Реферат: Микропроцессоры

КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана

Реферат натему:

«МИКРОПРОЦЕССОРЫ»

Калуга


Содержание

Введение

Закон Мура

Экспансия закона Мура

Следствия закона Мура

Заглянем в будущее

Транзисторы

Взгляд в будущее

Отладка кристаллов микросхем

Intel Silicon Debug

Анализ структур

Электрические испытания

Бесконтактная диагностика микросхем

Кремниевая нанохирургия

Заключение

Список используемых источников


Введение

Компьютерная техникалежит в основе современного прогресса. Она обеспечивает работу современныхстанков, контроль технологических процессов на производстве, связь на всехуровнях (от межгосударственного до бутового), с помощью нее проводятся сложныеи трудоемкие расчеты, что значительно ускоряет процессы конструирования,разработки, фундаментальные исследования, то есть задает темпы прогресса.

Основой современнойкомпьютерной техники являются микропроцессоры. Увеличение их быстродействияпозволяет ставить перед техникой новые задачи, такие как моделирование сложныхпроцессов, обработка больших объемов информации (наблюдение за космосом),обеспечение автономной работы устройств, машин и целых комплексов.


ЗаконМура

Экспансия закона Мура

Когда заходит речь ополупроводниковых технологиях и современных интегральных микросхемах, частоупоминают закон Мура, который в настоящее время является своеобразнымхронометром полупроводниковой технологии.

Все началось в 1965 году,то есть всего через шесть лет после изобретения первой интегральной схемы (ИС) иза три года до того, как Гордон Мур (Gordon E. Moore) стал одним из основателейкорпорации Intel. В то далекое время технология производства интегральныхмикросхем позволяла интегрировать в одной микросхеме порядка трех десятковтранзисторов, а группа ученых, возглавляемая Гордоном Муром, директоромисследовательской лаборатории полупроводников корпорации Fairchild Camera andInstrument Corp (Research and Development Laboratories, Fairchild Semiconductordivision of Fairchild Camera and Instrument Corp), завершала разработку новыхмикросхем, объединяющих е себе уже 60 транзисторов. Конечно, по сегодняшниммеркам, когда в одной микросхеме насчитывается несколько десятков миллионовтранзисторов, 60 транзисторов кажется ничтожно малой величиной, но не будем забывать,что речь идет о становлении интегральной электроники.

По просьбе журналаElectronics Гордон Мур написал статью, приуроченную к 35-й годовщине издания(Electronics, Vol. 38, № 8, Apr. 19, 1965). В этой статье Мура попросилисделать прогноз относительно того, как будут совершенствоватьсяполупроводниковые устройства в течение ближайших десяти лет. Проанализировавтемпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшиешесть лет, то есть начиная с 1959 года, Гордон Мур предположил, что к 1975 годуколичество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тыс. Именноэтот прогноз на ближайшие десять лет стал преамбулой ко всей статье.

Фактически по прогнозуМура количество транзисторов в одной микросхеме за десять лет должно былоувеличиться более чем в 1000 раз. А это означало, что каждый год количествотранзисторов в одной микросхеме должно удваиваться.

Кроме предсказанияэкспоненциального роста плотности размещения транзисторов, Мур сделал и другойважный и на первый взгляд парадоксальный вывод. Сокращение размеровтранзисторов должно неизбежно привести к тому, что интегральные микросхемы наих основе будут все дешевле, мощнее и доступнее. Из этого следовало, чтоизменится электронная отрасль в целом.

Конечно, в 1965 году нисам Гордон Мур, ни кто-либо Другой не мог предположить, что опубликованныйпрогноз на ближайшие десять лет не только в точности сбудется, но и послужитосновой для Формулирования эмпирического правила развития всейполупроводниковой технологии на много лет вперед. Впрочем. с предсказанием Мурабыло не все гладко. К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеместал немного отставать от прогноза. Тогда Гордон Мур скорректировал периодобновления до 24 месяцев, чтобы компенсировать ожидаемое увеличение сложностиполупроводниковых компонентов. В конце 1930-х годов одним из руководителейкорпорации Intel была внесена еще одна поправка, и прогноз Мура стал означатьудвоение вычислительной производительности каждые 18 месяцев (вычислительнаяпроизводительность, измеряемая в миллионах команд в секунду iMiPS,увеличивается благодаря росту количества транзисторов).

Дз сих пор мыпреднамеренно употребляли слова «прогноз» или «предсказание» Мура, однако влитературе чаще встречается выражение «закон Мура». Дело в том, что послеопубликования упомянутой статьи в журнале Electronics профессор Карвер Мид,коллега Мура из Калифорнийского технологического института, дал этому прогнозуназвание «закон Мура», и оно прижилось.

Конечно, в буквальномсмысле предсказание Мура законом не является хотя бы потому, что оно неотражает природных закономерностей и не является следствием фундаментальныхзаконов физики. Фундаментальные законы природы, такие как закон гравитации,который выражается формулой Ньютона, или законы электромагнитного поля,описываемые уравнениями Максвелла, объективны по своей природе и существуютнезависимо от наших знаний о них. Поэтому, говоря о законе Мура, следует ещераз подчеркнуть, что речь идет лишь об эмпирическом правиле или предсказании.

В настоящее время термин«закон Мура» применяется также для описания следствий экспоненциальноговозрастания плотности размещения транзисторов в пределах одной микросхемы. Окаких же следствиях закона Мура идет речь?

Следствия закона Мура

Хотя в законе Мураговорится лишь об экспоненциальном возрастании числа транзисторов на одноймикросхеме, сводить все к одному этому утверждению было бы неверно. Точнее, самфакт увеличения плотности размещения транзисторов за счет сокращения ихразмеров сопровождается важными последствиями. Действительно, если говоритьпросто о количестве транзисторов в одной микросхеме, то со времени30-транзисторных компонентов 1965 года это количество возросло на многопорядков. В 1975 году количество компонентов достигло 65 тыс. К 1989 годупроцессор Intel i486 содержал 1,4 млн. транзисторов. А в 2002 году корпорацияIntel анонсировала процессор Intel Pentium 4 на основе 0,13 — микроннойтехнологии, вмещающий 55 млн. транзисторов в одном кристалле. Скоро технологияпроизводства интегральных микросхем позволит увеличивать количествотранзисторов на сотни миллионов ежегодно. Однако сколь впечатляющим ни был бырост количества элементов — это только частность. Мощь и уникальностьполупроводниковых компонентов состоит в том, что одновременно с увеличениемколичества транзисторов улучшаются почти все параметры микропроцессорнойтехнологии, главные из которых — скорость и производительность. Так, процессорi486 работал на тактовой частоте 25 МГц. Современные процессоры Pentium 4 имеюттактовые частоты уже более 3 ГГц. Будущий процессор с миллиардом транзисторов,как ожидается, будет работать на частоте, приближающейся к 20 ГГц. Посмотрим наэтот вопрос с другой стороны: в начале 1990-х годов для того, чтобы увеличитьтактовую частоту i486 с 25 МГц до 50 МГц, понадобилось три года. Сегодняразработчики Intel наращивают тактовую частоту со скоростью 25 МГц в неделю.Главный директор Intel по технологиям Патрик Гелсингер заявил, что уже черезнесколько лет Intel планирует наращивать частоту процессоров со скоростью 25МГц в день. Среди других характеристик, которые улучшаются благодаря законуМура, — уровень интеграции, размеры, функциональные возможности, эффективностьэнергопотребления и надежность. Еще одним немаловажным следствием закона Мураявляются экспоненциальное падение цен в расчете на один транзистор исоответственно непрерывный рост покупательной способности. Когда Гордон Мурвпервые сформулировал свой закон, себестоимость одного транзистора составлялаоколо 5 долл. Сегодня за 1 долл. можно приобрести 1 млн. транзисторов. Тотфакт, что это стало возможным, является прямым следствием закона Мура: быстроеснижение себестоимости приводит к экспоненциальному росту экономическойэффективности.

 Заглянем в будущее

Нa Форуме Intel дляразработчиков, прошедшем весной прошлого года, главный технический директоркорпорации Intel Гелсингер заявил: «Наша задача состоит сегодня не только втом, чтобы продлить жизнь закона Мура, но и в том, чтобы максимально расширитьсферу его действия, распространив его и на другие области».

Первоначально прогнозМура был просто наблюдением за тем, как развивается индустрия микропроцессоров,этаким эмпирическим постулатом. Однако через несколько лет он стал руководящимпринципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и неназывает. Однако, несмотря на то, что закон Мура оправдывает себя вот уже втечение почти что сорока лет, многие довольно скептически относятся к тому, чтоон будет действовать и в дальнейшем.

С приводимыми имидоводами трудно не согласиться. Действительно, уже сейчас микросхемыпроизводятся по 0,13 — микронному технологическому процессу, а толщина затворатранзистора составляет всего 60 нм. Но ведь не может же уменьшение размеровтранзисторов происходить до бесконечности, хотя бы в силу дискретности самойприроды! Вопрос ставится так: а что будет, когда размеры затворов транзисторовдостигнут атомарных слоев? Вопрос, конечно, интересный, но ответить на него вближайшее десятилетие вряд ли кто-нибудь сможет. Впрочем, до атомарных размеровтранзисторов еще далеко. Если же говорить о перспективе дальнейшегосовершенствования полупроводниковой электроники в соответствии с законом Мурана ближайшие лет тридцать, то можно утверждать, что предсказанноеэкспоненциальное возрастание числа транзисторов на одной микросхеме сохранится.

На весеннем Форуме Intelдля разработчиков главный технический директор корпорации Intel ПатрикГелсингер поделился своими соображениями в отношении закона Мура: «Честноговоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура?Сколько мы еще сможем пользоваться его плодами? В 1980 году, когда я пришел вIntel, мы ломали головы над тем, как достичь технологической нормы производствамикропроцессоров в один микрон. В 90-е годы перед нами уже стояла задачавнедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась намнедостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотуюмикрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии (то есть в течение последующейчетверти века) закон Мура будет действовать. Я уверен, что еще не однодесятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».

Итак, в корпорации Intelсчитают, что в обозримой перспективе закон Мура продолжит действовать. Впрочем,чтобы сохранить экспоненциальный рост числа транзисторов на одной микросхемезавтра, необходимо уже сегодня задумываться о новых технологиях.

Соблюдение закона Мура иреализация его предсказаний требует снижения проектной нормы — уменьшенияноминального размера элементов, из которых состоит интегральная схема. Запоследнее десятилетие корпорация Intel уменьшила проектную норму на порядок — содного микрона (примерно одной сотой толщины человеческого волоса) до менее чем100 нанометров (нм), то есть до уровня, отвечающего нанотехнологиям. Впредстоящее десятилетие проектная норма технологических процессов вплотнуюподойдет к физическим пределам, обусловленным атомной структурой, что приведетк новым проблемам, связанным с энергопотреблением, тепловыделением и поведениематомных частиц. Компания Intel уже продемонстрировала транзисторы, содержащиеэлементы толщиной всего в три атома.

Чтобы продолжить действиезакона Мура, исследователи Intel активно занимаются поиском и устранением различныхбарьеров, препятствующих дальнейшему уменьшению размеров элементов. Так, еслисегодня для нанесения сложнейших рисунков, формирующих электронные схемы наполупроводниковой пластине, используется 130-нм литографическая технология,позволяющая получать транзисторы с длиной затвора 60 нм и шесть слоев медныхсоединений, то уже в этом году в массовое производство будет внедрен новый90-нанометровый технологический процесс. Новый технологический процесс,представленный корпорацией Intel в августе минувшего года, предусматриваетиспользование семи слоев медных соединений и включает целый ряд уникальныхтехнологий. Во-первых, в нем применяются самые маленькие в мире серийнопроизводимые КМОП — транзисторы с длиной затвора всего 50 нм. Во-вторых, этосамый тонкий оксидный слой затвора среди всех когда-либо применявшихся впроизводстве — его толщина составляет 1,2 нм (менее пяти атомных слоев).

Несколько позже будетвнедрена в массовое производство революционная литографическая технология,находящаяся сегодня на стадии разработки. Известно, что возможности сегодняшнейлитографии уже практически исчерпали себя. Действительно, литография — этопроцесс, при котором лазер световым пучком выжигает на пластине проводники длябудущего процессора, при этом луч надо очень точно сфокусировать. Проводники впроцессорах становятся все тоньше, и, чтобы точно вырезать тонкие проводники,длина волны луча света должна быть в несколько раз меньше ширины проводника.Стало быть, длина волны света постепенно уходит из видимого диапазона иперемещается в диапазон более коротких ультрафиолетовых волн. Новая технологиялитографии, получившая название EUV-литографии (Extreme Ultraviolet —сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), основана на использованииультрафиолетового излучения, что позволяет формировать рисунки с толщиной линийменее 50 нм. Здесь главная сложность заключается в том, что ультрафиолетовыйсвет поглощается стеклом, и никакие линзы и призмы для его точной фокусировкиуже не годятся — необходимы совершенно новая техника и технология.

В 2001 году компанияIntel представила первые фотомаски стандартного отраслевого формата дляEUV-литографии. С помощью разработанного ею процесса формирования рисункаудалось получить линии шириной на 30% меньше, чем для самых совершенных масок,применяемых сегодня в производстве. Корпорация Intel планирует выпустить первыепроцессоры с использованием EUV-технологии во второй половине нынешнегодесятилетия.

Описанные новыетехнологии относятся к ближайшему будущему, однако уже сейчас разрабатываютсятехнологии, рассчитанные и на более далекую перспективу. Так, в июне 2001 годакорпорация Intel объявила, что ее специалисты разработали транзисторы,содержащие структуры размером всего 20 нм. Эти новые транзисторы имеют на 30%меньшие размеры и на 25% большее быстродействие, чем созданные всего годомранее. К концу того же года Intel преодолела еще один рубеж, изготовив самыемаленькие в мире транзисторы с длиной затвора 15 нм. Именно такие крошечныетранзисторы потребуются для серийных процессоров к концу текущего десятилетия.

По мере уменьшенияразмеров транзисторов, увеличения плотности их размещения на подложке иповышения быстродействия компонентов потенциальными ограничительными факторамидля реализации закона Мура могут стать энергопотребление и тепловыделение.Чтобы решить проблему тепловыделения, специалисты Intel исследуют как новыеструктуры, например транзисторы с тремя затворами, так и новые материалы, вчастности напряженный кремний, позволяющие увеличить производительность приодновременном повышении эффективности использования энергии. Возможно, лучшийпример — это представленный Intel в ноябре 2001 года транзистор с рабочейчастотой 1 терагерц.

Этот ключевой проекткорпорации направлен на создание микроскопических «переключателей», которыеменьше и быстрее существующих. В основе терагерцевого транзистора лежитнесколько совершенно новых технологий. Первая — это новый диэлектрическийматериал с гораздо более высокими изолирующими свойствами (с более высокойдиэлектрической проницаемостью); вторая — затворы, с помощью которых снижаетсяток утечки. Разработанные для этого нового транзистора элементы конструкциипланируется использовать в серийной продукции Intel во второй половине текущегодесятилетия.

Еще одной перспективнойтехнологией, позволяющей устранить ограничения по росту тактовой частотысовременных микросхем, является новая технология изготовления корпусов. Всовременных микросхемах полупроводниковые кристаллы соединяют с корпусом спомощью крошечных шариков припоя, обеспечивающих механическое крепление иэлектрическое соединение кристалла с корпусом. В результате экспоненциальногороста частоты будущих процессоров эффективность шариковых соединений, толщинакорпуса и количество точек соединения превращаются в серьезную проблему. В октябре2001 года корпорация Intel представила новаторскую технологию изготовлениякорпусов, получившую название Bumpless Build-up Layer (BBUL), которая позволяетизбавиться от шариковых соединений, наращивая корпус вокруг полупроводниковогокристалла. Новая технология не только в несколько раз уменьшает размеры«упакованного» микропроцессора, но и существенно улучшает его индуктивныесвойства. Этот метод позволяет уменьшить толщину корпуса и снизить рабочеенапряжение процессора. Технология начнет активно применяться во второй половинеэтого десятилетия.

Еще одна серьезнаяпроблема, препятствующая экспоненциальному росту тактовой частоты процессоров исоответственно закону Мура, — это проблема тепловыделения. Ее решению уделяетсянемало внимания уже сейчас. Действительно, давайте посмотрим, к чему приводитперспектива экспоненциального роста тактовой частоты.

В соответствии с закономМура в 2010 году следует ожидать появления микропроцессора с тактовой частотой30 ГГц и размером проводников 10 нм или меньше. Но, как следует из законовфизики, чем больше транзисторов в процессоре и чем больше его тактовая частота,тем больший ток он потребляет. А с ростом потребляемого тока увеличивается итепловыделение. С 1970-го по 1990 год плотность выделяемой мощности, измеряемаяв ваттах на квадратный сантиметр, оставалась в пределах нескольких единиц, а к2000 году достигла 10. Если выстроить прогнозируемую кривую до 2010 года, то в2003-2004 годах этот показатель должен достичь 100 (что соответствуетэнерговыделению в ядерном реакторе), к 2008 году — 1000 (примерно как в соплахракеты), а после 2010 года — 10 000 (лишь немного холоднее, чем на поверхностиСолнца). Итак, совершенно очевидно, что без решения проблемы сниженияэнергопотребления дальнейший рост тактовой частоты процессоров простоневозможен.

 

Транзисторы

Как известно, транзисторы — это микроскопические кремниевые«переключатели», которые являются основнымструктурным элементом всех современных микросхем

Начиная с60-х годов, то есть со времени созданияпервой микросхемы, и по сегодняшнийдень в микросхемах использовались такназываемые планарные (плоские)полевые транзисторы (рисунок 1). Принцип действия такого транзистора достаточно прост. В подложке кремнияформируются две легированные областис электронной (л-тип) или дырочной (p-тип) проводимостью. Эти области называются стоком и истоком. В обычном состоянии электроны (для n-типа) или дырки (для p-типа) хотя и диффундируют в областькремния за счет избыточной концентрации, но не способны перемещаться между стоком и истоком, поскольку неизбежны процессы рекомбинации в области кремния. Кроме того, за счет такой диффузии награницах контактов между легированными областями стока и истока и кремния возникают локальные электрические поля, препятствующие дальнейшей диффузии и приводящие к образованиюобедненного носителями слоя. Поэтому вобычном состоянии прохождение токамежду истоком и стоком невозможно. Для того чтобы иметь возможность переносить заряд между истоком и стоком, используется третий электрод, называемый затвором. Затвор отделен откремниевой подложки слоем диэлектрика, в качествекоторого выступает диоксид кремния (SiO2). При подаче потенциала на затворсоздаваемое им электрическое поле вытесняет вглубь кремниевой подложкиосновные носители заряда кремния, а в образующуюся обедненнуюносителями область втягиваются основные носители заряда стока и истока(мы говорим об основных носителях заряда, а не конкретно о дырках илиэлектронах, поскольку возможен и тот и другой вариант). Врезультате между истоком и стоком в подзатворнойобласти образуется своеобразный канал, насыщенный основныминосителями заряда. Если теперь между истоком истоком приложить напряжение, то по каналу пойдет ток. При этом принято говорить, чтотранзистор находится в открытом состоянии. При исчезновении потенциала назатворе канал разрушается и ток не проходит, то есть транзистор запирается (рисунок 1)

/>

Рисунок — 1 Схематрадиционного планарного транзистора

Описанная схема верой и правдой служила на протяжении многихлет, и все усилия электронной промышленностибыли направлены на то, чтобы уменьшить размеры самого транзистора.Так, в 1965 году в микросхемах интегрировалось всего три десятка транзисторов,а современный процессор Intel Pentium 4 насчитывает уже 55 млн. транзисторов на кристалле. Конечно, в процессе эволюциипланарных транзисторов менялись не только их размеры. Существенные изменения претерпели и используемые материалы, и даже геометрия самих транзисторов. Ну что ж, все логично. Для тогочтобы выдержать диктуемые законом Мураэкспоненциальные темпы увеличениячисла транзисторов в одноймикросхеме, необходимо разрабатыватьновые технологии производства. Изближайших планов корпорации  Intel  по выпуску процессоров (табл. 1) видно,например, что сегодня в производство внедряется 90-нанометровый технологический процесс изготовлениямикросхем, при котором длина затворатранзистора составляет 50 нм, а в2009 году планируется освоитьпромышленный выпуск транзисторов с длиной затвора уже 15 нм (32-нанометровый технологический процесс). Всего же за последние 5 лет длина затвора транзистора уменьшилась в 4 раза

Таблица 1 -Темпысокращения длины затвора транзистора

/>

Таблица 2 — Изменение характеристик транзистора при уменьшении его геометрических размеров

Длинна затвора 1/М Толщина слоя диэлектрика 1/М Ширина затвора 1/М Напряжение 1/М Плотность размещения

М2

Скорость М Рассеиваемая мощность

1/М2

Естественно, чтоуменьшение размеров транзистора сказывается и на других его характеристиках.Так, если считать, что длина затвора транзистора уменьшается в М раз, то втакое же количество раз уменьшаются и толщина слоя диэлектрика, отделяющего областьзатвора от кремниевой подложки, и ширина затвора, и рабочее напряжение затвора.Кроме того, в М раз возрастает скорость работы транзистора и квадратичноувеличивается плотность размещения транзисторов на кристалле, а рассеиваемаямощность уменьшается в М2 раз (табл. 2).

Таким образом, очевидно,что уменьшение размеров транзисторов положительно сказывается на их характеристиках.

Основная проблема,связанная с уменьшением размеров транзистора, упирается даже не втехнологические сложности литографического процесса, который требуетиспользования новых коротковолновых источников излучения, а в то, чтоэкспоненциальное увеличение числа транзисторов на кристалле приводит кэкспоненциальному росту потребляемой мощности и, как следствие, к перегревумикросхемы. Причин тому несколько, но все они имеют один и тот же корень:уменьшение размеров транзистора приводит к возникновению токов утечки. Токиутечки возникают через слой диэлектрика, отделяющего область затвора откремниевой подложки, а также между истоком и стоком при «выключенном» состояниитранзистора.

Расскажем о причинахвозникновения токов утечки в области затвора более подробно. Слой диэлектрикамежду затвором и кремнием можно рассматривать как плоский конденсатор (рисунок2), емкость которого зависит от диэлектрической проницаемости вещества, толщиныслоя диэлектрика и площади затвора по формуле:

/>


/>где S — площадь затвора, d — толщина слоя диэлектрика,ε — диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика.

Понятие емкости затвораочень важно, так как в том числе и от нее зависит величина тока, проходящегомежду истоком и стоком. Действительно, поскольку емкость определяет способностьнакапливать заряд (Q=CU), то при одном и том же напряжении в случае большейемкости


можно накопить большийзаряд в канале проводимости, а следовательно, и создать больший ток. Такимобразом, большая емкость позволяет снижать напряжение на затворе, что немаловажнопри уменьшении размеров транзисторов. Кроме того, на ток в канале проводимостиоказывает непосредственное влияние и длина самого канала: чем она меньше, тембольший ток можно получить. По мере уменьшения размеров транзистора уменьшаласьи толщина слоя диэлектрика. При этом между длиной канала и толщиной слоядиэлектрика соблюдается простое соотношение:

то есть толщина слоядиэлектрика приблизительно в 45 раз меньше длины канала.

В качестве диэлектрическогослоя традиционно используется диоксид кремния (SiO2),диэлектрическая проницаемость которого составляет 3,9. Однако уменьшениетолщины слоя диэлектрика, которое приводит к возрастанию емкости затвора, тоесть положительно сказывается на характеристиках транзистора, имеет своинегативные последствия. Дело в том, что при достижении величины в нескольконанометров начинают сказываться эффекты туннелирования зарядов через слойдиэлектрика, что приводит к возникновению токов утечки.

/>

Рисунок 2 — Формирование емкости на затворе

Эта проблема решаетсяпутем применения вместо диоксида кремния иных диэлектрических материалов, позволяющихиспользовать более толстые слои диэлектрика, но, обеспечивающих, тем не менее,увеличение емкости затворного конденсатора.

Такие материалы должныиметь более высокую диэлектрическую проницаемость и потому получили названиеHigh-k-диэлектрики (коэффициент к [к1] также обозначает диэлектрическуюпроницаемость). Пусть, к примеру, емкость конденсатора, образованного диоксидомкремния, равна:

/>

где Сох —диэлектрическая проницаемость диоксида кремния, tm— толщина слоя диоксидакремния.

Емкость конденсатора,образованного диэлектриком с высоким значением, составляет:

/>

где CHigh-K— диэлектрическая проницаемость High-K-диэлектрика, UHigh-K — толщина слоя High-K-диэлектрика.

Для того чтобы емкостизатворов с использованием диоксида кремния и диэлектрика с High-K были равными,необходимо, чтобы выполнялось условие:

/>

то есть чтобы толщинаслоя High-K-диэлектрика была равна:

/>

Таким образом,использование альтернативных материалов с более высокой диэлектрическойпроницаемостью позволяет во столько раз повысить толщину слоя диэлектрика посравнению с толщиной диоксида кремния, во сколько раз диэлектрическая проницаемостьвещества больше диэлектрической проницаемости диоксида кремния. Увеличение жеслоя диэлектрика позволяет, в свою очередь, уменьшить токи утечки.

В качествеHigh-K-материалов могут использоваться различные соединения, и в настоящеевремя компанией Intel уже реализован так называемый терагерцевый транзистор, вкотором в качестве диэлектрика используется диоксисид стронция (ZrO2).Диэлектрическая проницаемость диоксида стронция равна 25, что в 6,4 разабольше, чем диэлектрическая проницаемость диоксида кремния. Соответственно дляобеспечения той же самой емкости конденсатора при использовании диоксидастронция можно использовать в шесть с лишним раз более толстый слойдиэлектрика. Это, в свою очередь, позволяет снизить ток утечки примерно в 10тыс. раз.

/>

Рисунок 3 — Получение диоксида стронция


Для получения диоксидастронция первоначально на поверхность кремния осаждают хлорид кремния (ZrCI4),после чего под воздействием пара он превращается в диоксид стронция, а побочныйпродукт реакции (соляная кислота) улетучивается (рисунок 3);

ZrC4 + 2Н2О→ ZrO2 + 4HCI ↑.

Таким образом,использование новых диэлектрических материалов позволяет решить проблемувозникновения тока утечки через затвор транзистора. Вторая проблема, как ужеотмечалось, связана с возникновением тока утечки между истоком и стоком (рисунок4).

/>
Рисунок 4 — Возникновение токаутечки между истоком и стоком транзистора

Проблема заключается втом, что транзистор, накапливающий заряд, обладает определенной емкостью. Этаемкость является паразитной и влияет на скорость переключения транзистора, тоесть делает его более инертным.

Заряд, накапливаемый n-канальным транзистором в то время,когда он «открыт» (то есть когда на затвор подается положительный потенциал),не может «рассосаться» мгновенно после того, как транзистор запирается. В результатевозникает ток утечки, ограничивающий скорость переключения транзистора, поэтомуемкость транзистора желательно сделать как можно меньше. Для этого в новомпоколении транзисторов применяется структура кремния на изоляторе (silicon oninsulator, SOI), при которой (рисунок 5) на кремниевую подложку наносится слойдиэлектрика и на нем размещается сам транзистор, то есть легированные областистока и истока, а также область затвора. Паразитный заряд накапливаетсяпреимущественно в областях под стоком и затвором, поэтому, чтобы исключитьнакопление этого заряда, необходимо разместить диэлектрик непосредственно подстоком и истоком. Вследствие этого сокращается толщина транзистора иуменьшается его емкость.

/> <td/> />
Рисунок. 5 — СтруктураSOI-транзистора

ИспользованиеSOI-транзисторов позволяет без существенного изменения технологии их изготовления(нет необходимости в ином литографическом процессе) повысить скорость работытранзисторов в среднем на 25%.

Уменьшение емкоститранзистора путем добавления слоя диэлектрика вглубь кремния влечет за собойодно негативное последствие: поскольку при этом увеличивается сопротивлениемежду истоком и стоком, приходится повышать напряжение, что, конечно, негативноотражается на характеристиках транзистора и всей микросхемы в целом.

Для того чтобы снизить сопротивлениемежду истоком и стоком, увеличивают высоты этих областей (рисунок 6).

/>

Рисунок 6 — Уменьшение сопротивления истока и стока вSOI-транзисторах

Все усовершенствованияпленарных МОП-транзисторов были реализованы в новом поколении разработанных корпорациейIntel транзисторов, которые получили название терагерцевых транзисторов (рисунок7) — они способны переключаться 1012 раз в секунду.

/>

Рисунок 7 — Структура терагерцевого транзистора

Взгляд в будущее

Разработанные технологиитерагерцевого транзистора позволяют значительно улучшить характеристики планарныхтранзисторов и продолжить предсказанное Гордоном Муром сокращение их размеров,но от разработки транзистора до его практического использования в производствемикросхем проходит немало времени. Так, еще в декабре 2000 года корпорацияIntel объявила о создании МОП-транзистора с длиной канала 30 нм, в июне 2001года был создан транзистор с длиной затвора 20 нм, а в декабре того же года ужебыло объявлено о создании терагерцевого транзистора с длиной канала 15 нм(рисунок 8).


/>

Рисунок 8 — Планарные транзисторы с различной длиной канала

Однако ни один изразработанных транзисторов пока еще не используется в серийных микросхемах — это своего рода задел на будущее. Так, терагерцевый транзистор начнут использоватьв микросхемах лишь к 2005 году.

Корпорация Intel уделяетогромное внимание разработке новых, перспективных транзисторов. В сентябре 2002года было объявлено, например, о трехмерной конструкции транзистора с тройнымзатвором, которая обеспечивает более эффективный расход энергии по сравнению страдиционными пленарными транзисторами. Эта разработка знаменует собой началоэпохи неплоских трехмерных конструкций транзисторов, которые корпорация Intelпланирует принять на вооружение для поддержания темпов развития, согласующихсяс законом Мура, по окончании текущего десятилетия.

«Наши исследованияпоказали, что по преодолении рубежа в 30 нм физическая основа плоских пленарныхтранзисторов с одинарным затвором начинает давать утечку слишком большогоколичества энергии, что не позволит нам достичь желаемых целей в планепроизводительности, — говорит доктор Джеральд Марчик (Gerald Marcyk), директорлаборатории изучения компонентов Intel. — Конструкция транзистора с тройнымзатвором позволит Intel создавать сверхмалые транзисторы, которые обеспечат ещеболее высокую производительность при низком энергопотреблении и сделаютвозможным дальнейшее практическое воплощение закона Мура».

Структура тройногозатвора  многообещающая разработка для дальнейшего развития архитектурытерагерцевого транзистора. В основе транзистора корпорации Intel с тройнымзатвором лежит новаторская трехмерная структура, похожая на приподнятую горизонтальнуюплоскость с вертикальными стенками (рисунок 9).

/>

Рисунок 10 — Трехмерныйтранзистор напоминает катонную упаковку для яиц

/>

Рисунок 11 — Структура многоканального трехзатворноготранзистора

структура позволяетпосылать электрические сигналы как по «крыше» транзистора, так и по обеим его«стенам». За счет подобной схемы распределения тока эффективно увеличиваетсяплощадь, доступная для прохождения тока, следовательно, снижается егоплотность, а вместе с ней уменьшается и утечка. Тройной затвор строится на ультратонкомслое полностью обедненного кремния, что обеспечивает еще большее снижение токаутечки и позволяет транзистору быстрее включаться и выключаться призначительном снижении энергопотребления.

Особенностью этойконструкции также являются поднятые исток и сток — в результате снижаетсясопротивление, что позволяет транзистору работать при токе меньшей мощности.Транзистор с тройным затвором в миллимикронных геометрических конструкцияхработает не только более эффективно, но и более быстро, проводя на 20% большетока по сравнению с традиционной планарной конструкцией, имеющей аналогичныйразмер затвора. Одним из важнейших преимуществ транзисторов с тройным затворомявляется возможность их производства с помощью существующего нынелитографического процесса.

«Наш транзистор с тройнымзатвором внешне напоминает картонную упаковку для яиц» (рисунок 10), —такойнеожиданный образ для сделанного открытия нашел Роберт Чау (Robert Chau),почетный сотрудник Intel и директор лаборатории по исследованию транзисторов.Интересно, что, когда он выступал с рассказом о новом транзисторе перед ученымивсего мира на одной из крупнейших технологических конференций, в кулуарах то идело звучал риторический вопрос: «Почему же нам это не пришло в голову?!»

Использование трехмернойархитектуры транзистора позволяет производить многоканальные трехзатворныетранзисторы (Multi-Channel Tri-Gate Devices).

В таких устройствах(рисунок 11) используется один трехмерный затвор, который сразу управляетпрохождением тока между несколькими парами истоков и стоков, то естьодновременно образует множество каналов. Такая архитектура в еще большейстепени позволяет повысить плотность размещения транзисторов на кристалле и,кроме того, повысить силу тока в транзисторе, поскольку суммарный ток, проходящийчерез транзистор, пропорционален количеству пар истоков-стоков в транзисторе.


Отладка кристаллов микросхем

Одно из важнейших условийстабильности работы системы — надежность и качество ее комплектующих. И впервую очередь это касается микропроцессоров и других современных микросхем.Еще на стадии проектирования проводится моделирование распространения сигналови синхронизации, а также моделирование на уровне компонентов, микросхемы исистемы в целом.

Например, только настадии разработки процессоры Intel проходят 176 квадриллионов (1015) цикловпроверки (Вообще, по ряду оценок, корпорация Intel реализует самую полную вотрасли программу испытаний процессоров и платформ, и совместно спроизводителями и разработчиками программного обеспечения работает надоптимизацией производительности и совместимости платформ. Intel тратит напроверку своей продукции более 300 миллионов долларов в год, этой работойзанято более 2500 сотрудников корпорации по всему миру). А после выпускаобразцов проводится строгое тестирование на уровне системы и проверкаэлектрических параметров, а также всестороннее испытание на совместимость,охватывающее более двадцати операционных систем, полутора сотен периферийныхустройств и четыреста приложений. Проверка включает более 250 тысяч отдельныхтестов с использованием более чем шестисот программных приложений и длитсяпримерно 6–8 недель круглые сутки. Мобильные эталонные платформы проходятпримерно 26 тысяч часов дополнительного тестирования и испытаний — в частности,средствами управления энергопотреблением, в более широком диапазоне условийсреды и пр.

Серьезнее всегопроверяется «сердце» компьютера — процессор. Скажем, процессор Pentium 4проходит 1 триллион случайных проверок инструкций в неделю, 2 тысячи тестов насовместимость с предыдущими архитектурами, 2450 тестов функций процессора,нагрузочное тестирование системы ввода/вывода с миллионами вариантов функцийнабора микросхем, расширенное тестирование случайных команд для конвейерапроцессора. Это гарантирует совместимость и оптимальную производительность дляширочайшего спектра операционных систем и приложений, сетевых устройств иаппаратных компонентов.

Между тем процесстестирования и отладки современных микросхем постоянно усложняется — ведьрастет функциональная насыщенность кристаллов, уменьшается размер транзисторов,увеличивается их число. Но следствием того же закона Мура является и роствероятности появления багов (ошибок) в кристаллах! Именно по причине огромногоколичества интегрированных в микросхему транзисторов и их крошечного размеравопросы надежности и качества их работы выходят на первый план. Для их решенияи упрощения отладки сложнейших кристаллов в опытном и серийном производствеведущие производители полупроводниковой продукции разрабатывают и широкоиспользуют различные методы контроля, анализа и коррекции. В их основу положенысамые современные научные достижения в области физики твердого тела, оптики идругих дисциплин. А в последнее время широко стали применяться инанотехнологии. В этой статье мы попробуем взглянуть на некоторые из такихметодов (их полный обзор занял бы не одну толстую книжку). И помогут нам в этомвизиты в святая святых корпораций Intel и AMD — их фабричные иисследовательские лаборатории.

 Intel Silicon Debug

В структуре деятельностиIntel есть такое понятие — Silicon Debug. Это отладка — обнаружение иустранение ошибок и неудачных мест в кремниевых кристаллах микросхем (для краткостидалее мы будем использовать английский термин, а не его перевод). МетодыSilicon Debug позволяют исправлять как блоки, так и отдельные транзисторы наповерхности кристалла. А учитывая наномасштабы элементов современных микросхем,такие действия превращаются в подлинное искусство, и их всё возрастающуюважность на современном этапе развития полупроводниковой промышленности труднопереоценить. Существует даже глобальная инженерная организация — CorporateQuality Network или CQN, которая занимается разработкой и поставкойинновационных, патентованных продуктов для решения подобных вопросов.

Методы Silicon Debugдолжны, во-первых, давать возможность обнаруживать проблемы в кристаллах,работающих на высоких частотах, — причем неразрушающим способом и в микромасштабах,а во-вторых, по возможности устранять их. И делать все это надо быстро, экономявремя разработки и отладки кристаллов, — например, проверить в работескорректированный кристалл до создания новых, исправленных фотолитографическихмасок. Сейчас эти методы тесно интегрированы в производственный процесс.

Традиционные способыдиагностики

В дрезденскихлабораториях AMD нам показали, как испытываются некоторые важные параметрымикропроцессоров последнего поколения (90-нм Athlon 64). Этим занимаются такназываемые Quality Lab и Material Analysis Lab. Во-первых, очень широкоприменяется так называемый «разрушающий» анализ. Дело в том, что многие важныепараметры производимых на фабриках микроструктур могут быть измерены толькоразрушающим способом. Для этого в готовых или полуготовых (при контроле настадии производства) кристаллах делаются поперечные сечения или разрезы.

А далее применяютсяшироко известные в физике методы — оптическая микроскопия, сканирующаяэлектронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия высокогоразрешения (TEM), рентгеновская дифракция (XRD), атомно-силовая микроскопия(AFM) и другие.

Анализ структур

Например, SEM являетсяочень распространенным, оперативным и удобным методом контроля геометрическихразмеров создаваемых структур — транзисторов, металлических слоев и омическихконтактов между ними (а в современных 130-нм и 90-нм процессорах AMD — 9 слоевмежсоединений и аж пять миллиардов контактов, и в их качестве и соответствииразмеров проектным нормам надо быть уверенным). На современных технологическихустановках такой электронный микроскоп дополнен ионной пушкой. При помощисфокусированного ионного луча (используются тяжелые ионы галлия) в нужном местекристалла делается небольшой надрез и «вытравливается» неглубокая и аккуратнаявертикальная канавка — чтобы под углом в электронный микроскоп было видносечение верхних слоев микросхемы и можно было определить характерные размерыразличных компонентов структуры. При помощи этой же аппаратуры можно определятьи некоторые электронные свойства структур, а также контролировать количестводефектов на поверхности пластины.

Аналогичным образом(ионной пушкой) делаются сечения и для более тонкого метода визуальногоконтроля — TEM. Этот метод чаще применяется для анализа сечений современныхнанотранзисторов, поскольку некоторые их размеры настолько малы (например, вобласти затвора, см. фото выше), что разрешения SEM просто не хватает. Тут жеможно сделать и элементный (химический) анализ атомарных слоев — например,измерить распределение азота в слое.

При помощи различныхтрадиционных методов поверхностного анализа измеряется профиль легированияслоев кремния атомами примеси (B, P, As) — концентрацию легирующих примесей впроцессе производства микросхем нужно уверенно контролировать, чтобы получитьp-n-переходы с заданными свойствами. Для анализа дефектов в поверхностном слоемонокристалла кремния служит SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometer).Фотоэлектронный микроскоп измеряет концентрацию азота в диэлектрике затвора.Все эти установки используют ультравысокий вакуум. Атомно-силовой микроскопопределяет шероховатость (неровность) поверхностей и размер зерен осаждаемых впроизводстве материалов.

 Электрические испытания

Помимо этого, влабораториях по контролю качества делаются различные электрические тестыготовых структур. Например, тесты на электромиграцию и диэлектрический пробой.

Полные тестыэлектромиграции в омических контактах и межсоединениях необходимы для того,чтобы определить качество омических контактов в межсоединениях микропроцессораи оценить время жизни всей структуры. Напомним, что межсоединения в современныхпроцессорах делают из меди, однако в местах омических контактов наносят тонкийпроводящий подслой (обычно его состав является ноу-хау компании). Наэлектромиграцию тестируются как новые технологии при их разработке, так итекущие — квалифицируются продукты перед их выпуском на рынок и образцысерийной продукции. Для вычисления времени жизни контактов поводятся тесты наповышенной температуре — при 350–360 градусах Цельсия. О времени жизни судят постепени омической деградации контактов в течение определенного времени (непринимая во внимание неомические нарушения) — при такой высокой температуре деградацияконтактов становится заметной уже через несколько дней или недель работы. Далеепроцесс экстраполируют на штатные рабочие температуры процессора (до 100градусов). Если получается более 100 тысяч часов (около десяти лет), продуктсчитается годным, если нет — партию кристаллов бракуют. Тестировать кристаллыможно прямо на неразрезанных пластинах.

Диэлектрический пробойподзатворного диоксида кремния — бич современных транзисторов. Посколькуподзатворный диэлектрик сейчас предельно тонок (1,4 нм или шесть атомарныхслоев в последних процессорах AMD; у Intel еще тоньше — 1,2 нм), то егоизолирующие свойства со временем ухудшаются. Особенно под действием достаточновысокого напряжения (около 1,4 В у современных настольных микропроцессоров [Чтосоответствует гигантскому электрическому полю — около миллиона вольт намиллиметровый промежуток. Например, виниловая изоляция бытовых электропроводоврассчитана на поля примерно в тысячу раз меньше. Физические механизмызависящего от времени диэлектрического пробоя подзатворного диэлектрика весьмасложны и неоднозначны, поэтому тут используют комплексную эмпирику. Время жизнипроцессоров «по диэлектрику» определяют при помощи трех параметровэкстраполяции — делаются стресс-тесты при повышенном напряжении (2,0–2,9 В), приповышенной температуре и на транзисторах большей площади. Полученные результатыэкстраполируются на реальные размеры и условия работы транзисторов (например,температуру 90 градусов и напряжение 1,4 В) и по спецификациям допустимого токаутечки вычисляется среднее время жизни. По словам одного из сотрудниковлаборатории AMD, для процессоров Opteron последнего поколения (90 нм) среднеевремя жизни оценивается (по этой характеристике) примерно в три года, но такое,казалось бы, малое время оправдывается требованиями нынешних пользователей —им, дескать, уже не нужны процессоры, живущие десять лет, поскольку апгрейд,как правило, требует их замены чаще.

 Бесконтактная диагностика микросхем

Идеальным тестовымприбором для проверки кристаллов является тот, который бы мог измерять каждоенапряжение, ток и температуру при определенных условиях. Методы контактныхмикрозондов здесь непригодны в силу очень многих причин (В первую очередь хотябы потому, что такой зонд не сможет «приконтачиться» непосредственно ктранзисторам на пластине — ведь они находятся под несколькими слоямиметаллизации и толстым слоем пассивирующего диэлектрика). Поэтому используютсябесконтактные — оптоэлектронные и тепловые.

Современная оптическаядиагностика кристаллов микросхем использует микрозонд с импульсным лазеромближнего инфракрасного диапазона (Laser Probe). Луч лазера проходит сквозьподложку кристалла микросхемы с обратной стороны (то есть там, где нет слоевметаллизации) и фокусируется на слое стоков-истоков и каналов работающих вреальном масштабе времени транзисторов. Слабый отраженный оптический сигналмодулируется исследуемым транзистором в соответствии с изменениями зарядов инапряжений в его канале и, таким образом, содержит информацию о его динамическойработе. Обработанные аппаратурой сигналы с оптического датчика представляютсобой осциллограммы с пикосекундным разрешением, амплитуда которыхпропорциональна напряжению на каждом из транзисторов (рисунок 12), чтопозволяет детально анализировать любой транзистор прямо во время реальнойработы микропроцессора! Кстати, все это проводится в специальных прецизионныхтермостатах, где можно испытывать кристаллы на пониженных и повышенныхтемпературах.

/>

Рисунок 12 — Отражение оптического сигнала от работающеготранзистора

Сканирующий лазерный лучможет дать контрастную (в градациях серого) карту транзисторов на выбранномучастке микросхемы с неплохим разрешением. Поскольку сейчас для этогоиспользуется ближний ИК-диапазон с длиной волны в районе 1 мкм (в областиоптической прозрачности кремния, иначе подложку насквозь не просветишь), то иразрешение этого метода — не лучше долей микрона (на виденных мной влабораториях Intel «живых» картинках можно было различить детали размером около0,15 мкм). Однако для целей отладки и обнаружения слабых мест этого вполнехватает, поскольку даже в самых современных микропроцессорах, производимых по 90-нмтехнологии, продольный (то есть от истока к стоку) размер транзистора (Такназываемый pitch (шаг), определяемый как расстояние между серединами контактовстока и истока транзистора. Pitch фактически является минимальным шагомразмещения транзисторов на кристалле. Тогда как реальная полная «длина»транзистора может быть и больше) составляет более 300 нм (А транзистор в данноманализе нужен только целиком, то есть различать области его затвора, стока иистока, имеющие, разумеется, меньше размеры, попросту не нужно). Более того,данная аппаратура применима и для будущих техпроцессов с нормами 65 и 45 нм,где размер транзистора (точнее, pitch) равен 220 и примерно 150 нмсоответственно.

Другим современнымбесконтактным методом анализа полупроводниковых структур является Time-ResolvedEmission (спектроскопия с временным разрешением). Дело в том, что современныеКМОП-структуры являются к тому же и активными оптоэлектронными приборами.Переключающиеся транзисторы излучают вспышки света, хотя этот свет и очень слаб— один инфракрасный фотон испускается примерно за 10 тысяч переключенийтранзисторов. Тем не менее, подсчет этих фотонов во времени делает возможнымполучение осциллограмм работы транзисторов, используя полностью пассивный(«неагрессивный») режим (Напомним, что в предыдущем случае использовалсяоблучающий лазер, который мог определенным паразитным образом воздействовать наобъект исследования). Здесь также возможно достижение пикосекундного разрешенияво времени и субмикронного в пространстве, причем для двумерных карт фрагментовмикросхем (на экране можно видеть переключающиеся блоки и транзисторы, см.фото). Кроме того, снимаются и своеобразные электрокардиограммы(Электрокардиограммы — медицинское понятие, осциллограммы электрическихимпульсов животного организма во времени, снятые в разных его точках) сигналовtime-resolved emission для отдельных транзисторов.

/>

Рисунок 13 — «Электрокардиограмма» кристалла

Третьим интереснымсовременным диагностическим методом Silicon Debug является активное воздействиена приборы при помощи лазера (Laser-Assisted Device Alteration). Основная идеяметода — лазер сканирует по поверхности кристалла работающей в режиме обычного(электронного) теста микросхемы, и когда луч попадает на элемент (транзистор),работающий в критическом режиме (с малым запасом надежности), тест дает сбой.Тем самым определяются наиболее «слабые» участки чипа, работа которых снаибольшей вероятностью приведет к сбою всей микросхемы. Этот тест можноразнообразить, меняя рабочие напряжения и частоты функционирования микросхемыво время лазерного сканирования.

Методы Laser Probe иTime-Resolved Emission широко применяются для обнаружения единичных отказовлогики, сбоев из-за паразитных емкостных, индуктивных и резистивныхперекрестных связей и из-за шума источника питания. Третий метод болееэффективен при дефектах типа всплесков dI/dt, низковольтных колебаний инестабильности питания (то есть там, где КМОП-ячейка недостаточно надежнофиксирует уровни логических 0 или 1). Разумеется, в дополнение к этим новейшимметодам применяются и более традиционные, разрушающие способы диагностикиструктур — см. врезку.

 Кремниевая нанохирургия

Для устраненияобнаруженных дефектов на предварительном этапе отладки кристаллов в Intelшироко используется так называемая кремниевая нанохирургия (nanosurgery). Делов том, что на чипах микросхем предусматривается некоторое место (в различныхобластях по всей площади кристалла) для размещения «свободных», то естьнезадействованных в основной схеме транзисторов. Точнее даже не транзисторов, афункциональных КМОП элементов — вентилей, линий задержки, триггеров и пр. Если,например, в процессе диагностики обнаружился дефект и моделирование накомпьютере показывает, что этот дефект можно устранить, внедрив дополнительныйэлемент в схему (скажем, простейшую линию задержки, состоящую из двухлогических инверторов), то далее для проверки этого предположения «в железе»применяется нанохирургия, которая позволяет «вставить» резервный элемент прямов основную схему на кристалле, разрезав соединения, где это потребуется. Этоподобно тому, как при лабораторной отладке радиоэлектронных схем (материнскихплат, видеокарт и пр.) нужные радиоэлементы (транзисторы, резисторы и дажемикросхемы) впаиваются в нужные участки — порой, «в навал» на уже готовуюплату, если заранее места для них не предусмотрено. Но в кремниевойнанохирургии эти операции, разумеется, имеют многократно большую сложность и донедавнего времени были практически невозможны — для исправления каждого бага(или группы багов) приходилось изготавливать новую партию дорогостоящихфотомасок, выпускать пробную партию кристаллов (а это занимает несколько недель)и повторять все это снова и снова, если проблемы оставались.

/>

Рисунок 14 — Операция исправления багов

Итак, для проведения«нанохирургии» с обратной стороны кремниевого кристалла (в подложке) ступенчатовытравливаются углубления в форме квадратных обратных пирамид (рисунок 14). Дляселективного травления используется сфокусированный ионный пучок и специальныйгаз-реагент. Точное место травления — прямо «под» нужным элементом — определяетсяоптическими методами, описанными выше, причем в процессе травления положениеямки постоянно уточняется и корректируется с тем, чтобы на финальной стадиинебольшое (диаметром в единицы микрон и даже меньше) углубление попало точно внужный металлический контакт (с обратной его стороны). После того как ямка«прорыта» до контакта со схемой, в нее «заливается» металл (например, вольфрам)— до образования надежного электрического контакта со схемой. После этогополученные металлические контакты к разным участкам схемы можно соединить междусобой в нужной последовательности, осаждая (напыляя) перемычки с тыльнойстороны кремниевой пластины (см. фото) — прямо как напайка дополнительныхпроводков на печатную плату.

Модифицированная такимспособом электронная схема кристалла тщательно проверяется заново (включаяоперативную бесконтактную диагностику), и если исправление дефектовпервоначального проекта прошло успешно, разрабатываются новые фотошаблоны,учитывающие опробованные изменения. Если же процедура исправления не далаудовлетворительных результатов, «нанохирургическую» операцию можно повторятьснова и снова (и занимает она, кстати, всего несколько часов) — до тех пор,пока не найдется надежный путь исправления дефекта. Таким образом, экономитсяуйма времени и средств, которые бы ушли на исправление, если действоватьтрадиционными методами (через новые фотомаски и кристаллы). Более того, этимспособом можно быстро исправлять целую последовательность проблем, каждая изкоторых может быть обнаружена только после исправления предыдущей. И экономиятут будет просто колоссальная.

Кстати, для проведенияподобных процедур прямо на готовых, помещенных в корпус кристаллах очень удобнаименно та упаковка, которая применяется микропроцессорной индустрией последниенесколько лет — Flip-Chip (FC-BGA). В ней кристалл расположен подложкой кверхуи все операции с обратной стороны чипа легко проводить даже при включенной втестовый стенд микросхеме (а порой — тут же установить исправленный кристалл вматеринскую плату и запустить Windows — это не шутка).

Описанный способ широкоприменяется при устранении проблем трех уровней:

·    ошибкифункционирования

·    недостаточнаяпроизводительность

·    проблемы сэнергопотреблением

В частности, удаетсядостаточно оперативно повысить рабочие частоты кристаллов (после чеговыпускается, например, новый степпинг процессора по новым фотошаблонам),снизить потребляемую мощность, увеличить выход годных кристаллов с заданнымипараметрами. Например, для анализа и устранения проблем энергопотребленияприменяется так называемый инфракрасный микроскоп IREM (InfraRed EmissionMicroscope), который позволяет наблюдать участки повышенного нагрева кристаллав работе (вплоть до отдельных транзисторов или логических блоков).

Полученныетермомикрограммы используются для поиска мест повышенных утечек в кристалле,наиболее разогревающихся элементов при высокой частоте работы, и для выработкинужных решений по улучшению кристаллов.


Заключение

В работе были рассмотренынекоторые аспекты, связанные с развитием микропроцессорной техники.

Специалисты компанииIntel оценивают возможность дальнейшей миниатюризации весьма оптимистично.Дальнейшее совершенствование технологий ИС связано с большими трудностями ифинансовыми затратами, но разработки в этой области активно ведутся и, скореевсего. Это процесс будет продолжаться еще несколько десятков лет.


Список используемых источников

1.    Сергей Пахомов.Экспансия закона Мура//Компьютер пресс. — 2003. — №1. — С.16-22.

2.   Сергей Пахомов.Эра трехмерных транзисторов//Компьютер пресс. — 2003. — №1. — С.34-38.

3.   АлександрКарабуто. Отладка кристаллов микросхем//Компьютера. — №37. — 2004.

еще рефераты
Еще работы по информатике, программированию