XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Мы давно привыкли к этим вещам и часто даже не задумываемся над тем, сколько труда и инженерной мысли было вложено в создание одного такого чипа, первого тестового образца, чтобы затем конвейер и роботизированные системы размножили его в десятки, сотни тысяч и даже миллионы копий. В данной статье я расскажу о том, какие основные этапы проходит обычный кварцевый песок, чтобы однажды превратиться в кремниевое сердце видеокарты или мобильного телефона.

Транзистор — это переключатель с электрическим управлением, который может включаться и отключаться подачей или отключением напряжения на затворе. Существует два вида транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток, когда затвор включён, а pMOS-устройства пропускают ток при выключенном затворе. Базовая структура процессора — это транзисторы, созданные из кремния. Кремний — это полупроводник, потому что он занимает промежуточное положение — не проводит ток полностью, но и не является изолятором.

Рис1. Копия первого в мире работающего транзистора

Рис2. Физическая структура инвертора в кремнии. Области разных цветов имеют разные свойства проводимости. Заметьте, как разные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа

В качестве замены кремния наряду с германием большим потенциалом обладают так называемые 2D-моно­структуры, состоящие из одного слоя атомов. Самая известная из них — графен, часто называемый «чудо-материалом». Тем не менее это соединение углерода вряд ли подходит для производства процессоров: поскольку у материала практически отсутствует электрическое сопротивление, транзисторы из графена не могут просто включаться и выключаться.

Теперь надежды возлагают на двумерный материал силицен, состоящий из атомов кремния. Хотя производить его сложнее, чем графен, благодаря своей слегка волнистой структуре он обладает так называемой «запрещенной зоной» — характеристикой, которая делает материал «регулируемым».

Рис3. Вследствие волнистой структуры электроны атомов силицена, расположенных выше, имеют немного другое энергетическое состояние, чем электроны атомов, расположенных ниже. Таким образом, с применением силицена также возможно производить транзисторы.

Однако есть и проблема: силицен разлагается на воздухе через несколько минут. В настоящее время ученые лихорадочно работают над методами, которые позволят сделать материал более устойчивым. Уже высказаны первые предложения — например, нанесение защитного тефлонового слоя. В случае успеха дальнейшая миниатюризация процессоров могла бы стать безграничной.

Но как же все же происходит производство чипа в упрощенном виде, используя все тот же кремний?

Наносим слой кремния

Первое, что необходимо сделать, — создать на поверхности кремниевой подложки диаметром в 30 см дополнительный слой. Атомы кремния наращивают на подложку методом эпитаксии: они постепенно оседают на кремниевую поверхность из газовой фазы. Процесс протекает в вакууме, ничего лишнего здесь нет, поэтому в результате на поверхности образуется тончайший слой чистейшего кремния с той же кристаллической структурой, что и кремниевая подложка, только еще чище. Иными словами, мы получаем несколько улучшенную подложку.

Наносим защитный слой

Теперь на поверхности подложки надо создать защитный слой, то есть попросту окислить ее, чтобы образовалась тончайшая пленка оксида кремния SiO₂.

Ее функция очень важна: оксидная пленка в дальнейшем будет мешать электрическому току утекать с пластины. Кстати, в последнее время вместо традиционного диоксида кремния компания Intel стала использовать high-k-диэлектрик на основе оксидов и силикатов гафния, у которых более высокая по сравнению с оксидом кремния диэлектрическая проницаемость k. Слой high-k диэлектрика делают примерно в два раза толще, чем слой обычного SiO₂, за счет сужения соседних областей, но благодаря этому при сравнимой емкости ток утечки удается уменьшить в сто раз. Это позволяет продолжать миниатюризацию процессоров.

Наносим слой фоторезиста

На защитный слой оксида кремния необходимо нанести фоторезист — полимерный материал, свойства которого изменяются под воздействием излучения. Чаще всего в этой роли выступают полиметакрилаты, арилсульфоэфиры и фенлформальдегидные смолы, которые разрушаются под воздействием ультрафиолета (этот процесс называется фото-литографией). Их наносят на вращающуюся подложку, опрыскивая ее аэрозолем упомянутого вещества. В принципе можно также использовать электронный луч (электронно-лучевую литографию) или мягкое рентгеновское излучение (рентгеновскую литографию), подбирая к ним соответствующие чувствительные вещества. Но мы рассмотрим традиционный процесс фотолитографии.

Облучаем ультрафиолетом

Теперь подложка готова к контакту с ультрафиолетом, но не прямому, а через посредника — фотомаску, которая играет роль трафарета. По сути, фотомаска — это рисунок будущей микросхемы, только увеличенный в несколько раз. Чтобы спроецировать его на поверхность подложки, используют специальные линзы, уменьшающие изображение. Это дает поразительную четкость и точность проекции.

Ультрафиолет, проходя через маску и линзы, проецирует изображение будущей схемы на подложку. На фотомаске будущие рабочие участки интегральной микросхемы прозрачны для ультрафиолета, а пассивные участки — наоборот. В тех местах на подложке, где должны быть расположены активные структурные элементы, облучение разрушает фоторезист. А на пассивных участках разрушение не происходит, потому что туда ультрафиолет не попадает: трафарет он и есть трафарет. Химическая реакция, которая происходит в слое под воздействием ультрафиолета, очень похожа на реакцию в пленке, происходящую во время фотографирования. Разрушенный фоторезист легко растворяется, поэтому убрать с подложки продукты разложения несложно. Кстати, для создания одного процессора бывает необходимо до 30 различных фотомасок, поэтому этап повторяют по мере нанесения слоев друг на друга.

Травим

Итак, рисунок будущей схемы со всеми элементами размером вплоть до нескольких нанометров перенесен на поверхность подложки. Области, где защитный слой разрушился, теперь должны быть вытравлены. При этом пассивные участки не пострадают, поскольку они защищены полимерным слоем фоторезиста, который не разрушился на предыдущей стадии. Облученные области вытравливают либо химическими реагентами, либо физическими методами.

В первом случае, чтобы разрушить слой диоксида кремния, используют составы на основе фтористоводородной кислоты и фторида аммония. Жидкостное травление — дело хорошее, но есть проблема: жидкость так и норовит затечь под слой резиста на соседних пассивных участках. А в результате детали вытравленного рисунка по размеру оказываются больше, чем предусмотрено маской. Поэтому предпочтительнее сухой физический метод — реактивное ионное травление с помощью плазмы. Для каждого материала, подвергаемого сухому травлению, подбирают соответствующий реактивный газ. Так, кремний и его соединения травят хлор- и фторсодержащей плазмой (CCl₄ + Cl₂ + Ar, ClF₃ + Cl₂, CHF₃, CF₄ + H₂, C₂F₆). Правда, у сухого травления тоже имеется недостаток — меньшая по сравнению с жидкостным травлением селективность. К счастью, на этот случай есть универсальный метод — ионно-лучевое травление. Оно пригодно для любого материала или сочетания материалов и обладает наивысшей среди всех методов травления разрешающей способностью, позволяя получать элементы с размером менее 10 нм.

Легируем

Теперь настало время ионной имплантации. Она позволяет внедрить практически любые химические элементы в необходимом количестве на заданную глубину на протравленных участках, где обнажилась кремниевая подложка. Цель этой операции — изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объеме полупроводника для получения нужных свойств, например — требуемой плавности p-n-перехода. Самые распространенные легирующие примеси для кремния — это фосфор, мышьяк (обеспечивают электронную проводимость n-типа) и бор (дырочную проводимость p-типа). Ионы имплантируемых элементов в виде плазмы разгоняют до высоких скоростей электромагнитным полем и бомбардируют ими подложку. Энергичные ионы проникают в незащищенные участки, погружаясь в образец на глубину от нескольких нанометров до нескольких микрометров.

После внедрения ионов фоторезистивный слой удаляют, а полученную конструкцию отжигают при высокой температуре, чтобы восстановилась нарушенная структура полупроводника и ионы лиганда заняли узлы кристаллической решетки. В целом первый слой транзисторов готов.

Делаем окна

Поверх полученного транзистора необходимо нанести изолирующий слой, на котором тем же методом фотолитографии вытравливают три «окна». Через них в дальнейшем будут создаваться контакты с другими транзисторами.

Наносим металл

Теперь всю поверхность пластины покрывают слоем меди с помощью вакуумного напыления. Медные ионы проходят от положительного электрода (анода) к отрицательному электроду (катоду), роль которого играет подложка, и садятся на него, заполняя окна, созданные с помощью травления. Затем поверхность полируют, удаляя лишнюю медь. Металл наносят в несколько этапов, чтобы создать межсоединения (их можно представить как соединительные провода) между отдельными транзисторами.

Раскладка таких межсоединений определяется архитектурой микропроцессора. Таким образом в современных процессорах устанавливаются связи между примерно 20 слоями, формирующими сложную трехмерную схему. Количество слоев может меняться в зависимости от типа процессора.

Тестируем

Наконец наша пластинка готова к тестированию. Главный контролер здесь — зондовые головки на установках автоматической разбраковки пластин. Прикасаясь к пластинкам, они измеряют электрические параметры. Если что не так — помечают бракованные кристаллы, которые затем отбрасывают. Кстати, кристаллом в микроэлектронике называют единичную интегральную микросхему произвольной сложности, размещенную на полупроводниковой пластине.

Режем

Далее пластины разделяют на единичные кристаллы. На одной подложке диаметром 30 см помещается около 150 микросхем размером примерно 2х2 см. Для разделения пластину либо надрезают алмазным резцом или лазерным лучом, а потом разламывают по готовым надрезам, либо сразу разрезают алмазным диском.

Процессор готов!

После этого соединяют контактную площадку, обеспечивающую связь процессора с остальной системой, кристалл и крышку, отводящую тепло от кристалла к кулеру.

По личными (очень неточными) наблюдениям, на изготовление одного современного процессора, такого, например, как четырехъядерный Intel Core i7, необходимо затратить около месяца работы сверхсовременной фабрики и 150 кВт•ч электроэнергии. При этом масса кремния и химикатов, расходуемых на один кристалл, исчисляется максимум граммами, меди — долями грамма, золота для контактов — миллиграммами, а лигандов вроде фосфора, мышьяка, бора — и того меньше.

Использованная литература:

Панюшкин В.В. Как делают чипы?; https://hij.ru/read/4866/

CHIP Материалы для чипов будущего; https://ichip.ru/tekhnologii/materialy-dlya-chipov-budushhego-56839

Смирнов Е.А. Современные чипы – взгляд изнутри; http://www.nanometer.ru/2011/09/22/nanotechnology_262064.html

William Gayde How CPUs are Designed, Part 3: Building the Chip; https://www.techspot.com/article/1840-how-cpus-are-designed-and-built-part-3/

Код для цитирования: Скопировать