Процессоры AMD

Некоторые особенности производства

аверное, многие из вас уже слышали о Силиконовой долине, расположенной в США в штате Калифорния. Такое название это место получило вследствие большой концентрации компаний, занятых в области высоких технологий. В частности, в Силиконовой долине находится штаб-квартира корпорации Intel, а также один из заводов Intel по производству микропроцессоров. Но, возможно, не все еще знают о том, что есть и другая долина, и находится она в центре Европы. Речь идет о Саксонской долине, где также сосредоточено множество подразделений крупнейших компаний, связанных с информационными технологиями. Так, в Германии, в предместье Дрездена, расположена крупнейшая фабрика по производству микропроцессоров компании AMD (Advanced Micro Device), получившая название Fab 30.

Географическое положение, прекрасная система образования, экономическая и политическая стабильность и, конечно же, немецкая пунктуальность и педантичность — все это вместе в конечном итоге повлияло на решение построить новую фабрику по производству микропроцессоров именно в Германии. Фабрика была заложена в 1996 году и уже обошлась компании более чем в 2 млрд. долл., а к 2003 году вложения AMD составят 2,5 млрд. долл. Пожалуй, на сегодняшний день это самый крупный иностранный проект в восточной части Германии.

На этой фабрике сейчас производятся процессоры AMD Athlon XP и Athlon MP, а в дальнейшем именно здесь будут выпускаться процессоры AMD Athlon 64 и AMD Opteron.

Современные процессоры AMD Athlon XP с ядром Thoroughbred производятся на Fab 30 с использованием 0,13-микронного технологического процесса на пластинах (wafers) диаметром 200 мм. Но наряду с этим на фабрике также выпускаются процессоры с использованием 0,18-микронной технологии. В дальнейшем для процессоров AMD Athlon 64 и AMD Opteron планируется, что фабрика постепенно перейдет на 90-нанометровую технологию.

Что касается производственной мощности фабрики, то она составляет 5 тыс. пластин в неделю. С учетом того, что на каждой такой 200-миллиметровой пластине расположено 315 процессоров (Thoroughbred), получается весьма впечатляющая цифра.

Собственно, на фабрике Fab 30 изготовление процессоров не происходит от начала и до конца по замкнутому циклу. Как известно, процесс изготовления любой микросхемы (а процессор — это тоже микросхема, только более сложная) начинается с выращивания кремниевых монокристаллических болванок цилиндрической формы. В дальнейшем из таких монокристаллических заготовок нарезают круглые пластины (wafers), толщина которых составляет приблизительно 1/40 дюйма, а диаметр  8 дюймов (200 мм). Это и есть кремниевые подложки, служащие основой для производства микросхем.

При формировании пластин из монокристаллов кремния учитывается то обстоятельство, что в идеальных кристаллических структурах физические свойства в значительной степени зависят от выбранного направления (свойство анизотропии). К примеру, сопротивление кремниевой подложки будет различным в продольном и поперечном направлениях. Аналогичным образом в зависимости от ориентации кристаллической решетки кристалл кремния будет по-разному реагировать на внешние воздействия, связанные с его дальнейшей обработкой (такие, например, как травление, напыление и т.д.). Поэтому пластина должна быть вырезана из монокристалла таким образом, чтобы ориентация кристаллической решетки относительно поверхности была строго выдержана в определенном направлении.

Так вот, сами болванки на фабрике Fab 30 не производятся. Компания AMD закупает их у сторонних производителей (впрочем, в этом она отнюдь не одинока), а затем на этих кремниевых подложках на фабрике создают процессоры. После этого пластины отправляют в Малайзию, где из них вырезаются конкретные кристаллы-процессоры. Каждый кристалл встраивается в защитный корпус, который обеспечивает электрическое соединение кристалла микропроцессора с внешними устройствами. Вот почему на всех процессорах AMD стоит надпись — Assemled in Malaysia.

Ну и наконец, последняя стадия производства процессоров — тестирование. Для этого уже готовые процессоры отправляются в Сингапур, где и завершается этап производства.

Технологические этапы производства самих микропроцессоров, как и вообще микросхем, хорошо известны и примерно одинаковы во всех компаниях. Напомним, что формирование микросхем в простейшем случае включает следующие обязательные этапы производства:

• выращивание кремниевых заготовок и получение из них пластин;
• шлифование кремниевых пластин;
• нанесение защитной пленки диэлектрика (SiO2);
• нанесение фоторезиста;
• литографический процесс;
• травление;
• диффузия;
• металлизация.

Все перечисленные этапы используются для того, чтобы создать на кремниевой подложке сложную структуру полупроводниковых планарных транзисторов (CMOS-транзисторов) и связать их должным образом между собой. Количество таких транзисторов на одной микросхеме уже сегодня составляет десятки и даже сотни миллионов штук, а через несколько лет их число достигнет уже миллиардов штук. Именно поэтому производство микропроцессоров представляет собой чрезвычайно сложный технологический процесс.

Конечно, описать во всех подробностях все стадии производства микросхем в пределах одной статьи нереально, поэтому здесь мы лишь вкратце (для общей эрудиции) остановимся на этапах производства и постараемся подробнее рассказать о создании медных межсоединений различных слоев микросхем на примере производства компании AMD на фабрике Fab 30.

После тщательной полировки поверхности кремниевой подложки ее покрывают тончайшим слоем оксидной пленки (SiO2), выполняющей функцию диэлектрика и защитной пленки при дальнейшей обработке кристалла кремния.

Диоксид кремния получают путем окисления непосредственно чистым кислородом при высоких температуре и давлении. Пластины помещают в камеру, где при высоких температуре и давлении происходит диффузия кислорода в поверхностные слои пластины, приводящая к окислению кремния и к образованию поверхностной пленки диоксида кремния. Для того чтобы пленка диоксида кремния имела точно заданную толщину и не содержала дефектов, необходимо поддерживать строго постоянную температуру во всех точках пластины в процессе окисления.

После того как кремниевая подложка покроется защитной пленкой диоксида кремния, необходимо удалить эту пленку с тех мест, которые будут подвергаться дальнейшей обработке. Удаление пленки осуществляется посредством травления, а для того, чтобы в результате травления оксидная пленка удалялась избирательно, то есть только в нужных местах, на поверхность пленки наносят слой фоторезиста. Фоторезист представляет собой особый состав, который изменяет свои свойства под воздействием ультрафиолетового излучения. Облученные области становятся растворимыми в кислотной среде, тогда как необлученные остаются устойчивыми к воздействию агрессивных сред.

Процесс нанесения фоторезиста и его дальнейшее облучение ультрафиолетом по заданному рисунку называется литографией. Перед нанесением слоя фоторезиста на подложку последняя подвергается предварительной обработке, в результате чего улучшается ее сцепление со слоем фоторезиста.

Для засветки нужных участков слоя фоторезиста используется специальный шаблон-маска. Фактически такой шаблон содержит рисунок одного из слоев будущей микросхемы. Ультрафиолетовое излучение, проходя сквозь такой шаблон, засвечивает только нужные участки поверхности слоя фоторезиста. После облучения фоторезист подвергается проявлению, в результате которого удаляются ненужные участки слоя. При этом открывается соответствующая часть слоя диоксида кремния.

По мере экспоненциального возрастания плотности размещения транзисторов, формируемых в кристалле, усложняется и литографический процесс. Дело в том, что процесс уменьшения геометрических размеров транзисторов сопровождается и уменьшением размеров линий, наносимых на слой фоторезиста. Минимальная толщина линии, получаемая в процессе литографии, определяется размером пятна, в который удается сфокусировать лазерный луч. Помимо прочих факторов размер пятна фокусировки зависит от длины волны, используемой в облучении фоторезиста. Чем меньше длина волны, тем более тонкие линии можно получить на поверхности фоторезиста. Именно поэтому при производстве современных микропроцессоров для облучения используют ультрафиолетовое, а не видимое излучение (длина волны видимого света больше длины волны ультрафиолетового излучения). В настоящее время для производства микросхем по 130-нанометровому технологическому процессу используется глубокое ультрафиолетовое излучение (Deep UltraViolet, DUV) с длиной волны 248 нм. На подходе литографический процесс с длиной волны 13 нм, получивший название ЕU\/-литографии (Extreme UltraViolet  — сверхжесткое ультрафиолетовое излучение). Если применяемая сейчас литографическая технология позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 100 нм, то EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины — до 30 нм.

После засвечивания слоя фоторезиста приходит очередь этапа травления (etching) с целью удаления пленки диоксида кремния. При производстве процессоров используется сухой метод травления, также называемый плазменным. Такой метод позволяет точно контролировать процесс травления, а разрушение вытравливаемого слоя происходит здесь в строго вертикальном направлении.

При использовании сухого травления для удаления с поверхности пластины диоксида кремния применяется ионизированный газ (плазма). Газ вступает в реакцию с поверхностью диоксида кремния, в результате чего образуются летучие побочные продукты.

После процедуры травления, то есть когда оголены нужные области чистого кремния, удаляется оставшаяся часть фотослоя. Таким образом, на кремниевой подложке остается рисунок, выполненный диоксидом кремния.

Напомним, что предыдущий процесс формирования необходимого рисунка на кремниевой подложке необходим для создания в нужных местах полупроводниковых структур путем внедрения донорной или акцепторной примеси. Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии. Диффузия — это равномерное внедрение атомов примеси в кристаллическую решетку кремния.

Для процесса диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация. Процесс имплантации заключается в том, что ионы нужной примеси «выстреливаются» из высоковольтного ускорителя и, обладая достаточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния.

Этап ионной имплантации завершается созданием необходимого слоя полупроводниковой структуры. Именно в этом первом слое и сосредоточены десятки миллионов крошечных транзисторов. Далее необходимо в нужной последовательности соединить их между собой проводниками. Если принять во внимание, что каждый транзистор имеет сток, исток, затвор и что каждый из этих электродов должен быть соединен проводником с другими компонентами, то совершенно очевидным становится огромное количество требуемых соединений. Осуществить требуемую разводку в пределах того же слоя, где расположены сами транзисторы, просто нереально — неизбежны перекрещения между проводниками. Даже обычные материнские платы для соединения всех микросхем друг с другом используют несколько слоев (в настоящее время используются 8-слойные платы). В каждом таком слое проводники не перекрещиваются друг с другом. Аналогично решается задача и в микросхемах: для соединения транзисторов друг с другом применяют несколько слоев металлизации, то есть слоев с металлическими проводниками, причем чем больше транзисторов насчитывается в микросхеме, тем больше слоев металлизации используется.

Для соединения транзисторов друг с другом прежде всего необходимо создать проводящие контакты стоков, истоков и затворов. Для этого, как описано выше, по маске в нужных местах вытравливается слой диоксида кремния и соответствующие окна заполняются атомами металла.

Для создания очередного слоя на полученном рисунке схемы выращивается дополнительный тонкий слой диоксида кремния. После этого наносятся слой проводящего металла и еще один слой фоторезиста. Ультрафиолетовое излучение пропускается сквозь вторую маску и высвечивает соответствующий рисунок на фоторезисте. Затем опять следуют этапы растворения фоторезиста и травления металла. В результате в новом слое образуются нужные проводящие полоски, напоминающие рельсы, а для межслойных соединений, то есть соединений слоев друг с другом, в слоях оставляются окна, которые затем заполняются атомами металла.

К примеру, при использовании 0,25-микронного технологического процесса для осуществления разводки использовались 5 дополнительных слоев. В процессорах AMD с легендарным ядром «К-7» применяют 8-слойные соединения. Новые процессоры AMD Athlon 64 и AMD Opteron также будут 8-слойными.

В течение многих лет в качестве металла для внутрислойных соединений повсеместно использовался алюминий. Однако процесс создания многослойных соединений не так прост, как может показаться. Неуклонное уменьшение размеров транзисторов, а следовательно, и размеров контактных проводников требует использования специальных слоев для улучшения электрических характеристик и слоев, предотвращающих процесс диффузии алюминия. Кроме того, необходимо учесть, что алюминий применяется только в качестве внутрислойных соединений, а для межслойных соединений используется вольфрам.

Несмотря на то что алюминий применялся в этой области на протяжении многих лет, данный металл имеет ряд недостатков, не позволяющих использовать его при уменьшении размеров транзисторов. Так, если при производстве микросхем по 0,25-микронному технологическому процессу компания AMD применяла алюминий, то при переходе на 0,18-микронную технологию она стала использовать медные соединения.

Основное преимущество медных соединений в данном случае заключается в том, что медь обладает меньшей удельной проводимостью по сравнению с алюминием. При уменьшении площади сечения проводников (что неизбежно при уменьшении размера транзисторов) увеличивается и сопротивление проводников. Как следствие — нежелательное повышение энергопотребления. К примеру, при использовании 0,25-микронного технологического процесса линейное сопротивление алюминиевых проводников составит порядка 100-200 Ом/мм, а при переходе на 0,18- и 0,13-микронный технологические процессы оно возрастет до 400-800 Oм/мм. Поэтому возникает проблема замены алюминия на материалы с меньшей удельной проводимостью.

Удельное сопротивление алюминия составляет 2,8 мкОммм²/м, а удельное сопротивление меди, в свою очередь, равно 1,7 мкОммм²/м, то есть значительно ниже. Кроме того, по сравнению с алюминием медь обладает рядом других замечательных свойств, повышающих перспективность ее использования в микросхемах. Прежде всего, медные проводники способны выдерживать значительно большую плотность тока, чем алюминиевые, и к тому же обладают более высокой устойчивостью к разрушению под воздействием тока, что позволяет продлить время жизни микросхемы.

В результате применения медных соединений также уменьшается время задержки распространения сигналов, что приобретает особую актуальность при повышении тактовых частот. Кроме того, как видно из рис. 1, разница в задержках распространения сигналов при использовании медных и алюминиевых соединений возрастает по мере уменьшения геометрических размеров транзисторов.

Итак, становится очевидным, что при переходе на новые технологические процессы с меньшей проектной базой необходимо использовать медные соединения. Но возникает резонный вопрос: если медь обладает такими замечательными свойствами и столь привлекательна для производства микросхем, то почему ее не применяли прежде? В частности, наряду с рассмотренными преимуществами медь обладает рядом свойств, создающих немало сложностей в процессе производства микросхем. Дело в том, что медь легко диффундирует в глубь кристалла, что вызывает порчу микросхемы. Поэтому потребовалось приложить немало усилий, чтобы избежать этого нежелательного явления. Кроме того, медь, в отличие от алюминия, плохо поддается травлению, поэтому технологии создания медных и алюминиевых внутрислойных соединений в корне различаются (рис. 2).

Так, если в случае использования алюминия травлению по маске подлежит собственно алюминий, то при применении меди травлению подлежит непосредственно оксидная пленка, в результате чего образуются бороздки, которые впоследствии заполняются медью. Эта технология получила название Damascene, то есть узорная инкрустация. Поэтому процесс изготовления микросхем с использованием алюминиевых соединений технологически несовместим с аналогичным процессом с использованием медных соединений.

Как мы уже отмечали, компания AMD была первой, которая стала использовать медные соединения при производстве микропроцессоров. Все процессоры AMD, выполненные по 0,18-микронному технологическому процессу и менее, используют медные соединения. Компания Intel также перешла на медные соединения, но несколько позже — при производстве процессоров по 0,13-микронному технологическому процессу.

Рассмотрим более подробно процесс создания медных соединений.

Создание каждого нового слоя традиционно начинается с получения оксидной пленки, которая покрывается слоем фоторезиста. Далее, посредством литографического процесса, в оксидной пленке вытравливаются бороздки и углубления требуемой формы. Эти бороздки и углубления необходимо заполнить медью. Но прежде, для предотвращения нежелательной диффузии меди, они заполняются тонким слоем антидиффузионного вещества (diffusing barrier). Толщина такой антидиффузионной пленки — всего 10 нм.

После этого следует процесс осаждения меди, причем медь осаждается по всей поверхности пластины (wafer). Для осаждения меди используют гальванизацию из раствора медного купороса Cu2SO4, причем сама пластина, на которую осаждаются ионы меди Cu++, выступает в роли катода (рис. 3).

При гальванизации необходимо, чтобы медь равномерно осаждалась по всей пластине. Однако добиться этого не так-то просто. Дело в том, что согласно закону Фарадея, определяющему массу осаждающегося в результате гальванизации вещества на катоде, масса выделяющейся меди зависит от силы тока в растворе электролита. Но сила тока, проходящего по электролиту, неодинакова в центре и по краям. Причина тому — сопротивление пластины (wafer), на которую и происходит осаждение меди. Найти разницу между силой тока в центре электролита и по краям можно, используя хорошо знакомый из школьного курса физики закон Кирхгофа (рис. 4).

Учитывая, кроме того, что сопротивление электролита равномерно, нетрудно найти разницу между силой тока в центре и по краям электролита:

Для того чтобы добиться равномерного осаждения меди по всей поверхности пластины, желательно, чтобы разница между силой тока в центре и по краям электролита была бы как можно меньше. Из полученной формулы видно, что добиться уменьшения DI можно либо путем снижения напряжения источника питания U, либо путем уменьшения сопротивления пластины Rcath, либо путем увеличения сопротивления электролита R2. Изменение напряжения влечет за собой изменение скорости электролиза, что нежелательно. Изменение сопротивления пластины невозможно без изменения ее размеров, что также нежелательно. А вот изменение сопротивления электролита вполне реально. Именно поэтому подбирают такую плотность электролита, чтобы минимизировать разницу тока в центре и по краям и тем самым обеспечить равномерность осаждения меди.

При электролизе происходит постепенное заполнение атомами меди вытравленных канавок (рис. 5), в результате чего образуются проводящие рельсы.

После заполнения медью канавок лишний слой меди удаляется с пластины посредством шлифования, а затем наносится очередной слой оксидной пленки и проводится формирование следующего слоя. В результате образуется многослойная система, как показано на рис. 6.

Нижние слои металлизации предназначены для локальной коммутации. В этих слоях критичной является плотность размещения металлических рельс. Верхние слои предназначены для глобальной коммутации. В этих слоях критичным является сопротивление проводников.

В заключение отметим, что мы кратко рассмотрели лишь один из аспектов создания микропроцессоров, но многое осталось за рамками статьи. Конечно, использование перспективных многослойных медных соединений — не единственная особенность современных микросхем. Немало усилий прилагается и для усовершенствования самих транзисторов, составляющих основу любой микросхемы. Например, в новом поколении процессоров будут использоваться такие нововведения, как SOI-транзисторы (Silicon On Isolator), в которых за счет использования дополнительного слоя оксида снижаются емкость и токи утечки, а также транзисторы с двумерными затворами и другие новшества, позволяющие повысить быстродействие транзисторов при одновременном уменьшении их геометрических размеров.

В статье были использованы материалы компании AMD.

КомпьютерПресс 3'2003