link700 link701 link702 link703 link704 link705 link706 link707 link708 link709 link710 link711 link712 link713 link714 link715 link716 link717 link718 link719 link720 link721 link722 link723 link724 link725 link726 link727 link728 link729 link730 link731 link732 link733 link734 link735 link736 link737 link738 link739 link740 link741 link742 link743 link744 link745 link746 link747 link748 link749 link750 link751 link752 link753 link754 link755 link756 link757 link758 link759 link760 link761 link762 link763 link764 link765 link766 link767 link768 link769 link770 link771 link772 link773 link774 link775 link776 link777 link778 link779 link780 link781 link782 link783 link784 link785 link786 link787 link788 link789 link790 link791 link792 link793 link794 link795 link796 link797 link798 link799 link800 link801 link802 link803 link804 link805 link806 link807 link808 link809 link810 link811 link812 link813 link814 link815 link816 link817 link818 link819 link820 link821 link822 link823 link824 link825 link826 link827 link828 link829 link830 link831 link832 link833 link834 link835 link836 link837 link838 link839

PersCom — Компьютерная Энциклопедия Компьютерная Энциклопедия

Процессоры

Производство процессоров

Производство процессоров

В современной микроэлектронике основными компонентами интегральных микросхем являются полупроводники р-типа и n-типа (в зависимости от типа проводимости). Основой полупроводников обоих типов служит кремний (Si), который в чистом виде плохо проводит электрический ток. Добавление (внедрение) в кремний определенной примеси позволяет радикально изменить его проводящие свойства. Примеси позволяют формировать комплиментарные металл-оксидные полупроводниковые (КМОП) транзисторы — основные структурные элементы современных микросхем. В отличие от механических переключателей, КМОП-транзисторы практически безынерционны и способны переходить из открытого в запертое состояние триллионы раз в секунду. Именно этой характеристикой, то есть способностью мгновенного переключения, и определяется в конечном счете быстродействие процессора, который состоит из десятков миллионов таких транзисторов.

Процесс создания микросхемы процессора начинается с выращивания цилиндрического монокристалла кремния диаметром 200 или 300 мм. В дальнейшем из таких монокристаллических заготовок (болванок) нарезают круглые пластины (wafers — вафли). Это и есть кремниевые подложки, служащие основой для производства микросхем. Понятно, что на пластине диаметром 200-300 мм можно разместить много микросхем, даже если речь идет о процессоре с десятками миллионов транзисторов. Для простоты мы рассмотрим процессы, происходящие лишь на одном участке.

После формирования кремниевой подложки наступает этап создания сложнейшей полупроводниковой структуры. Для этого в кремний внедряют примеси. Те области, куда не требуется внедрять примеси, защищают специальной пленкой из диоксида кремния, оставляя оголенными только те участки, которые подвергаются дальнейшей обработке. Процесс формирования проводящего слоя состоит из нескольких этапов. На первом этапе вся пластина кремния целиком покрывается тонкой пленкой диоксида кремния, который является хорошим изолятором и выполняет функцию защитной пленки.

Фотолитография

На следующем этапе удаляют защитную пленку с тех мест, которые будут подвергаться дальнейшей обработке. Удаление пленки осуществляют травлением, а для защиты остальных областей от травления на поверхность пластины наносят слой так называемого фоторезиста. Термином «фоторезисты» обозначают светочувствительные и устойчивые к воздействию агрессивных факторов составы. Процесс нанесения фоторезиста и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется фотолитографией.

Для засветки нужных участков слоя фоторезиста используют специальный шаблон-маску. Чаще всего для этой цели применяют пластинки из оптического стекла с полученными фотографическим или иным способом непрозрачными элементами. Фактически такой шаблон содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы. Поскольку этот шаблон является эталоном, он должен быть выполнен с большой точностью. Ультрафиолетовое излучение, проходя сквозь шаблон, засвечивает только нужные участки поверхности слоя фоторезиста. После облученияфоторезист подвергают проявлению, в результате которого удаляются ненужные участки слоя. При этом открывается соответствующая часть слоя диоксида кремния.

Фотолитографический процесс является наиболее сложным в производстве микросхем. Дело в том, что в соответствии с законами волновой оптики минимальный размер пятна, в который фокусируется лазерный луч, определяется, кроме прочих факторов, длиной световой волны. Развитие литографической технологии со времени ее изобретения в начале 1970-х годов шло в направлении сокращения длины световой волны. Именно это позволяло уменьшать размеры элементов интегральной схемы. С середины 1980-х годов в фотолитографии использовали ультрафиолетовое излучение, получаемое с помощью лазера. Сейчас применяют технологию, получившую название EUV-литографии (Extreme UltraViolet — сверхжесткое ультрафиолетовое излучение с длиной волны 13 нм). EUV-литография делает возможной печать линий шириной до 30 нм.

В производстве процессоров используют сухой метод травления: для удаления с поверхности пластины диоксида кремния применяют ионизированный газ (плазму). 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.

Внедрение примесей

Напомним, что процесс формирования необходимого рисунка на кремниевой подложке требуется для создания в нужных местах полупроводниковых структур путем внедрения примеси. Для получения полупроводника n-типа обычно используют сурьму, мышьяк или фосфор. Для получения полупроводника р-типа в качестве примеси используют бор, галлий или алюминий.

Диффузию легирующей примеси осуществляют методом ионной имплантации: ионы нужной примеси выстреливаются ускорителем и проникают в поверхностные слои кремния. По окончании этапа ионной имплантации необходимый слой полупроводниковой структуры создан.

На этапе создания «рисунка» слоя используют современные технологии: Silicon strained technology (растянутого кремния) и Silicon on Insulator (кремний на диэлектрике). Это позволяет снизить токи утечки, увеличить диэлектрическое сопротивление затвора транзистора. В частности, совмещенную технологию SST + SOI применяет компания AMD при производстве процессоров по технормам 90 нм.

Многослойные структуры

Наложение новых слоев осуществляют несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляют окна, которые заполняют атомами металла. В результате на кристалле создаются металлические полоски — проводящие области. Процесс выращивания и обработки всех слоев длится несколько недель, а сам производственный цикл состоит из более чем 300 стадий. В итоге на кремниевой пластине формируются сотни идентичных процессоров.

Упаковка и тестирование

По окончании цикла формирования пластины все процессоры тщательно тестируют. По результатам теста определяется частотный класс партии чипов (здесь скрыты резервы, иногда позволяющие «разогнать» процессор). Затем из пластины-подложки с помощью специального устройства вырезают конкретные, уже прошедшие проверку кристаллы. Каждый микропроцессор встраивают в защитный корпус, который также обеспечивает электрическое соединение кристалла микропроцессора с внешними устройствами. Тип корпуса зависит от типа и предполагаемого применения микропроцессора. После установки в корпус каждый микропроцессор повторно тестируют.