менее ответственный этап, чем предыдущий. Ведь от того, насколько хорошо крышка процессора отводит тепло от кристалла во многом зависит стабильность и скорость его работы, его будущая максимальная производительность.
Старые процессоры Intel буквально припаивались к теплораспределительным крышкам. Однако последние поколения фирменных чипов получают прокладку-термоинтерфейс между кристаллом и крышкой и охлаждаются хуже, что очень огорчает энтузиастов компьютерного железа, желающих выжать максимум из своих приобретений. Дошло до того, что они «скальпируют» процессоры - самостоятельно снимают с них теплораспределитель и заменяют термоинтерфейс на более эффективный. Но не будем отвлекаться на хитрости оверклокинга, поскольку процессор еще не готов.
Завершающий этап - создание электрических контактов, которые свяжут микропроцессор с материнской платой компьютера. Обычно для этого изготавливают оловянные цилиндрики, так называемые «ножки» процессора, которые сначала приклеиваются, а затем припаиваются к подложке, где для них заранее предусмотрены места. Для микрочипов с большим количеством связей вместо ножек иногда используют мелкие оловянные шарики, так как они крепче и надежнее, однако в последнее время от них стали отказываться в пользу простых контактных площадок.
Законченный микрочип промывают в растворе воды с растворителем, чтобы удалить лишний флюс и грязь, а затем проводят финальную проверку качества проделанной работы. Это могут быть как стресс-тесты производительности, как в чистой комнате, так и более суровые испытания. Так, чипы, предназначающиеся для работы в экстремальных условиях, например, в космической и военной отраслях, помещаются герметичные в корпуса из керамики и многократно тестируются при экстремальных температурах в вакуумных камерах.
Затем, в зависимости от назначения микропроцессора, он отправляется прямо в руки покупателей, а затем в сокеты материнских плат, или на другие заводы, где маленький кремниевый кристалл займет свое место на компьютерной плате видеокарты, космического спутника, умного холодильника, а может быть попадет в корпус смартфона.
Современные микропроцессоры – это самые быстрые и умные микросхемы в мире. Они могут совершать до 4 млрд. операций в секунду и производятся с использованием множества различных технологий. С начала 90-х годов ХХ века, когда процессоры пошли в массовое использование, они пережили несколько ступеней развития. Апогеем развития микпроцессорных структур, использующих существующие технологии микропроцессоров 6-го поколения, считается 2002 год, когда стало доступным использование всех основных свойств кремния для получения больших частот при наименьших потерях при производстве и создании логических схем. Сейчас же эффективность новых процессоров несколько падает несмотря на постоянный рост частоты работы кристаллов, поскольку кремниевые технологии близятся к пределу своих возможностей.
Микропроцессор - это интегральная схема, сформированная на маленьком кристалле кремния. Кремний применяется в микросхемах в силу того, что он обладает полупроводниковыми свойствами: его электрическая проводимость больше, чем у диэлектриков, но меньше, чем у металлов. Кремний можно сделать как изолятором, препятствующим движению электрических зарядов, так и проводником - тогда электрические заряды будут свободно проходить через него. Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения примесей.
Микропроцессор содержит миллионы транзисторов, соединенных между собой тончайшими проводниками из алюминия или меди и используемых для обработки данных. Так формируются внутренние шины. В результате микропроцессор выполняет множество функций – от математических и логических операций до управления работой других микросхем и всего компьютера.
Один из главных параметров работы процессора – частота работы кристалла, определяющая количество операций за единицу времени, частота работы системной шины, объем внутренней кэш-памяти SRAM. По частоте работы кристалла маркируют процессор. Частота работы кристалла определяется скоростью переключений транзисторов из закрытого состояния в открытое. Возможность транзистора переключаться быстрее определяется технологией производства кремниевых пластин, из которых делаются чипы. Технологический процесс определяет размеры транзистора (его толщину и длину затвора). Например, при использовании 90-нм техпроцесса, который был введен в начале 2004 года, размер транзистора составляет 90 нм, а длина затвора – 50 нм.
Все современные процессоры используют полевые транзисторы. Переход к новому техпроцессу позволяет создавать транзисторы с большей частотой переключения, меньшими токами утечки, меньших размеров. Снижение размеров позволяет одновременно уменьшить площадь кристалла, а значит и тепловыделение, а более тонкий затвор позволяет подавать меньшее напряжение для переключения, что также снижает энергопотребление и тепловыделение.
Технологии и рынок
Сейчас на рынке наблюдается интересная тенденция: с одной стороны, компании-производители стараются как можно быстрее внедрить новые техпроцессы и технологии в свои новинки, с другой же, наблюдается искусственное сдерживание роста частот процессоров. Во-первых, сказывается ощущение маркетологами неполной готовности рынка к очередной смене семейств процессоров, а фирмы еще не получили достаточно прибыли с объема продаж производящихся сейчас CPU – запас еще не иссяк. Достаточно заметно превалирование значимости цены готового изделия над всеми остальными интересами компаний. Во-вторых, значительное снижение темпов «гонки частот» связано с пониманием необходимости внедрения новых технологий, которые реально увеличивают производительность при минимальном объеме технологических затрат. Как уже было замечено, производители столкнулись с проблемами при переходе на новые техпроцессы.Технологическая норма 90 нм оказалась достаточно серьезным технологическим барьером для многих производителей чипов. Это подтверждает и компания TSMC, которая занимается производством чипов для многих гигантов рынка, таких как компании AMD, nVidia, ATI, VIA. Долгое время ей не удавалось наладить производство чипов по технологии 0,09 мкм, что привело к низкому выходу годных кристаллов. Это одна из причин, по которой AMD долгое время переносила выпуск своих процессоров с технологией SOI (Silicon-on-Insulator). Задержки связаны с тем, что именно на этой размерности элементов стали сильно проявляться всевозможные ранее не столь сильно ощутимые негативные факторы: токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения. Разберемся по порядку.
Как известно, существует два тока утечки: ток утечки затвора и подпороговая утечка. Первая вызвана самопроизвольным перемещением электронов между кремниевым субстратом канала и поликремневым затвором. Вторая – самопроизвольным перемещением электронов из истока транзистора в сток. Оба эти эффекта приводят к тому, что приходится поднимать напряжение питания для управления токами в транзисторе, а это негативно сказывается на тепловыделении. Так вот, уменьшая размеры транзистора, мы прежде всего уменьшаем его затвор и слой диоксида кремния (SiO2), который является естественным барьером между затвором и каналом. С одной стороны, это улучшает скоростные показатели транзистора (время переключения), но с другой – увеличивает утечку. То есть, получается своеобразный замкнутый круг. Так вот переход на 90 нм – это очередное уменьшение толщины слоя диоксида, и одновременно увеличение утечек. Борьба с утечками – это опять же, увеличение управляющих напряжений, и, соответственно, значительное повышение тепловыделения. Все это привело к задержке внедрения нового техпроцесса со стороны конкурентов рынка микропроцессоров – Intel и AMD.
Один из альтернативных выходов – это применение технологии SOI (кремний на изоляторе), которое недавно внедрила компания AMD в своих 64-разрядных процессорах. Впрочем, это стоило ей немало усилий и преодоление большого количества попутных трудностей. Зато сама технология предоставляет громадное количество преимуществ при сравнительно малом количестве недостатков. Суть технологии, в общем-то, вполне логична - транзистор отделяется от кремневой подложки еще одним тонким слоем изолятора. Плюсов - масса. Никакого неконтролируемого движения электронов под каналом транзистора, сказывающегося на его электрических характеристиках - это раз. После подачи отпирающего тока на затвор, время ионизации канала до рабочего состояния (до момента, пока по нему пойдет рабочий ток) сокращается, то есть, улучшается второй ключевой параметр производительности транзистора, время его включения/выключения - это два. Или же, при той же скорости, можно просто понизить отпирающий ток - это три. Или найти какой-то компромисс между увеличением скорости работы и уменьшением напряжения. При сохранении того же отпирающего тока, увеличение производительности транзистора может составить вплоть до 30%, если оставить частоту той же, делая упор на энергосбережение, то там плюс может быть и большим - до 50 %. Наконец, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор - более устойчивым к спорадическим ошибкам, вроде тех, что вызывают космические частицы, попадая в субстрат канала, и непредвиденно ионизируя его. Теперь, попадая в подложку, расположенную под слоем изолятора, они никак не сказываются на работе транзистора. Единственным минусом SOI является то, что приходится уменьшать глубину области эмиттер/коллектор, что прямо и непосредственно сказывается на увеличении ее сопротивления по мере сокращения толщины.
И наконец, третья причина, которая способствовала замедлению темпов роста частот – это низкая активность конкурентов на рынке. Можно сказать, каждый был занят своими делами. AMD занималась повсеместным внедрением 64-битных процессоров, для Intel это был период усовершенствования нового техпроцесса, отладки для увеличенная выхода годных кристаллов.
Начавшийся год должен принести нам большое количество новостей из области технологий, ведь именно в этом году обе компании должны перейти на технологические нормы 90 нм. Но это вовсе не означает нового стремительного роста частот процессоров, скорее наоборот. Сначала на рынке будет наблюдаться затишье: конкуренты начнут выпускать CPU по новым техпроцессам, но со старыми частотами. По мере освоения процесса производства начнется некоторый рост частоты чипов. Скорее всего, он будет не столь заметен как ранее. К концу 2004 года, когда выход годных кристаллов по 90-нм техпроцессу значительно повысится, компания Intel ожидает покорение вершины в 4 ГГц, а то и более. Процессоры компании AMD будут идти с некоторым традиционным отставанием по частоте, которое, в общем-то, не так сильно сказывается на производительности, как особенности микроархитектуры.
Итак, необходимость перехода на новые техпроцессы очевидна, но технологам это дается каждый раз все с большим трудом. Первые микропроцессоры Pentium (1993 г.) производились по техпроцессу 0,8 мкм, затем по 0,6 мкм. В 1995 году впервые для процессоров 6-го поколения был применен техпроцесс 0,35 мкм. В 1997 году он сменился на 0,25 мкм, а в 1999 – на 0,18 мкм. Современные процессоры выполняются по технологии 0,13 и 0,09 мкм, причем последняя была введена в 2004 году. Как видно, для этих техпроцессов соблюдается закон Мура, который гласит, что каждые два года частота кристаллов удваивается при увеличении количества транзисторов с них. С такими же темпами сменяется и техпроцесс. Правда, в дальнейшем «гонка частот» опередит этот закон. К 2006 году компания Intel планирует освоение 65-нм техпроцесса, а 2009 – 32-нм.
Здесь пора вспомнить структуру транзистора, а именно - тонкий слой диоксида кремния, изолятора, находящегося между затвором и каналом, и выполняющего вполне понятную функцию - барьера для электронов, предотвращающего утечку тока затвора. Очевидно, что чем толще этот слой, тем лучше он выполняет свои изоляционные функции. Но он является составной частью канала, и не менее очевидно, что если мы собираемся уменьшать длину канала (размер транзистора), то нам надо уменьшать его толщину, причем, весьма быстрыми темпами. К слову, за последние несколько десятилетий толщина этого слоя составляет в среднем порядка 1/45 от всей длины канала. Но у этого процесса есть свой конец - как утверждал пять лет назад все тот же Intel, при продолжении использования SiO2, как это было на протяжении последних 30 лет, минимальная толщина слоя будет составлять 2.3 нм, иначе ток утечка тока затвора приобретет просто нереальные величины.
Для снижения подканальной утечки до последнего времени ничего не предпринималось. Сейчас ситуация начинает меняться, поскольку рабочий ток, наряду со временем срабатывания затвора, является одним из двух основных параметров, характеризующих скорость работы транзистора, а утечка в выключенном состоянии на нем непосредственно сказывается - для сохранения требуемой эффективности транзистора приходится, соответственно, поднимать рабочий ток, со всеми вытекающими условиями.
Производство микропроцессоров
Изготовление микропроцессора - это сложнейший процесс, включающий более 300 этапов. Микропроцессоры формируются на поверхности тонких круговых пластин кремния - подложках, в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения.Подложки обычно имеют диаметр 200 миллиметров, или 8 дюймов. Однако, корпорация Intel уже перешла на пластины диаметром 300 мм, или 12 дюймов. Новые пластины позволяют получить почти в 4 раза больше кристаллов, и выход годных значительно выше. Пластины изготавливают из кремния, который очищают, плавят и выращивают из него длинные цилиндрические кристаллы. Затем кристаллы разрезают на тонкие пластины и полируют их до тех пор, пока их поверхности не станут зеркально гладкими и свободными от дефектов. Далее последовательно, циклически повторяясь, производят термическое оксидирование (формирование пленки SiO2), фотолитографию, диффузию примеси (фосфор), эпитаксию (наращивание слоя).
В процессе изготовления микросхем на пластины-заготовки наносят в виде тщательно рассчитанных рисунков тончайшие слои материалов. На одной пластине помещается до нескольких сотен микропроцессоров, для изготовления которых требуется совершить более 300 операций. Весь процесс производства процессоров можно разделить на несколько этапов: выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей, тестирование, изготовление корпуса и доставка.
Выращивание диоксида кремния и создание проводящих областей. Процесс производства микропроцессора начинается с "выращивания" на поверхности отполированной пластины изоляционного слоя диоксида кремния. Осуществляется этот этап в электрической печи при очень высокой температуре. Толщина оксидного слоя зависит от температуры и времени, которое пластина проводит в печи.
Затем следует фотолитография - процесс, в ходе которого на поверхности пластины формируется рисунок-схема. Сначала на пластину наносят временный слой светочувствительного материала – фоторезист, на который с помощью ультрафиолетового излучения проецируют изображение прозрачных участков шаблона, или фотомаски. Маски изготавливают при проектировании процессора и используют для формирования рисунков схем в каждом слое процессора. Под воздействием излучения засвеченные участки фотослоя становятся растворимыми, и их удаляют с помощью растворителя (плавиковая кислота), открывая находящийся под ними диоксид кремния.
Открытый диоксид кремния удаляют с помощью процесса, который называется "травлением". Затем убирают оставшийся фотослой, в результате чего на полупроводниковой пластине остается рисунок из диоксида кремния. С помощью ряда дополнительных операций фотолитографии и травления на пластину наносят также поликристаллический кремний, обладающий свойствами проводника. В ходе следующей операции, называемой "легированием", открытые участки кремниевой пластины бомбардируют ионами различных химических элементов, которые формируют в кремнии отрицательные и положительные заряды, изменяющие электрическую проводимость этих участков.
Наложение новых слоев с последующим травлением схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются "окна", которые заполняют металлом, формируя электрические соединения между слоями. В своем 0.13-микронном технологическом процессе корпорация Intel применила медные проводники. В 0.18-микронном производственном процессе и процессах предыдущих поколений Intel применяла алюминий. И медь, и алюминий - отличные проводники электричества. При использовании 0,18-мкм техпроцесса использовалось 6 слоев, при внедрении 90 нм техпроцесса в 2004 году применили 7 слоев кремния.
Каждый слой процессора имеет свой собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трехмерную электронную схему. Нанесение слоев повторяют 20 - 25 раз в течение нескольких недель.
Тестирование. Чтобы выдержать воздействия, которым подвергаются подложки в процессе нанесения слоев, кремниевые пластины изначально должны быть достаточно толстыми. Поэтому, прежде чем разрезать пластину на отдельные микропроцессоры, ее толщину с помощью специальных процессов уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. Затем на обратную сторону "похудевшей" пластины наносят слой специального материала, который улучшает последующее крепление кристалла к корпусу. Кроме того, этот слой обеспечивает электрический контакт между задней поверхностью интегральной схемы и корпусом после сборки.
После этого пластины тестируют, чтобы проверить качество выполнения всех операций обработки. Чтобы определить, правильно ли работают процессоры, проверяют их отдельные компоненты. Если обнаруживаются неисправности, данные о них анализируют, чтобы понять, на каком этапе обработки возник сбой.
Затем к каждому процессору подключают электрические зонды и подают питание. Процессоры тестируются компьютером, который определяет, удовлетворяют ли характеристики изготовленных процессоров заданным требованиям.
Изготовление корпуса. После тестирования пластины отправляются в сборочное производство, где их разрезают на маленькие прямоугольники, каждый из которых содержит интегральную схему. Для разделения пластины используют специальную прецизионную пилу. Неработающие кристаллы отбраковываются.
Затем каждый кристалл помещают в индивидуальный корпус. Корпус защищает кристалл от внешних воздействий и обеспечивает его электрическое соединение с платой, на которую он будет впоследствии установлен. Крошечные шарики припоя, расположенные в определенных точках кристалла, припаивают к электрическим выводам корпуса. Теперь электрические сигналы могут поступать с платы на кристалл и обратно.
В будущих процессорах компания Intel применит технологию BBUL, которая позволит создавать принципиально новые корпуса с меньшим тепловыделением и емкостью между ножками CPU.
После установки кристалла в корпус процессор снова тестируют, чтобы определить, работоспособен ли он. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям: воздействию различных температурных и влажностных режимов, а также электростатических разрядов. После каждого нагрузочного испытания процессор тестируют для определения его функционального состояния. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.
Доставка. Процессоры, прошедшие тестирование, поступают на выходной контроль, задача которого - подтвердить, что результаты всех предыдущих тестов были корректными, а параметры интегральной схемы соответствуют установленным стандартам или даже превосходят их. Все процессоры, прошедшие выходной контроль, маркируют и упаковывают для доставки заказчикам.
Будущие технологии производства микропроцессоров
Известно, что существующие КМОП-транзисторы имеют много ограничений и не позволят в ближайшем будущем поднимать частоты процессоров также безболезненно. В конце 2003 года на Токийской конференции специалисты Intel сделали очень важное заявление о разработке новых материалов для полупроводниковых транзисторов будущего. Прежде всего, речь идет о новом диэлектрике затвора транзистора с высокой диэлектрической проницаемостью (так называемый «high-k»-материал), который будет применяться взамен используемого сегодня диоксида кремния (SiO2), а также о новых металлических сплавах, совместимых с новым диэлектриком затвора. Решение, предложенное исследователями, снижает ток утечки в 100 раз, что позволяет вплотную подойти к внедрению производственного процесса с проектной нормой 45 нанометров. Оно рассматривается экспертами как маленькая революция в мире микроэлектронных технологий.Чтобы понять, о чем идет речь, взглянем сначала на обычный МОП-транзистор, на базе которого делаются сложнейшие CPU.
В нем затвор из проводящего поликремния отделен от канала транзистора тончайшим (толщиной всего 1,2 нм или 5 атомов) слоем диоксида кремния (материала, десятилетиями используемого в качестве подзатворного диэлектрика).
Столь малая толщина диэлектрика необходима для получения не только малых габаритов транзистора в целом, но и для его высочайшего быстродействия (заряженные частицы передвигаются быстрее через затвор, в результате чего такой VT может переключаться до 10 миллиардов раз в секунду). Упрощенно - чем ближе затвор к каналу транзистора (то есть, чем тоньше диэлектрик), тем «большее влияние» в плане быстродействия он будет оказывать на электроны и дырки в канале транзистора.
Поэтому важность открытия ученых Intel нельзя недооценивать. После пяти лет исследований в лабораториях корпорации разработали специальный материал, позволяющий заменить традиционный диоксид кремния в обычном маршруте производства микросхем. Требования к такому материалу весьма серьезны: высокая химическая и механическая (на атомарном уровне) совместимость с кремнием, удобство производства в едином цикле традиционного кремниевого техпроцесса, но главное - низкие утечки и высокая диэлектрическая проницаемость.
Если мы боремся с утечками, то толщину диэлектрика нужно повысить хотя бы до 2-3 нм (см. рисунок выше). Чтобы при этом сохранить прежнюю крутизну транзистора (зависимость тока от напряжения) необходимо пропорционально увеличить диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика. Если проницаемость объемного диоксида кремния равна 4 (или чуть меньше в сверхтонких слоях), то разумной величиной диэлектрической проницаемости нового «интеловского» диэлектрика можно считать величину в районе 10-12. Несмотря на то, что материалов с такой диэлектрической проницаемостью немало (конденсаторные керамики или монокристалл кремния), тут не менее важны факторы технологической совместимости материалов. Поэтому для нового high-k-материала был разработан свой высокоточный процесс нанесения, во время которого формируется один молекулярный слой этого материала за один цикл.
Исходя из этой картинки можно предположить, что новый материал - это тоже оксид. Причем монооксид, что означает применение материалов преимущественно второй группы, например, магния, цинка или даже меди.
Но диэлектриком дело не ограничилось. Потребовалось сменить и материал самого затвора - привычный поликристаллического кремния. Дело в том, что замена диоксида кремния на high-k-диэлектрик ведет к проблемам взаимодействия с поликристаллическим кремнием (ширина запрещенной зоны транзистора определяет минимально возможные для него апряжения). Эти проблемы удается устранить, если использовать специальные металлы для затворов транзисторов обоих типов (n-МОП и p-МОП) в сочетании с особым технологическим процессом. Благодаря этой комбинации материалов удается достичь рекордной производительности транзисторов и уникально низких токов утечки, в 100 раз меньших, чем при использовании нынешних материалов (см. график). В этом случае уже не возникает искушения использовать для борьбы с утечками значительно более дорогую технологию SOI (кремний на изоляторе), как это делают некоторые крупные производители микропроцессоров.
Отметим также еще одно технологическое новшество Intel - технологию напряженного (strained) кремния, которая впервые используется в 90-нанометровых процессорах Prescott и Dothan. Наконец-то, компания Intel в подробностях рассказала, каким именно образом происходит формирование слоев напряженного кремния в ее КМОП-структурах. КМОП-ячейка состоит из двух транзисторов - n-МОП и p-МОП (см. рисунок).
В первом (n-MOS) канал транзистора (n-канал) проводит ток при помощи электронов (отрицательно заряженных частиц), а во втором (p-MOS) - при помощи дырок (условно положительно заряженных частиц). Соответственно, и механизмы формирования напряженного кремния у этих двух случаев различны. Для n-MOS-транзистора используется внешнее покрытие слоем нитрида кремния (Si3N4), который за счет механических напряжений немного (на доли процента) растягивает (в направлении протекания тока) кристаллическую решетку кремния под затвором, в результате чего рабочий ток канала возрастает на 10% (условно говоря, электронам становится более просторно двигаться в направлении канала). В p-MOS-транзисторах все наоборот: в качестве материала подложки (точнее - только областей стока и истока) используется соединение кремния с германием (SiGe), что немного сжимает кристаллическую решетку кремния под затвором в направлении канала. Поэтому дыркам становится «легче» «передвигаться» сквозь акцепторные атомы примеси, и рабочий ток канала возрастает на 25%. Сочетание же обеих технологий дает 20-30-процентное усиление тока. Таким образом, применение технологии «напряженного кремния» в обоих типах устройств (n-MOS и p-MOS) приводит к значительному повышению производительности транзисторов при повышении себестоимости их производства всего лишь на ~2% и позволяет создавать более миниатюрные транзисторы следующих поколений. В планах Intel - использовать напряженный кремний для всех будущих техпроцессов вплоть до 22-нанометрового.
