Технологии электронных схем

Основой электронных технологий в настоящее время явля­ются полупроводники (semiconductors) — вещества, электропро­водность которых увеличивается с ростом температуры и являет­ся промежуточной между проводимостью металлов и изоляторов.

Наиболее часто используемыми в электронике полупровод­никами являются кремний и германий.На их основе путем вне­дрения примесей в определенных точках кристаллов создаются разнообразные полупроводниковые элементы, к которым, в пер­вую очередь, относятся:

• проводники, коммутирующие активные элементы;

• вентили, выполняющие логические операции;

• транзисторы (полупроводниковые триоды), предназначен­ные для усиления, генерирования и преобразования элек­трического тока;

• резисторы, обеспечивающие режимы работы активных эле­ментов;

• приборы с зарядовой связью (ПЗС), предназначенные для кратковременного хранения электрического заряда и ис­пользуемые в светочувствительных матрицах видеокамер;

• диоды и др.

В настоящее время используется несколько технологий по­строения логических элементов:

• транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL);

• логика на основе комплементарных МОП-транзисторов (КМОП, CMOS);

• логика на основе сочетания комплементарных МОП- и би­полярных транзисторов (BiCMOS).

Кроме того, различают:

• положительную логику, или систему высоких потенциалов;

• отрицательную логику, или систему низких потенциалов;

• смешанную.

При положительной логике напряжение высокого уровня со­ответствует логической «1», а при отрицательной логике — «О».

Логические элементы, функционирующие в системе высоких потенциалов, дуальны элементам, работающим в системе низких потенциалов. Например, в системе высоких потенциалов эле­мент реализует функцию «ИЛИ-HE», а в системе низких потен­циалов — «И-НЕ».

Рассмотрим рис. 1.16, на котором достаточно упрощенно представлены транзисторные сборки «И» (последовательно вклю­ченные транзисторы) и «ИЛИ» (параллельное включение). Вход­ные и выходные сигналы «1» представляются высоким уровнем напряжения на коллекторе транзистора (практически равным на­пряжению питания). Сигналу «О», наоборот, соответствует низ­кий уровень выходного напряжения.

Рис. 1.16. Пример реализации сборок «И» (о) и «ИЛИ» (б)

Поскольку, например, в большинстве современных персо­нальных компьютеров напряжение питания составляет 3,3 В (в более ранних версиях, до Pentium — 5 В), то выходная «1» за­дается напряжением 3,3 В.

На рис. 1.17 приводится иллюстрация так называемого «за­кона/правила Мура», с высокой точностью демонстрирующего удвоение за 18—24 мес. количества транзисторов в процессо­рах. Основой этой закономерности является объективный про­цесс увеличения плотности упаковки элементов микросхем (рис. 1.18).

Ключевыми выражениями при описании микросхемных эле­ментов (рис. 1.18) являются такие, как «технология 130 нм», «технологический процесс 0,5 мкм» и т. д. Это означает, что раз­меры транзисторов или других элементов соответственно не пре­вышают 130 нанометров (1 нм = 10~⁹ м) либо же 0,5 микрон (1 мкм = 10'⁶ м) — рис. 1.19.

В процессоре Intel 4004 (1971 г.) использовалась технология 10мкм] в процессоре Pentium II (1998 г.) — технология 0,25мкм\ в процессорах Intel Pentium IV Prescott и AMD Athlon 64 Toledo (2004 г.) — нанотехнологии 0,09 мкм (90 нм) (см. также табл. 3.3 и 3.6).

Рис. 1.17. Правило Мура (количество транзисторов в интегральной схеме удваивается каждые 18 мес.)

Рис. 1.18. Динамика изменений размеров схемных элементов

Рис. 1.19. Нанотехнологии наглядно: а — транзистор (90 нм); б — ви­рус гриппа (100 нм)

Микропроцессоры

Microprocessor — процессор, выполненный в одной либо не­скольких взаимосвязанных интегральных схемах.

Процессор полностью собирается на одном чипе из кремния. Электронные цепи создаются в несколько слоев, состоящих из различных веществ, например, диоксид кремния может играть роль изолятора, а поликремний — проводника.

В частности, транзистор представляет собой простейшее уст­ройство, размещающееся на поверхности кремниевой пластины и функционирующее как электронный ключ (рис. 1.20, а). Обыч­но он содержит три вывода — источник (эмиттер), сток (коллектор) и затвор (база). Заметим, что в ламповых элементах соответствующие электроды именовались — катод, анод, сетка. Источник и сток образуются путем внедрения в поверхность кремния определенных примесей, а затвор содержит материал, именуемый полисиликоном. Ниже затвора расположен слой диэлектрика, изготовленного из диоксида кремния. Данная структура получила название «кремний-на-изоляторе» (silicon- on-insulator — SOI). Когда к транзистору приложено напряжение, затвор «открыт», и транзистор пропускает ток. Если напряжение снято, затвор «закрыт» и тока нет.

а б

Рис. 1.20. Обычный транзистор (а), терагерц-транзистор (б)

Традиционная технология. Технология микропроцессоров в простейшем случае включает следующие обязательные этапы производства:

• выращивание кремниевых заготовок и получение из них пластин;

• шлифование кремниевых пластин;

• нанесение защитной пленки диэлектрика (Si0₂);

• нанесение фоторезиста;

• литографический процесс;

• травление;

• диффузию;

• металлизацию.

Все перечисленные этапы используются для того, чтобы на кремниевой основе создать сложную структуру полупроводнико­вых планарных транзисторов (CMOS-транзисторов) и связать их должным образом между собой.

Процесс изготовления любой микросхемы начинается с вы­ращивания кремниевых монокристаллических болванок цилинд­рической формы (кремниевых заготовок). Это лишенный приме­сей монокристалл.

В дальнейшем из таких монокристаллических заготовок на­резают круглые пластины, «таблетки» (waffer — вафля, облатка), толщина которых составляет приблизительно от 0,2 до 1,0 мм, а диаметр — от 5 см (ранние технологии) до 20 см (современные технологии), поверхность которых отполировывается до зеркаль­ного блеска, а затем покрывается тончайшим слоем оксидной пленки (Si0₂), выполняющей функцию диэлектрика и защитной пленки при дальнейшей обработке кристалла кремния.

После того как кремниевая основа покроется защитной пленкой диоксида кремния, необходимо удалить эту пленку с тех мест, которые будут подвергаться дальнейшей обработке. Удаление пленки осуществляется посредством травления, а для того, чтобы в результате травления оксидная пленка удалялась избирательно, на поверхность пленки наносят слой фоторе­зиста (состава, чувствительного к воздействию света). Облу­ченные области становятся растворимыми в кислотной среде.

Процесс нанесения фоторезиста и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется фотолито­графией. Для засветки нужных участков слоя фоторезиста ис­пользуется шаблон-маска, который содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы. Свет, проходя сквозь такой шаблон, засвечивает только нужные участки поверхности слоя фоторези­ста. После облучения фоторезист подвергается проявлению, в результате которого удаляются ненужные участки слоя.

По мере возрастания плотности размещения транзисторов, формируемых в кристалле, литографический процесс усложняется. Минимальная толщина линии, получаемая в процессе ли­тографии, определяется размером пятна, в который удается сфокусировать лазерный луч. Поэтому при производстве совре­менных микропроцессоров для облучения используют ультра­фиолетовое излучение. Для производства микросхем по 130-на- нометровому технологическому процессу используется глубокое ультрафиолетовое излучение (Deep UltraViolet — DUV) с длиной волны 248 нм. На подходе литографический процесс с длиной волны 13 нм, получивший название EUV-литографии (Extreme UltraViolet — сверхжесткое ультрафиолетовое излучение). Обыч­ная литографическая технология позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 100 нм, а EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины — до 30 нм.

После засвечивания слоя фоторезиста осуществляется трав­ление (etching) с целью удаления пленки диоксида кремния. По­сле процедуры травления, т. е. когда оголены нужные области чистого кремния, удаляется оставшаяся часть фотослоя, и на кремниевой основе остается рисунок, выполненный диоксидом кремния.

Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии — равномерного внедрения атомов примеси в кри­сталлическую решетку кремния. Для диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация, которая завершает­ся созданием необходимого слоя полупроводниковой структуры, в котором сосредоточены десятки миллионов транзисторов.

Осуществить требуемую разводку в пределах того же слоя, где расположены сами транзисторы, нереально — неизбежны пересечения между проводниками, потому для соединения тран­зисторов друг с другом применяют несколько слоев металлиза­ции, т. е. слоев с металлическими проводниками, причем, чем больше транзисторов насчитывается в микросхеме, тем больше слоев металлизации используется (см. рис. 1.23, б).

Для соединения транзисторов друг с другом прежде всего не­обходимо создать проводящие контакты стоков, истоков и затво­ров. Для этого по маске в нужных местах вытравливается слой диоксида кремния, и соответствующие окна заполняются атома­ми металла. Для создания очередного слоя на полученном ри­сунке схемы выращивается дополнительный тонкий слой диок­сида кремния. После этого наносится слой проводящего металла и еще один слой фоторезиста. Ультрафиолетовое излучение про­пускается сквозь вторую маску и высвечивает соответствующий рисунок на фоторезисте. Затем опять следуют этапы растворения фоторезиста и травления металла. В результате в новом слое об­разуются нужные проводящие полоски, напоминающие рельсы, а для межслойных соединений, т. е. соединений слоев друг с другом, в слоях оставляются окна, которые затем заполняются атомами металла. К примеру, при 0,25-микронном технологиче­ском процессе для осуществления разводки используется пять дополнительных слоев.

Процесс нанесения слоев заканчивается, когда схема собрана полностью. Поскольку за один раз на одной «таблетке» создается несколько десятков процессоров, на следующем этапе они разде­ляются на матрицы (dice), которые тестируются. Если на ранних этапах развития технологий отбраковывалось более 50 % схем, сейчас процент выхода выше, но никогда не достигает 100 %.

Прошедшая тестирование матрица помещается в керамиче­ский прямоугольный футляр, из которого выходят «ножки», микроразъемы (pin grid arrays — PGA) интерфейса процессора, с помощью которых процессор помещается и закрепляется в гнезде (socket) на системной плате компьютера (иногда интер­фейс оформляется в виде линейного разъема — slot). Количест­во контактов — от 169 (Socket 1, процессор Intel 80486) до 940 (Socket 940, AMD Opteron). В последнем случае часть соедине­ний зарезервирована для последующего расширения возможно­стей — размещения на плате процессора кэш-памяти уровня 3 (L3-cache), соединения с другими процессорами (для много­процессорных систем) и пр.

В настоящее время используется технология микроразъемов (micro pin grid array — (iPGA), существенно снижающая физиче­ские размеры интерфейса процессора.

В новом поколении процессоров используются такие ново­введения, как SOI-транзисторы (Silicon On Isolator — «кремний на изоляторе»), в которых за счет дополнительного слоя оксида снижаются емкость и токи утечки, а также транзисторы с дву­мерными затворами и другие новшества, позволяющие повысить быстродействие транзисторов при одновременном уменьшении их геометрических размеров.

Чипы памяти DRAM изготовляются на основе технологии, сходной с изготовлением процессора, — кремниевая основа с нанесенными примесями обрабатывается с маской, которая об­разует множество пар «транзистор—емкость», каждая из которых размещает 1 бит информации. Стоимость этих схем гораздо ниже, чем процессоров, поскольку они состоят из однородных повторяющихся структур, а также дешевле схем SRAM, посколь­ку в последних содержится в 2 раза больше транзисторов (каж­дый бит здесь содержится в триггере, который требует по мень­шей мере два транзистора).

Терагерц-технологии. Основная стратегия поставщиков мик­росхем всегда заключалась в уменьшении размера транзистора (схемного элемента) и повышении плотности упаковки на кри­сталле. В конечном итоге критическими факторами стали энер­гопотребление и разогрев платы.

В конце 2002 г. Intel Corporation объявила, что ее инженеры разработали инновационную структуру транзисторов и новые материалы, позволяющие снизить потребление энергии и выде­ление тепла. Новые структуры получили название Intel TeraHertz transistor (терагерц-транзисторы), в связи с их способностью пе­реключаться со скоростью выше триллиона раз в секунду. Пред­полагается, что новая технология позволит увеличить плотность в 25 раз, использовать «технологию 20 нм» (элемент схемы в 250 раз меньше толщины человеческого волоса) и разместить на кристалле до миллиарда транзисторов.

Терагерц-транзистор отличается от обычного (см. рис. 1.20, а) тремя важными особенностями (см. рис. 1.20, б):

• источник и сток образуются из более толстых слоев в крем­ниевой пластине, что уменьшает электрическое сопротив­ление, потребление электроэнергии и тепловыделение;

• ниже источника и стока помещается сверхтонкий слой изолятора. Это обеспечивает более высокие интенсивности тока в открытом состоянии транзистора и увеличивает ско­рость переключения. Кроме того, изолятор понижает утеч­ки тока при закрытом транзисторе (в 10 тыс. раз по сравне­нию с SOI). Это уменьшает вероятность случайного пере­ключения под влиянием блуждающих тепловых электронов и повышает надежность схемы;

• химическое соединение, расположенное между затвором, источником, стоком, заменяется на новый материал «high-к gate dielectric» (оксид алюминия или титана), для нанесения которого используется технология наращивания слоя по одной молекуле.

Диэлектрико-металлические затворы транзисторов. Исполь­зование затвора из диэлектриков с высокой диэлектрической по­стоянной (High-k Gate Dielectrics) и металлических электродов затворов транзисторов (Metal Gate Electrodes) было впервые представлено в процессоре Intel Penryn (технология 45 нм) и по­зволило уменьшить размеры транзисторов и снизить энергопо­требление.

В обычном транзисторе снижение толщины слоя диоксида кремния необходимо для уменьшения размера и увеличения плотности размещения транзисторов на кристалле. Однако при достижении определенного предела возникает утечка тока под воздействием «туннельного эффекта» — когда электроны поки­дают транзистор и рассеиваются, что понижает надежность и увеличивает рассеяние мощности. Поэтому уменьшение разме­ров ниже данного предела становится нецелесообразным.

Диэлектрик (high-k dielectric или материал с высокой диэлек­трической постоянной) в новой технологии замещает слой диок­сида кремния в транзисторе и позволяет снизить токи утечки в технологии 45 нм в 5 раз по сравнению с технологией 65 нм.

Относительная легкость использования оксидов кремния в транзисторах ограничивала в течение многих лет применение других материалов при производстве микропроцессоров. Анало­гично, традиционная технология использования поликремния для затвора существенно проще, чем внедрение других, возможно более эффективных веществ в процесс производства (рис. 1.21, а).

Рис. 1.21. Обычный транзистор (а); транзистор с диэлектрическим затвором (б)

Использование металлического затвора в процессорах Penryn «сломало» эту традицию; эта технология позволяет улучить эф­фективность и снизить токи неконтролируемой утечки, посколь­ку проводимость металлического затвора существенно выше (рис. 1.21, б).

Технология медных проводников. Транзисторы на поверхности чипа — сложная комбинация из кремния, металлов и микродо­бавок, точно расположенных, чтобы образовать миллионы кро­хотных переключателей. Поскольку создавались все меньшие и быстрые транзисторы, упакованные все плотнее, их соединение между собой стало превращаться в проблему.

Для установления соединений длительное время использо­вался алюминий, однако к середине 1990-х гг. стало очевидным, что скоро будут достигнуты технологические и физические пре­делы существующей технологии. Относительно высокое удель­ное сопротивление алюминия при уменьшении диаметра про­водников приводит к потерям и перегреву схем. Однако длитель­ное время никому не удавалось создать конкурентоспособный чип с медными проводниками.

Основное преимущество медных соединений в данном слу­чае заключается в том, что медь обладает меньшей удельной проводимостью по сравнению с алюминием. При уменьшении площади сечения проводников (с уменьшением размера транзи­сторов) увеличивается и сопротивление проводников. Кроме того, медные проводники способны выдерживать значительно большую плотность тока, чем алюминиевые, и к тому же облада­ют более высокой устойчивостью к разрушению под воздействи­ем тока, что позволяет продлить время жизни микросхемы.

Наряду с рассмотренными преимуществами медь обладает рядом свойств, создающих немало сложностей в процессе про­изводства микросхем. Медь легко диффундирует в глубь кри­сталла, что вызывает порчу микросхемы и, в отличие от алю­миния, плохо поддается травлению, поэтому технологии созда­ния медных и алюминиевых внутрислойных соединений в корне различаются. В случае использования алюминия травле­нию по маске подлежит собственно алюминий, а при примене­нии меди травлению подлежит оксидная пленка, в результате этого образуются бороздки, которые впоследствии заполняются медью. Эта технология получила название Damascus, или узор­ная инкрустация. Поэтому процесс изготовления микросхем с использованием алюминиевых соединений технологически не совместим с аналогичным процессом с использованием медных соединений.

В сентябре 1998 г. IBM объявила о разработке нового техно­логического процесса, включающего создание медных провод­ников на чипе (Damascene процесс — 0,18 мкм CMOS 7SF). Создание каждого нового слоя начинается с получения оксид­ной пленки, которая покрывается слоем фоторезиста. Далее, по­средством литографического процесса, в оксидной пленке вы­травливаются бороздки и углубления требуемой формы. Эти бо­роздки и углубления необходимо заполнить медью. Но прежде, для предотвращения нежелательной диффузии меди, они запол­няются тонким слоем антидиффузионного вещества (diffusing barrier), изготовленного из устойчивого материала — титана или нитрида вольфрама. Толщина такой антидиффузионной плен­ки — всего 10 нм. Микроскопическая начальная пленка меди размещается выше, чтобы удерживать медный слой, который за­тем наносится на весь чип (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Технология медных проводников: а — вытравливание соединений путем фотолитографии; б — нанесение защитно­го слоя; в — нанесение микроскопической пленки меди; г — нанесение рабочего слоя меди; д — удаление избыточного металла

Для осаждения меди используют гальванизацию из раствора медного купороса Cu₂S0₄, причем сама пластина, на которую осаждаются ионы меди Си⁺⁺, выступает в роли катода. При галь­ванизации необходимо, чтобы медь равномерно осаждалась по всей пластине, поэтому подбирают такую плотность электроли­та, чтобы минимизировать разницу тока в центре и по краям и тем самым обеспечить равномерность осаждения меди. При электролизе происходит постепенное заполнение атомами меди вытравленных канавок, в результате этого образуются проводя­щие «рельсы». После заполнения медью канавок лишний слой меди удаляется с пластины посредством шлифования, а затем наносится очередной слой оксидной пленки и проводится фор­мирование следующего слоя. В результате образуется много­слойная система.

Технологический процесс 65 нм. Intel довела данную техноло­гию до стадии промышленного производства к концу 2005 г. В 65-нм процессе Intel использует УФ-литографию с длиной волны 193 нм, комбинируемую с технологией фазового сдвига. При этом удалось уменьшить до 35 нм эффективную ширину за­твора транзисторов (рис. 1.23, а), что приблизительно на 30% меньше, чем при производстве по технологии 90 нм.

Рис. 1.23. Транзисторы поколения 65 нм (в); восемь слоев медных соединений (б)

Остались прежними в новом процессе и используемые для создания транзисторов материалы. Дополнительные усилия были направлены на борьбу с токами утечки. Появившаяся в 90-нм тех­нологическом процессе технология напряженного кремния обре­ла в 65-нм технологии свою усовершенствованную версию — при сохранении толщины изоляционного слоя затвора на уровне 1,2 нм примерно на 15 % увеличилась деформация каналов тран­зисторов. Это дало четырехкратное уменьшение токов утечки, ко­торое в конечном итоге создает возможность примерно 30%-ного увеличения частоты срабатывания транзисторов без возрастания их тепловыделения.

И последнее изменение — увеличение числа слоев медных соединений. В новом процессе их восемь, что на один больше, чем в ядрах, выпускаемых по 90-нм процессу (рис. 1.23, б). Бла­годаря этому Intel надеется упростить проектирование будущих кристаллов.

Печатные платы

Плата, или printed circuit board, — изоляционная пластина, на которой устанавливаются и соединяются друг с другом элек­тронные элементы, перечисленные выше, и приборы меньшей степени интеграции — отдельные транзисторы, резисторы, кон­денсаторы и др.

Печатная плата изготавливается из пластмассы, гетинакса, текстолита либо другого изолятора (керамика).На плате с одной либо обеих сторон размещаются интегральные схемы, резисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы. Для их соединения на поверхности платы наносятся тонкие электропроводящие по­лоски. Печатная плата может быть двух- либо многослойной.

Существует несколько технологий монтажа элементов (в том числе и интегральных схем) на печатных платах. Наиболее ста­рая из них — монтаж в сквозные отверстия. Здесь элементы соз­даваемой схемы устанавливаются с одной стороны платы. Вслед за этим появился способ укладки интегральных схем прямо на поверхности этой платы. Вначале интегральные схемы припаи­вались к печатным платам. Теперь все чаще они приклеиваются без использования припоя. Малая высота интегральных схем, монтируемых на поверхность, позволяет устанавливать их на обеих сторонах платы.

Печатные платы перестают быть только плоскими. Происхо­дит переход от двух измерений к криволинейным поверхностям и созданию печатных дорожек на геометрически изогнутых фор­мах. Все это связано с тем, что по мере усложнения электронных компонентов становится все трудней размещать плоские платы в корпусы, удовлетворяющие требованиям потребителя. Для изго­товления основы трехмерных печатных плат используется пласт­масса, пригодная для литья.

Для решения задач трассировки соединений на печатных платах применяются средства автоматизированного проектиро­вания (САПР) — программы-трассировщики.