|
|
| Микропроцессоры |
|
исунок 3 - Получение диоксида стронция Для получения диоксида стронция первоначально на поверхность кремния осаждают хлорид кремния (ZrCI4), после чего под воздействием пара он превращается в диоксид стронция, а побочный продукт реакции (соляная кислота) улетучивается (рисунок 3);ZrC4 + 2Н2О > ZrO2 + 4HCI ^.Таким образом, использование новых диэлектрических материалов позволяет решить проблему возникновения тока утечки через затвор транзистора. Вторая проблема, как уже отмечалось, связана с возникновением тока утечки между истоком и стоком (рисунок 4).Рисунок 4 - Возникновение тока утечки между истоком и стоком транзистораПроблема заключается в том, что транзистор, накапливающий заряд, обладает определенной емкостью. Эта емкость является паразитной и влияет на скорость переключения транзистора, то есть 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 результате возникает ток утечки, ограничивающий скорость переключения транзистора, поэтому емкость транзистора желательно сделать как можно меньше. Для этого в новом поколении транзисторов применяется структура кремния на изоляторе (silicon on insulator, SOI), при которой (рисунок 5) на кремниевую подложку наносится слой диэлектрика и на нем размещается сам транзистор, то есть легированные области стока и истока, а также область затвора. Паразитный заряд накапливается преимущественно в областях под стоком и затвором, поэтому, чтобы исключить накопление этого заряда, необходимо разместить диэлектрик непосредственно под стоком и истоком. Вследствие этого сокращается толщина транзистора и уменьшается его емкость.Рисунок. 5 - Структура SOI-транзистораИспользование SOI-транзисторов позволяет без существенного изменения технологии их изготовления (нет необходимости в ином литографическом процессе) повысить скорость работы транзисторов в среднем на 25%.Уменьшение емкости транзистора путем добавления слоя диэлектрика вглубь кремния влечет за собой одно негативное последствие: поскольку при этом увеличивается сопротивление между истоком и стоком, приходится повышать напряжение, что, конечно, негативно отражается на характеристиках транзистора и всей микросхемы в целом.Для того чтобы снизить сопротивление между истоком и стоком, увеличивают высоты этих областей (рисунок 6).Рисунок 6 - Уменьшение сопротивления истока и стока в SOI-транзисторахВсе усовершенствования пленарных МОП-транзисторов были реализованы в новом поколении разработанных корпорацией Intel транзисторов, которые получили название терагерцевых транзисторов (рисунок 7) - они способны переключаться 1012 раз в секунду.Рисунок 7 - Структура терагерцевого транзистораВзгляд в будущееРазработанные технологии терагерцевого транзистора позволяют значительно улучшить характеристики планарных транзисторов и продолжить предсказанное Гордоном Муром сокращение их размеров, но от разработки транзистора до его практического использования в производстве микросхем проходит немало времени. Так, еще в декабре 2000 года корпорация Intel объявила о создании МОП-транзистора с длиной канала 30 нм, в июне 2001 года был создан транзистор с длиной затвора 20 нм, а в декабре того же года уже было объявлено о создании терагерцевого транзистора с длиной канала 15 нм (рисунок 8). Рисунок 8 - Планарные транзисторы с различной длиной каналаОднако ни один из разработанных транзисторов пока еще не используется в серийных микросхемах - это своего рода задел на будущее. Так, терагерцевый транзистор начнут использовать в микросхемах лишь к 2005 году.Корпорация Intel уделяет огромное внимание разработке новых, перспективных транзисторов. В сентябре 2002 года было объявлено, например, о трехмерной конструкции транзистора с тройным затвором, которая обеспечивает более эффективный расход энергии по сравнению с традиционными пленарными транзисторами. Эта разработка знаменует собой начало эпохи неплоских трехмерных конструкций транзисторов, которые корпорация Intel планирует принять на вооружение для поддержания темпов развития, согласующихся с законом Мура, по окончании текущего десятилетия.«Наши исследования показали, что по преодолении рубежа в 30 нм физическая основа плоских пленарных транзисторов с одинарным затвором начинает давать утечку слишком большого количества энергии, что не позволит нам достичь желаемых целей в плане производительности, - говорит доктор Джеральд Марчик (Gerald Marcyk), директор лаборатории изучения компонентов Intel. - Конструкция транзистора с тройным затвором позволит Intel создавать сверхмалые транзисторы, которые обеспечат еще более высокую производительность при низком энергопотреблении и сделают возможным дальнейшее практическое воплощение закона Мура».Структура тройного затвора многообещающая разработка для дальнейшего развития архитектуры терагерцевого транзистора. В основе транзистора корпорации Intel с тройным затвором лежит новаторская трехмерная структура, похожая на приподнятую горизонтальную плоскость с вертикальными стенками (рисунок 9).Рисунок 10 - Трехмерный транзистор напоминает катонную упаковку для яицРисунок 11 - Структура многоканального трехзатворного транзистораструктура позволяет посылать электрические сигналы как по «крыше» транзистора, так и по обеим его «стенам». За счет подобной схемы распределения тока эффективно увеличивается площадь, доступная для прохождения тока, следовательно, снижается его плотность, а вместе с ней уменьшается и утечка. Тройной затвор строится на ультратонком слое полностью обедненного кремния, что обеспечивает еще большее снижение тока утечки и позволяет транзистору быстрее включаться и выключаться при значительном снижении энергопотребления.Особенностью этой конструкции также являются поднятые исток и сток - в результате снижается сопротивление, что позволяет транзистору работать при токе меньшей мощности. Транзистор с тройным затвором в миллимикронных геометрических конструкциях работает не только более эффективно, но и более быстро, проводя на 20% больше тока по сравнению с традиционной планарной конструкцией, имеющей аналогичный размер затвора. Одним из важнейших преимуществ транзисторов с тройным затвором является возможность их производства с помощью существующего ныне литографического процесса.«Наш транзистор с тройным затвором внешне напоминает картонную упаковку для яиц» (рисунок 10), --такой неожиданный 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 учеными всего мира на одной из крупнейших технологических конференций, в кулуарах то и дело звучал риторический вопрос: «Почему же нам это не пришло в голову?!»Использование трехмерной архитектуры транзистора позволяет производить многоканальные трехзатворные транзисторы (Multi-Channel Tri-Gate Devices).В таких устройствах (рисунок 11) используется один трехмерный затвор, который сразу управляет прохождением тока между несколькими парами истоков и стоков, то есть одновременно образует множество каналов. Такая архитектура в еще большей степени позволяет повысить плотность размещения транзисторов на кристалле и, кроме того, повысить силу тока в транзисторе, поскольку суммарный ток, проходящий через транзистор, пропорционален количеству пар истоков-стоков в транзисторе. Отладка кристаллов микросхемОдно из важнейших условий стабильности работы системы -- надежность и качество ее комплектующих. И в первую очередь это касается микропроцессоров и других современных микросхем. Еще на стадии проектирования проводится моделирование распространения сигналов и синхронизации, а также моделирование на уровне компонентов, микросхемы и системы в целом.Например, только на стадии разработки процессоры Intel проходят 176 квадриллионов (1015) циклов проверки (Вообще, по ряду оценок, корпорация Intel реализует самую полную в отрасли программу испытаний процессоров и платформ, и совместно с производителями и разработчиками программного обеспечения работает над оптимизацией производительности и совместимости платформ. Intel тратит на проверку своей продукции более 300 миллионов долларов в год, этой работой занято более 2500 сотрудников корпорации по всему миру). А после выпуска образцов проводится строгое тестирование на уровне системы и проверка электрических параметров, а также всестороннее испытание на совместимость, охватывающее более двадцати операционных систем, полутора сотен периферийных устройств и четыреста приложений. Проверка включает более 250 тысяч отдельных тестов с использованием более чем шестисот программных приложений и длится примерно 6-8 недель круглые сутки. Мобильные эталонные платформы проходят примерно 26 тысяч часов дополнительного тестирования и испытаний -- в частности, средствами управления энергопотреблением, в более широком диапазоне условий среды и пр.Серьезнее всего проверяется «сердце» компьютера -- процессор. Скажем, процессор Pentium 4 проходит 1 триллион случайных проверок инструкций в неделю, 2 тысячи тестов на совместимость с предыдущими архитектурами, 2450 тестов функций процессора, нагрузочное тестирование системы ввода/вывода с миллионами вариантов функций набора микросхем, расширенное тестирование случайных команд для конвейера процессора. Это гарантирует совместимость и оптимальную производительность для широчайшего спектра операционных систем и приложений, сетевых устройств и аппаратных компонентов.Между тем процесс тестирования и отладки современных микросхем постоянно усложняется -- ведь растет функциональная насыщенность кристаллов, уменьшается размер транзисторов, увеличивается их число. Но следствием того же закона Мура является и рост вероятности появления багов (ошибок) в кристаллах! Именно по причине огромного количества интегрированных в микросхему транзисторов и их крошечного размера вопросы надежности и качества их работы выходят на первый план. Для их решения и упрощения отладки сложнейших кристаллов в опытном и серийном производстве ведущие производители полупроводниковой продукции разрабатывают и широко используют различные методы контроля, анализа и коррекции. В их основу положены самые современные научные достижения в области физики твердого тела, оптики и других дисциплин. А в последнее время широко стали применяться и нанотехнологии. В этой статье мы попробуем взглянуть на некоторые из таких методов (их полный обзор занял бы не одну толстую книжку). И помогут нам в этом визиты в святая святых корпораций Intel и AMD -- их фабричные и исследовательские лаборатории.Intel Silicon DebugВ структуре деятельности Intel есть такое понятие -- Silicon Debug. Это отладка -- обнаружение и устранение ошибок и неудачных мест в кремниевых кристаллах микросхем (для краткости далее мы будем использовать английский термин, а не его перевод). Методы Silicon Debug позволяют исправлять как блоки, так и отдельные транзисторы на поверхности кристалла. А учитывая наномасштабы элементов современных микросхем, такие действия превращаются в подлинное искусство, и их всё возрастающую важность на современном этапе развития полупроводниковой промышленности трудно переоценить. Существует даже глобальная инженерная организация -- Corporate Quality Network или CQN, которая занимается разработкой и поставкой инновационных, патентованных продуктов для решения подобных вопросов.Методы Silicon Debug должны, 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, экономя время разработки и отладки кристаллов, -- например, проверить в работе скорректированный кристалл до создания новых, исправленных фотолитографических масок. Сейчас эти методы тесно интегрированы в производственный процесс.Традиционные способы диагностикиВ дрезденских лабораториях AMD нам показали, как испытываются некоторые важные параметры микропроцессоров последнего поколения (90-нм Athlon 64). Этим занимаются так называемые Quality Lab и Material Analysis Lab. Во-первых, очень широко применяется так называемый «разрушающий» анализ. Дело в том, что многие важные параметры производимых на фабриках микроструктур могут быть измерены только разрушающим способом. Для этого в готовых или полуготовых (при контроле на стадии производства) кристаллах делаются поперечные сечения или разрезы. А далее применяются широко известные в физике методы -- оптическая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (TEM), рентгеновская дифракция (XRD), атомно-силовая микроскопия (AFM) и другие.Анализ структурНапример, SEM является очень распространенным, оперативным и удобным методом контроля геометрических размеров создаваемых структур -- транзисторов, металлических слоев и омических контактов между ними (а в современных 130-нм и 90-нм процессорах AMD -- 9 слоев межсоединений и аж пять миллиардов контактов, и в их качестве и соответствии размеров проектным нормам надо быть уверенным). На современных технологических установках такой электронный микроскоп дополнен ионной пушкой. При помощи сфокусированного ионного луча (используются тяжелые ионы галлия) в нужном месте кристалла делается небольшой надрез и «вытравливается» неглубокая и аккуратная вертикальная канавка -- чтобы под углом в электронный микроскоп было видно сечение верхних слоев микросхемы и можно было определить характерные размеры различных компонентов структуры. При помощи этой же аппаратуры можно определять и некоторые электронные свойства структур, а также контролировать количество дефектов на поверхности пластины.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|
|
|
|
© 2003-2013
Рефераты бесплатно, курсовые, рефераты биология, большая бибилиотека рефератов, дипломы, научные работы, рефераты право, рефераты, рефераты скачать, рефераты литература, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты медицина, рефераты на тему, сочинения, реферат бесплатно, рефераты авиация, рефераты психология, рефераты математика, рефераты кулинария, рефераты логистика, рефераты анатомия, рефераты маркетинг, рефераты релиния, рефераты социология, рефераты менеджемент. |
|
|
