Технологиите в новите процесори

Преди няколко години AMD повлече крак с вкарването в употреба на процеса SOI при производството на своите процесори. Сега е ред на Intel, която използва редица новаторски методи за своите 45-нанометрови процесори. След като преди време разгледахме какво представляват методите Low-K, High-K, напрегнатият силиций и SOI, както и ефектите от използването им, дойде време да обърнем внимание и на модерните вече metal gate, многократно ецване и новите материали от типа на хафния.

С еволюцията на процесорните поколения се стига до момент, в който се налага или тотален преход към нов литографски процес, или комбиниране на множество високотехнологични и скъпи производствени стъпки, с които той се замества. Новата философия на Intel, носеща името “Тик-так” повелява редуване на разработката на следващото поколение архитектура с прехода към технологично по-съвършен производствен процес за използваната в момента. Несъмнено това поставя сериозни предизвикателства пред компанията, а като добавим и Закона на Мур в уравнението, може да се каже, че Intel вдига доста високо летвата пред своите конкуренти.

В близкото бъдеще Intel ще започне предлагането на 45-нанометрови версии на сегашната си архитектура, за чието производство ще използва комбинация от вече изпитаните процеси High-K и SOI и няколко нови – metal gate, многократно ецване на подложката и слой от хафний. Какво представлява всеки от тях и каква полза ще има конкретно от него в производството?

Типът транзистори, които в момента се използват като основна единица във всеки един процесор, са MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor). Макар в името си да имат думата “метал”, те съвсем не се нуждаят от него за работата си. Въпреки че в класическия транзистор се използва метал за изработката на гейта му, от няколко десетилетия насам компаниите, произвеждащи процесори, го заместват в транзисторите си с материал, наречен поликристален силиций, или накратко – полисилиций. Причината за това е комплексна – използването на метал в процесорите е нежелателно, тъй като някои от производствените стъпки след добавянето му включват нагряване до над 1000оС, което би го разтопило. Дори и това да се избегне, металът влиза в химически контакт със силициевата подложка, което предизвиква постепенното й замърсяване.

Полисилицият представлява свръхчист силиций в кристална форма, обработен така, че да е свръхнаситен с електрони и дупки в своята кристална решетка. Тъй като те са лесно подвижни, полисилицият представлява сравнително добър заместител на метала, ето защо се употребява при изработката на гейта в MOSFET транзисторите. До момента заместването на метал с полисилиций не представляваше проблем, но преходът към 45-нанометров процес изисква прекратяването на тази техника.

Причините за това са няколко; ще посоча по-важните от тях. Макар полисилицият да притежава много ниско ниво на електросъпротивление в сравнение с чистия метал той все пак притежава някакво. В допълнение към това, преходът към по-малък производствен процес допълнително изтънява вече миниатюрните слоеве от полисилиций, с което се увеличава неговото съпротивление в сравнение с метален аналог. Ето защо се налага завръщането към чисто металния гейт в транзисторите, който ще има чувствително по-ниско електросъпротивление при същите размери.

Естествено, Intel пази в тайна както конкретния метал, който ще използва, така и начина, по който той ще бъде изолиран от силициевата си подложка.

Терминът “ецване” води началото си от производството на печатни платки, където пътечките се отпечатват чрез химическа реакция при осветяването им с определен тип лъчи. Макар в случая да става дума за значително по-малки размери, принципът на действие много наподобява този при печатните платки, ето защо намира приложение същият термин. Многократното ецване представлява доразвиване на технологията на двойното ецване, която в момента се използва за производството на 65-нанометрови процесори.

Процесът представлява комбиниране на лъчите от два независими, но синхронизирани източника на светлина, при което чрез различните маски и комбинация между тях в крайна сметка получаваме ефект на значително по-малка дължина на вълната. Причината за това е, че интерференцията между двете вълни дава като краен резултат точка с по-малки размери, отколкото всяка една от тях е способна да създаде самостоятелно. В комбинация с маски, изменящи фазата на вълната на светлинния лъч, това позволява за момента с технологиите, използвани при 90-нанометрови процесори, да се произвеждат 65-нанометрови варианти.

Доразвиването на този метод води до multiple patterning, което в най-простия случай представлява многократно ецване на силициевата пластина. На теория, при повтаряне на процеса на двойно ецване е възможно постигане на 16-нанометров производствен процес във въздушна среда. При преминаване към вода като посредник, характеризираща се с по-голямо апертурно число, може да се достигне максимум до около 12-нанометров процес.

Намаляването на производствения процес до 45 нанометра ще има ефект не само върху проводниците, но и върху изолиращите подложки, на които те лежат. По-точно казано, споменатият вече гейт на транзистора не само че ще има по-малки размери, но и ще лежи върху значително по-тънък слой диелектрик. Разработката на процеса High-K позволява използването на различни материали, които да служат за тази цел, но при прехода към 45-нанометров те не разполагат с адекватни свойства. Ето защо Intel и IBM се насочват към изолиращи подложки за гейта, които да са изработени от хафниев оксид или силикат.

Неговата значително по-висока диелектрична константа не само ще запази добрите изолационни свойства на подложката, но и ще редуцира утечките на електрони към основата на силициевия субстрат. За момента като диелектрик изолатор между гейта и основата се използва силициев диоксид, който обаче е на ръба на своите възможности при транзисторите, изработвани по 65-нанометров процес.

Добрил Доков