Микропроцессоры и микроЭВМ

на подложке, была сделана более 40 лет назад. За это время технология их

производства претерпела ряд больших и малых улучшений, пройдя от первой

схемы Джека Килби до сегодняшних центральных процессоров, состоящих из

десятков миллионов транзисторов, хотя для серверных процессоров впору уже

говорить о сотнях миллионов.

Здесь пойдет речь о некоторых последних технологиях в этой области, таких,

как медные проводники в чипах, SiGe, SOI, перовскиты. Но сначала необходимо

в общих чертах затронуть традиционный процесс производства чипов из

кремниевых пластин. Нет необходимости описывать процесс превращения песка в

пластины, поскольку все эти технологии не имеют к столь базовым шагам

никакого отношения, поэтому начнем с того, что мы уже имеем кремниевую

пластину, диаметр которой на большинстве сегодняшних фабрик, использующих

современные технологии, составляет 20 см. Ближайшим шагом на ее превращении

в чипы становится процесс окисления ее поверхности, покрытия ее пленкой

окислов - SiO2, являющейся прекрасным изолятором и защитой поверхности

пластины при литографии.

[pic]

Дальше на пластину наносится еще один защитный слой, на этот раз -

светочувствительный, и происходит одна из ключевых операций - удаление в

определенных местах ненужных участков его и пленки окислов с поверхности

пластины, до обнажения чистого кремния, с помощью фотолитографии.

На первом этапе пластину с нанесённой на её поверхность плёнкой

светочувствительного слоя помещают в установку экспонирования, которая по

сути работает как фотоувеличитель. В качестве негатива здесь используется

прецизионная маска - квадратная пластина кварцевого стекла покрытая плёнкой

хрома там, где требуется. Хромированные и открытые участки образуют

изображение одного слоя одного чипа в масштабе 1:5. По специальным знакам,

заранее сформированным на поверхности пластины, установка автоматически

выравнивает пластину, настраивает фокус и засвечивает светочувствительный

слой через маску и систему линз с уменьшением так, что на пластине

получается изображение кристалла в масштабе 1:1. Затем пластина сдвигается,

экспонируется следующий кристалл и так далее, пока не обработаются все чипы

на пластине. Сама маска тоже формируется фотохимическим способом, только

засвечивание светочувствительного слоя при формировании маски происходит по

программе электронным лучом примерно также, как в телевизионном кинескопе.

[pic]

В результате засвечивания химический состав тех участков

светочувствительного слоя, которые попали под прозрачные области фотомаски,

меняется. Что дает возможность удалить их с помощью соответствующих

химикатов или других методов, вроде плазмы или рентгеновских лучей.

[pic]

После чего аналогичной процедуре (уже с использованием других веществ,

разумеется) подвергается и слой окислов на поверхности пластины. И снова,

опять же, уже новыми химикатами, снимается светочувствительный слой:

[pic]

Потом накладывается следующая маска, уже с другим шаблоном, потом еще одна,

еще, и еще... Именно этот этап производства чипа является критическим в

плане ошибок: любая пылинка или микроскопический сдвиг в сторону при

наложении очередной маски, и чип уже может отправиться на свалку. После

того, как сформирована структура чипа, пришло время для изменения атомной

структуры кремния в необходимых участках путем добавления различных

примесей. Это требуется для того, чтобы получить области кремния с

различными электрическими свойствами - p-типа и n-типа, то есть, как раз

то, что требуется для создания транзистора. Для формирования p-областей

используются бор, галлий, алюминий, для создания n-областей - сурьма,

мышьяк, фосфор.

Поверхность пластины тщательно очищается, чтобы вместе с примесями в

кремний не попали лишние вещества, после чего она попадает в камеру для

высокотемпературной обработки и на нее, в том или ином агрегатном

состоянии, с использованием ионизации или без, наносится небольшое

количество требуемых примесей. После чего, при температуре порядка от 700

до 1400 градусов, происходит процесс диффузии, проникновения требуемых

элементов в кремний на его открытых в процессе литографии участках. В

результате на поверхности пластины получаются участки с нужными свойствами.

И в конце этого этапа на их поверхность наносится все та же защитная пленка

из окисла кремния, толщиной порядка одного микрона.

[pic]

Все. Осталось только проложить по поверхности чипа металлические соединения

(сегодня для этой роли обычно используется алюминий, а соединения сегодня

обычно расположены в 6 слоев), и дело сделано. В общих чертах, так в

результате и получается, к примеру, классический МОП транзистор: при

наличии напряжения на затворе начинается перемещение электронов между

измененными областями кремния.

[pic]

Теперь, слегка пробежавшись по классическому процессу создания сегодняшних

чипов, можно более уверенно перейти к обзору технологий, которые

предполагают внести определенные коррективы в эту картину.

Медные соединения

|[pic] |

|IBM, техпроцесс CMOS 7S, |

|первая медная технология,|

|начавшая применяться при |

|коммерческом производстве|

|чипов |

Первая из них, уже начавшая широко внедряться в коммерческое

производство - это замена на последнем этапе алюминия на медь. Медь

является лучшим проводником, чем алюминий (удельное сопротивление 0,0175

против 0,028 ом*мм2/м), что, в полном соответствии с законами физики,

позволяет уменьшить сечение межкомпонентных соединений. Вполне

своевременно, учитывая постоянное движение индустрии в сторону уменьшения

размеров транзисторов и увеличения плотности их размещения на чипе, когда

использование алюминия начинает становиться невозможным. Индустрия начала

сталкиваться с этой проблемой уже в первой половине 90-х. Вдобавок, что

толку в ускорении самих транзисторов, если соединения между ними будут

съедать весь прирост скорости?

Проблемой при переходе на медь являлось то, что алюминий куда лучше

образует контакт с кремнием. Однако после не одного десятка лет

исследований, ученым удалось найти принцип создания сверхтонкой

разделительной области между кремниевой подложкой и медными проводниками,

предотвращающей диффузию этих двух материалов.

По данным IBM, применение в технологическом процессе меди вместо алюминия,

позволяет добиться снижения себестоимости примерно на 20-30 процентов за

счет снижения площади чипа. Их технология CMOS 7S, использующая медные

соединения, позволяет создавать чипы, содержащие до 150-200 миллионов

транзисторов. И, наконец, просто увеличение производительности чипа (до 40

процентов) за счет меньшего сопротивления проводников.

IBM начала предлагать клиентам эту технологию в начале 98 года, в конце

этого года своим заказчикам предложили использовать медь при производстве

их чипов TSMC и UMC, AMD начинает выпуск медных Athlon в начале 2000 года,

Intel переходит на медь в 2002 году, одновременно с переходом на 0.13 мкм

техпроцесс.

SiGe

Соединения - соединениями, но уже на скорости чипа в несколько ГГц

перестает справляться с нагрузкой сама кремниевая подложка. И если для

традиционных областей применения чипов кремния пока достаточно, в области

беспроводной связи уже давно дефицит на дешевые скоростные чипы. Кремний -

дешево, но медленно, арсенид галлия - быстро, но дорого. Решением здесь

стало использование в качестве материала для подложек соединения двух основ

полупроводниковой индустрии - кремния с германием, SiGe. Практические

результаты по этой технологии стали появляться с конца 80-х годов. Первый

биполярный транзистор, созданный с использованием SiGe (когда германий

используется как материал для базы), был продемонстрирован в 1987 году. В

1992 году уже появилась возможность применения при производстве чипов с

SiGe транзисторами стандартной технологии КМОП с разрешением 0.25 мкм.

Результатом применения становится увеличение скорости чипов в 2-4 раза по

сравнению с той, что может быть достигнута путем использования кремния, во

столько же снижается и их энергопотребление. При этом, в ход вступает все

тот же решающий фактор - стоимость: SiGe чипы можно производить на тех же

линиях, которые используются при производстве чипов на базе обычных

кремниевых пластин, таким образом отпадает необходимость в дорогом

переоснащении производственного оборудования. По информации IBM,

потенциальная скорость транзистора (не чипа!) с их технологией составляет

сегодня 45-50 ГГц (что далеко не рекорд), ведутся работы над увеличением

этой цифры до 120 ГГц. Впрочем, в ближайшие годы прихода SiGe в компьютер

ждать не стоит - при тех скоростях, что потребуется PC чипам в ближайшем

будущем вполне хватает кремния, легированного такими технологиями, как

медные соединения или SOI.

Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI)

Еще одна технология, позволяющая достаточно безболезненно повысить

скорость чипов, не требуя от производителей отказаться от всех их

сегодняшних наработок. Как и технология медных соединений, SOI позволяет

создателям чипов убить двух зайцев одним выстрелом - поднять скорость, до

25 процентов, одновременно снизив энергопотребление. Что из себя

представляет эта технология? Вспомним начало обработки кремниевой пластины

- она покрывается тонкой пленкой окисла кремния. А в SOI к этому бутерброду

добавляется еще один элемент - сверху опять наносится тонкий слой кремния:

[pic]

Вот и получается - кремний на изоляторе. Зачем это понадобилось? Чтобы

уменьшить емкость. В идеале МОП транзистор должен выключаться, как только

будет исчезнет питание с затвора (или наоборот, появится, в случае с КМОП).

Но наш мир далеко не идеален, это справедливо и в данном конкретном случае.

На время срабатывания транзистора напрямую влияет емкость области между

между измененными участками кремния, через которую и идет ток при включении

транзистора. Он начинает и заканчивает идти не мгновенно, а только после,

соответственно, зарядки и разрядки этой промежуточной зоны. Понятно, что

чем меньше это время, тем быстрее работает транзистор, можно сказать, что

тем меньше его инерция. Для того и придумана SOI - при наличии между

измененными участками и основной массой кремния тонкой пластинки

изолирующего вещества (окисел кремния, стекло, и т.д.), этот вопрос

снимается, и транзистор начинает работать заметно быстрее.

[pic]

Основная сложность в данном случае, как и в случае с медными соединениями,

заключается в разных физических свойствах вещества. Кремний, используемый в

подложке - кристалл, пленка окислов - нет, и закрепить на ее поверхности,

или же не поверхности другого изолятора еще один слой кристаллического

кремния весьма трудно. Вот как раз проблема создания идеального слоя и

заняла весьма много времени. Не так давно IBM уже продемонстрировала

процессоры PowerPC и чипы SRAM, созданные с использованием этой технологии,

просигнализировав этим о том, что SOI подошла к стадии возможности

коммерческого применения. Совсем недавно, IBM объявила о том, что она

достигла возможности сочетать SOI и медные соединения на одном чипе,

пользуясь плюсами обеих технологий. Тем не менее, пока что никто кроме нее

не заявил публично о намерении использовать эту технологию при производстве

чипов, хотя о чем-то подобном речь идет.

Перовскиты

Поиски замены на роль изолирующей пленки на поверхности подложки идут

давно, учитывая, что как и алюминий, диоксид кремния начинает сдавать в

последнее время - при постоянном увеличении плотности транзисторов на чипе

необходимо уменьшать толщину его изолирующего слоя, а этому есть предел,

поставленный его электрическими свойствами, который уже довольно близок.

Однако пока, несмотря на все попытки, SiO2 по прежнему находится на своем

месте. В свое время IBM, предполагала использовать в этой роли полиамид,

теперь пришла очередь Motorola выступить со своим вариантом - перовскиты.

Этот класс минералов в природе встречается довольно редко - Танзания,

Бразилия и Канада, но может выращиваться искусственно. Кристаллы

перовскитов отличаются очень высокими диэлектрическими свойствами:

использованный Motorola титанат стронция превосходит по этому параметру

диоксид кремния более чем на порядок. А это позволяет в три-четыре раза

снизить толщину транзисторов по сравнению с использованием традиционного

подхода. Что, в свою очередь, позволяет значительно снизить ток утечки,

давая возможность заметно увеличить плотность транзисторов на чипе,

одновременно сильно уменьшая его энергопотребление.

Пока что эта технология находится в достаточно ранней стадии разработки,

однако Motorola уже продемонстрировала возможность нанесения пленки

перовскитов на поверхность стандартной 20 см кремниевой пластины, а также

рабочий КМОП транзистор, созданный на базе этой технологии.

Список литературы, источники:

. «Аппаратные средства PC» К. Айден, Х. Фибельман, М.

Крамер «BHV – Санкт-Петербург» Санкт-Петербург,

1997г.

. «Основы промышленной электроники» В.Г. Герасимов (третье

издание) «Высшая школа» Москва, 1986г.

. «Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и

микросборок» Л.А. Коледов «Радио и связь» Москва, 1989г.

. «Инженер-конструктор технолог микроэлектронной и

микропроцессорной техники» Б.Ф. Высоцкий «Радио и связь»

Москва, 1988г.

. Журнал «CHIP» №08/2002 «Издательский дом «Бурда»

www.burda.ru

. Журнал «CHIP» №09/2002 «Издательский дом «Бурда»

www.burda.ru

. Журнал «CHIP» №12/2002 «Издательский дом «Бурда»

www.burda.ru

. Журнал «CHIP» №01/2003 «Издательский дом «Бурда»

www.burda.ru

. Журнал «Hardware», №39, 1997 год

. ©2001-2003 http://www.Overclockers.ru/ - "Российский

оверклокерский портал. Справочник по разгону.

Пользовательская и лабораторная статистика разгона

процессоров. Обзоры материнских плат, видеокарт,

кулеров. Новости из мира оверклокинга. Экстремальный

разгон. Файлы, конференция, голосования".

. http://amdcpu.nm.ru/

. http://compiron.euro.ru/ - «Мир компьютерного железа»

. http:// AMDNOW.ru/

. http://www.osmag.ru/ - Журнал "Открытые Системы", #09-

10/1999

. http://www.kv.minsk.by/ - (c) 1994-2003, "Компьютерные

Вести"

. http://www.ixbt.com/ - Copyright © by iXBT.com,

1997—2003. Produced by iXBT.com

. http://www.programz.by.ru – «Полезные программы и

информация»

kazaker@mail.ru

-----------------------

[pic]

KaZaK (BALABESKA)

[kazaker@mail.ru] (www.programz.by.ru)

KaZaK (BALABESKA)

[kazaker@mail.ru] (www.programz.by.ru)

KaZaK (BALABESKA)

[kazaker@mail.ru] (www.programz.by.ru)

Страницы: 1, 2, 3