Микропроцессоры и микроЭВМ

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