Производство процессоров

Основным химическим элементом, используемым при производстве процессоров, является кремний, самый распространенный элемент на земле после кислорода. Это базовый компонент, из которого состоит прибрежный песок (кремниевый диоксид); однако в таком виде он не подходит для производства микросхем. Чтобы использовать кремний в качестве материала для изготовления ми

кросхемы, необходим длительный технологический процесс, который начинается с получения кристаллов чистого кремния по методу Жокральски (Czochralski). По этой технологии сырье, в качестве которого используется в основном кварцевая порода, преобразуется в электродуговых печах в металлургический кремний. Затем для удаления примесей полученный кремний плавится, дистиллируется и кристаллизуется в виде полупроводниковых слитков с очень высокой степенью чистоты (99,999999%). После механической нарезки слитков полученные заготовки загружаются в кварцевые тигли и помещаются в электрические сушильные печи для вытяжки кристаллов, где плавятся при температуре более 2500° по Фаренгейту. Для того чтобы предотвратить образование примесей, сушильные печи обычно устанавливаются на толстом бетонном основании. Бетонное основание, в свою очередь, устанавливается на амортизаторах, что позволяет значительно уменьшить вибрацию, которая может негативно сказаться на формировании кристалла. Как только заготовка начинает плавиться, в расплавленный кремний помещается небольшой, медленно вращающийся затравочный кристалл. По мере удаления затравочного кристалла от поверхности расплава вслед за ним вытягиваются кремниевые нити, которые, затвердевая, образуют кристаллическую структуру. Изменяя скорость перемещения затравочного кристалла (10-40 мм в час) и температуру (примерно 2500° по Фаренгейту), получаем кристалл кремния малого начального диаметра, который затем наращивается до нужной величины. В зависимости от размеров изготавливаемых микросхем, выращенный кристалл достигает 8-12 дюймов (20-30 мм) в диаметре и 5 футов (около 1,5 м) в длину.

Вес выращенного кристалла достигает нескольких сотен фунтов. Заготовка вставляется в цилиндр диаметром 200 мм (текущий стандарт), часто с плоской вырезкой на одной стороне для точности позиционирования и обработки. Затем каждая заготовка разрезается алмазной пилой более чем на тысячу круговых подложек толщиной менее миллиметра (рис2). После этого подложка полируется до тех пор, пока ее поверхность не станет зеркально гладкой. В производстве микросхем используется процесс, называемый фотолитографией. Технология этого процесса такова: на полупроводник, служащий основой чипа, один за другим наносятся слои разных материалов; таким образом, создаются транзисторы, электронные схемы и проводники (дорожки), по которым распространяются сигналы. В точках пересечения специфических схем можно создать транзистор или переключатель (вентиль). Фотолитографический процесс начинается с покрытия подложки слоем полупроводника со специальными добавками, затем этот слой покрывается фоторезистивным химическим составом, а после этого изображение микросхемы проектируется на ставшую теперь светочувствительной поверхность. В результате добавления к кремнию (который, естественно, является диэлектриком) донорных примесей получается полупроводник. Проектор использует специальный фотошаблон (маску), который является, по сути, картой данного конкретного слоя микросхемы. (Микросхема процессора Pentium III содержит пять слоев; другие современные процессоры могут иметь шесть или больше слоев. При разработке нового процессора потребуется спроектировать фотошаблон для каждого слоя микросхемы.) Проходя через первый фотошаблон, свет фокусируется на поверхности подложки, оставляя отпечаток изображения этого слоя. Затем специальное устройство несколько перемещает подложку, а тот же фотошаблон (маска) используется для печати следующей микросхемы. После того как микросхемы будут отпечатаны на всей подложке, едкая щелочь смоет те области, где свет воздействовал на фоторезистивное вещество, оставляя отпечатки фотошаблона (маски) конкретного слоя микросхемы и межслойные соединения (соединения между слоями), а также пути прохождения сигналов. После этого на подложку наносится другой слой полупроводника и вновь немного фоторезистивного вещества поверх него, затем используется следующий фотошаблон (маска) для создания очередного слоя микросхемы. Таким способом слои наносятся один поверх другого до тех пор, пока не будет полностью изготовлена микросхема.

Финальная маска добавляет так называемый слой металлизации, используемый для соединения всех транзисторов и других компонентов. В большинстве микросхем для этого слоя используют алюминий, но в последнее время стали использовать медь. Например, при производстве процессоров компании AMD на фабрике в Дрездене используется медь. Это объясняется лучшей проводимостью меди по сравнению с алюминием. Однако для повсеместного использования меди необходимо решить проблему ее коррозии.

Когда обработка круговой подложки завершится, на ней будет фотоспособом отпечатано максимально возможное количество микросхем. Микросхема обычно имеет форму квадрата или прямоугольника, по краям подложки остаются некоторые "свободные" участки, хотя производители стараются использовать каждый квадратный миллиметр поверхности. Промышленность переживает очередной переходный период в производстве микросхем. В последнее время наблюдается тенденция к увеличению диаметра подложки и уменьшению общих размеров кристалла, что выражается в уменьшении габаритов отдельных схем и транзисторов и расстояния между ними. В конце 2001 и начале 2002 года произошел переход с 0,18- на 0,13-микронную технологию, вместо алюминиевых межкристальных соединений начали использовать медные, при этом диаметр подложки увеличился с 200 мм (8 дюймов) до 300 мм (12 дюймов). Увеличение диаметра подложки до 300 мм позволяет удвоить количество изготавливаемых микросхем. Использование 0,13-микронной технологии позволяет разместить на кристалле большее количество транзисторов при сохранении его приемлемых размеров и удовлетворительного процента выхода годных изделий. Это означает сохранение тенденции увеличения объемов кэш-памяти, встраиваемой в кристалл процессора. В качестве примера того, как это может повлиять на параметры определенной микросхемы, рассмотрим процессор Pentium 4.

Диаметр стандартной подложки, используемой в полупроводниковой промышленности в течение уже многих лет, равен 200 мм или приблизительно 8 дюймов(рис). Таким образом, площадь подложки достигает 31 416 мм2. Первая версия процессора Pentium 4, изготовленного на 200-миллиметровой подложке, содержала в себе ядро Willamette, созданное на основе 0,18-микронной технологии с алюминиевыми контактными соединениями, расположенными на кристалле площадью около 217 мм2. Процессор содержал в себе 42 млн. транзисторов. На 200-миллиметровой (8-дюймовой) подложке могло разместиться до 145 подобных микросхем. Процессоры Pentium 4 с ядром Northwood, созданные по 0,13-микронной технологии, содержат в себе медную монтажную схему, расположенную на кристалле площадью 131 мм2. Этот процессор содержит уже 55 млн. транзисторов. По сравнению с версией Willamette ядро Northwood имеет удвоенный объем встроенной кэш-памяти второго уровня (512 Кбайт), что объясняет более высокое количество содержащихся транзисторов. Использование 0,13-микронной технологии позволяет уменьшить размеры кристалла примерно на 60%, что дает возможность разместить на той же 200-миллиметровой (8-дюймовой) подложке до 240 микросхем. Как вы помните, на этой подложке могло разместиться только 145 кристаллов Willamette. В начале 2002 года Intel приступила к производству кристаллов Northwood на большей, 300-миллиметровой подложке площадью 70 686 мм2. Площадь этой подложки в 2,25 раза превышает площадь 200-миллиметровой подложки, что позволяет практически удвоить количество микросхем, размещаемых на ней. Если говорить о процессоре Pentium 4 Northwood, то на 300-миллиметровой подложке можно разместить до 540 микросхем. Использование современной 0,13-микронной технологии в сочетании с подложкой большего диаметра позволило более чем в 3,7 раза увеличить выпуск процессоров Pentium 4. Во многом благодаря этому современные микросхемы зачастую имеют более низкую стоимость, чем микросхемы предыдущих версий. В 2003 году полупроводниковая промышленность перешла на 0,09-микронную технологию. При вводе новой поточной линии не все микросхемы на подложке будут годными. Но по мере совершенствования технологии производства данной микросхемы возрастет и процент годных (работающих) микросхем, который называется выходом годных. В начале выпуска новой продукции выход годных может быть ниже 50%, однако ко времени, когда выпуск продукта данного типа прекращается, он составляет уже 90%. Большинство изготовителей микросхем скрывают реальные цифры выхода годных, поскольку знание фактического отношения годных к бракованным может быть на руку их конкурентам. Если какая-либо компания будет иметь конкретные данные о том, как быстро увеличивается выход годных у конкурентов, она может скорректировать цены на микросхемы или спланировать производство так, чтобы увеличить свою долю рынка в критический момент. Например, в течение 1997 и 1998 годов у AMD был низкий выход годных, и компания утратила значительную долю рынка. Несмотря на то что AMD предпринимала усилия для решения этой проблемы, ей все же пришлось подписать соглашение, в соответствии с которым IBM Microelectronics должна была произвести и поставить AMD некоторые ею же разработанные микропроцессоры. По завершении обработки подложки специальное устройство проверяет каждую микросхему на ней и отмечает некачественные, которые позже будут отбракованы. Затем микросхемы вырезаются из подложки с помощью высокопроизводительного лазера или алмазной пилы. Когда кристаллы будут вырезаны из подложек, каждая микросхема испытывается отдельно, упаковывается и снова проходит тест. Процесс упаковки называется соединением: после того как кристалл помещается в корпус, специальная машина соединяет тонюсенькими золотыми проводами выводы кристалла со штырьками (или контактами) на корпусе микросхемы. Затем микросхема упаковывается в специальный пакет - контейнер, который, по существу, предохраняет ее от неблагоприятных воздействий внешней среды. После того как выводы кристалла соединены со штырьками на корпусе микросхемы, а микросхема упакована, выполняется заключительное тестирование, чтобы определить правильность функционирования и номинальное быстродействие. Разные микросхемы одной и той же серии зачастую обладают различным быстродействием. Специальные тестирующие приборы заставляют каждую микросхему работать в различных условиях (при разных давлениях, температурах и тактовых частотах), определяя значения параметров, при которых прекращается корректное функционирование микросхемы. Параллельно определяется максимальное быстродействие; после этого микросхемы сортируются по быстродействию и распределяются по приемникам: микросхемы с близкими параметрами попадают в один и тот же приемник. Например, микросхемы Pentium 4 2,0А, 2,2, 2,26, 2,24 и 2,53 ГГц представляют собой одну и ту же микросхему, т. е. все они были напечатаны с одного и того же фотошаблона, кроме того, сделаны они из одной и той же заготовки, но в конце производственного цикла были отсортированы по быстродействию.

Как создаются чипы

Производство чипов заключается в наложении тонких слоёв со сложным "узором" на кремниевые подложки. Сначала создаётся изолирующий слой, который работает как электрический затвор. Что касается производства подложек, то из цельного монокристалла-цилиндра их необходимо нарезать тонкими "блинами", чтобы потом легко разрезать на отдельные кристаллы процессоров. Для тестов каждого кристалла на подложке используются электрические зонды. Наконец, подложка разрезается на отдельные ядра, нерабочие ядра сразу же отсеиваются. В зависимости от характеристик, ядро становится тем или иным процессором и заключается в упаковку, которая облегчает установку процессора на материнскую плату. Все функциональные блоки проходят через интенсивные стресс-тесты.

Всё начинается с подложек

Первый шаг в производстве процессоров выполняется в чистой комнате. Кстати, важно отметить, что подобное технологичное производство представляет собой скопление огромного капитала на квадратный метр. На постройку современного завода со всем оборудованием легко "улетают" 2-3 млрд. долларов, да и на тестовые прогоны новых технологий требуется несколько месяцев. Только затем завод может серийно выпускать процессоры.

В общем, процесс производства чипов состоит из нескольких шагов обработки подложек. Сюда входит и создание самих подложек, которые в итоге будут разрезаны на отдельные кристаллы Фигурнов, В.Э. IBM PC для пользователя.-М.,2004. - С.204.

Производство подложек

Первый этап - выращивания монокристалла. Для этого затравочный кристалл внедряется в ванну с расплавленным кремнием, который находится чуть выше точки плавления поликристаллического кремния. Важно, чтобы кристаллы росли медленно (примерно день), чтобы гарантировать правильное расположение атомов. Поликристаллический или аморфный кремний состоит из множества разномастных кристаллов, которые приведут к появлению нежелательных поверхностных структур с плохими электрическими свойствами.

Когда кремний будет расплавлен, его можно легировать с помощью других веществ, меняющих его электрические свойства. Весь процесс происходит в герметичном помещении со специальным воздушным составом, чтобы кремний не окислялся.

Монокристалл разрезается на "блины" с помощью кольцевой очень точной алмазной пилы, которая не создаёт крупных неровностей на поверхности подложек. Конечно, при этом поверхность подложек всё равно не идеально плоская, поэтому нужны дополнительные операции. Монокристаллы представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид монокристалла.

Сначала с помощью вращающихся стальных пластин и абразивного материала (такого, как оксид алюминия), снимается толстый слой с подложек (процесс называется притиркой). В результате устраняются неровности размером от 0,05 мм до, примерно, 0,002 мм (2 000 нм). Затем следует закруглить края каждой подложки, поскольку при острых кромках могут отслаиваться слои. Далее используется процесс травления, когда с помощью разных химикатов (плавиковая кислота, уксусная кислота, азотная кислота) поверхность сглаживается ещё примерно на 50 мкм. Физически поверхность не ухудшается, поскольку весь процесс полностью химический. Он позволяет удалить оставшиеся погрешности в структуре кристалла, в результате чего поверхность будет близка к идеалу.

Последний шаг - полировка, которая сглаживает поверхность до неровностей, максимум, 3 нм. Полировка осуществляется с помощью смеси гидроксида натрия и гранулированного диоксида кремния.

Сегодня подложки для микропроцессоров имеют диаметр 200 или 300 мм, что позволяет производителям чипов получать с каждой из них множество процессоров. Следующим шагом будут 450-мм подложки, но раньше 2013 года ожидать их не следует. В целом, чем больше диаметр подложки, тем больше можно произвести чипов одинакового размера. 300-мм подложка, например, даёт более чем в два раза больше процессоров, чем 200-мм.

Легирование и диффузия

Легирование, которое выполняется во время роста монокристалла, уже упоминалось. Но легирование производится и с готовой подложкой, и во время процессов фотолитографии позднее. Это позволяет менять электрические свойства определённых областей и слоёв, а не всей структуры кристалла.

Добавление легирующего вещества может происходить через диффузию. Атомы легирующего вещества заполняют свободное пространство внутри кристаллической решётки, между структурами кремния. В некоторых случаях можно легировать и существующую структуру. Диффузия осуществляется с помощью газов (азот и аргон) или с помощью твёрдых веществ или других источников легирующего вещества Хасэгава, Х. - Мир компьютеров в вопросах и ответах.-М.,2004 - С.89..

Создание маски

Чтобы создать участки интегральной схемы, используется процесс фотолитографии. Поскольку при этом нужно облучать не всю поверхность подложки, то важно использовать так называемые маски, которые пропускают излучение высокой интенсивности только на определённые участки. Маски можно сравнить с чёрно-белым негативом. Интегральные схемы имеют множество слоёв (20 и больше), и для каждого из них требуется своя маска.

Структура из тонкой хромовой плёнки наносится на поверхность пластины из кварцевого стекла, чтобы создать шаблон. При этом дорогие инструменты, использующие поток электронов или лазер, прописывают необходимые данные интегральной схемы, в результате чего получается шаблон из хрома на поверхности кварцевой подложки. Важно понимать, что каждая модификация интегральной схемы приводит к необходимости производства новых масок, поэтому весь процесс внесения правок очень затратный.

Фотолитография

С помощью фотолитографии на кремниевой подложке формируется структура. Процесс повторяется несколько раз, пока не будет создано множество слоёв (более 20). Слои могут состоять из разных материалов, причём, нужно ещё и продумывать соединения микроскопическими проволочками. Все слои можно легировать Вуд, А. Микропроцессоры в вопросах и ответах.- М.,2005.-С.87.

Перед тем, как начнётся процесс фотолитографии, подложка очищается и нагревается, чтобы удалить липкие частицы и воду. Затем подложка с помощью специального устройства покрывается диоксидом кремния. Далее на подложку наносится связывающий агент, который гарантирует, что фоторезистивный материал, который будет нанесён на следующем шаге, останется на подложке. Фоторезистивный материал наносится на середину подложки, которая потом начинает вращаться с большой скоростью, чтобы слой равномерно распределился по всей поверхности подложки. Затем подложка вновь нагревается. Принцип действия фотолитографии представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Принцип действия фотолитографии

Затем через маску обложка облучается квантовым лазером, жёстким ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, пучками электронов или ионов - могут использоваться все эти источники света или энергии. Пучки электронов применяются, главным образом, для создания масок, рентгеновские лучи и пучки ионов - для исследовательских целей, а в промышленном производстве сегодня доминируют жёсткое УФ-излучение и газовые лазеры.

Жёсткое УФ-излучение с длиной волны 13,5 нм облучает фоторезистивный материал, проходя через маску. Для получения требуемого результата очень важны время проецирования и фокусировка. Плохая фокусировка приведёт к тому, что останутся лишние частицы фоторезистивного материала, поскольку некоторые отверстия в маске не будут облучены должным образом. То же самое получится, если время проецирования будет слишком маленьким. Тогда структура из фоторезистивного материала будет слишком широкой, участки под отверстиями будут недодержанными. С другой стороны, чрезмерное время проецирования создаёт слишком большие участки под отверстиями и слишком узкую структуру из фоторезистивного материала. Как правило, очень трудоёмко и сложно отрегулировать и оптимизировать процесс. Неудачная регулировка приведёт к серьёзным отклонениям и в соединительных проводниках Майоров, С.И. Информационный бизнес: коммерческое распространение и маркетинг.- М.,2007. -С.147..Специальная шаговая проекционная установка перемещает подложку в нужное положение. Затем может проецироваться строчка или один участок, чаще всего соответствующий одному кристаллу процессора. Дополнительные микроустановки могут вносить иные изменения. Они могут отлаживать существующую технологию и оптимизировать техпроцесс Кукин, В.Н. Информатика: организация и управление.-М.,2005.-С.78.. Микроустановки обычно работают над площадями меньше 1 кв. мм, в то время как обычные установки покрывают площади большего размера.

Существуют мокрый и сухой процессы травления, которыми обрабатываются участки диоксида кремния. Мокрые процессы используют химические соединения, а сухие процессы - газ. Отдельный процесс заключается и в удалении остатков фоторезистивного материала. Производители часто сочетают мокрое и сухое удаление, чтобы фоторезистивный материал был полностью удалён. Это важно, поскольку фоторезистивный материал органический, и если его не удалить, он может привести к появлению дефектов на подложке.

После травления и очистки можно приступать к осмотру подложки, что обычно и происходит на каждом важном этапе, или переводить подложку на новый цикл фотолитографии. Тест подложек представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Тест подложек

Готовые подложки тестируются на так называемых установках зондового контроля. Они работают со всей подложкой. На контакты каждого кристалла накладываются контакты зонда, что позволяет проводить электрические тесты. С помощью программного обеспечения тестируются все функции каждого ядра. Разрезание подложки представлено на рисунке 4.

Рисунок 4. Разрезание подложки

С помощью разрезания из подложки можно получить отдельные ядра. На данный момент установки зондового контроля уже выявили, какие кристаллы содержат ошибки, поэтому после разрезания их можно отделить от годных. Раньше повреждённые кристаллы физически маркировались, теперь в этом нет необходимости, вся информация хранится в единой базе данных Семененко, В. А., Ступин. Ю. В. Справочник по электронной вычислительной технике.- М.,2006. - С.45..

Затем функциональное ядро нужно связать с процессорной упаковкой, используя клейкий материал. После этого нужно провести проводные соединения, связывающие контакты или ножки упаковки и сам кристалл (рисунок 5). Могут использоваться золотые, алюминиевые или медные соединения.

Большинство современных процессоров используют пластиковую упаковку с распределителем тепла. Обычно ядро заключается в керамическую или пластиковую упаковку, что позволяет предотвратить повреждение. Современные процессоры оснащаются так называемым распределителем тепла, который обеспечивает дополнительную защиту кристалла (рисунок 6).

Рисунок 5. Проводное соединение подложки

Последний этап подразумевает тестирование процессора, что происходит при повышенных температурах, в соответствии со спецификациями процессора. Процессор автоматически устанавливается в тестовый разъем, после чего происходит анализ всех необходимых функций.

Рисунок 6. Упаковка процессора

История производства процессоров

Любой современный процессор состоит из огромного набора транзисторов, выполняющих функции электронных микроскопических переключателей. В отличие от обычного переключателя транзисторы способны переключаться миллиарды, и даже триллионы раз в секунду. Однако чтобы обеспечить такую огромную скорость переключения, необходимо уменьшить размеры этих транзисторов. Кроме того, производительность любого процессора в конечном итоге определяется и количеством самих транзисторов. Именно поэтому со времени создания первой интегральной микросхемы в 1959 году развитие отрасли шло в направлении уменьшения размера транзисторов и одновременного увеличения плотности их размещения на микросхеме.

Когда говорят о прогнозах по увеличению плотности размещения и уменьшению геометрических размеров транзисторов, обычно упоминают так называемый закон Мура. Все началось в 1965 году, за три года до того, как Гордон Мур (Gordon Е. Moore) стал одним из основателей корпорации Intel. В то далекое время технология производства интегральных микросхем позволяла интегрировать в одной микросхеме порядка трех десятков транзисторов, а группа ученых, возглавляемая Гордоном Муром, завершала разработку новых микросхем, объединяющих в себе уже 60 транзисторов. По просьбе журнала Electronics Гордон Мур написал статью, приуроченную к 35-й годовщине издания. В этой статье Мура попросили сделать прогноз относительно того, как будут совершенствоваться полупроводниковые устройства в течение ближайших 10 лет. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, Мур предположил, что количество транзисторов на чипе ежегодно будет удваиваться и к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тысяч.

Конечно, в 1965 году ни сам Гордон Мур, ни кто-либо другой не мог предположить, что опубликованный прогноз на ближайшие десять лет не только в точности сбудется, но и послужит основой для формулирования эмпирического правила развития всей полупроводниковой технологии на много лет вперед. Впрочем, с предсказанием Мура было не все гладко. К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза. Тогда Гордон Мур скорректировал период обновления до 24 месяцев, чтобы компенсировать ожидаемое увеличение сложности полупроводниковых компонентов. В конце 1980-х годов одним из руководителей корпорации Intel была внесена еще одна поправка, и прогноз Мура стал означать удвоение вычислительной производительности каждые 18 месяцев (вычислительная производительность, измеряемая в миллионах командах в секунду (MIPS), увеличивается благодаря росту количества транзисторов).

До сих пор мы преднамеренно употребляли слова «прогноз» или «предсказание» Мура, однако в литературе чаще встречается выражение «закон Мура». Дело в том, что после опубликования упомянутой статьи в журнале Electronics профессор Карвер Мид, коллега Мура из Калифорнийского технологического института, дал этому прогнозу название «закон Мура» и оно прижилось.

Зачем уменьшать размеры транзисторов?

Снижение размеров транзисторов позволяет уменьшить площадь кристалла, а значит и тепловыделение, а более тонкий затвор позволяет подавать меньшее напряжение для переключения, что также снижает энергопотребление и тепловыделение.

Если длина затвора транзистора уменьшается в М раз, то в такое же количество уменьшается и рабочее напряжение затвора. Кроме того, в М раз возрастает скорость работы транзистора и квадратично увеличивается плотность размещения транзисторов на кристалле, а рассеиваемая мощность уменьшается в М 2 раз.

Долгое время уменьшение размеров транзисторов было самым очевидным способом увеличения производительности процессоров. На практике это было не так легко осуществить, однако еще сложнее было придумать такую структуру процессора, чтобы его конвейер работал с максимальной отдачей.

Негативные факторы уменьшения размеров транзисторов

В последние годы “гонка гигагерц” стала заметно затихать. Это связано с тем, что, начиная с 90 нм размеров транзисторов, стали сильно проявляться всевозможные ранее не столь сильно ощутимые негативные факторы: токи утечки, большой разброс параметров и экспоненциальное повышение тепловыделения. Разберемся по порядку.

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 диэлектрика, 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 более тонкий технологический процесс – это очередное уменьшение толщины слоя диоксида, и одновременно увеличение утечек. Борьба с утечками – это опять же, увеличение управляющих напряжений, и, соответственно, значительное повышение тепловыделения.

Один из выходов – это применение технологии SOI (кремний на изоляторе), которое 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 отделяют от кремневой подложки еще одним тонким слоем изолятора. Достоинств – 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 быть до 30%. Если оставить частоту той же, то энергосбережение может достигать 50 %. Наконец, характеристики канала становятся более предсказуемыми, а сам транзистор – более устойчивым к случайным 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 исток/сток, что прямо и непосредственно сказывается на увеличении ее сопротивления по мере сокращения толщины.

Функцию барьера для электронов, предотвращающего утечку тока затвора, выполнял тонкий слой диоксида кремния – изолятора, находящегося между затвором и каналом. 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. За последние несколько десятилетий толщина этого слоя составляет в среднем порядка 1/45 от всей длины канала. Но у этого процесса есть своё физическое ограничение – минимальная толщина слоя должна составлять около 1 нм, иначе утечка тока затвора приобретет просто нереальные величины.

До недавнего времени материалом, из которого изготовлялся затвор был поликристаллический кремний (поликремний). Поликремний представляет собой высокочистый кремний с содержанием примесей менее 0.01%, состоящий из большого числа небольших кристаллических зёрен, ориентированных друг относительно друга хаотически. Поликремний является сырьем для производства более совершенного вида кремния – монокремния, а также может использоваться в чистом виде наравне с монокремнием в некоторых сферах применения (например, в производстве солнечных модулей).

Монокремний отличается от поликристаллической модификации тем, что в нем кристаллическая структура ориентирована в определенной кристаллографической плоскости.

Ситуация изменилась когда вместо поликремния для изготовления затвора стали использовать комбинацию новых материалов, а вместо оксида кремния в качестве диэлектрика затвора стали использовать диэлектрик High-k, основанный на примеси четырёхвалентного гафния. В таблице 14.1. представлены этапы развития технологического процесса производства микросхем.

Таблица 14.1. Совершенствование технологического процесса

Ввод в производство
Техпроцесс
Размер пластины (мм.)
Соединения
Диэлектрик затвора
Материал затвора	Поликремний	Поликремний	Поликремний	Поликремний	Поликремний

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.

Что 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.

При 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

Сейчас 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.