1. Современные кремниевые технологии

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

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 0,05 мм. 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 микросхем (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°С), 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. В большинстве случаев шаблон используется многократно, ведь на заводе, как правило, производятся не уникальные микросхемы, 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.

На кремниевой подложке диоксидом кремния нанесен рельеф, который служит заготовкой для составляющих компонентов будущей микросхемы. 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-оксидный полупроводник), из которых построены все современные микросхемы.

Вернемся к 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.

Производство микросхемы на редкость сложный процесс, в котором даже малейшая погрешность может привести к негодности всей микросхемы. По большому счету, такие неприятности неизбежны, поэтому часть процессоров всегда забраковывается, притом, чем новее архитектура микросхемы и чем моложе техпроцесс, тем выше будет процент брака. Чтобы некондиционные микросхемы не попали на прилавок, вся партия проходит многократное тестирование, которое начинается еще до того, как микросхемы начнут вырезать из пластины. Обнаружение дефекта для каждой конкретной микросхемы не всегда будет для него прямой дорогой на свалку. Иногда микросхема оказывается не в состоянии функционировать с запланированными характеристиками, но в то же время отлично работает в пониженных режимах, поэтому может использоваться в более дешевых коммерческих продуктах.

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 микросхемы оказалось все же возможным на старых установках, а новое оборудование привлекать лишь для особо важных участков, которые составляют приблизительно одну пятую от общей площади микросхемы. Благодаря этому замену оборудования удалось осуществить постепенно. Тот же самый маневр пройдет и для 65-нм микросхем, 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 микросхем пока заявляют лишь четыре компании, IBM, Chartered, Infineon и Samsung.

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.

В последние годы проблемой номер один для производителей микросхем 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 сама микросхема 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.

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.