Техногенный песок: современные кремниевые технологии

08.08.2007 | Версия для печати | Послать ссылку по почте | Комментарии | Добавить в

Современные кремниевые технологии

Способности современных чипов напрямую связаны с уровнем развития технологии их производства. Однако прежде чем обсуждать новомодные кремниевые технологии, разберемся в общих чертах с тем, как производятся современные чипы, как устроены транзисторы, и в каком направлении все это развивается.

Этапы производства

Итак, первым этапом производства микросхемы является создание подложки. Материалом для нее служит кремний, без этого материала было бы невозможно все современное полупроводниковое производство. Предварительно кремний должен пройти не одну процедуру очистки, после чего уже из химически чистого материала выращивается цилиндрический монокристалл. Полученная болванка нарезается на круглые пластины, толщиной порядка одной сороковой дюйма. Ранее самым распространенным диаметром пластины было 200 мм, однако сейчас большинство фабрик старается переходить на увеличенные пластины диаметром 300 мм. Сумасшедшая стоимость замены оборудования постепенно окупается за счет того, что с большей пластины можно получить большее количество чипов (количество годных кристаллов увеличивается в 2.25-2.5 раза), благодаря чему итоговая себестоимость понижается приблизительно на 30%.

На втором этапе производства кремниевая пластина подвергается обработке кислородом при высоких температурах (900-1100 градусов по Цельсию), в результате процедуры на поверхности подложки образуется тонкая защитная пленка диоксида кремния. Далее на пленку наносится слой так называемого фоторезиста. У данного состава есть два важных свойства, во-первых, он чувствителен к воздействию ультрафиолета (в засвеченных местах становится растворимым), а, во-вторых, устойчив к кислотам, щелочам и прочим агрессивным средам.

На этом заканчивается третий этап и начинается четвертый – литография, во время которой на слое фоторезиста ультрафиолетом вырисовывается схема одного из слоев микросхемы. Это достаточно кропотливый процесс, сопряженный с массой трудностей. Для того чтобы облучить на слое лишь строго заданный рисунок, сначала создается шаблон из кварцевого стекла, на который наносится хромовый рисунок, в точности повторяющий очертания схемы. Заметим, в большинстве случаев шаблон используется многократно, ведь на заводе, как правило, производятся не уникальные чипы, а тысячи и миллионы однотипных.

После того, как заготовка будет засвечена ультрафиолетом, наступает пора пятого этапа, который называется травлением. Пластина обрабатывается ионизированным газом агрессивных химикатов, что позволяет стравить часть фотослоя и диоксида кремния, оголив чистый кремний. Понятно, что внешние слои разрушаются только в засвеченных местах, так как остальные области полностью защищены благодаря необлученному фоторезисту.

Кстати, фоторезисты бывают двух типов: позитивные и негативные. Первые под воздействием ультрафиолета становятся растворимыми, а вторые, наоборот, становятся защитными, оставаясь растворимыми во всех остальных местах. Разница между ними состоит лишь в том, что на четвертом этапе требуется облучать либо шаблон, либо его «негатив». После травления слой фоторезиста больше не нужен, и его остатки удаляются.

Полупроводники

Посмотрим, что получилось. На кремниевой подложке диоксидом кремния нанесен рельеф, который служит заготовкой для составляющих компонентов будущего процессора. Самое время «собирать» транзисторы. Функционирование транзисторов основывается на уникальных свойствах кремния, который сам по себе проводит электрический ток не лучшим образом, однако кремний с добавлением примесей становится полупроводником совершенно другого свойства. В зависимости от используемой примеси образуется два класса полупроводников: «n-типа» с электронным типом проводимости (донорная примесь) и «p-типа» с дырочным типом проводимости (акцепторная примесь). На взаимодействии полупроводников двух типов и основывается принцип работы так называемых КМОП-транзисторов (КМОП – комплиментарный металл-оксид полупроводник), из которых построены все современные микросхемы.

Вернемся к нашей подложке. Добавление примесей в требуемых местах происходит за счет диффузии методом ионной имплантации. Производится это следующим образом: специальный ускоритель наделяет ионы примеси огромной энергией, после чего они, вылетая из ускорителя, сталкиваются с подложкой и внедряются в кристаллическую решетку поверхностного слоя кремния. Для образования донорной примеси берется сурьма, фосфор или мышьяк, а для акцепторной примеси – галлий, бор или алюминий. Теперь полупроводниковый слой можно считать готовым. Далее требуется наложить слой металлизации, который будет связывать между собой функциональные блоки процессора. Ранее для создания проводящих соединений использовался алюминий, однако в последнее время все переходят на медь, которая наделена лучшими свойствами.

В современных чипах редко ограничиваются «одноэтажными» процессорами. После того как будут проведены все вышеописанные процедуры, на пластину наносится новый слой диоксида кремния, сверху него – слой поликристаллического кремния, затем новый слой фоторезиста, в общем, полностью повторяются все знакомые этапы. Таких «этажей» внутри одного процессора может набраться и несколько десятков, в зависимости от запросов заказчика. Последним этапом производства будет разрезание пластины на отдельные чипы, установка в корпус и многие другие процедуры, описание которых мы сегодня опустим.

Отбраковка

Как ты убедился, производство микросхемы на редкость сложный процесс, в котором даже малейшая погрешность может привести к негодности всего чипа. По большому счету, такие неприятности неизбежны, поэтому часть процессоров всегда забраковывается, притом, чем новее архитектура чипа и чем моложе техпроцесс, тем выше будет процент брака. Чтобы некондиционные чипы не попали на прилавок, вся партия проходит многократное тестирование, которое начинается еще до того, как процессоры начнут вырезать из пластины. Заметим, что обнаружение дефекта для каждого конкретного чипа не всегда будет для него прямой дорогой на свалку. Иногда процессор оказывается не в состоянии «завестись» на запланированных частотах, но в то же время отлично работает на пониженных скоростях, поэтому может использоваться в более дешевых коммерческих продуктах. Яркий тому пример – видеокарты GeForce 7800 GTX и GeForce 7800 GTX 512, на которые устанавливаются абсолютно идентичные чипы G70, однако вторая способна работать на повышенных частотах, так как для нее отбираются практически идеальные процессоры. Иногда даже серьезные повреждения некоторых блоков процессора не подписывают ему смертный приговор. Приведем еще один пример. Недавно в «Технологии» рассматривался суперсовременный процессор Cell, отличительная черта, которого заключается в наличии одного центрального ядра и восьми зависимых. С чипами такой сложности ранее не сталкивались, поэтому во время производства возникла масса трудностей, в результате чего процент выхода годных микросхем, по некоторым сведениям, оказался на уровне 10-20%. Однако архитектура Cell изначально предполагала, что количество вспомогательных ядер может варьироваться от чипа к чипу. Например, для приставки PlayStation 3 требуется всего семь работоспособных зависимых ядер, для других продуктов на основе Cell будет достаточно и меньшего числа, лишь бы с центральным было все в порядке. Так что брак браку рознь, и важнейшую роль играет сортировка. Кстати, говорят, идеальные девятиядерные Cell забирают военные, но не будем отвлекаться от темы.

Литография

Основным фактором, который препятствует скорейшему переходу на более тонкие техпроцессы, является литография. Для того чтобы на одном слое удалось разместить рекордное количество транзисторов, в первую очередь требуется выполнить следующее условие – засветить ультрафиолетом на фотослое строго указанные области, которые становятся все более микроскопическими (точнее, наноскопическими :)). Однако это оказывается совсем непросто – современные технологии пока не в состоянии обеспечить предельно точную фокусировку лазера, поэтому приходится ограничиваться в темпах роста «миллионов транзисторов», выкручиваясь за счет других технологических и маркетинговых ходов.

С восьмидесятых годов, когда в литографии впервые стало использоваться ультрафиолетовое излучение, и до сегодняшнего дня применялся и применяется так называемый глубокий ультрафиолет (DUV или Deep UltraViolet). Для производства по 130 нм техпроцессу использовался DUV-лазер с длиной волны 248 нм, но для перехода на 90-нм нормы потребовалось усовершенствованное безумно дорогостоящее 193-нм оборудование. Правда, полупроводниковых гигантов от разорения спасло то, что изготовление основной части 90-нм процессора оказалось все же возможным на старых установках, а новое оборудование привлекать лишь для особо важных участков, которые составляют приблизительно одну пятую от общей площади чипа. Благодаря этому замену оборудования удалось осуществить постепенно. Тот же самый маневр пройдет и для 65-нм процессоров, которые потребуют лишь ограниченного воздействия лазера с длиной волны 157 нм. Впрочем, для следующего техпроцесса (45 нм) такой трюк, видимо, не сработает, и придется провести полное переоборудование фабрик. На смену фториду кальция, применяемому сейчас при изготовлении оптики для литографического оборудования, вероятно, придет фторид аргона. Первые подобные лазеры для производства по 45-нм нормам уже мелькают в анонсах. Хотя не факт, что не выйдет остаться в рамках классической технологии, так как специалисты IBM в свое время рапортовали о достижении значения 29.9 нм на стандартном оборудовании. Кстати, о готовности к производству 45 нм чипов пока заявляют лишь четыре компании, IBM, Chartered, Infineon и Samsung, причем полномасштабный запуск проекта планируется не раньше конца 2007 года.

В обозримом будущем 45-нм техпроцесс будет заменен 32-нм технологией, однако этот переход, судя по всему, окажется еще сложнее. Пока единственный реальный способ добиться столь тонкого техпроцесса – это переход на EUV-литографию (Extreme UltraViolet он же жесткий ультрафиолет). Длина волны для «жесткого ультрафиолета» составит порядка 13.5 нм, причем в качестве источника света будут использоваться уникальные газоразрядные лампы, которые способны образовывать плотную плазму температурой 200’000-300’000 градусов. На пути реализации стоит еще немало преград, например, EUV-излучение, как оказалось, отлично поглощается стеклом, поэтому привычную оптическую систему придется заменить на комплекс специальных выпуклых зеркал.

Это может показаться странным, но в арсенале крупнейших корпораций полупроводниковой индустрии давным-давно есть приемы, позволяющие начать производство микросхем по техпроцессу, на порядок более тонкому, чем тот, что используется сейчас. Впрочем, как всегда, есть одно «но». Стоимость чипа, произведенного с использованием, допустим, EUV-литографии, на сегодня будет зашкаливать за все разумные пределы. Кому нужен пусть даже фантастически производительный процессор, если он будет в итоге проигрывать многопроцессорной системе, стоимость которой порядком ниже? Поэтому важен компромисс, и переход на новые технологии возможен только в том случае, если это будет экономически оправданным.

Транзисторы и их беды

В последние годы проблемой номер один для производителей процессоров стала борьба с так называемыми токами утечки. Впервые данное неприятное явление по-настоящему дало о себе знать при использовании 130 нм техпроцесса. Суть этого явления заключается в том, что транзисторы становятся неуправляемыми и прекращают выполнять свою основную функцию, а следовательно, и сам процессор перестает работать по «правилам». Ситуация усугубляется тем фактом, что токов утечки существует два вида. Первый вариант – утечка тока затвора, при которой электроны начинают неконтролируемое движение из канала, заряженного отрицательно, в затвор, заряженный положительно. Второй вариант – подканальная утечка, когда электроны начинают спонтанное перемещение от истока к стоку транзистора через кремниевую подложку, которая находится под каналом транзистора. Единственный способ бороться с токами утечки, не меняя конструкцию транзисторов, повышать напряжение на затворе, однако это нельзя считать выходом из положения, так как прямым следствием увеличения рабочего тока будет рост тепловыделения, что совершенно нежелательно. Появление токов утечки объясняется тем, что уменьшение размеров транзисторов, то есть переход на новые техпроцессы, неминуемо приводит к тому, что и все составные части транзистора становятся все более тонкими. А чем тоньше, например, изолятор из диоксида кремния между каналом и затвором, тем хуже он справляется со своими задачами. В общем, если производители хотят победить токи утечки, то им никак не обойтись без внесения изменения в классическую технологию сборки процессоров.

Несколько лет назад инженеры прогнозировали, что толщина изолятора из диоксида кремния должна быть как минимум 2.3 нм, в противном случае токи утечки сделают невозможным нормальное функционирование транзистора. Только на первый взгляд данное значение кажется недостижимо малым, однако в стандартном транзисторе толщина изолятора должна равняться всего 1/45 от глубины канала, что для 90 нм техпроцесса составляет уже 1.2 нм. Есть несколько оригинальных способов улучшить характеристики изолятора, большинство из которых сводятся к замене материала, из которого он изготовлен. Причем первым кандидатом на замену диоксида кремния будут так называемые High-k диэлектрики, которые способны уменьшить токи утечки затвора приблизительно в 100-10’000 раз.

Чтобы противостоять подканальной утечке тока, в последнее время стала все чаще применяться технология «кремния на изоляторе» (SOI или Silicon On Insulator). Суть SOI тривиальна: просто между транзистором и кремниевой подложкой добавляется вспомогательный изоляционный слой. По подсчетам, грамотное использование SOI позволяет понизить энергопотребление вдвое, или же повысить на треть производительность транзисторов, если оставить напряжение на том же уровне, и, конечно, избавившись от подканальной утечки. Впрочем, у «кремния на изоляторе» есть несколько негативных особенностей: в частности, на десять процентов повышается себестоимость и возрастает внешнее сопротивление транзистора, иногда до непростительных величин. По этим причинам некоторые производители предпочитают пользоваться модифицированными вариантами технологии.

Трехмерные транзисторы

Наиболее перспективным направлением эволюции современных транзисторов, в основном, по мнению Intel, являются трехмерные (они же трехзатворные) транзисторы. От обычных транзисторов, которые условно можно назвать «двумерными», они отличаются даже «внешне», так как затвор, эмиттер и коллектор не «вырезаны» из подложки, а заметно выступают над ней. Такое устройство дает сразу несколько преимуществ, в том числе снижение токов утечки, уменьшение энергопотребления или повышение скорости работы. Впрочем, этим дело не ограничивается, так как предполагается использовать один затвор для управления сразу несколькими эмиттерами-коллекторами. Технологию рассчитывают ввести в строй ближе к 2009 году, когда начнется производство чипов по 32 нм нормам.

Силиконовое будущее?

Сколько инженеры ни пытаются усовершенствовать стандартные транзисторы, общепризнано, что дни литографического метода производства чипов подходят к концу. Многочисленные нововведения лишь немного отодвигают дату, когда технология зайдет в безвыходный тупик, связанный с неминуемым исчерпыванием возможностей будущей EUV-литографии. В конце концов, литография становится коммерчески необоснованной, так как стоимость строительства новых фабрик измеряется уже миллиардами долларов, да и в переоборудовании существующих приходится ежегодно вкладывать сотни миллионов. Специалисты видят будущее за нанотехнологиями, когда транзисторы будут самостоятельно строиться из самоорганизующихся молекул. Сейчас выдвигается два способа изготовления чипов будущего: либо с использованием нанотрубок, либо – нановолокон. А какой из них получит развитие, станет понятно совсем скоро.

Ориентировочно к 2020 году размеры составных элементов транзистора достигнут атомарных, и дальнейшее их уменьшение станет попросту невозможным. Что будет дальше – большой вопрос.

Один из законов Мура гласит о непрерывном экспоненциальном уменьшении себестоимости одного транзистора. Фактически сегодня стоимость производства одного транзистора измеряется уже нанодолларами.

Стоимость строительства современной фабрики по производству процессоров удваивается каждые три года. Такими темпами, к концу десятилетия она может составить порядка 50 миллиардов!

У кремния есть такое свойство, что его кристаллическая решетка подстраивается под решетку материала, находящегося под ним. Этим эффектом начинают пользоваться для понижения сопротивления транзисторов.

Столкнувшись с токами утечки и прочими проблемами, производители стали задумываться об эффективном использовании транзисторных ресурсов, тщательнее прорабатывая архитектуры чипов.

В IBM проводят эксперименты с созданием «многоэтажных» транзисторов, когда транзисторы «строятся» прямо друг над другом.

КОММЕНТАРИИ:

Keywords: zPOSTz zARTICLEz, zCPUz z10215z
Для Авторов: edit delete