Производство 65 нм микропроцессоров

Процесс нанесения фоторезиста  и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется фотолитографией и включает следующие основные операции: формирование слоя фоторезиста (обработка подложки, нанесение, сушка), формирование защитного рельефа (экспонирование, проявление, сушка) и передача изображения на подложку (травление, напыление и т.д.).

Перед нанесением слоя фоторезиста  на подложку последняя подвергается предварительной обработке, в результате чего улучшается ее сцепление со слоем фоторезиста. Для нанесения равномерного слоя фоторезиста используется метод центрифугирования. Подложка помещается на вращающийся диск (центрифуга), и под воздействием центробежных сил фоторезист распределяется по поверхности подложки практически равномерным слоем. (Говоря о практически равномерном слое, учитывают то обстоятельство, что под действием центробежных сил толщина образующейся пленки увеличивается от центра к краям, однако такой способ нанесения фоторезиста позволяет выдержать колебания толщины слоя в пределах ±10%.)

Шаг 4. Литография

После нанесения и  сушки слоя фоторезиста наступает этап формирования необходимого защитного рельефа. Рельеф образуется в результате того, что под действием ультрафиолетового излучения, попадающего на определенные участки слоя фоторезиста, последний изменяет свойства растворимости, например освещенные участки перестают растворяться в растворителе, которые удаляют участки слоя, не подвергшиеся освещению, или наоборот — освещенные участки растворяются. По способу образования рельефа фоторезисты делят на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием ультрафиолетового излучения образуют защитные участки рельефа. Позитивные фоторезисты, напротив, под воздействием ультрафиолетового излучения приобретают свойства текучести и вымываются растворителем. Соответственно защитный слой образуется в тех участках, которые не подвергаются ультрафиолетовому облучению.

Для засветки нужных участков слоя фоторезиста используется специальный шаблон-маска. Чаще всего для этой цели применяются пластинки из оптического стекла с полученными фотографическим или иным способом непрозрачными элементами. Фактически такой шаблон содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы (всего таких слоев может насчитываться несколько сотен). Поскольку этот шаблон является эталоном, он должен быть выполнен с большой точностью. К тому же с учетом того, что по одному фотошаблону будет сделано очень много фотопластин, он должен быть прочным и устойчивым к повреждениям. Отсюда понятно, что фотошаблон — весьма дорогая вещь: в зависимости от сложности микросхемы он может стоить десятки тысяч долларов.

Ультрафиолетовое излучение, проходя сквозь такой шаблон, засвечивает только нужные участки поверхности слоя фоторезиста. После облучения фоторезист подвергается проявлению, в результате которого удаляются ненужные участки слоя. При этом открывается соответствующая часть слоя диоксида кремния.

Несмотря на кажущуюся  простоту фотолитографического процесса, именно этот этап производства микросхем  является наиболее сложным. Дело в том, что в соответствии с предсказанием  Мура количество транзисторов на одной микросхеме возрастает экспоненциально (удваивается каждые два года). Подобное возрастание числа транзисторов возможно только благодаря уменьшению их размеров, но именно уменьшение и «упирается» в процесс литографии. Для того чтобы сделать транзисторы меньше, необходимо уменьшить геометрические размеры линий, наносимых на слой фоторезиста. Но всему есть предел — сфокусировать лазерный луч в точку оказывается не так-то просто. Дело в том, что в соответствии с законами волновой оптики минимальный размер пятна, в который фокусируется лазерный луч (на самом деле это не просто пятно, а дифракционная картина), определяется кроме прочих факторов и длиной световой волны. Развитие литографической технологии со времени ее изобретения в начале 70-х шло в направлении сокращения длины световой волны. Именно это позволяло уменьшать размеры элементов интегральной схемы. С середины 80-х в фотолитографии стало использоваться ультрафиолетовое излучение, получаемое с помощью лазера. Идея проста: длина волны ультрафиолетового излучения меньше, чем длина волны света видимого диапазона, следовательно, возможно получить и более тонкие линии на поверхности фоторезиста. До недавнего времени для литографии использовалось глубокое ультрафиолетовое излучение (Deep Ultra Violet, DUV) с длиной волны 248 нм. Однако когда фотолитография перешагнула границу 200 нм, возникли серьезные проблемы, впервые поставившие под сомнение возможность дальнейшего использования этой технологии. Например, при длине волны меньше 200 мкм слишком много света поглощается светочувствительным слоем, поэтому усложняется и замедляется процесс передачи шаблона схемы на процессор. Подобные проблемы побуждают исследователей и производителей искать альтернативу традиционной литографической технологии.

Новая технология литографии, получившая название ЕUV-литографии (Extreme UltraViolet — сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), основана на использовании ультрафиолетового излучения с длиной волны 13 нм.

Переход с DUV- на EUV-литографию обеспечивает более чем 10-кратное уменьшение длины волны и переход в диапазон, где она сопоставима с размерами всего нескольких десятков атомов.

Применяемая сейчас литографическая  технология позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 100 нм, в то время как EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины — до 30 нм. Управлять ультракоротким излучением не так просто, как кажется. Поскольку EUV-излучение хорошо поглощается стеклом, то новая технология предполагает использование серии из четырех специальных выпуклых зеркал, которые уменьшают и фокусируют изображение, полученное после применения маски. Каждое такое зеркало содержит 80 отдельных металлических слоев толщиной примерно в 12 атомов.

Шаг 5. Травление

После засвечивания слоя фоторезиста наступает этап травления (etching) с целью удаления пленки диоксида кремния .

Часто процесс травления  ассоциируется с кислотными ваннами. Такой способ травления в кислоте хорошо знаком радиолюбителям, которые самостоятельно делали печатные платы. Для этого на фольгированный текстолит лаком, выполняющим функцию защитного слоя, наносят рисунок дорожек будущей платы, а затем опускают пластину в ванну с азотной кислотой. Ненужные участки фольги стравливаются, обнажая чистый текстолит. Этот способ имеет ряд недостатков, главный из которых — невозможность точно контролировать процесс удаления слоя, так как слишком много факторов влияют на процесс травления: концентрация кислоты, температура, конвекция и т.д. Кроме того, кислота взаимодействует с материалом по всем направлениям и постепенно проникает под край маски из фоторезиста, то есть разрушает сбоку прикрытые фоторезистом слои. Поэтому при производстве процессоров используется сухой метод травления, называемый также плазменным. Такой метод позволяет точно контролировать процесс травления, а разрушение вытравливаемого слоя происходит строго в вертикальном направлении.

При использовании сухого травления для удаления с поверхности  пластины диоксида кремния применяется  ионизированный газ (плазма), который вступает в реакцию с поверхностью диоксида кремния, в результате чего образуются летучие побочные продукты.

После процедуры травления, то есть когда оголены нужные области  чистого кремния, удаляется оставшаяся часть фотослоя. Таким образом, на кремниевой подложке остается рисунок, выполненный диоксидом кремния.

Шаг 6. Диффузия (ионная имплантация)

Напомним, что предыдущий процесс формирования необходимого рисунка на кремниевой подложке требовался для того, чтобы создать в нужных местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной или акцепторной примеси. Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии — равномерного внедрения атомов примеси в кристаллическую решетку кремния. Для получения полупроводника n-типа обычно используют сурьму, мышьяк или фосфор. Для получения полупроводника p-типа в качестве примеси используют бор, галлий или алюминий.

Для процесса диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация. Процесс имплантации заключается  в том, что ионы нужной примеси  «выстреливаются» из высоковольтного ускорителя и, обладая достаточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния.

Итак, по окончании этапа  ионной имплантации необходимый  слой полупроводниковой структуры  создан. Однако в микропроцессорах таких слоев может насчитываться несколько. Для создания очередного слоя на полученном рисунке схемы выращивается дополнительный тонкий слой диоксида кремния. После этого наносятся слой поликристаллического кремния и еще один слой фоторезиста. Ультрафиолетовое излучение пропускается сквозь вторую маску и высвечивает соответствующий рисунок на фотослое. Затем опять следуют этапы растворения фотослоя, травления и ионной имплантации.

Шаг 7. Напыление  и осаждение

Наложение новых слоев  осуществляется несколько раз, при  этом для межслойных соединений в слоях оставляются «окна», которые заполняются атомами металла; в результате на кристалле создаются металлические полоски — проводящие области. Таким образом в современных процессорах устанавливаются связи между слоями, формирующими сложную трехмерную схему. Процесс выращивания и обработки всех слоев длится несколько недель, а сам производственный цикл состоит из более чем 300 стадий. В результате на кремниевой пластине формируются сотни идентичных процессоров.

Чтобы выдержать воздействия, которым подвергаются пластины в процессе нанесения слоев, кремниевые подложки изначально делаются достаточно толстыми. Поэтому, прежде чем разрезать пластину на отдельные процессоры, ее толщину уменьшают на 33% и удаляют загрязнения с обратной стороны. Затем на тыльную сторону подложки наносят слой специального материала, улучшающего крепление кристалла к корпусу будущего процессора.

Шаг 8. Заключительный этап

По окончании цикла  формирования все процессоры тщательно  тестируются. Затем из пластины-подложки с помощью специального устройства вырезаются конкретные, уже прошедшие проверку кристаллы.

Каждый микропроцессор встраивается в защитный корпус, который  также обеспечивает электрическое  соединение кристалла микропроцессора с внешними устройствами. Тип корпуса зависит от типа и предполагаемого применения микропроцессора.

После запечатывания  в корпус каждый микропроцессор повторно тестируется. Неисправные процессоры отбраковывают, а исправные подвергают нагрузочным испытаниям. Затем процессоры сортируют в зависимости от их поведения при различных тактовых частотах и напряжениях питания.

Оптическая литография

Как известно, одним из важнейших этапов в производстве микросхем является литографический  процесс. Литография — это технология, используемая для нанесения рисунка будущей микросхемы на слой фоторезиста посредством специальных литографических масок. Различают два типа литографии — теневую и проекционную.

При теневой литографии (рис. 3) литографическая маска и  подложка, которая подвергается экспонированию, либо находятся в непосредственном контакте друг с другом (контактная литография), либо между ними есть небольшой (от 10 до 50 мкм) зазор. Контактная литография позволяет получить разрешение порядка 1 мкм, однако прямой контакт между маской и подложкой приводит к образованию нежелательных примесей на подложке и на маске-шаблоне. Теневая литография с зазором между маской и подложкой не имеет такого недостатка, но за счет дифракции светового излучения на маске происходит частичное размытие краев рисунка на величину от 2 до 5 мкм, что сильно ограничивает разрешающую способность литографии. 

Рис. 3. Два типа теневой  литографии: а) контактная; б) с зазором  между маской и подложкой

Важнейшей характеристикой  литографического процесса является его разрешающая способность. От разрешающей способности напрямую зависит минимальная толщина линии, которую можно нанести на фоторезисте. Для теневой контактной литографии минимальная толщина линии в точности равна ее толщине на маске-шаблоне.

Подробнее о процессорах Penryn

Четырехъядерные процессоры Penryn  включают около 820 млн. транзисторов, которые разместятся на двух кристаллах площадью 107 мм². Для сравнения, современные четырехъядерные процессоры Intel Kentsfield имеют 582 млн. транзисторов, при этом площади кристаллов четырехъядерных процессоров, выпускающихся по 65-нм нормам, составляют 144 мм²

Интересной является технология Enhanced Dynamic Acceleration Technology (EDAT). Её идея состоит в следующем. Для простоты возьмем случай с двухъядерным процессором. Поскольку в однопоточных приложениях от многоядерности толку мало, основную роль здесь играет производительность отдельно взятого ядра. Поэтому Intel предусмотрела увеличение частоты работающего ядра (non-idle core), в то время как второе (idle core) находится в одном из состояний бездействия (C3-C6) и его тепловыделение резко сокращается. Эту разницу использует работающее ядро и повышает свою частоту до достижения процессором граничного уровня TDP.

Согласно внутренним тестам Intel, в игровых приложениях наблюдается 20-ти процентный прирост производительности чипов, а в операциях с декодированием видео (при условии использования SSE4) – более 40% прирост. Если сравнивать серверный процессор Penryn с частотой более 3 ГГц и четырехъядерный Xeon (Xeon X5355, 2,66 ГГц, FSB 1333 МГц), прирост в приложениях, интенсивно использующих операции с плавающей запятой и чувствительных к пропускной способности, составит около 45%.

Переход на столь прецизионные нормы производства с очевидным  изменением физико-химических свойств компонентов схемы потребовал от инженеров применения совершенно новых материалов и технологий для работы с подложкой, создания перехода транзисторов, их электродов и так далее – всё для достижения меньших токов утечек и более экономной работы чипа без снижения производительности на ватт затраченной энергии.

И, наконец, в-третьих  изменилась архитектура ядра процессоров  с рабочим названием Penryn, хотя, они  по-прежнему представляют собой представителей микроархитектуры Core (Merom). Поколения микроархитектур процессоров сменяют друг друга реже чем различные дизайны ядер (и даже реже чем новые техпроцессы).

Дизайн ядра с рабочим  названием Penryn – не что иное как  усовершенствованный дизайн Merom с одновременным переходом на 45-нм нормы производства. Семейство 45 нм чипов Penryn  было основой для новых Core 2-ядерных чипов Wolfdale и 4-ядерных чипов Yorkfield, шедших на замену 65 нм процессорам Core 2 Duo и Core 2 Quad соответственно. Соответственно, процессоры семейства Penryn легли в основу нового поколения мобильной платформы Intel Centrino с кодовым названием Montevina, появившаяся в первом полугодии 2008, заменила собой версию Santa Rosa.