Teknologi mikroelektronika di jari: Hukum Moore, gerakan pemasaran, dan mengapa nanometer tidak sama sekarang. Bagian 1

Kemungkinan foto IceLake 10 nm. Sumber

Hal-hal aneh sedang terjadi di pasar prosesor. Pemimpin dunia dalam pribadi Intel telah berjuang untuk tahun kelima dalam upaya untuk beralih ke proses manufaktur 10 nm. Awalnya, mereka mengumumkan transisi ke 10 nm pada 2015, kemudian pada 2016, 2017 ... Di halaman 2019, dan 10 nm dari Intel dalam seri masih tidak ada. Ya, tidak, ada beberapa sampel percobaan / rekayasa, tetapi hasil yang tinggi adalah masalah. Transisi yang sebenarnya diharapkan sudah lebih awal dari tahun 2022 .

Sebenarnya, ini adalah alasan kekurangan prosesor Intel di pasar. Untuk mengatasinya, perusahaan memperluas produksi prosesor 14 nm yang dimodifikasi (Danau yang sama hanya dalam profil) dan bahkan kembali ke 22 nm. Tampaknya regresi jelas. Pada saat ini, Samsung Korea, TSMC Taiwan, dan AMD, yang bergabung dengan mereka dengan platform ZEN 2, melaporkan pengenalan sebanyak 7 nm dan akan beralih ke 5 nm. Mereka mengeluarkan "Hukum Moore" dari kabinet yang berdebu dan menyatakannya lebih hidup daripada yang hidup. Segera akan ada 3 nm, dan 2 nm, dan bahkan 1 nm ( sic! ) - pourquoi pas ?!

Apa yang terjadi Benarkah orang-orang Asia yang licik mengalahkan pendo terkutuk di industri utama? Bisakah saya membuka sampanye?

Penafian: Saya menemukan artikel ini secara tidak sengaja dan sangat kagum betapa kompeten dan detailnya mengungkapkan masalah mikroelektronika modern, khususnya, kematian hukum dan pemasaran Moore. Sekali waktu saya sendiri mencoba-coba menulis artikel tentang pembuatan chip , dan dalam seri artikel "Inside Look" saya bahkan melihat ke dalamnya, yaitu, Topiknya sangat menarik bagi saya. Secara alami, saya ingin penulis artikel asli untuk menerbitkannya di Habré, tetapi sehubungan dengan pekerjaan, ia mengizinkan saya untuk mentransfernya di sini. Sayangnya, aturan Habr tidak memperbolehkan copy-paste langsung, jadi saya menambahkan tautan ke sumber, gambar dan sedikit lelucon dan mencoba meluruskan teks sedikit. Ya, dan saya tahu dan menghormati artikel ( 1 dan 2 ) tentang topik ini dari amartologi .

Jadi, mari kita selesaikan masalahnya bersama. Kami akan berusaha semaksimal mungkin untuk mempelajari fisika dan teknologi, dan tidak mempelajari nuansa (yang namanya legion!). Deskripsi di bawah ini disederhanakan dan terkadang skematis. Tulis komentar, kami akan coba membahasnya secara konstruktif.

Kata Pengantar

"Tidak semuanya begitu mudah ..." putri seorang perwira sering berkata. Jika Anda melihat kepadatan transistor, maka hampir sama dalam teknologi 14 nm dari Intel dan teknologi 7 nm dari TSMC ( ooops !!! ). Dan bahkan kembalinya Intel ke 22 nm tidak berdampak besar pada kinerja. Apa-apaan ini Dengan semua aturan, transisi dari teknologi 14 nm ke 7 nm harus meningkatkan kepadatan transistor sebanyak 4 kali. Dan ini sesuai dengan ajaran Gordon Moore, yang peringatan 50 tahun hukumnya dirayakan baru-baru ini, dan di depan mata adalah peringatan ke-55!



Hukum Moore dilempari besi. Seperti yang Anda lihat, kami telah "menandai" di tempat selama sekitar 5 tahun.

Pada saat yang sama, berbagai pernyataan dibuat. Beberapa berpendapat bahwa "Hukum Moore" lebih relevan dari sebelumnya, dan mikroelektronika akan berkembang seperti sebelumnya. Ilmuwan, perancang, dan insinyur yang brilian akan mengatasi segala keterbatasan, bahkan hukum fisika. Orang membutuhkan pencapaian baru, dan itu tidak akan lama.

Yang lain mengatakan bahwa semua pria telah mencapai batas fisik, kami akan menjilat apa yang ada, tetapi ini normal. Ini sudah lama diperingatkan. Jadi kepala NVIDIA mengatakan selama CES 2019 bahwa hukum Moore sudah mati dan sekarang vektor (Huang tidak boleh dalam vektor, tetapi dalam tensor) pembangunan harus diubah. Spesialis litografi AMD dan GlobalFoundries setuju dengannya.

Faktanya, semua standar teknologi unit dan puluhan nanometer ini telah lama dipisahkan dari dimensi fisik dan telah menjadi lebih banyak elemen pemasaran. Setidaknya 15 tahun terakhir: setelah transisi dari 130 nm ke 90 nm. Saat itulah untuk pertama kalinya dihadapkan dengan keterbatasan bukan teknologi, tetapi fisik dasar. Para ahli, ngomong-ngomong, membicarakan hal ini, tetapi suara mereka yang tenang ditenggelamkan oleh siaran-siaran pemasar bravura yang berpura-pura tidak terjadi apa-apa, bahwa segala sesuatu berjalan dengan caranya sendiri, sesuai dengan ajaran Leni ... Dr. Moore.

Sayangnya, untuk pemasar, dan mungkin untungnya bagi kita, hukum Moore bukanlah hukum alam, tetapi pengamatan empiris yang dirumuskan pada tahun 1965 oleh salah satu pendiri Intel, Gordon Moore. Menurut pengamatannya, rangkaian microcircuits baru keluar dengan interval satu tahun, sementara jumlah transistor di dalamnya tumbuh sekitar 2 kali. Pada tahun 1975, undang-undang tersebut diamandemen, menurutnya, penggandaan harus terjadi setiap 24 bulan. Sejak itu, selama hampir 40 tahun, hukum Moore telah diangkat ke peringkat ikon dan spanduk untuk produsen mikroelektronika digital, yang kadang-kadang diputar (24 bulan berubah menjadi 36, sekarang mandek - lihat gambar di atas).

Sepanjang jalan, berbagai keterbatasan teknologi muncul yang memperlambat proses (transisi yang sama melalui batas difraksi). Atau terobosan yang memberi peningkatan tajam dalam miniaturisasi. Bagi pengamat luar, semuanya tampak seperti pertumbuhan yang stabil dalam kepatuhan penuh terhadap hukum Moore, dan tidak terkecuali upaya pemasar.

Fisika "Silikon Yang Mulia"

Saya akan mulai dengan silikon ode. Silicon hanya hadiah surga bagi produsen mikroelektronika. Tidak hanya itu, secara harfiah, di bawah kaki, silikon juga merupakan semikonduktor yang baik dengan parameter yang sangat cocok (dalam hal kombinasi karakteristik listrik, energi, dan fisik). Silikon murni hampir merupakan dielektrik, konduktivitas sepenuhnya ditentukan oleh konsentrasi pengotor. Ini memiliki konduktivitas termal yang tinggi, teknologi maju, dan tahan terhadap lingkungan yang agresif.


Bonus untuk silikon adalah oksida - silikon dioksida SiO ₂ . Ini adalah dielektrik yang hampir sempurna, dengan kekuatan dan kekerasan tinggi, tahan terhadap semua asam kecuali hidrofluorik (HF). Pada saat yang sama, asam hidrofluorik tidak melarutkan silikon itu sendiri, Anda tidak perlu takut untuk acar berlebih. Sebuah film oksida tipis terbentuk di permukaan silikon bahkan pada suhu kamar (secara alami, di udara). Untuk mendapatkan film oksida tebal, silikon dipanaskan atau pengendapan suhu rendah dari gas yang mengandung silikon digunakan. Pengendapan digunakan ketika lapisan sudah disimpan dalam kristal, dan pemanasan akan menghasilkan "corengan" topologi.

Kebosanan dari seorang ahli kimia, setahun sekali Sistem Berkala: langkah ke kanan - P, fosfor, oksida membentuk asam fosfat, ke kiri - Al, aluminium, logam, naik - C, karbon, oksida - gas, turun - Ge dengan prevalensi rendah di kerak bumi (kilo) sekarang biayanya ~ $ 1k).

Meskipun pembicaraan terus-menerus tentang akhir era silikon dan transisi ke semikonduktor lain, misalnya, struktur A ₃ B ₅ (gallium aresenide, gallium phosphide atau gallium nitride), silikon karbida, berlian, graphene dan lain-lain, karena mereka memiliki mobilitas elektron efektif yang lebih tinggi dan lubang, ketergantungan suhu yang lebih rendah, konduktivitas termal yang lebih tinggi, silikon berkuasa dalam mikroelektronika massa.

Ya, untuk A ₃ B ₅ dimungkinkan untuk membuat heterojunctions . Ini adalah ketika area di dalam transistor tidak hanya berbeda dalam jenis konduktivitas, tetapi juga dalam struktur fisik, yang memberikan peluang tambahan. Hal lain dianggap sama, sirkuit mikro gallium nitride dapat beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, tahan terhadap suhu tinggi, dan memberikan pembuangan panas yang lebih baik. Tapi sementara bahan ini hanya digunakan untuk elemen diskrit dan sirkuit mikro kecil. Untuk sirkuit mikro besar, kompleksitas teknologi membuat urutan harganya lebih tinggi daripada silikon. Ya, dan "setara lainnya" tidak diperoleh. Oleh karena itu, sirkuit mikro non-silikon alternatif memiliki spesialisasi yang sempit.

MOSFET

Pertimbangkan batu bata utama dari sirkuit mikro digital - transistor bidang datar (datar) dengan saluran terinduksi. Dia adalah MOS (logam-oksida-semikonduktor), dia MIS (logam-dielektrik-semikonduktor), dia MOS (logam-oksida-semikonduktor), dia MOSFET .


Tampilan skematis bagian dari transistor n-channel


Keuntungan dari transistor MOS adalah kekompakan. Tetapi ada juga kelemahan yang serius - konsumsi daya yang tinggi, karena dalam keadaan terbuka arus mengalir melalui transistor. Oleh karena itu, sejak tahun 1970-an, transistor CMOS ( MOS komplementer ) telah dominan dalam teknologi digital. Ini adalah transistor saluran-n dan saluran-n yang terhubung seri, dengan gerbang gabungan. Biasanya dilakukan dalam satu sel.


Jika kita memberi makan gerbang plus - transistor saluran-n terbuka, saluran-p ditutup. Tidak ada arus, minus pada output. Jika kita memberi makan gerbang dengan minus - transistor n-channel ditutup, p-channel terbuka. Tidak ada arus balik lagi, plus keluaran. Yaitu Elemen ini juga berfungsi sebagai inverter.

Ini adalah teknologi paling hemat energi. Dalam keadaan statis, elemen tidak mengkonsumsi apa-apa (kecuali untuk arus bocor tersesat), hanya arus switching yang dikonsumsi. Konsumsi daya hampir berbanding lurus dengan frekuensi chip (jumlah siklus pengisian ulang). Konsumsi daya yang rendah dan kekompakan menentukan dominasi teknologi CMOS dalam elektronik digital.

Sirkuit transistor bipolar pada awalnya memberikan kinerja yang lebih tinggi, tetapi lebih kompleks, mengambil lebih banyak ruang dan mengkonsumsi energi lebih besar. Saya harus mengatakan bahwa pilihan yang mendukung CMOS sepenuhnya terbayar. Hampir tidak mungkin untuk mendapatkan karakteristik seperti prosesor hari ini pada teknologi lain. Dan sementara alternatif tidak terlihat di cakrawala.

Fitur Topologi

Topologi chip dari chip dapat secara konvensional direpresentasikan sebagai selembar kertas besar di dalam sel, di mana batas-batas daerah digambar di sepanjang garis, dan ukuran teknologi adalah ukuran sel. Bahkan, untuk elemen yang tidak kritis, Anda juga dapat membuat inden setengah sel (aturan dua lambda), tetapi ini adalah nuansa.


Misalkan kita hidup dalam teknologi proses 3 mikron . Kemudian dua sel transistor kami 11d * 15d , seperti yang ditunjukkan di atas, akan memiliki ukuran 33 * 45 mikron . Tapi kemudian kami dalam kesulitan, beralih ke teknologi proses baru 1,5 mikron . Ukuran sel kami menjadi 16,5 * 22,5 mikron .Dan di mana satu sel dulunya cocok, sekarang sebanyak empat sel masuk. Pada saat yang sama, keempat sel ini mengkonsumsi arus sebanyak yang lama (pada frekuensi dan kepadatan arus yang sama). Bersama-sama dengan dimensi linier dari masing-masing transistor, kapasitansi dan resistansi parasitnya menurun, dan waktu transien selama pergantian menurun. Transistor semacam itu dapat beroperasi secara stabil pada frekuensi yang lebih tinggi dan tegangan suplai yang lebih rendah. Dan konsolidasi sejumlah besar elemen pada kristal tunggal meminimalkan kebutuhan untuk mengakses bus eksternal yang lambat.



Kami mendapatkan bahwa dengan mengurangi ukuran transistor adalah satu manfaat belaka dan tidak ada salahnya. Itulah sebabnya miniaturisasi telah menjadi tugas utama mikroelektronika digital sejak awal.

Apa izin teknis terbatas (itu juga norma desain)? Untuk melakukan ini, Anda perlu sedikit membahas teknologi pembuatan sirkuit mikro.

Proses teknis

Silikon monokristalin diperoleh dengan metode penarikan lambat dari lelehan ( metode Czochralski ). Pengotor yang diperlukan ditambahkan bahkan ke lelehan, yang memastikan paduan seragam ( catatan: Saya akan berdebat dengan penulis asli, karena silikon murni (relatif) ditanam menurut Czochralski, mereka sangat takut akan pengotor dari wadah, dan mereka menciptakan tingkat paduan yang diperlukan hanya di kemudian hari. piring itu sendiri, misalnya, dengan implantasi ion Cornelius Agrippa mengoreksi: pada kenyataannya, pengotor dapat ditambahkan langsung ke lelehan ketika pelat berkarat, sehingga piring segera didoping dengan pengotor (KEF, KDB dengan berbagai tingkat konduktivitas).) Implantasi ion digunakan kemudian, pada tahap pembuatan chip). Pada output, boule silinder kosong (boule) dengan diameter 200 atau 300 mm diperoleh, yang kemudian dipotong menjadi pelat tipis ( alias wafer ) dengan ketebalan sekitar 0,5-0,7 mm. Belakangan, puluhan dan ratusan sirkuit mikro terbentuk pada mereka dalam satu siklus teknologi. Ada upaya untuk beralih ke pelat dengan diameter 450 mm, tetapi sejauh ini belum berjalan. Terlalu sulit untuk mempertahankan kondisi proses yang sama di tengah dan di tepi piring (distribusi suhu, kotoran, dan sebagainya).

Kemudian, di sisi kerja pelat, lapisan tipis silikon dengan berbagai jenis konduktivitas terbentuk - lapisan epitaxial. Cara pembuatannya berbeda: misalnya dengan mengurangi silikon gas tetraklorida (SiCl ₄) Dalam hal ini, dopan ditambahkan ke gas. Lapisan yang dihasilkan melanjutkan struktur pelat kristal, tetapi memiliki jenis konduktivitas yang berbeda. Dalam contoh kami di atas, kami memiliki substrat silikon tipe-p dan lapisan epitaxial tipe-n. Kadang-kadang kantong tipe-n atau p dibuat pada substrat sebelum pertumbuhan epitaxial. Yang disebut lapisan tersembunyi.

Dan kemudian muncul proses menciptakan sumber, tiriskan, p-base, kontak dan membagi area di lapisan epitaxial. Inti dari proses teknologi adalah menghilangkan oksida di tempat yang tepat, membuka silikon itu sendiri, dan memasukkan kotoran yang diperlukan ke dalamnya. Kotoran dimasukkan oleh difusi atau implantasi ion .

Selama difusi, kristal silikon dengan jendela yang dibersihkan dari oksida ditempatkan di atmosfer yang mengandung pengotor gas, dan kemudian dipanaskan hingga suhu di atas 700 derajat Celcius. atom silikon dengan memanaskan mulai berosilasi dengan b tentang atom amplitudo proc eed dan pengotor diperkenalkan secara bertahap ke kisi silikon kristal seperti yang akan larut. Tingkat penggabungan secara eksponensial tergantung pada suhu. Pada prinsipnya, proses ini juga akan berlangsung pada suhu kamar, tetapi hanya akan memakan waktu bertahun-tahun untuk menunggu. Dengan menyesuaikan suhu dan durasi, kedalaman dan konsentrasi lapisan yang diinginkan diperoleh. Pemanasan selama operasi selanjutnya dapat mengikis lapisan yang sudah terbentuk, oleh karena itu, mereka mencoba untuk melakukan semua operasi suhu tinggi pada awal proses.

Keuntungan dari metode difusi adalah kesederhanaannya dan biaya yang rendah. Kelemahannya adalah bahwa selama difusi, pengotor dimasukkan tidak hanya jauh ke dalam kristal, tetapi juga di sepanjang sisi di bawah oksida. Dengan demikian, lebar sebenarnya dari pangkalan kurang dari yang ditarik oleh kami. Jika Anda berlebihan dengan pemanasan, sumber dan tiriskan di bawah gerbang akan menutup, dan transistor akan berubah menjadi resistor. Dengan ukuran elemen ratusan nanometer, difusi tidak digunakan.



Selama implantasi ion, atom-atom pengotor diionisasi, dipercepat oleh medan listrik, dan kristal silikon dihujani. Kecepatan ion dan ketebalan oksida dipilih sehingga ion menembus ke dalam silikon ke kedalaman yang diinginkan, tetapi tidak dapat menembus lapisan oksida. Ion pengotor membuat atom silikon keluar dari kisi kristal atau terjebak di antara kisi. Setelah implantasi, kristal dipanaskan untuk mengembalikan struktur kisi karena getaran termal atom. Suhu pemanasan lebih rendah daripada selama difusi, oleh karena itu, entri pengotor di bawah oksida terasa lebih sedikit.



Dan kadang-kadang untuk aplikasi khusus digunakan di mana keseragaman paduan yang tinggi diperlukan, seperti pada semikonduktor daya, implantasi digunakan dalam reaktor nuklir . Terima kasih untuk energi kamiselamat pencerahan nuklir masa kecil .

Litografi

Dan sekarang tentang proses utama dan paling menarik - litografi. Menggunakannya, pola lapisan dibuat pada permukaan silikon. Pertimbangkan litografi optik kontak paling sederhana (fotolitografi).



Langkah utama:

1. Film oksida terbentuk pada permukaan wafer silikon.
2. Pasta khusus diberikan di atas oksida - photoresist. Pelat tidak diputar dalam centrifuge sehingga photoresist menyebar secara seragam di atas permukaan.
3. . – . , , p- . ( .: -) .
4. . . , ( ) ( ). .
5. – .
6. . . , , ( shadowing effect).
7. .

Pada akhir operasi, kami memperoleh pelat dengan bagian oksida yang dihilangkan, yang dapat dikirim untuk difusi, implantasi ion atau pengendapan logam ( catatan: atau elektrodeposisi). Setelah membuat lapisan, oksida biasanya terukir dari seluruh area pelat dan yang baru disimpan.

Windows buat dari lebar ke sempit. Dalam kasus kami, urutannya adalah sebagai berikut - area pemisahan, p-pocket, lapisan p +, lapisan n +, jendela kontak dengan metalisasi, aplikasi rana, area kontak rana, lapisan pertama trek logam dengan area kontak di bawah lapisan kedua, lapisan kedua dari metalisasi, dll. . Dalam prosesor modern, metalisasi hingga 10-15 lapisan.

Contact photolithography digunakan pada awal mikroelektronika. Sekarang yang utama adalah proyeksi photolithography. Ini adalah ketika sistem lensa dan cermin ditempatkan di antara sumber radiasi dan photomask untuk membuat berkas penyempitan foton. Metode fotolitografi yang berbeda secara skematis ditunjukkan pada gambar di bawah ini: fotolitografi kontak, dengan celah, proyeksi melalui lensa, cermin proyeksi.



Keuntungan dari photolithography adalah kecepatan tinggi dan biaya rendah. Seluruh area pelat dengan semua sirkuit mikronya terbuka sekaligus, dan prosesnya memakan waktu beberapa menit. Atau kuadrat dari beberapa mikrosirkuit diikuti dengan pergeseran lempeng.

Selain fotolitografi, ada jenis lain - elektronik, x-ray dan ionik. Yang paling menarik adalah litografi elektronik (misalnya, proyek Mapper, yang ditulis BarsMonster ).

Dengan litografi elektronik, paparan resistansi dilakukan bukan oleh cahaya, tetapi oleh seberkas elektron. Dalam bentuknya yang paling sederhana, itu menyerupai pembentukan gambar pada tabung gambar CRT . Dari semua jenis litografi, ini adalah litografi elektronik yang memberikan gambar paling jelas dan resolusi tertinggi. Kerugiannya adalah waktu pencahayaan yang lama. Dalam teknologi modern, berkas elektron memiliki ketebalan beberapa nanometer dan bahkan sebagian kecil dari nanometer, dan diameter pelat adalah 300 mm. Secara alami, tidak satu bundel digunakan, tetapi puluhan ribu dikontrol oleh komputer. Namun diperlukan fluks elektron total yang sangat kuat. Sebagai perbandingan, energi kuantum radiasi UV adalah beberapa eV , energi elektron dalam balok adalah beberapa ribu elektron volt.

Selain itu, elektron bermuatan listrik dan saling tolak, yang mengarah pada divergensi berkas. Tentu saja, dimungkinkan untuk meningkatkan kecepatan elektron, tetapi kemudian mereka akan menembus resistansi melalui atau memantulkan dengan kecepatan tinggi ke arah yang sewenang-wenang, menyebabkan radiasi sekunder ( Elektron Sekunder ) dan, karenanya, terpapar. Semua ini membatasi penggunaan teknologi.

Litografi elektronik digunakan untuk membuat foto-foto. Waktu pencahayaan untuk satu photomask adalah beberapa hari. Oleh karena itu, fotolitografi mendominasi dalam produksi sirkuit mikro.

Satu set topeng foto modern untuk sebuah prosesor berharga puluhan juta dolar. Tidak mengherankan, mengingat bahwa prosesor modern mengandung miliaran transistor, dan ada ratusan prosesor di atas piring. Selain itu, jendela di photomask modern tidak hanya lubang di material, tetapi sering juga material lain dengan sifat optik tertentu. Seperangkat topeng foto yang sebenarnya terdiri dari puluhan topeng. Pada proses manufaktur terbaru, lebih dari 50 ( sic! ).

Tetapi mereka memungkinkan Anda untuk cap microchip seperti kue panas. Selama masa pakainya, satu set templat foto memungkinkan Anda mendapatkan ratusan ribu atau bahkan jutaan microchip pada outputnya.

Jadi apa yang membatasi ukuran teknologi proses?

4 kelompok faktor dapat dibedakan secara kondisional:

• Perangkat keras dan teknologi. Terkait dengan resolusi perangkat keras.
• Fisika proses teknologi. Ini ditentukan oleh keterbatasan fisik dari proses tertentu, yang dapat dielakkan dengan perubahan teknologi atau bahan.
• Fisik. Ini adalah keterbatasan yang tidak dapat dielakkan, tetapi dampaknya dapat diminimalisir.
• Fisik ekstrem.

Keterbatasan Perangkat Keras dan Teknologi

Keterbatasan jenis ini sangat menentukan pada tahap awal mikroelektronika. Terutama mengacu pada produksi "kamar bersih", peralatan canggih untuk proses teknis, instrumentasi (yang penting untuk kontrol kualitas produk). Misalnya, fotolitografi membutuhkan optik yang sangat presisi, mikroskop yang kuat, mekanisme untuk menggabungkan topeng dan pelat dengan akurasi fraksi nanometer, atmosfer ultra murni atau vakum selama paparan, dan sebagainya. Hal ini diperlukan untuk menahan parameter proses teknologi dengan sangat akurat - suhu, durasi, komposisi atmosfer, daya radiasi, persiapan permukaan.

Sekarang keakuratan peralatan bukan merupakan faktor pembatas. Bukan karena ini masalah sederhana. Cukup dengan melihat diagram proyeksi modern atau mirror photolithography untuk memahami tingkat kerumitan. Tapi di sini benar-benar terjadi ketika tidak ada hambatan untuk desainer dan insinyur berbakat.

Masalah dengan teknologi biasanya relevan di seri pertama. Dengan perubahan dalam norma proses teknis, tidak hanya horisontal, tetapi juga dimensi vertikal, dan konsentrasi pengotor, dan proporsi zona aktif berubah. Dan sekarang, dengan setiap langkah baru, fisika proses juga berubah. Secara alami, semua parameter dihitung dan dimodelkan sebelumnya, tetapi kenyataan selalu membuat penyesuaian. Oleh karena itu, untuk seri pertama, hasil 3% dari sirkuit yang sesuai (97% rusak) dianggap sebagai norma. Secara bertahap, proses teknologi dioptimalkan dan persentase hasil yang sesuai untuk seri terakhir menjadi lebih dari 90%.

Fisika proses teknologi

Selama lebih dari 30 tahun, hingga saat ini, faktor-faktor inilah yang membatasi. Saya telah membuat daftar beberapa batasan ini - masuknya pengotor di bawah oksida selama difusi, menggerogoti oksida di bawah photoresist selama etsa, dan erosi lapisan yang sudah diendapkan selama proses termal.

Metode solusi juga dijelaskan sebagian.

Difusi digantikan oleh implantasi ion. Plus, untuk lapisan terkecil, bahan pengotor diubah - alih-alih fosfor, arsenik digunakan, bukan galium boron. Atom mereka lebih besar dan lebih berat, oleh karena itu mereka larut dalam silikon pada suhu yang sama (dan yang paling penting, lebih sulit bagi mereka untuk berdifusi!). Untuk implantasi ion, ini tidak penting, tetapi pada pemanasan berikutnya, lapisan seperti itu terkikis jauh lebih lemah.

Produksi oksida dengan pemanasan telah menggantikan endapan katalitik suhu rendah dari gas. Pemanasan digunakan, tetapi hanya di awal, sementara kristal itu bersih. Dalam beberapa operasi, silikon nitrida (Si ₃ N ₄ ) atau lapisan oksida dan nitrida berturut-turut digunakan sebagai pengganti oksida.

Etsa asam cair diubah menjadi etsa ion. Asam hanya digunakan untuk menghilangkan oksida dari seluruh area.

Masalah lain adalah produksi oksida ultra murni untuk dielektrik gerbang. Oksida ini tetap sebagai elemen kerja pada chip, dan memiliki persyaratan tinggi untuk kemurnian dan keseragaman. Ketebalan oksida di tempat kurang dari 10 lapisan atom. Cacat kecil menyebabkan tusukan atau kerusakan. Ini memberi penutup elektrik pada penutup ke dasar dan kegagalan elemen. Untuk beberapa waktu, pergantian lapisan oksida dan silikon nitrida digunakan. Dalam teknologi 90 nm, hafnium oxide HfO ₂ digunakan sebagai dielektrik gerbang.

Omong-omong, selama USSR justru masalah dengan memperoleh oksida berkualitas tinggi yang memperlambat transisi ke CMOS. Karenanya pencarian jalur alternatif dan kelambatan umum dalam mikroelektronika digital.

Operasi yang paling kritis adalah fotolitografi. Sedemikian rupa sehingga sejauh ini banyak yang memberi tanda yang sama antara resolusi seluruh proses teknis dan resolusi fotolitografi. Dan masalah utama fotolitografi sejak akhir 1980-an adalah difraksi cahaya. Lebih tepatnya, radiasi ultraviolet, walaupun prinsipnya sama. Tidaklah berlebihan untuk mengatakan bahwa selama 30 tahun perjuangan untuk mengurangi ukuran proses teknologi pada dasarnya adalah perjuangan melawan difraksi.

Difraksi cahaya ditemukan kembali pada abad ke-18 oleh ayah para pendiri optik:


Ketika menembus ke dalam lubang, sinar cahaya dan radiasi elektromagnetik lainnya (EMP) menyimpang dari jalan lurus, menyimpang dan menembus ke daerah bayangan. Fenomena ini diamati pada ukuran lubang dekat dengan panjang gelombang. Semakin kecil lubang dibandingkan dengan gelombang, semakin kuat dispersinya. Aturan ini valid hingga jarak panjang gelombang seperempat. Lubang kurang dari seperempat panjang gelombang, sinar EMP hanya "tidak melihat" dan tercermin dari permukaan dengan celah kecil seperti dari yang padat.

Panjang gelombang LED silikon sekitar 1 μm (inframerah dekat), panjang gelombang cahaya tampak dari 780 nm (merah) hingga 380 nm (ungu). Kurang dari 380 nm, radiasi ultraviolet (UV) dimulai. Emitter yang digunakan saat ini dalam fotolitografi memiliki panjang gelombang 248 nm dan 193 nm, ini adalah radiasi laser excimer (misalnya, pada XeF ₂ ). Dengan demikian, masalah difraksi naik ke ketinggian penuh setelah mengatasi bar teknologi 3 mikron, dan setelah 800 nm mereka menjadi dominan. Karena difraksi selama paparan, UVI memasuki area di bawah topeng buram dan menerangi photoresist dalam bayangan. Hasilnya, alih-alih kotak yang jelas, kami mendapatkan panekuk yang buram.

Selain erosi jendela, ada efek tumpang tindih (gangguan) gelombang samping untuk jendela yang berjarak dekat. Puncak suar muncul jauh di bawah bagian reflektif dari photomask.


Optik - hatimu ...

Metode apa yang digunakan untuk memerangi fenomena ini?

Langkah pertama adalah menggunakan photolithography proyeksi. Jika sangat disederhanakan, sebuah lensa dipasang antara photomask dan pelat, yang mengumpulkan sinar yang berbeda dan memfokuskannya pada photoresist.



Metode lain adalah mengurangi panjang gelombang radiasi paparan. Pada suatu waktu, mereka mulai dengan lampu merkuri busur dengan panjang gelombang radiasi 436 nm - ini adalah cahaya biru. Kemudian 405 nm (violet), 365 nm (near ultraviolet). Pada ini, era lampu merkuri berakhir, penggunaan laser excimer dimulai. Pertama, 248 nm (ultraviolet sedang), kemudian 193 nm (ultraviolet dalam). Pada proses ini dan terhenti.

Faktanya adalah bahwa mereka mencapai batas transmisi optik kuarsa. Gelombang yang lebih pendek menyerap kuarsa. Itu perlu untuk beralih ke sistem cermin, atau menggunakan lensa dari bahan lain. Instalasi eksperimental pada 157 nm dibuat berdasarkan optik kalsium fluorida. Namun, mereka tidak pernah masuk ke seri. Karena ada cara untuk mengoptimalkan litografi 193 nm.


Infografis visual pada laser. Sumber

Litografi EUV

Pada pertengahan 1990-an, mereka mengembangkan photolithography standar pada ultraviolet ekstrem ( litografi EUV ) dengan panjang gelombang 13,5 nm. Panjang gelombang ini memungkinkan untuk memberikan resolusi dalam satuan nm.

Pada awal 2000-an, sampel eksperimental pertama kali muncul.

Pada akhir tahun 2000-an, teknologi seharusnya menjadi seri. Dan akhirnya, muncul kabar bahwa pada 2019 Samsung dan Taiwan TSMC akan beralih ke litografi EUV. Kurang dari 15 tahun telah berlalu ( sic! ). Intel menjadi antagonis utama litografi EUV, meskipun pada awalnya merupakan salah satu penggagasnya. Menyadari bahwa segala sesuatu yang mungkin diperas dari UVI 193 nm, mereka mengumumkan transisi ke 126 nm (ha ha!).

Apa alasan penolakan ini?

Faktanya adalah bahwa 13,5 nm sudah praktis radiasi x-ray. Batas antara UVI dan X-ray secara konvensional dianggap 10 nm, tetapi ultraviolet tidak berbeda dari sinar-X lunak dalam perilaku 13,5 nm. Oleh karena itu, litografi EUV lebih seperti x-ray. Lensa untuk panjang gelombang seperti itu tidak ada di alam, oleh karena itu, perlu untuk beralih ke cermin dari lapisan logam yang heterogen.

Selain menghasilkan struktur yang sangat tipis dan kompleks, cermin logam menyerap sebagian besar radiasi. Unit persen dari daya radiasi awal mencapai photoresist. Jika kita memperhitungkan bahwa efisiensi emitor itu sendiri juga beberapa persen, maka untuk mendapatkan waktu pemaparan yang normal, dibutuhkan daya tinggi dan konsumsi energi tinggi ( ooops! ).


Ini adalah ASML EUV Scanner

Sumber radiasi adalah plasma. Zat yang sangat berubah-ubah, dari mana sulit untuk mencapai aliran yang seragam tanpa denyut. Bahkan udara secara aktif menyerap 13,5 nm, sehingga paparan hanya dapat dilakukan dalam ruang hampa.

Masalah dengan pemilihan photoresist. Semakin pendek panjang gelombang, semakin tinggi energi foton. Sumber-sumber sebelumnya memberi energi dalam satuan volt elektron, ini adalah energi biasa dari reaksi kimia. Energi foton untuk gelombang 13,5 nm adalah 92 elektron volt. Ini adalah energi pengikat elektron dalam. Menyerap foton seperti itu, elektron menjadi sangat "panas", mulai tergesa-gesa, memancarkan energi berlebih dan menyebabkan paparan sekunder menjauh dari jendela. Oleh karena itu, pemilihan photoresist dengan set parameter yang diinginkan juga merupakan tugas yang sulit.



Hasil simulasi Monte Carlo dari perjalanan elektron dalam silikon dengan energi 20 dan 5 eV. Sumber

Kesulitan-kesulitan ini menentukan alasan mengapa mereka menunda transisi ke EUV sampai yang terakhir.

Metode aktual untuk memerangi difraksi

Jadi, sampai saat ini, UVI yang sama dengan panjang gelombang 193 nm digunakan sebagai sumber radiasi. Hingga teknologi 10 nm dan 7 nm. Dan sekarang kita ingat bahwa radiasi tidak dapat menembus celah jika lebarnya kurang dari seperempat panjang gelombang. Untuk 193 nm adalah 48 nm. Muncul pertanyaan - BAGAIMANA?!

Ini adalah keajaiban kecil yang dilakukan para insinyur. Mereka menggunakan metode polarisasi radiasi.

Kami mengambil celah sempit persegi panjang (dengan lebar kurang dari seperempat panjang gelombang) dan mengarahkan cahaya ke sana, terpolarisasi sepanjang sumbu. Cahaya akan melewati celah, bahkan difraksi dalam arah melintang akan diabaikan.



Dan sekarang kita ambil 2 slot tegak lurus: horisontal dan vertikal. Pertama, kita menyinari photoresist dua komponen dengan cahaya terpolarisasi melalui celah vertikal, dan kemudian melalui yang horisontal. Hanya area yang diradiasi 2 kali yang muncul. Sama seperti semua yang cerdik.

Benar, Anda harus menggunakan template foto 2 kali lebih banyak dan 2 proses eksposur untuk membuat satu jendela. Tetapi Anda dapat menggunakan optik kuarsa tua yang baik dan photoresists yang telah terbukti selama bertahun-tahun. Ini adalah twist!

Ada cara lain untuk memerangi difraksi ...

Koreksi kedekatan optik. Bentuk jendela photomask dibuat non-persegi panjang untuk mengkompensasi cacat selama difraksi.


Metode koreksi kedekatan optik skematis ...

Penggunaan masker pemindah fase. Pada sisi-sisi jendela utama photomask lakukan bantu, materi yang menggeser fase gelombang. Ketika gelombang diterapkan ( gangguan ), mereka sebagian memotong perpindahan lateral satu sama lain.



Pencahayaan off-axis. Balok tidak jatuh tegak lurus ke permukaan pelat, tetapi dari dua sumber dengan sedikit sudut. Saat menerapkan sumber, perpindahan lateral dikompensasi sebagian.

Beberapa paparan. Sebagai contoh, kita perlu membuat eksposur enam jendela terdekat. Pertama-tama kita mendorong eksposur dari 1, 3 dan 5 windows. Dan kemudian 2, 4 dan 6. Ini meningkatkan jumlah siklus eksposur dan template foto sebanyak 2 kali, tetapi masih lebih baik daripada tidak sama sekali. Mengingat polarisasi horizontal dan vertikal, kami mendapatkan 4 siklus paparan untuk membuat satu lapisan.

Jadi, jika kita melihat pada photomask modern, maka kita tidak akan melihat area dari rangkaian mikro dalam bentuk eksplisit. Akan ada satu set angka horisontal dan vertikal, yang, ketika ditumpangkan, akan memberikan gambar. Sebenarnya, karakter Cina yang solid: mungkin itu sebabnya Cina menduduki produksi mikroelektronika ?!

Setelah 45 nm, mereka beralih ke photolithography perendaman. Ini terjadi ketika ruang antara lensa ekstrim dan fotoresis diisi dengan cairan. Awalnya itu air. Sekarang cairan khusus dengan indeks bias tinggi (hingga 1,8). Cairan mengurangi panjang gelombang efektif dan menetralkan pembiasan cahaya pada antarmuka media.

Ini adalah bagaimana mereka mencapai resolusi ~ 10 nm. Tetapi ini tampaknya menjadi batas untuk litografi 193 nm.



Foto lapisan metalisasi pertama untuk teknologi 24 nm. Di sebelah kiri, dibuat oleh litografi 193 nm, di sebelah kanan eksperimental 13,5 nm (EUV). Seperti yang Anda lihat, dari bentuk persegi panjang sebelumnya yang jelas hanya ada kenangan. Masih berfungsi.

Tentang keterbatasan fisik, bagaimana pengaruhnya dan bagaimana mereka mengubah produksi di bagian kedua dalam beberapa hari - tetap disini!

---

Jangan lupa untuk berlangganan blog : itu tidak sulit bagi Anda - saya senang!

Dan ya, tolong tulis tentang kekurangan yang tertulis dalam teks di PM.