В крайние годы к стадии способности использования в коммерческом производстве подошел целый ряд технологий, позволяющих приметно прирастить скорость работы транзисторов, или столько же приметно уменьшить размер чипа без перехода на наиболее узкий технологический процесс. Некие из этих технологий уже начали применяться в течение крайних месяцев, их наименования упоминаются в новостях, относящихся к компам, все почаще.
Эта статья – попытка сделать лаконичный обзор схожих технологий, попытавшись заглянуть в самое наиблежайшее вероятное будущее чипов, находящихся в наших компах. Тут пойдет речь о неких крайних разработках в данной области, таковых, как медные проводники в чипах, SiGe, SOI, перовскиты. Но поначалу нужно в общих чертах затронуть обычный процесс производства чипов из кремниевых пластинок. Нет необходимости обрисовывать процесс перевоплощения песка в пластинки, так как все эти технологии не имеют к настолько базисным шагам никакого дела, потому начнем с того, что мы уже имеем кремниевую пластинку, поперечник которой на большинстве нынешних фабрик, использующих современные технологии, составляет 20 см. Наиблежайшим шагом на ее превращении в чипы становится процесс окисления ее поверхности, покрытия ее пленкой окислов - SiO2, являющейся красивым изолятором и защитой поверхности пластинки при литографии. 1-ая интегральная схема, где соединения меж транзисторами изготовлены прямо на подложке, была изготовлена наиболее 40 годов назад. За это время разработка их производства претерпела ряд огромных и малых улучшений, пройдя от первой схемы Джека Килби до нынешних центральных процессоров, состоящих из 10-ов миллионов транзисторов, хотя для серверных процессоров впору уже говорить о сотках миллионов. Далее на пластинку наносится очередной защитный слой, на этот раз - светочувствительный, и происходит одна из главных операций - удаление в определенных местах ненадобных участков его и пленки окислов с поверхности пластинки, до обнажения незапятнанного кремния, при помощи фотолитографии. На первом шаге пластинку с нанесённой на её поверхность плёнкой светочувствительного слоя помещают в установку экспонирования, которая на самом деле работает как фотоувеличитель. В качестве негатива тут употребляется прецизионная маска - квадратная пластинка кварцевого стекла покрытая плёнкой хрома там, где требуется. Блестящие и открытые участки образуют изображение 1-го слоя 1-го чипа в масштабе 1:5. По особым знакам, заблаговременно сформированным на поверхности пластинки, установка автоматом сглаживает пластинку, настраивает фокус и засвечивает светочувствительный слой через маску и систему линз с уменьшением так, что на пластинке выходит изображение кристалла в масштабе 1:1. Потом пластинка двигается, экспонируется последующий кристалл и т.д., пока не обработаются все чипы на пластинке. Сама маска тоже формируется фотохимическим методом, лишь засвечивание светочувствительного слоя при формировании маски происходит по програмке электронным лучом приблизительно также, как в телевизионном кинескопе. После этого аналогичной процедуре (уже с внедрением остальных веществ, очевидно) подвергается и слой окислов на поверхности пластинки. И опять, снова же, уже новенькими химикатами, снимается светочувствительный слой: В итоге засвечивания хим состав тех участков светочувствительного слоя, которые попали под прозрачные области фотомаски, изменяется. Что дает возможность удалить их при помощи соответственных химикатов либо остальных способов, вроде плазмы либо рентгеновских лучей. Позже накладывается последующая маска, уже с остальным шаблоном, позже еще одна, еще, и еще... Конкретно этот шаг производства чипа является критическим в плане ошибок: неважно какая пылинка либо микроскопический сдвиг в сторону при наложении очередной маски, и чип уже может отправиться на свалку. Опосля того, как сформирована структура чипа, настало время для конфигурации атомной структуры кремния в нужных участках методом прибавления разных примесей. Это требуется для того, чтоб получить области кремния с разными электрическими качествами - p-типа и n-типа, другими словами, как раз то, что требуется для сотворения транзистора. Для формирования p-областей употребляются бор, галлий, алюминий, для сотворения n-областей - сурьма, мышьяк, фосфор. Поверхность пластинки кропотливо очищается, чтоб вкупе с примесями в кремний не попали излишние вещества, после этого она попадает в камеру для высокотемпературной обработки и на нее, в том либо ином агрегатном состоянии, с внедрением ионизации либо без, наносится маленькое количество требуемых примесей. После этого, при температуре порядка от 700 до 1400 градусов, происходит процесс диффузии, проникания требуемых частей в кремний на его открытых в процессе литографии участках. В итоге на поверхности пластинки получаются участки с подходящими качествами. И в конце этого шага на их поверхность наносится все та же защитная пленка из окисла кремния, шириной порядка 1-го микрона. Сейчас, слегка пробежавшись по классическому процессу сотворения нынешних чипов, можно увереннее перейти к обзору технологий, которые подразумевают внести определенные коррективы в эту картину. Все. Осталось лишь проложить по поверхности чипа железные соединения (сейчас для данной нам роли традиционно употребляется алюминий, а соединения сейчас традиционно размещены в 6 слоев), и дело изготовлено. В общих чертах, так в итоге и выходит, например, классический МОП транзистор: при наличии напряжения на затворе начинается перемещение электронов меж модифицированными областями кремния. 1-ая из их, уже начавшая обширно внедряться в коммерческое создание - это подмена на крайнем шаге алюминия на медь. Медь является наилучшим проводником, чем алюминий (удельное сопротивление 0,0175 против 0,028 ом*мм2/м), что, в полном согласовании с законами физики, дозволяет уменьшить сечение межкомпонентных соединений. Полностью вовремя, беря во внимание неизменное движение промышленности в сторону уменьшения размеров транзисторов и роста плотности их размещения на чипе, когда внедрение алюминия начинает становиться неосуществимым. Промышленность начала сталкиваться с данной для нас неувязкой уже в первой половине 90-х. Вприбавок, что толку в ускорении самих транзисторов, ежели соединения меж ними будут съедать весь прирост скорости? Неувязкой при переходе на медь являлось то, что алюминий куда лучше образует контакт с кремнием. Но опосля не 1-го 10-ка лет исследований, ученым удалось отыскать принцип сотворения сверхтонкой разделительной области меж кремниевой подложкой и медными проводниками, предотвращающей диффузию этих 2-ух материалов. IBM начала давать клиентам эту технологию сначала 98 года, в конце этого года своим заказчикам предложили употреблять медь при производстве их чипов TSMC и UMC, AMD начинает выпуск медных Athlon сначала 2000 года, Intel перебегает на медь в 2002 году, сразу с переходом на 0.13 мкм техпроцесс. По данным IBM, применение в технологическом процессе меди заместо алюминия, дозволяет достигнуть понижения себестоимости приблизительно на 20-30 процентов за счет понижения площади чипа. Их разработка CMOS 7S, использующая медные соединения, дозволяет создавать чипы, содержащие до 150-200 миллионов транзисторов. И, в конце концов, просто повышение производительности чипа (до 40 процентов) за счет наименьшего сопротивления проводников. Соединения - соединениями, но уже на скорости чипа в несколько ГГц перестает управляться с перегрузкой сама кремниевая подложка. И ежели для обычных областей внедрения чипов кремния пока довольно, в области беспроводной связи уже издавна недостаток на дешевенькие скоростные чипы. Кремний - дешево, но медлительно, арсенид галлия - быстро, но недешево. Решением тут стало внедрение в качестве материала для подложек соединения 2-ух основ полупроводниковой промышленности - кремния с германием, SiGe. Практические результаты по данной технологии стали появляться с конца 80-х годов. 1-ый биполярный транзистор, сделанный с внедрением SiGe (когда германий употребляется как материал для базы), был продемонстрирован в 1987 году. В 1992 году уже возникла возможность внедрения при производстве чипов с SiGe транзисторами обычной технологии КМОП с разрешением 0.25 мкм. Результатом внедрения становится ускорение чипов в 2-4 раза по сопоставлению с той, что быть может достигнута методом использования кремния, во столько же понижается и их энергопотребление. При всем этом, в ход вступает все этот же решающий фактор - стоимость: SiGe чипы можно создавать на тех же линиях, которые употребляются при производстве чипов на базе обыденных кремниевых пластинок, таковым образом отпадает необходимость в драгоценном переоснащении производственного оборудования. По инфы IBM, возможная скорость транзистора (не чипа!) с их технологией составляет сейчас 45-50 ГГц (что далековато не рекорд), ведутся работы над повышением данной нам числа до 120 ГГц. Вообщем, в наиблежайшие годы прихода SiGe в комп ожидать не стоит - при тех скоростях, что будет нужно PC чипам в не далеком будущем полностью хватает кремния, легированного таковыми технологиями, как медные соединения либо SOI. Еще одна разработка, позволяющая довольно безболезненно повысить скорость чипов, не требуя от производителей отрешиться от всех их нынешних наработок. Как и разработка медных соединений, SOI дозволяет создателям чипов уничтожить 2-ух зайцев одним выстрелом - поднять скорость, до 25 процентов, сразу снизив энергопотребление. Что из себя представляет эта разработка? Вспомним начало обработки кремниевой пластинки - она покрывается узкой пленкой окисла кремния. А в SOI к этому бутерброду добавляется очередной элемент - сверху снова наносится узкий слой кремния: Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI) Вот и выходит - кремний на изоляторе. Для чего это пригодилось? Чтоб уменьшить емкость. В эталоне МОП транзистор должен выключаться, как будет исчезнет питание с затвора (либо напротив, покажется, в случае с КМОП). Но наш мир далековато не безупречен, это справедливо и в данном определенном случае. На время срабатывания транзистора впрямую влияет емкость области меж меж модифицированными участками кремния, через которую и идет ток при включении транзистора. Он начинает и кончает идти не одномоментно, а лишь опосля, соответственно, зарядки и разрядки данной для нас промежной зоны. Понятно, что чем меньше это время, тем скорее работает транзистор, можно огласить, что тем меньше его инерция. Для того и придумана SOI - при наличии меж модифицированными участками и основной массой кремния узкой пластинки изолирующего вещества (окисел кремния, стекло, и т.д.), этот вопросец снимается и транзистор начинает работать приметно скорее. Основная сложность в данном случае, как и в случае с медными соединениями, заключается в различных физических свойствах вещества. Кремний, используемый в подложке - кристалл, пленка окислов - нет, и закрепить на ее поверхности, либо же не поверхности другого изолятора очередной слой кристаллического кремния очень тяжело. Ах так раз неувязка сотворения безупречного слоя и заняла очень много времени. Не так издавна IBM уже показала процессоры PowerPC и чипы SRAM, сделанные с внедрением данной технологии, просигнализировав сиим о том, что SOI подошла к стадии способности коммерческого внедрения. Совершенно не так давно, IBM объявила о том, что она достигла способности соединять SOI и медные соединения на одном чипе, пользуясь плюсами обеих технологий. Тем более, пока что никто не считая нее не заявил на публике о намерении употреблять эту технологию при производстве чипов, хотя о кое-чем схожем идет речь. Этот класс минералов в природе встречается достаточно изредка - Танзания, Бразилия и Канада, но может выращиваться искусственно. Кристаллы перовскитов различаются чрезвычайно высочайшими диэлектрическими качествами: использованный Motorola титанат стронция превосходит по этому параметру диоксид кремния наиболее чем на порядок. А это дозволяет в три-четыре раза понизить толщину транзисторов по сопоставлению с внедрением обычного подхода. Что, в свою очередь, дозволяет существенно понизить ток утечки, давая возможность приметно прирастить плотность транзисторов на чипе, сразу сильно понижая его энергопотребление. Поиски подмены на роль изолирующей пленки на поверхности подложки идут издавна, беря во внимание, что как и алюминий, диоксид кремния начинает сдавать в ближайшее время - при неизменном увеличении плотности транзисторов на чипе нужно уменьшать толщину его изолирующего слоя, а этому есть предел, поставленный его электрическими качествами, который уже достаточно близок. Но пока, невзирая на все пробы, SiO2 по прежнему находится на собственном месте. В свое время IBM, подразумевала употреблять в данной роли полиамид, сейчас пришла очередь Motorola выступить со своим вариантом - перовскиты. Пока что эта разработка находится в довольно ранешней стадии разработки, но Motorola уже показала возможность нанесения пленки перовскитов на поверхность обычной 20 см кремниевой пластинки, также рабочий КМОП транзистор, сделанный на базе данной нам технологии. Спасибо Игорю Чудакову за помощь в разработке данной статьи Комменты? Поправки? Дополнения?
Эта статья – попытка сделать лаконичный обзор схожих технологий, попытавшись заглянуть в самое наиблежайшее вероятное будущее чипов, находящихся в наших компах. Тут пойдет речь о неких крайних разработках в данной области, таковых, как медные проводники в чипах, SiGe, SOI, перовскиты. Но поначалу нужно в общих чертах затронуть обычный процесс производства чипов из кремниевых пластинок. Нет необходимости обрисовывать процесс перевоплощения песка в пластинки, так как все эти технологии не имеют к настолько базисным шагам никакого дела, потому начнем с того, что мы уже имеем кремниевую пластинку, поперечник которой на большинстве нынешних фабрик, использующих современные технологии, составляет 20 см. Наиблежайшим шагом на ее превращении в чипы становится процесс окисления ее поверхности, покрытия ее пленкой окислов - SiO2, являющейся красивым изолятором и защитой поверхности пластинки при литографии. 1-ая интегральная схема, где соединения меж транзисторами изготовлены прямо на подложке, была изготовлена наиболее 40 годов назад. За это время разработка их производства претерпела ряд огромных и малых улучшений, пройдя от первой схемы Джека Килби до нынешних центральных процессоров, состоящих из 10-ов миллионов транзисторов, хотя для серверных процессоров впору уже говорить о сотках миллионов. Далее на пластинку наносится очередной защитный слой, на этот раз - светочувствительный, и происходит одна из главных операций - удаление в определенных местах ненадобных участков его и пленки окислов с поверхности пластинки, до обнажения незапятнанного кремния, при помощи фотолитографии. На первом шаге пластинку с нанесённой на её поверхность плёнкой светочувствительного слоя помещают в установку экспонирования, которая на самом деле работает как фотоувеличитель. В качестве негатива тут употребляется прецизионная маска - квадратная пластинка кварцевого стекла покрытая плёнкой хрома там, где требуется. Блестящие и открытые участки образуют изображение 1-го слоя 1-го чипа в масштабе 1:5. По особым знакам, заблаговременно сформированным на поверхности пластинки, установка автоматом сглаживает пластинку, настраивает фокус и засвечивает светочувствительный слой через маску и систему линз с уменьшением так, что на пластинке выходит изображение кристалла в масштабе 1:1. Потом пластинка двигается, экспонируется последующий кристалл и т.д., пока не обработаются все чипы на пластинке. Сама маска тоже формируется фотохимическим методом, лишь засвечивание светочувствительного слоя при формировании маски происходит по програмке электронным лучом приблизительно также, как в телевизионном кинескопе. После этого аналогичной процедуре (уже с внедрением остальных веществ, очевидно) подвергается и слой окислов на поверхности пластинки. И опять, снова же, уже новенькими химикатами, снимается светочувствительный слой: В итоге засвечивания хим состав тех участков светочувствительного слоя, которые попали под прозрачные области фотомаски, изменяется. Что дает возможность удалить их при помощи соответственных химикатов либо остальных способов, вроде плазмы либо рентгеновских лучей. Позже накладывается последующая маска, уже с остальным шаблоном, позже еще одна, еще, и еще... Конкретно этот шаг производства чипа является критическим в плане ошибок: неважно какая пылинка либо микроскопический сдвиг в сторону при наложении очередной маски, и чип уже может отправиться на свалку. Опосля того, как сформирована структура чипа, настало время для конфигурации атомной структуры кремния в нужных участках методом прибавления разных примесей. Это требуется для того, чтоб получить области кремния с разными электрическими качествами - p-типа и n-типа, другими словами, как раз то, что требуется для сотворения транзистора. Для формирования p-областей употребляются бор, галлий, алюминий, для сотворения n-областей - сурьма, мышьяк, фосфор. Поверхность пластинки кропотливо очищается, чтоб вкупе с примесями в кремний не попали излишние вещества, после этого она попадает в камеру для высокотемпературной обработки и на нее, в том либо ином агрегатном состоянии, с внедрением ионизации либо без, наносится маленькое количество требуемых примесей. После этого, при температуре порядка от 700 до 1400 градусов, происходит процесс диффузии, проникания требуемых частей в кремний на его открытых в процессе литографии участках. В итоге на поверхности пластинки получаются участки с подходящими качествами. И в конце этого шага на их поверхность наносится все та же защитная пленка из окисла кремния, шириной порядка 1-го микрона. Сейчас, слегка пробежавшись по классическому процессу сотворения нынешних чипов, можно увереннее перейти к обзору технологий, которые подразумевают внести определенные коррективы в эту картину. Все. Осталось лишь проложить по поверхности чипа железные соединения (сейчас для данной нам роли традиционно употребляется алюминий, а соединения сейчас традиционно размещены в 6 слоев), и дело изготовлено. В общих чертах, так в итоге и выходит, например, классический МОП транзистор: при наличии напряжения на затворе начинается перемещение электронов меж модифицированными областями кремния. 1-ая из их, уже начавшая обширно внедряться в коммерческое создание - это подмена на крайнем шаге алюминия на медь. Медь является наилучшим проводником, чем алюминий (удельное сопротивление 0,0175 против 0,028 ом*мм2/м), что, в полном согласовании с законами физики, дозволяет уменьшить сечение межкомпонентных соединений. Полностью вовремя, беря во внимание неизменное движение промышленности в сторону уменьшения размеров транзисторов и роста плотности их размещения на чипе, когда внедрение алюминия начинает становиться неосуществимым. Промышленность начала сталкиваться с данной для нас неувязкой уже в первой половине 90-х. Вприбавок, что толку в ускорении самих транзисторов, ежели соединения меж ними будут съедать весь прирост скорости? Неувязкой при переходе на медь являлось то, что алюминий куда лучше образует контакт с кремнием. Но опосля не 1-го 10-ка лет исследований, ученым удалось отыскать принцип сотворения сверхтонкой разделительной области меж кремниевой подложкой и медными проводниками, предотвращающей диффузию этих 2-ух материалов. IBM начала давать клиентам эту технологию сначала 98 года, в конце этого года своим заказчикам предложили употреблять медь при производстве их чипов TSMC и UMC, AMD начинает выпуск медных Athlon сначала 2000 года, Intel перебегает на медь в 2002 году, сразу с переходом на 0.13 мкм техпроцесс. По данным IBM, применение в технологическом процессе меди заместо алюминия, дозволяет достигнуть понижения себестоимости приблизительно на 20-30 процентов за счет понижения площади чипа. Их разработка CMOS 7S, использующая медные соединения, дозволяет создавать чипы, содержащие до 150-200 миллионов транзисторов. И, в конце концов, просто повышение производительности чипа (до 40 процентов) за счет наименьшего сопротивления проводников. Соединения - соединениями, но уже на скорости чипа в несколько ГГц перестает управляться с перегрузкой сама кремниевая подложка. И ежели для обычных областей внедрения чипов кремния пока довольно, в области беспроводной связи уже издавна недостаток на дешевенькие скоростные чипы. Кремний - дешево, но медлительно, арсенид галлия - быстро, но недешево. Решением тут стало внедрение в качестве материала для подложек соединения 2-ух основ полупроводниковой промышленности - кремния с германием, SiGe. Практические результаты по данной технологии стали появляться с конца 80-х годов. 1-ый биполярный транзистор, сделанный с внедрением SiGe (когда германий употребляется как материал для базы), был продемонстрирован в 1987 году. В 1992 году уже возникла возможность внедрения при производстве чипов с SiGe транзисторами обычной технологии КМОП с разрешением 0.25 мкм. Результатом внедрения становится ускорение чипов в 2-4 раза по сопоставлению с той, что быть может достигнута методом использования кремния, во столько же понижается и их энергопотребление. При всем этом, в ход вступает все этот же решающий фактор - стоимость: SiGe чипы можно создавать на тех же линиях, которые употребляются при производстве чипов на базе обыденных кремниевых пластинок, таковым образом отпадает необходимость в драгоценном переоснащении производственного оборудования. По инфы IBM, возможная скорость транзистора (не чипа!) с их технологией составляет сейчас 45-50 ГГц (что далековато не рекорд), ведутся работы над повышением данной нам числа до 120 ГГц. Вообщем, в наиблежайшие годы прихода SiGe в комп ожидать не стоит - при тех скоростях, что будет нужно PC чипам в не далеком будущем полностью хватает кремния, легированного таковыми технологиями, как медные соединения либо SOI. Еще одна разработка, позволяющая довольно безболезненно повысить скорость чипов, не требуя от производителей отрешиться от всех их нынешних наработок. Как и разработка медных соединений, SOI дозволяет создателям чипов уничтожить 2-ух зайцев одним выстрелом - поднять скорость, до 25 процентов, сразу снизив энергопотребление. Что из себя представляет эта разработка? Вспомним начало обработки кремниевой пластинки - она покрывается узкой пленкой окисла кремния. А в SOI к этому бутерброду добавляется очередной элемент - сверху снова наносится узкий слой кремния: Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI) Вот и выходит - кремний на изоляторе. Для чего это пригодилось? Чтоб уменьшить емкость. В эталоне МОП транзистор должен выключаться, как будет исчезнет питание с затвора (либо напротив, покажется, в случае с КМОП). Но наш мир далековато не безупречен, это справедливо и в данном определенном случае. На время срабатывания транзистора впрямую влияет емкость области меж меж модифицированными участками кремния, через которую и идет ток при включении транзистора. Он начинает и кончает идти не одномоментно, а лишь опосля, соответственно, зарядки и разрядки данной для нас промежной зоны. Понятно, что чем меньше это время, тем скорее работает транзистор, можно огласить, что тем меньше его инерция. Для того и придумана SOI - при наличии меж модифицированными участками и основной массой кремния узкой пластинки изолирующего вещества (окисел кремния, стекло, и т.д.), этот вопросец снимается и транзистор начинает работать приметно скорее. Основная сложность в данном случае, как и в случае с медными соединениями, заключается в различных физических свойствах вещества. Кремний, используемый в подложке - кристалл, пленка окислов - нет, и закрепить на ее поверхности, либо же не поверхности другого изолятора очередной слой кристаллического кремния очень тяжело. Ах так раз неувязка сотворения безупречного слоя и заняла очень много времени. Не так издавна IBM уже показала процессоры PowerPC и чипы SRAM, сделанные с внедрением данной технологии, просигнализировав сиим о том, что SOI подошла к стадии способности коммерческого внедрения. Совершенно не так давно, IBM объявила о том, что она достигла способности соединять SOI и медные соединения на одном чипе, пользуясь плюсами обеих технологий. Тем более, пока что никто не считая нее не заявил на публике о намерении употреблять эту технологию при производстве чипов, хотя о кое-чем схожем идет речь. Этот класс минералов в природе встречается достаточно изредка - Танзания, Бразилия и Канада, но может выращиваться искусственно. Кристаллы перовскитов различаются чрезвычайно высочайшими диэлектрическими качествами: использованный Motorola титанат стронция превосходит по этому параметру диоксид кремния наиболее чем на порядок. А это дозволяет в три-четыре раза понизить толщину транзисторов по сопоставлению с внедрением обычного подхода. Что, в свою очередь, дозволяет существенно понизить ток утечки, давая возможность приметно прирастить плотность транзисторов на чипе, сразу сильно понижая его энергопотребление. Поиски подмены на роль изолирующей пленки на поверхности подложки идут издавна, беря во внимание, что как и алюминий, диоксид кремния начинает сдавать в ближайшее время - при неизменном увеличении плотности транзисторов на чипе нужно уменьшать толщину его изолирующего слоя, а этому есть предел, поставленный его электрическими качествами, который уже достаточно близок. Но пока, невзирая на все пробы, SiO2 по прежнему находится на собственном месте. В свое время IBM, подразумевала употреблять в данной роли полиамид, сейчас пришла очередь Motorola выступить со своим вариантом - перовскиты. Пока что эта разработка находится в довольно ранешней стадии разработки, но Motorola уже показала возможность нанесения пленки перовскитов на поверхность обычной 20 см кремниевой пластинки, также рабочий КМОП транзистор, сделанный на базе данной нам технологии. Спасибо Игорю Чудакову за помощь в разработке данной статьи Комменты? Поправки? Дополнения?