Создание кристалла: Технология 22 нанометра: '3-D Tri-Gate'-транзисторы
Песок / Слиток
Кремний - второй наиболее распространённый элемент земной коры. Обыкновенный песок содержит большую долю кремния. Кремний является исходным материалом создания компьютерных процессоров - он полупроводник, поэтому его без труда можно превратить в отличный проводник или непроводник электрического тока, добавляя в него малые доли примесей.
Рисунок 2 - Расплавленный кремний - Масштаб: кремниевая пластина (~300мм / 12 дюймов)
Перед тем как использовать кремний в производстве компьютерных чипов, его необходимо очистить. Степень чистоты должна составлять меньше одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Кремний плавят, и остужая выращивают твёрдое тело, которое представляет собой одноэлементную, протяжённую и непрерывную кристаллическую решётку в форме цилиндра, называемого слитком (ingot).
Рисунок 3 - Слиток монокристаллического кремния - Масштаб: кремниевая пластина (~300мм / 12 дюймов)
Диаметр слитка составляет 300мм, и вес - около 100кг.
Слиток / Кремниевая пластина
Слиток распиливают на отдельные кремниевые диски, называемые кремниевыми пластинами (wafer). Диаметр каждой пластины составляет 300мм, и толщина - около 1мм.
Рисунок 5 - Кремниевая пластина - Масштаб: кремниевая пластина (~300мм / 12 дюймов)
Пластины полируют до получения безупречной, зеркальной поверхности. Intel покупает у своих поставщиков уже готовые к производству пластины. Размеры пластин увеличивались со временем, вследствие снижая стоимость чипа. Когда Intel только занялась производством чипов, диаметр пластин составлял всего 50мм; в настоящее время - 300мм, и индустрия намеревается продвинуться к 450мм.
Изготовление чипов на пластине состоит из сотен тщательно контролированных стадий, в процессе которых создаётся последовательность контурных слоёв разнообразных материалов один поверх другого.
Далее приведены примеры только наиболее важных стадий столь составного процесса.
Фотолитография
Фотолитография - это процесс, посредством которого на пластине отпечатываются определенные контуры (pattern). Процесс начинается с нанесения жидкости, называемой фоторезист (photoresist), который равномерно выливается на крутящуюся пластину. Фоторезист получил своё название от своего свойства восприимчивости к определённым частотам светового излучения ("photo"), и свойства устойчивости к определённым химикатам, которые позже будут использоваться для удаления участков слоя материала ("resist").
Рисунок 7 - Экспозиция (Exposure) - Масштаб: кремниевая пластина (~300мм / 12 дюймов)
Фоторезист затвердевает, и его участки подвергаются ультрафиолетовому излучению (процесс экспозиции), растворяя фоторезист. Экспозиция выполняется с использованием масок, которые служат в качестве трафарета, чтобы растворялся только определённый контур фоторезиста. Маска содержит рисунок контура, который должен наноситься на пластину; контур оптически уменьшается с помощью линз, и оборудование, выполняющее экспозицию, смещается на шаг и повторяет процесс экспозиции по всей пластине, чтобы создать один и тот же рисунок большое количество раз.
Рисунок 8 - Проявление резиста (Resist Development) - Масштаб: кремниевая пластина (~300мм / 12 дюймов)
Растворённый фоторезист удаляют с помощью химического процесса, оставляя контурный рисунок, идентичный рисунку на маске.
Имплантация ионов
Кремниевую пластину с контурным рисунком бомбардируют лучом ионов (положительно или отрицательно заряженными атомами), которые внедряют себя под поверхность участков, не покрытых фоторезистом. Такой процесс называют допингом (doping), так как в кремний добавляют примеси. Процесс изменяет проводящие свойства кремния (делая его проводником или диэлектриком, в зависимости от используемого типа ионов) в выбранных участках. Рисунок показывает создание карманов (well) - участков, в пределах которых будут формироваться транзисторы.
Рисунок 10 - Удаление фоторезиста - Масштаб: кремниевая пластина (~300мм / 12 дюймов)
После имплантации ионов, фоторезист удаляют, и конечная кремниевая пластина получает контур примесных участков, в которых будут формироваться транзисторы.
Рисунок 11 - Начало формирования транзистора - Масштаб: транзистор (~50-200нм)
Приблизимся к крошечному участку кремниевой пластины, в котором будет формироваться один транзистор. Зелёный участок символизирует примесный кремний. Современные кремниевые пластины могут вмещать сотни миллиардов таких участков, которые будут содержать транзисторы.
Травление
Чтобы создать ребро 'tri-gate'-транзистора, наноситься контур из материала, называемого защитная маска (hard mask) (синий цвет), с помощью только что описанного процесса фотолитографии. Потом используют химикат для вытравления ненужного кремния, оставляя после себя ребро со слоем защитной маски на верхушке.
Рисунок 13 - Удаление фоторезиста - Масштаб: транзистор (~50-200нм)
Защитную маску удаляют химическим путём, оставляя высокое, тонкое ребро кремния, которое будет содержать канал транзистора.
Формирование временного затвора
С помощью стадии фотолитографии, участки транзистора покрывают фоторезистом; и создают тонкий слой диоксида кремния (красный цвет), помещая кремниевую пластину в цилиндрическую печь, заполняемую кислородом. Данный слой становится диэлектриком временного затвора.
Рисунок 15 - Электрод затвора из поликремния - Масштаб: транзистор (~50-200нм)
Снова применяя стадию фотолитографии, создают временный слой из поликристаллического кремния (жёлтый цвет). Данный слой становится электродом временного затвора.
Рисунок 16 - Изолятор - Масштаб: транзистор (~50-200нм)
В следующей стадии оксидирования, создают слой из диоксида кремния по всей поверхности кремниевой пластины (красный прозрачный слой), чтобы изолировать данный транзистор от других элементов.
С целью избежания проблем стойкости транзистора, важно создавать металлический затвор после некоторых неминуемых высокотемпературных технологических стадий.
Intel использует метод "gate last" ("затвор последний") (также известный как "replacement metal gate" ("заменитель металлического затвора")) для создания металлических затворов транзистора.
Формирование '"Gate-Last" High-k/Metal'-затвора
С помощью стадии маскирования, вытравляют электрод временного (жертвенного) затвора и диэлектрик затвора. Теперь будет формироваться фактический затвор; так как первый затвор был удалён, данная процедура известна как "затвор последний" ("gate last").
Рисунок 18 - Нанесение 'High-k'-диэлектрика - Масштаб: транзистор (~50-200нм)
На поверхность кремниевой пластины наносят индивидуальные молекулярные слои, во время процесса, называемого "осаждение атомных слоёв" ("atomic layer deposition"). Изображённые жёлтые слои представляют два таких слоя. Применяя стадию фотолитографии, из нежелательных участков, таких как над прозрачным диоксидом кремния, вытравляют 'high-k'-материал (материал с высокой диэлектрической постоянной).
Рисунок 19 - Металлический затвор - Масштаб: транзистор (~50-200нм)
По всей пластине формируют электрод металлического затвора (синий цвет), и, используя стадию литографии, его удаляют из нежелательных участков. Сочетание данного электрода и 'high-k'-материала (тонкий жёлтый слой) наделяет транзистор намного лучшей рабочей характеристикой и меньшей утечкой тока, чем та, которая была бы возможна с традиционным затвором из диоксида кремния/поликремния.
Осаждение металла
Данный транзистор близок к завершению. В слое изолятора (красный цвет) над транзистором были вытравлены три отверстия. Данные три отверстия заполнят медью или другим материалом, который станет контактами для других транзисторов.
Рисунок 21 - Электроосаждение (Electroplating) - Масштаб: транзистор (~50-200нм)
На этой стадии кремниевые пластины погружают в раствор сульфата меди. Ионы меди осаждают на транзистор посредством процесса, называемого электроосаждение. Ионы меди путешествуют от положительного полюса (анода) к отрицательному полюсу (катоду), которым является кремниевая пластина.
Рисунок 22 - После электроосаждения - Масштаб: транзистор (~50-200нм)
Ионы меди оседают в виде тонкого слоя меди на поверхности кремниевой пластины.
Слои металла
Излишек материала снимают механическим полированием до образования определённого контура меди.
Рисунок 24 - После полирования - Масштаб: транзистор (~50-200нм)
Завершённый '3d'-транзистор после снятия излишка меди полированием. Теперь его можно соединить с другими транзисторами на кристалле.
Рисунок 25 - Слои металла - Масштаб: транзистор (шесть соединённых транзисторов ~500нм)
Создают множественные слои металла для соединения дорожками всех транзисторов кристалла в определённой последовательности. Последовательность соединения всех дорожек определяется командами архитектурного проектирования, которые разрабатывают функциональные возможности соответственного процессора (напр., процессора Ivy Bridge). Хотя компьютерные чипы могут выглядеть крайне плоскими, они фактически могут состоять из более 30 слоёв, формирующих комплексную электрическую схему. Увеличенный вид кристалла покажет запутанную сеть электрических линий и транзисторов, которая напоминает футуристическую, многослойную систему магистралей.
После формирования всех межсоединительных слоёв, на каждый кристалл помещают массив шариков припоя (solder bump). Шарики являются электрическими соединениями, посредством которых кристалл будет обмениваться информацией с внешним миром, через корпус, в который данный кристалл помещают позже. (Шарики на рисунках не изображены).
По завершению обработки кремниевых пластин, они перемещаются из фабрики в комплекс сборки и испытаний.
В нём, каждый кристалл проходит испытания непосредственно на кремниевой пластине, потом отделяется, и те, прошедшие испытания, корпусируются. В заключение, проводят тщательные испытания корпусированных единиц, перед поставкой окончательного продукта.
Испытания кремниевых пластин / Сингуляция (Singulation)
Данный участок готовой кремниевой пластины подвергают испытаниям. Испытательная установка проходится по всей пластине; выводы головки установки соприкасаются с определёнными точками на верху пластины, и выполняется электрическое испытание. В каждый чип передают испытательную последовательность, отслеживают ответ, который сопоставляют с "правильным ответом".
Рисунок 27 - Резка кремниевых пластин - Масштаб: кремниевая пластина (~300мм / 12 дюймов)
Кремниевую пластину разрезают на кусочки, называемые кристаллами (die) (процесс сингуляции). Изображённая пластина содержит процессоры Ivy Bridge с интегрированной графикой.
Рисунок 28 - Отбор кристалла для корпусирования - Масштаб: кремниевая пластина (~300мм / 12 дюймов)
Кристалл, ответивший правильно на испытательную последовательность, отбирается для корпусирования.
Корпусирование (Packaging)
Отдельный кристалл, который был вырезан в предыдущей стадии (сингуляции). На рисунке изображён кристалл первого микропроцессора Intel, изготовленного по 22-нанометровой технологии, с кодовым названием Ivy Bridge.
Рисунок 30 - Корпусирование - Масштаб: корпус (~20мм / ~1 дюйм)
Печатную плату корпуса, кристалл и теплоотвод соединяют вместе, формируя завершённый процессор. Зелёная печатная плата обеспечивает электрический и механический интерфейс процессора с остальной системой компьютера. Серебряный теплоотвод выполняет роль теплового интерфейса, который помогает рассеивать тепло и охлаждать кремниевый кристалл.
Рисунок 31 - Процессор - Масштаб: корпус (~20мм / ~1 дюйм)
Завершённый процессор (Ivy Bridge в этом случае). Микропроцессор считают наиболее сложным промышленным продуктом, который изготавливается человеком. В действительности, необходимы сотни стадий - в этой истории запечатлены только наиболее важные из них - в наиболее чистой среде планеты (фабрике микропроцессоров).
Классовые испытания / Завершённый процессор
В данном окончательном испытании тщательно проверяется функциональность, рабочие характеристики и мощность процессора.
Рисунок 33 - Биннинг (Binning) - Масштаб: корпус (~20мм / ~1 дюйм)
Основываясь на результатах классовых испытаний, процессоры с одинаковыми характеристиками сортируются в лотки, готовые к поставке заказчикам.
Рисунок 34 - Розничная упаковка - Масштаб: корпус (~20мм / ~1 дюйм)
Только что изготовленные и испытанные процессоры отправляются производителям компьютерных систем в лотках или в розничные магазины в коробке, показанной на рисунке.
Обновлено 03.06.2012:
Источник: newsroom.intel.com
Комментариев нет:
Отправить комментарий