1. Технологии электронных схем

Основой электронных технологий в настоящее время являются полупроводники (semiconductor)  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 схемы высоких потенциалов;

• отрицательную логику, или схемы низких потенциалов;

• смешанную.

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

Логические элементы, функционирующие в схемах высоких потенциалов, дуальны элементам, работающим в схемах низких по­тенциалов. Например, в схеме высоких потенциалов элемент реа­лизует функцию «ИЛИНЕ», а в схеме низких потенциалов  «ИНЕ».

Может быть рассмотрен рис. 1.2, 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 «0», наоборот, соответствует низкий уровень выходного напряжения.

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.

Ключевыми выражениями при описании микросхемных эле­ментов (рис. 1.3) являются такие, как «технология 130 нм», «техно­логический процесс 0,5 мкм» и т. д. Это означает, что размеры транзисторов или других элементов не превышают соответственно 130 нанометров (1 нм = 10^-9 м) либо же 0,5 микрон (1 мкм = 10^-6 м).

В процессоре Intel 4004 (1971 г.) использовалась технология 10 мкм; в процессоре Pentium II (1998 г.)  технология 0,25 мкм; в процессорах Intel Pentium IV Prescott и AMD Athlon 64 Toledo (2004 г.)  нанотехнологии  0,09 мкм (90 нм) (см. также табл. 1.5 и 1.8, рис. 1.4).

На повестке дня  технологии 1050 нм. Для сравнения следует указать, что средний размер частиц пыли составляет 100 мкм (что накладывает очевидные условия чистоты производства).

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 играет роль изолято­ра, а поликремний  проводника.

В частности, транзистор представляет собой простейшее устрой­ство, размещающееся на поверхности кремниевой пластины и функционирующее как электронный ключ (рис. 1.5, а). Обычно он содержит три вывода  источник (эмиттер), сток (коллектор) и за­твор (база). 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.

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 (SiO₂);

• нанесение фоторезиста;

• литографический процесс;

• травление;

• диффузию;

• металлизацию.

Все перечисленные этапы используются для того, чтобы создать на кремниевой основе 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.

После полировки поверхности кремниевой основы ее покрыва­ют тончайшим слоем оксидной пленки (SiO₂), выполняющей функ­цию диэлектрика и защитной пленки при дальнейшей обработке кристалла кремния. Пластины пометают в камеру, где при высоких температуре и давлении происходит диффузия кислорода в поверхностные слои пластины, приводящая к окислению кремния и обра­зованию поверхностной пленки диоксида 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, т. е. толь­ко в нужных местах, на поверхность пленки наносят слой фото­резиста (особого состава, который изменяет свои свойства под воздействием УФ-излучения). Облученные области становятся рас­творимыми в кислотной среде.

Процесс нанесения фоторезиста и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется фотолито­графией. Перед нанесением слоя фоторезиста на основу послед­няя подвергается предварительной обработке, в результате этого улучшается ее сцепление со слоем фоторезиста. Для засветки нуж­ных участков слоя фоторезиста используется шаблон-маска, ко­торый содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы. 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.

По мере возрастания плотности размещения транзисторов, фор­мируемых в кристалле, усложняется и литографический процесс. Процесс уменьшения геометрических размеров транзисторов сопро­вождается и уменьшением размеров линий, наносимых на слой фо­торезиста. Минимальная толщина линии, получаемая в процессе литографии, определяется размером пятна, в который удается сфо­кусировать лазерный луч. Помимо прочих факторов размер пятна фокусировки зависит от длины волны.

Поэтому при производстве современных микропроцессоров для облучения используют ультрафиолетовое излучение. Для производ­ства микросхем по 130-нанометровому технологическому процессу используется глубокое ультрафиолетовое излучение (Deep Ultra-Violet  DUV) с длиной волны 248 нм. На подходе литографиче­ский процесс с длиной волны 13 нм, получивший название EUV-литографии (Extreme UltraViolet  сверхжесткое ультрафио­летовое излучение).

После засвечивания слоя фоторезиста приходит очередь этапа травления (etching) с целью удаления пленки диоксида кремния. При производстве процессоров используется сухой метод травле­ния, который позволяет точно контролировать процесс травления, а разрушение вытравливаемого слоя происходит здесь в строго верти­кальном направлении. При использовании сухого травления для удаления с поверхности пластины диоксида кремния применяется ионизированный газ (плазма). Газ вступает в реакцию с поверхно­стью диоксида кремния, в результате образуются летучие побочные продукты. 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 процесса диффузии легирующей при­меси применяется ионная имплантация, при которой ионы нужной примеси излучаются высоковольтным ускорителем и, обладая дос­таточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния. Этап ионной имплантации завершается созданием необходимого слоя полупроводниковой структуры, в котором сосредоточены де­сятки миллионов транзисторов. Далее необходимо в нужной последовательности соединить их между собой проводниками.

Осуществить требуемую разводку в пределах того же слоя, где расположены сами транзисторы, нереально  неизбежны перекре­щения 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.

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 нано­сятся 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 (получаются полуфабрикаты  матрицы  dice) и тестируются. 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  µPGA), существенно снижающая физические размеры интерфейса процессора.

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

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.

Терагерц-транзистор отличается от обычного (см. рис. 1.5, а) тремя важными моментами (см. рис. 1.5, 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-k gate dielectric» (оксид алюминия или титана), для нанесения кото­рого используется технология наращивания слоя по одной мо­лекуле.

Эти архитектурные новшества преследуют основную цель  бо­лее эффективное использование электричества.

Технология медных проводников

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. Ученые видели эту проблему и стреми­лись найти способ заменить алюминий одним из трех металлов, ко­торые проводят электричество лучше  медью, серебром или золо­том. 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 меньшим удельным сопротив­лением по сравнению с алюминием.

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 несовместим 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. 1.6).

Для осаждения меди используют гальванизацию из раствора медного купороса Cu₂SO₄, 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. 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. 1.7, а), что приблизительно на 30% меньше, чем при производстве по 90-нм технологии.

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  сохране­ние толщины изоляционного слоя затвора на уровне 1,2 нм при­мерно на 15% увеличило деформацию каналов транзисторов. Это дало четырехкратное уменьшение токов утечки, которое, в конеч­ном итоге, создает возможность примерно 30-процентного увеличе­ния частоты срабатывания транзисторов без увеличения 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. 1.7, б). Благодаря это­му Intel надеется упростить проектирование будущих кристаллов.

Сверхбольшие интегральные схемы  wafer-scale integration

Модули памяти. Полупроводниковая пластина создается из гладкого тонкого (около четверти миллиметра) диска кремния диа­метром примерно 150 мм, который в отличие от обычной техноло­гии не разрезается на части. На пластине создается структура полу­проводника и матрица, содержащая элементы памяти и вспомога­тельные логические элементы. Применение в интегральной схеме целой пластины кремния позволяет исключить ряд технологических операций, в том числе 90% дорогостоящих операций, связанных с соединением компонентов на печатных платах. После обработки пластина может содержать немало элементов, оказавшихся брако­ванными. Поэтому в полупроводниковой пластине каждый элемент памяти содержит программируемые логические элементы.

Модули памяти, создаваемые на полупроводниковых пластинах, образуют полупроводниковый диск. Он значительно дороже маг­нитного диска, однако по сравнению с ним полупроводниковый диск имеет ряд важных достоинств:

• может работать в любом положении, что важно для транспортных средств;

• не содержит механических деталей и не вращается и поэтому более надежен в работе;

• обеспечивает значительно меньшее время доступа к данным.

Однокристальный компьютер. Вначале однокристальными были

микропроцессоры. Позже появились однокристальные компьютеры (рис. 1.8).

Кроме перечисленных жестких технологий изготовления электронных схем, существуют также гибкие технологии, позволяющие настраивать изделие на конкретные функции или условия эксплуа­тации.

Бескорпусная интегральная схема  bare integrated circuit  схе­ма-полуфабрикат без защитной оболочки.

Разнообразие используемых систем привело к необходимости производства на заказ специальных интегральных схем, требуемых в небольшом количестве. Их производство становится экономически выгодным, например, если эти схемы собираются из компонентов массового производства. С этой целью производятся бескорпусные, или «голые» интегральные схемы.

Благодаря этому изготовители аппаратуры получили возмож­ность создавать собственные многомикросхемные комплексы, которые собираются из серийных компонентов и лишь затем помещаются в какой-нибудь корпус либо другую защитную оболочку. По такой технологии могут выпускаться микропроцессоры, ЗУ, специальные логические модули, микроконтроллеры, модемы и т. д.

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 с 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.

Еще большие возможности миниатюризации предоставляет монтаж кристаллов на небольшие платы. Здесь компактно располо­женные кристаллы прикрепляются с помощью приварки их прово­лочных выводов. При этом исключается один из самых дорогих компонентов многокристальных модулей  керамическая подлож­ка. Монтируемые на печатную плату кристаллы могут иметь толщи­ну всего 1 мм, что используется, например, при создании компью­терных карточек.

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 корпуса, удовлетворяющие требованиям потребителя. Для изготовления ос­новы трехмерных печатных плат используется пластмасса, пригод­ная для литья.

Усложнение печатной платы ведет к повышению выделяемого на ней тепла. Поэтому появились так называемые холодные печат­ные платы. С целью охлаждения каждая пара печатных плат поверх­ностями интегральных схем прижимается к «своей» плоской метал­лической коробке того же размера, а внутри коробки прокачивается специальная охлаждающая жидкость. Для лучшего охлаждения ин­тегральные схемы покрываются теплопроводящим эластичным ком­паундом и прижимаются к поверхности коробки.

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