О перспективах и существующих технологиях создания полупроводниковых устройств

Ни для кого не секрет, что с каждым днем полупроводниковая индустрия все ближе и ближе подбирается к пределу кремниевой технологии. Выход из сложившейся ситуации необходимо искать в освоении новых технологий производства чипов, что логично, использовании более совершенных методов организации производства и... поиске абсолютно новых материалов с более глубокой философией назначения их структурных единиц.

Но вернемся к проблеме "почему кремний перестанет удовлетворять наши нужды, как полупроводниковый материал"... Если говорить об этом более-менее кратко, то суть проблемы формулируется таким образом. Постоянное стремление уменьшить размеры кристалла, без чего просто невозможно увеличение производительности и скорости срабатывания транзисторов в микропроцессоре, приводит к тому, что в скором времени классическая физика, объясняющая процессы в полупроводниках отойдет на второй план, а ей на смену придет квантовая теория. Это заставит еще глубже вникнуть в суть процессов происходящих в микросхемах, заставит многое переосмыслить,и, конечно, изменить подход к микросхемотехнике. Уменьшение размеров транзистора заставит столкнуться с рядом физических явлений, которые будут препятствовать дальнейшей миниатюризации чипа. В частности, может оказаться чрезвычайно сложным соединение друг с другом мельчайших элементов. И это проблема уже однажды повставала перед индустрией, к счастью она успешно решена использованием медной технологии. Но об этом позднее. Нахождение разных зон проводимости на расстоянии около 100 ангстрем порождает квантовые эффекты, которые, как уже было сказано, нарушают нормальную работу транзисторов.

Еще одна причина... Электромагнитное поле от любого компонента компьютера, например, трансформатора блока питания, может оказаться более чем достаточным для создания лавинного эффекта, при котором будет вызван ток, способный разрушить микросхему или нарушить нормальное направление движения электронов. Сейчас влияние магнитных полей на процессоры пока не так ощутимо, однако, при еще большей миниатюризации чипов, может стать серьезным препятствием дальнейшему развитию. Внутренние поля процессоров также довольно серьезная проблема...

Уже сейчас разработаны полевые транзисторы с возможностью перемещения поля в место, где оно не оказывает пагубного влияния на общее функционирование схемы, однако просчет и разработка таких схем неимоверно сложна. Еще одним минусом такого "трюка" является снижение надежности и гарантированного времени использования чипа.

Итак, для начала, поговорим о существующих на сегодня технологиях создания полупроводниковых микропроцессоров, количество транзисторов в которых насчитывает десятки, а то и сотни миллионов...

Начинается все, как логично предположить, с инженерной мысли. Так вот, сперва процессор разрабатывается, что называется, на бумаге. Продумывается будущая архитектура чипа, размер его кеша, структурные элементы и т.д. Затем работоспособность архитектуры проверяется созданием на специальном языке программирования программы-макета процессора, которая долго тестируется. В конце концов, если чип содержит много нововведений, то его "ваяют" в огромных размерах (так было с революционным ядром Pentium Pro) и опять долго тестируют. При создании макета руководствуются правилом комбинирования, по принципу отдельная группа транзисторов - определенный элемент схемы.

Далее изготавливаются кремниевые пластины, которые в свою очередь создаются особым способом из кварцевого песка, то есть, повторюсь, кремния - самого распространенного материала со свойствами полупроводника на земле. Таким образом, кремний химическими методами старательно очищается, и из него выплавляются цилиндрические слитки, которые в дальнейшем нарезаются на пластины толщиной менее миллиметра. Пластины шлифуются, много раз полируются с применением множества разных паст до зеркального блеска. Сейчас, стандартным размером кремниевых пластин является 200 мм., ведутся работы по переходу на 300 мм.

Для дальнейшего создания интегральной схемы, пластины должны быть покрыты слоем изолятора, и защищены механически (что немаловажно при дальнейшей обработке). Роль слоя изолятора выполняет SiO2 - двуокись кремния. Чтобы нанести ее на поверхность чипа, его помещают в специализированную печь, где и происходит медленное обрастание пластины прочными стенками.

Далее, подготовленная пластина покрывается светочувствительным полимерным слоем, который в дальнейшем поможет избавиться от слоя оксида кремния (IV), тем самым оголить в нужных местах чистый кремний. Полимерный слой при воздействии ультрафиолета должен прореагировать и впоследствии смываться органическими растворителями.

Кто знаком с фотографией, тем легче будет понять дальнейшее. Итак, нанесение рельефа на фоточувствительную пластину происходит аналогично проецированию негативного изображения на фотобумагу. Необходимо учесть, что роль негативной пленки в этом случае выполняет пластина кварцевого стекла, покрытая плёнкой хрома. Хром не пропускает свет, что дает возможность засветить светочувствительный слой там, где это нужно.

Что касается негатива, то он намного больше оригинального изображения, и его проекция на пластину осуществляется через систему уменьшающих линз и маску.

Итак, засвеченный слой, изменив свой химический состав, может быть просто удален химически, либо рентгеновским излучением.

Таким образом, подбираемся к возможности удаления SiO2, что с успехом и делается методом, аналогичным удалению фотомаски, но уже при помощи реактивных газов.

Далее структура чипа изменяется этим же методом, но уже с помощью другого негатива. Это происходит неоднократно, но, в конце концов, заготовка приобретает нужный вид. Конец этого этапа дает транзисторы, которые получаются следующим образом.

Вы, наверное, заметили, что все это время шла речь лишь о кремнии, но любой транзистор должен состоять из зон с разными свойствами. Создание зон с проводниками p-типа и n-типа, производится вкраплением нужного количества того или иного вещества в кремниевую заготовку. Чаще всего для "наполнения" проводниками n-типа используют мышьяк или бор (напомним, что кремний содержит носители p-типа). Заготовка разогревается до температур, при которых диффузия необходимых материалов становится особенно быстрой, и на полученные ранее отверстия в окисле кремния наносится строго определенное количество вещества-донора дырок.

Таким образом, кремний под слоем изолятора остается нетронутым, и это будущий затвор (З). А не предохраненные области, по обеим сторонам от затвора, "насытившись положительными элементами" (дырками) станут стоком (С) и истоком (И) получившегося в результате транзистора (последний рис.).

Конечная стадия производства процессоров. После получения окончательного образчика, уже описанными литографическими методами добавляются зоны проводимости и непроводимости. Здесь решающими веществами становятся поликристаллический кремний, а также различные оксиды и металлы. Полученные электрические соединения между транзисторами проверяются. Потом готовые чипы разрезаются и упаковываются во всем известные формы.

В конечном счете, получаются классические транзисторы, чередующие зоны с преобладанием уже упомянутых дырок и электронов. В Pentium III для контакта используется еще алюминий, а вот новый Pentium 4 уже использует позаимствованную Intel у голубого гиганта IBM медную технологию. Кстати, Pentium4 2 GHz переведен на новый уровень детализации – 0,13 микрон.

Почему позаимствованную? А потому что IBM уже очень давно является лидером в освоении подобных технологий, и, нужно сказать, неплохо ими торгует, с уже упомянутым Intel, а также другими, например, UMC – производителем различных микросхем номер один в мире.

Теперь, поподробней о медной технологии. Многим известно, что медь обладает лучшим по сравнению с алюминием термо и электрическим сопротивлением. Именно поэтому логичней было бы использовать в микропроцессорной индустрии именно медь. Но вот беда! Cuprum намного хуже контактирует с кремнием из-за общей диффузии веществ. Относительно высокое сопротивление алюминия стало неким стопором в развитии микропроцессорной индустрии, ведь скорость срабатывания транзисторов увеличивалась, а материал, соединяющий их между собой, сводил это достижение на нет.

Изучение меди как соединительного проводника в микросхемах, продолжалось не один десяток лет. Только к середине девяностых годов инженеры открыли принцип создания сверхтонкой разделяющей границы между кремниевой подложкой и медными проводниками.

Как и ожидалось, медная технология "сняла с ручника" индустрию, подняв среднюю скорость работы транзисторов до 10-30%. Как ни странно, использование более дорогой меди сказалось на общей стоимости производства чипов лишь в положительную сторону, так как, за счет увеличения плотности их размещения, площадь процессора уменьшилась, а значит, на одной пластине стали производить больше чипов за один технологический круг.

Теперь самое время поговорить про новые и альтернативные технологии. Как уже отмечалось, суть кремниевого процесса, в основном, заключается в использовании светового излучения. С середины 80-х в фотолитографии используется ультрафиолетовое излучение, получаемое с помощью лазера. Сейчас наиболее мощные коммерческие процессоры производятся с помощью ультрафиолетовых лучей с длиной волны 0,248 мк. Однако, применяя химические методы, вполне возможно создание структурных элементов вплоть до атомной шкалы! Это связано с тем, что размеры схематических элементов, засвечиваемых светом, особым образом пропорциональны энергии и длине облучающей волны. Не мудрено, что недалеко то время, когда очередной раз уменьшенная длина волны доведет уровень энергии до такого уровня, что он абсолютно разрушит кремниевый кристалл.

Также необходимо отметить, насколько важна чистота в производстве процессоров. Представьте, что на негатив будущего чипа попадет даже плохо заметная для человеческого зрения пылинка.... Это повлечет неверное засвечивание маски, и на кристалле образуется профиль или анфас этой самой пылинки вместо микроструктуры чипа. Еще вариант - на стадии диффузного вкрапления в кремний, вместе с примесями попадает пусть даже атомных размеров мусор. Это может привести к дисбалансу электронов и дырок, что, в лучшем случае, уменьшит резерв процессора, а в худшем отправит чип на свалку. Как видим, чистота очень важный показатель при создании процессора. Наверное поэтому, Pentium II рекламировали человечки в разноцветных скафандрах, символизирующие инженеров Intel. Необходимо заметить, что уровень средней чистоты и глубина вакуума на микропроцессорных фабриках намного превышают уровень пыли на широко разрекламированных заводах Samsung, выпускающих жесткие диски.

Например, новая фабрика в Чандлере рядом с уже работающим заводом Fab 12 на территории промышленного центра Intel (площадью примерно 285 гектаров) под названием Окотилло. К строительству Fab 12 корпорация приступила в 1994 г., а уже к лету 1996 года предприятие выпустило первые компьютерные чипы. Производственные площади новой фабрики составят около 33,5 тыс. кв. м, из которых примерно 12,5 тыс. кв. метров приходятся на стерильные помещения. Рядом с основным зданием Fab 22 будут построены вспомогательные, включая четырехэтажное здание производственной поддержки площадью почти 30 тыс. кв. м, центральное помещение для вспомогательных служб площадью 11,5 тыс. кв. м, несколько пристроек к уже существующим зданиям, а также складское помещение.

Пусть до химических технологий формирования структуры чипа еще далеко, но наработки в области создания процессоров на заранее бракованных пластинах ведутся давно. Так, представленный в 1998 году суперкомпьютер, созданный при участии инженеров Hewlett-Packard, в своих микросхемах содержит 220 тысяч дефектов. Одного любого дефекта из числа так скрупулезно посчитанных браков хватило бы любому современному компьютеру для полной неработоспособности. Но Teramac функционирует и на определенных задачах показывает производительность, превосходящую в десятки раз возможности рабочих станций Hewlett-Packard. В основу создания чипов этого суперкомпьютера легли концепции, позволяющие потоку данных самостоятельно выбирать себе путь к нужному элементу, исключая возможности вхождения в "тупик" или отсутствия альтернативного пути, минуя бракованный или поврежденный элемент.

Как видим, альтернатива многомиллионным процессорным заводам существует уже сегодня и к тому же удачно функционирует. Создавая схему, которая продумает все последствия брака, можно прийти к упразднению необходимости поддержания такого уровня чистоты. Ведь, по сути, транзисторные процессоры это самый идеальный продукт человеческого труда. Они могут служить сотни лет, они производятся по самой миниатюрной, совершенной и чистой технологии, они, в конце концов, обрабатывают данные в таких объемах и пределах, которые не доступны не одному живому существу.

Другим способом повышения производительности микропроцессоров является уменьшение кристаллографических дефектов кремния. Понятно, что это реально достижимо только химическими методами. Передовиком в этой области является Корнельский Университет. Не секрет, и это уже отмечалось, что поверхностный дефект даже атомного масштаба заметно снижает скорость срабатывания транзисторов, и всей микросхемы в целом.

Так, еще на заре кремниевого производства, в колыбели транзисторов – лабораториях Bell, вопрос улучшения чистоты материала уже поднимался. Как следствие, был разработан метод протравки пластин-заготовок в пероксидной ванне. Но это уровень 60-х годов, современные же ученые обещают устранение дефектов с кремниевых пластин, до чистоты поверхности порядка одного выступающего атома на 30 тысяч. Новый метод основан на так называемой химической гравировке.

В конце статьи приведу технологии, перспективность которых безоговорочна, но возможность внедрения в промышленность еще не ясна. До этого момента технологические решения, указанные в статье были либо уже внедрены в производство, либо же являлись "графой" в планах компаний на будущие максимум пять лет. Технологии, о которых речь пойдет ниже, относятся к так называемым "изыскам". Одно можно смело утверждать: сейчас специалисты смотрят на них как когда-то их предшественники на полупроводниковые транзисторы. Итак, речь пойдет о разработках в области замены электрона, как мельчайшего "кирпичика" информационных систем...

IBM: Нанотрубки

Но обо всем по порядку.... Уже упоминавшийся здесь Голубой Гигант, весной выставила на всеобщее обозрение свою новую разработку в области интеграции микросхем. Это углеродные нанотрубки в 100000 раз меньшие человеческого волоса, представляющие собой циклические структуры, обод которых составляют соответствующие атомы в числе около десяти. Кроме того, они соединены между собой и, таким образом, образуют цилиндрические стержни. Особенно примечательно в новинке, то, что нанотрубки имеют дуальную природу свойств, так как в зависимости от формы могут быть и проводниками или полупроводниками. То есть, выгода от использования новой технологии налицо, и теперь, при изготовлении процессоров, достаточно одного углерода, а точнее нанотрубок из него. Распрямив или закрутив последние, можно получить, соответственно, либо проводник, либо полупроводник.

По заявлению IBM транзисторы на нанотрубках выгодно отличаются от классических размерами, и, значит, на несколько порядков меньшим энерговыделением /потреблением. Phaedon Avouris - ведущий специалист в области этих разработок, утверждает, что за этой технологией будущее. Чтобы Вы ощутили какой прогресс дает использование новой технологии, приведу пример. После выхода 386-серии процессоров, количество транзисторов чипа возросло лишь в 152 раза, а "технологическая новинка" предполагает уменьшение транзистора в 500 раз. Пока не известно, какой скоростью будут обладать нанотрубковые устройства, однако, размер транзисторов дает возможность надеяться, что не меньшей чем у существующих.

Поначалу ученым не удавалось реализовать вентиль с классической точки зрения, однако эта проблема теперь решена. Для реализации транзисторов по нанотрубочной технологии сначала создается заготовка. На кремниевую пластину укладывают массив углеродных трубок затем литографическим методом наносятся проводники. Не вдаваясь в суть производственного процесса, скажем, что в конце получается "модернизированный" транзистор, все с теми же затворами, стоками и истоками. Необходимо упомянуть, что предохраняющие трубки, вовсе не предохраняющие по сути, а разрушенные электрическим перенапряжением, чтобы не создавать отрицательно сказывающихся на полупроводниковые свойства эффектов.

Кроме прочих достоинств нанотрубок хочется также отметить высокую прочность получаемых микросхем, ведь, по сути, химические связи между их молекулами те же, что и в алмазах. Как видим, технология очень перспективна, а главное, по утверждению специалистов, еще и реально реализуема...

Фотонная технология

Исследования в данной области велись еще в 80-х годах Сэдживом Джоном (Sadjeev John - http://www.physics.utoronto.ca/people_f.html). На самом деле он изучал явление локализации световых волн возможность которой сам и доказал. Как выяснилось, при изменении электромагнитных свойств среды по определенному закону, в ней образуются фотонные запретные зоны ФЗЗ (photonic band gap), в которых фотоны существовать не могут. Таким образом, свет в них имеет не любую длину волны и не любое направление, и в определенном смысле локализируется. Конечно, воли возникает полупроводниковая аналогия с запрещенными зонами и принадлежностью электронов лишь особым, строго ограниченным энергетическим уровням. Попросту говоря, перспектива открытия в том, что место электронов в новой технологии займут фотоны. При этом, что интересно, не обязательно использование оптоволоконных технологий в конструктивных схемах.

К особо выгодным преимуществам света перед электричеством особо хотелось бы выделить, что, во-первых, лучи (потоки) света никак не реагируют друг на друга, и, вследствие этого, могут быть сведены на микро расстояние и не требуют обоюдной изоляции. Во-вторых, хотелось бы отметить, что прохождение света через вещество не вызывает такого колоссального тепловыделения, как тот же электроток.

Но в каждой бочке меда есть своя ложка дегтя. Так и у ФЗЗ-технологии есть свои сложности. Главное, это то, что явление ФЗЗ в природных диэлектриках не встречается, а значит, необходим целый ряд специфических условий (определенный интервал длин волн) для его воссоздания.

Но уже сейчас ученые способны синтезировать трехмерные ФЗЗ структуры в области порядка 1,5 мкм. Здесь используются кристаллы все того же кремния (о кремний!) с симметрично расположенными сферическими полостями, куда вводится жидкокристаллическое вещество. Тут интересен процесс получения этих самых "шариков". Оказывается, их выращивают на опаловых болванках, которые после разрушают кислотой.

Intel

Intel тоже не отстает ни на шаг в создании своих технологий. Так, в июне 2001 года Intel создала самые быстродействующие в мире транзисторы, которые почти в 1000 раз производительнее транзисторов в Pentium 4. Новые транзисторы имеют размер всего в 0.02 микрона, а у некоторых из них (оксидной пленки затвора) толщина составляет всего три атомарных слоя.

Новые транзисторы будут использоваться в процессорах Intel, изготовленых по технологии 45 нм. (0.045 микрон), которая на три поколения опередит внедренную ныне технологию Intel в 0,13 мкм. Для изготовления таких процессоров Intel намерена задействовать литографический процесс следующего поколения с использованием вакуумного ультрафиолетового излучения с очень малой длиной волны (Extreme Ultra Violet - EUV).

Intel планирует к 2007 году создать на основе 20-нанометровых транзисторов процессоры с тактовой частотой в 20 ГГц.

На этой, прямо-таки фантастической ноте, хочется закончить, ибо о перспективности той или иной технологии можно говорить очень долго, однако не нам решать - какие идеи претворять в жизнь. Как показывает история, не одна технология родилась в лучах "бесспорной" перспективности, и не одна гениальная технология осталась позади поезда индустрии...