Manj nanometrov, več dimenzij

Objavljeno: 25.8.2015 | Avtor: Matej Huš | Kategorija: Nove tehnologije | Revija: September 2015

IBM se je julija letos neskromno pohvalil, da je v sodelovanju z newyorško univerzo SUNY ter podjetjema Samsung in Globalfoundries izdelal prvi čip z delujočimi tranzistorji v 7 nm litografiji. S tem je prekosil še sam Intel, ki je na področju izdelave procesorskih čipov nesporni vladar. Čeprav novih čipov še lep čas ne bo v računalnikih, gre za zelo pomemben dokaz praktične izvedljivosti postopka, ki je doslej živel le v znanstvenih člankih, in za udejanjenje proizvodnih tehnologij, ki bodo koristile tudi pri izdelavi današnjih čipov.

Shema MOSFETa z izvorom in ponorom iz n plasti. Če na vrata pritisnemo električno napetost, zaradi nastalega električnega polja elektroni stečejo skozi kanal dolžine L. Dielektrik preprečuje prehod elektronom iz kanala v vrata. Slika: Wikipedia.

Shema MOSFETa z izvorom in ponorom iz n plasti. Če na vrata pritisnemo električno napetost, zaradi nastalega električnega polja elektroni stečejo skozi kanal dolžine L. Dielektrik preprečuje prehod elektronom iz kanala v vrata. Slika: Wikipedia.

Najnovejši Intelovi procesorji so proizvedeni v 14-nm litografiji, konkurenca pa se ubada s 16 nm, 20 nm in 28 nm, vsi pa intenzivno raziskujejo 10 nm. IBMova objava, da jim je uspelo izdelati delujoč čip v 7 nm tehnologiji, se na prvi pogled ne sliši revolucionarno, a gre v resnici za velik dosežek. Zmanjševanje litografije postaja eksponentno težji postopek, kjer je vsako prepolovitev velikosti teže doseči kot predhodno. Trenutno je Intel edini, ki ima komercialno linijo procesorjev v 14 nm, AMD in Nvidia pa sta imela celo z 20 nm tolikšne težave, da bosta letos ostala pri večji litografiji, prihodnje leto pa bosta poizkusila s 16 nm. Intel za naslednje leto snuje procesorje v 10 nm.

Za končne uporabnike manjši čipi pomenijo manjšo porabo energije, večjo zmogljivost in manjšo porabo prostora. Za Moorov zakon vsaka prepolovitev pomeni ohranitev še za eno generacijo. Za inženirje pa predstavlja predvsem veliko sivih las, saj v modernih tranzistorjih debelino plasti merimo v atomih. Seveda je izdelati delujoč čip nekaj drugega kot postaviti rentabilno in zanesljivo procesorsko linijo, a IBMovih 7 nm je zavidanja vreden dosežek.

Kaj je uporabil IBM

Za izdelavo 7 nm čipov je IBM izpopolnil in uporabil naslednje zvijače:

• ekstremna ultravijolična fotolitografija (EUVL),

• tranzistorji z vrati okrog kanala (FinFET),

• zmanjšanje parazitske kapacitivnosti in upornosti v tranzistorjih, ki je nastala zaradi tridimenzionalne strukture vrat in kanala,

• kanal iz silicija in germanija.

Tranzistor

O najpomembnejšem izumu 20. stoletja konsenza ne bo nikoli, toda računalnikarji bodo gotovo zagovarjali tranzistor. Element, ki lahko krmili električni tok tako, da na zahtevo spreminja lastno upornost, je omogočil razvoj elektronskih naprav. Tranzistor so v Bellovih laboratorijih izumili William Shockley, Walter Brattain in John Bardeen in za odkritje kasneje prejeli tudi Nobelovo nagrado za fiziko.

Del silicijevega ingota, obdelana silicijeva rezina in procesor. Slika: CPU-Galaxy.at.

Del silicijevega ingota, obdelana silicijeva rezina in procesor. Slika: CPU-Galaxy.at.

Ob počasnem vlečenju iz taline silicija nastaja ingot s premerom 450 mm. Slika: Wikipedia.

Ob počasnem vlečenju iz taline silicija nastaja ingot s premerom 450 mm. Slika: Wikipedia.

Prvi tranzistorji so bili diskretni, danes pa je velikanska večina proizvedenih tranzistorjev del integriranih vezij. Pionirjev na tem področju je bilo več, Nobelovo nagrado pa je dobil Jack Kilby iz Texas Instruments, čeprav si zgodovinarji zaradi množice raziskav na tem področju še danes niso enotni, kdo vse bi si zaslužil priznanje.

Prvi tranzistorji so se imenovali bipolarni, ker sta naboj premikali dve vrsti nosilcev naboja – vrzeli in elektroni. Shematsko si jih lahko predstavljamo kot dve zaporedno vezani diodi, saj jih sestavljajo plasti n, p in n, ali nasprotno. Njihovi priključki se imenujejo emitor, kolektor in baza. Večina toka teče skozi emitor in kolektor, le manjši del skozi bazo, ki uravnava stanje tranzistorja in tok skozenj.

MOSFETi

V elektroniki se danes bolj množično uporabljajo unipolarni tranzistorji, med katerimi so najbolj priljubljeni kovinsko oksidni polprevodniški tranzistorji na poljski efekt (MOSFET). Imajo tri glavne komponente: izvor (source), ponor (drain) in vrata (gate), ki so posajeni na substrat (bulk). Prostoru med izvorom in ponorom pravimo kanal (channel) in po njem tečejo elektroni, ki jih krmilijo vrata.

Kadar je tranzistor v stanju 0, na vratih ni napetosti in tok med izvorom in ponorom ne teče. Če ga želimo preklopiti v stanje 1, na vrata pritisnemo napetost, da med drugima priključkoma steče tok. V idealnem unipolarnem tranzistorju, katerega ime je posledica tega, da tok prevaja samo ena vrsta nosilcev, skozi vrata nikdar ne teče tok.

Fizikalno pa lastnosti MOSFETa določajo kakovost silicija, primesi (dopanti) in geometrija. Substrat je navadno silicij, ki je dopiran z elementi z manj valenčnimi elektroni kakor silicij (plast n). Izvor in ponor sta iz kristaliničnega, čistega silicija, ki je dopiran z elementi z več valenčnimi elektroni (plast p), vrata pa iz polikristaliničnega silicija. Ker sta dovolj daleč vsaksebi, med njima skozi plast n substrata tok ne more teči. Tak tranzistor imenujemo PMOS, NMOS pa ima plasti ravno zamenjane. Ker sta si komplementarna, se njuna kombinacija v vezju imenuje CMOS. V vseh primerih pritisnjena napetost na vrata (pozitivna za PMOS, negativna za NMOS glede na izvor) vzpostavi prevodni kanal po plasti substrata med priključkoma in tok steče. Na sliki vidimo, da sta izvor in ponor v isti ravnini kakor celoten silicijev substrat, vmes pa je kanal. Vrata so nad substratom, med vrati in kanalom pa je tanek izolacijski sloj (dielektrik) iz silicijevega dioksida, saj na vrata pritisnemo napetost, elektroni pa seveda skoznje ne smejo prehajati. Kje je tu kovina, ki jo MOSFETi nosijo v imenu? Vrata je zapustila v 70. letih, v zadnjem desetletju pa se vrača, kot bomo videli kasneje. Ključni značilnosti MOSFETa sta torej širina (razdalja med izvorom in ponorom) in dolžina kanala, pomembna pa je tudi debelina dielektrika.

Običajni MOSFETi so v litografijah do 100 nm, torej nekako do leta 2003, odlično funkcionirali, pri nadaljnji miniaturizaciji pa nastane vrsta težav. Približno desetletje se je njihovo miniaturizacijo še dalo nategovati z ukanami – danes smo že pri 14 nm – zdaj pa je treba iti v tretjo dimenzijo. Toda najprej poglejmo, kako jih sploh izdelamo. V prvem koraku potrebujemo dovolj čist silicij, nato pa ga moramo obdelati z nanometrsko nadrobnostjo.

Za vtiskovanje integriranega vezja v silicij se uporablja fotolitografija. Slika: Univerza Rice.

Za vtiskovanje integriranega vezja v silicij se uporablja fotolitografija. Slika: Univerza Rice.

Najpopolnejši kristali na svetu

Kristali so najbolj urejena oblika snovi, saj imajo v kristalni rešetki vsi atomi svoje predpisano mesto, celoten kristal pa visoko stopnjo simetrije. Ker večina snovi pri ohlajanju kristalizira, se zdi priprava kristalov trivialen postopek. A gojenje monokristala silicija kakovosti za čipe je zapleten postopek z natančno predpisanimi koraki.

Po naravni poti zrasli kristali imajo dvoje vrst pomanjkljivosti. Vsebujejo defekte, ki so lahko manjkajoči atomi v strukturi, vrinjeni presežni (intersticijski) atomi, vgrajeni tuji atomi in topološki defekti. Druga vrsta defektov so o dislokacije in napake pri zlaganju plasti. Naravni kristalinični materiali so v resnici sestavljeni iz množice kristalitov, torej si jih lahko predstavljamo kot v vseh mogočih orientacijah nepravilno zlepljene skupke kristalov. Za proizvodnjo integriranih vezij z milijardami tranzistorjev so taki materiali popolnoma neprimerni.

Približno tri četrtine vseh silicijevih monokristalov za integrirana vezja proizvedejo po postopku Czochralskega, ki bo prihodnje leto star sto let. Čist, a polikristalinični silicij v avtoklavih,  napolnjenih z argonom, segrejejo nad 1414° C, da se utekočini. Potem ga skupaj s točno določeno koncentracijo primesi (n ali p) prelijejo v kvarčne cilindrične posode in tam se ob počasnem vrtenju ohlaja. V talino ravno toliko, da se je dotakne, pomočijo čist monokristal silicija v velikosti svinčnika, ki se vrti v nasprotni smeri, da se primesi enakomerno porazdelijo po kristalu. Silicij začne na semenu kristalizirati. Sprva ga hitro vlečejo iz taline, da na začetku kristalizacije ne nastajajo defekti (zato je končni ingot ošiljen), kasneje pa hitrost zmanjšajo na okrog 1,5 mm na minuto, da je premer silicijevega monokristala 20, 30 ali 45 centimetrov. Končni monokristal v višino meri dobra dva metra in tehta nekaj sto kilogramov.

Zamenjava silicijevega dioksida kot dielektrika z materialom z višjo dielektričnostjo (rumeni sloj) in silicija s kovinskimi vrati (modro) je omogočila nadaljnjo miniaturizacijo.

Zamenjava silicijevega dioksida kot dielektrika z materialom z višjo dielektričnostjo (rumeni sloj) in silicija s kovinskimi vrati (modro) je omogočila nadaljnjo miniaturizacijo.

Nanos silicija na silicij in germanij povzroči podaljšanje medatomskih razdalj, to pa poveča prevodnost. Na shemi je učinek predstavljen pretirano, v resnici se razdalja spremeni zgolj za odstotek.

Nanos silicija na silicij in germanij povzroči podaljšanje medatomskih razdalj, to pa poveča prevodnost. Na shemi je učinek predstavljen pretirano, v resnici se razdalja spremeni zgolj za odstotek.

Obdelava silicijevih rezin poteka v čistih sobah, kjer so standardi tisočkrat strožji kot v operacijskih dvoranah. Slika: Intel.

Obdelava silicijevih rezin poteka v čistih sobah, kjer so standardi tisočkrat strožji kot v operacijskih dvoranah. Slika: Intel.

Velikanske ingote je treba razrezati v tanke rezine, iz katerih bodo nastali čipi. Kristalinični silicij je zelo trd, zato imajo žage diamantna rezila. Sledi mehanska obdelava (lapping), ki odstrani sledi rezanja, rezine stanjša in popolnoma zaobli. Kemična obdelava z natrijevim hidroksidom in ocetno ali dušikovo kislino pa odstrani še manjše nepravilnosti. Oba postopka sta sestavljena iz več korakov in se lahko večkrat ponovita, da je končni izdelek res popolnoma čist. Gladkost površine merijo v milijoninkah milimetra (torej v nanometrih).

Končne faze poliranja potekajo v posebnih čistih sobah, kjer je v zraku manj kot 100 delcev na kubični meter. To je vsaj tisočkrat manj kot v operacijskih sobah, v običajni pisarni ali dnevni sobi pa je več milijonov prašnih delcev v kubičnem metru zraka. Zahteva po visoki čistosti je razumljiva, saj so prašni delci tudi do tisočkrat večji od dimenzij povezav v čipu, ki bo nastal iz rezine.

Najmanjša sestavljanka na svetu

Modernih elektronskih naprav ne bi bilo brez integriranih vezij, ki so odvisna od sposobnosti obdelave silicijevih rezin z nanometrsko natančnostjo. Tako ostrih nožev ni, zato si pomagamo s svetlobo. Osnovno načelo se imenuje fotolitografija in ga je enostavno razumeti, dejanska izvedba pa je sestavljena tudi iz več kot 50 korakov.

Na substrat v vsaki stopnji nanesemo fotoreaktivni premaz, potem pa ga skozi masko osvetljujemo z lasersko svetlobo valovne dolžine 248 ali 157 nm. Maska ustreza želeni konfiguraciji na integriranem vezju, premaz pa na izpostavljenih delih reagira s svetlobo. Spiranje odstrani premaz, ki je bil osvetljen (možna je tudi nasprotna izvedba, kjer se spere neosvetljeni del premaza). Zdaj na izpostavljenih delih substrata izvedejo ustrezno modifikacijo: dopiranje za spremembo vrste polprevodnika in prevodnosti, nalaganje (depozicija) molekul novega materiala itd. Na koncu odstranijo še preostanek premaza. Ta postopek se ponavlja, s čimer vezje dobiva nove sloje in kompleksnost. Podrobneje smo o tem postopku pisali v Monitorju 03/13 (Prihajajo superčipi!).

Postopek je visoko avtomatiziran in poteka v nadvse čistih sobah, podobno kot proizvodnja silicijevih ingotov. Vpletanje ljudi je okleščeno na minimum, ker smo ljudje velika, okorna in umazana bitja. Tam, kjer tehniki vendarle sodelujejo pri proizvodnji, morajo nositi posebne zaščitne obleke, da ne kontaminirajo okolice.

Planarni NAND flash na koncu poti

Čipi za bliskovni pomnilnik (NAND flash) so že dosegli meje smiselnosti nadaljnjega zmanjševanja. Ker je flash cenejši od procesorjev, je ta točka nastopila toliko prej. Letos avgusta so še zadnji izdelovalci sporočili, da ne bodo več razvijali planarnih čipov za NAND flash, ker  nadaljnja miniaturizacija pod 15 nm ekonomsko ni upravičena. Vsi se bodo posvetili zgolj razvoju čipov 3D V-NAND, kjer se celice zlagajo v višino, namesto da bi jih tlačili na čedalje manjšo površino. To ni eksperimentalna tehnologija, saj so SSDji s temi čipi v 32 slojih že naprodaj, razvijajo pa že 48-slojne.

Težave pri miniaturizaciji MOSFETov

Litografija integriranih vezij in posledično čipi se iz generacije v generacijo manjšajo, ker je bil to dolgo časa edini način za povečevanje zmogljivosti. Miniaturizacija prinaša številne pozitivne lastnosti: nižjo porabo električne energije in manj segrevanja, manjše upornosti, uporabo višjega takta, zmanjševanje velikosti in zato povečevanje števila tranzistorjev in s tem povezano rast zmogljivosti itd. Toda fizika ima zelo resno omejitev – teoretično najmanjša debelina kateregakoli elementa je en atom, zaradi kvantnih učinkov pa se že pri debelini desetih atomov pokaže vrsta nevšečnosti. Izdelovalci so posegli po zanimivih zvijačah.

Preprostega krčenja elementov je bilo konec že leta 2003. Če pomislimo, da se koncept MOSFETa ni spremenil vse od leta 1969, je to zavidljiva doba, a vsega je enkrat konec. Že v  90 nm litografiji, ki je za današnje razmere velikanska, je Intel uporabil raztegnjen silicij (strained silicon), saj imajo elektroni in vrzeli v njem višjo mobilnost. V raztegnjenem siliciju so atomi za dober odstotek bolj razmaknjeni kot sicer, to pa poveča prevodnost za 20 %, izdelavo pa podraži za vsega nekaj odstotkov. Razdaljo med atomi umetno povečajo tako, da silicij naložijo na substrat iz silicija z 20 odstotki dodanega germanija (za plast p) ali zgolj odstotkom ogljika (za plast n), ki ima zaradi večjega polmera germanijevega atoma večje medatomske razdalje. Zgornja plast čistega silicija se potem poravna s spodnjo. Z isto zvijačo je šlo tudi v 65 nm, potem pa je začel povzročati težave dielektrik.

Ko je plast dielektrika med silicijem v vratih in kanalom postala pretanka, so elektroni začeli prehajati skozenj. Gre za popolnoma kvantni učinek, ki je dobro znan in raziskan. Delci lahko preidejo visoko potencialno pregrado, četudi nimajo dovolj energije, tako da se tunelirajo na drugo stran. Verjetnost, da se delec znajde na drugi strani pregrade, je obratno sorazmerna z debelino pregrade. Ko je bil dielektrik debel pet silicijevih atomov, je bilo igre konec. Dosegli so fizikalno mejo – silicijevega dioksida.

V 45 nm tehnologiji leta 2007 so problem rešili s spremembo vrat. Namesto silicija so uporabili kovinski material, dielektrik med njim in kanalom pa je namesto silicijevega dioksida postal material z bistveno višjo dielektričnostjo (ki jo označimo z grško črko κ). Za silicij je ta 3,9, material z višjo vrednostjo pa se vede kot sorazmerno debelejši sloj silicijevega dioksida. Trenutno se uporabljajo hafnijeve spojine. Po istem načelu je šlo tudi 32 nm, potem pa se je ustavilo. Mimogrede, vse navedene letnice se nanašajo na začetek prodaje linij. Raziskave so se začele že v 90. letih.

Nastane nova težava, to pot zaradi premajhne razdalje med izvorom in ponorom. Odvisnost toka skozi ponor od napetosti vrat prikazuje desni graf (modra črta). Do mejne napetosti (VT) je tok zanemarljiv in tranzistor je v izključenem stanju, potem pa se eksponentno veča do zasičenja. Tedaj je tranzistor vključen. Levi graf kaže še energijski nivo valenčnega in prevodnega pasu elektronov vzdolž tranzistorja. Če povečamo napetost na ponoru (VD), se sorazmerno poveča tok pri vseh napetostih na vratih, mejna napetost in strmina grafa pa ostaneta enaki (zelena črta). To se zgodi, ker se energijska razlika, ki jo morajo premagati elektroni, ne spremeni (desni graf).

Pri nadaljnji miniaturizaciji pa začne težave povzročati učinek kratkega kanala (short channel effect). Ker zaradi majhne razdalje med izvorom in ponorom dvig napetosti na ponoru zniža energijsko mejo, se tok pri izključenem tranzistorju poveča bistveno bolj kot pri vključenem. Obenem se premakne mejna napetost (VT) in zniža strmina grafa (pri višji napetosti na ponoru za desetkrat višji tok potrebujemo dvig napetosti vrat za npr. 100 mV, pri nižji napetosti na ponoru pa zgolj za 90 mV). Tak tranzistor ne more učinkovito delovati.

Energija elektronskih pasov in tokovna karakteristika MOSFETa ter posledice učinka kratkega kanala.

Energija elektronskih pasov in tokovna karakteristika MOSFETa ter posledice učinka kratkega kanala.

Rešitev so plavuti

Zaradi opisanih težav in tudi povsem splošnega problema miniaturizacije, tj. naraščajoče variabilnosti (dopiranje ni povsem enakomerno, meje elementov niso premice, temveč so vedno nekoliko zabrisane, nečistoče postanejo moteče) je bilo treba najti nov način povečanja nadzora nad kanalom. Po domače: vrata je bilo treba povečati, ne da bi jih fizično povečali. Inženirji so staknili glave in ugotovili, da je skrajno neumno kanal nadzorovati le z ene strani kot v planarnih tranzistorjih. Vrata bi lahko ovili okrog kanala.

Najprej so zmanjšali debelino kanala, tako da je nad kanalom dielektrik, pod njim pa tudi. Potem so vzeli dvoje vrat, ena so ostala nad kanalom, druga so dali podenj. Naslednja rešitev je FinFET (ime je dobil, ker spominja na plavut), ki si ga lahko predstavljamo kot prepognjen planarni tranzistor. Kanal je zdaj na spodnji skici usmerjen pravokotno (v list), vrata pa so okoli. Tranzistorji s trojnimi vrati so podobni, le da na zgornji strani nimajo dodatnega dielektrika, tako da je kanal obdan s treh strani. Če vrata še podaljšamo v globino, kanal še bolj objamemo (pi in Σ), limitni primer pa so okrogla vrata okoli in okoli kanala. Trenutno se najbolj množično uporablja tehnologija FinFET.

Zakaj prav silicij?

Danes se nam zdi samoumevno, da je večinska sestavina elektronskih komponent silicij, zato redko pomislimo, katere lastnosti silicija so odločilne za njegovo rabo. Prvi tranzistorji so bili v resnici iz germanija, a so kasneje tranzistorji iz silicija tako odločno prevzeli primat, da danes malokdo sploh pozna germanij. Po izumu integriranega vezja je germanij že v 60. letih prejšnjega romal na smetišče zgodovine, silicij pa je začel svoj nebrzdan vzpon. Razlogov je bilo več.

Prvi sklop razlogov je geološko-kristalografski. Nezanemarljivo je to, da je silicij drugi najpogostejši element na Zemlji in da 90 odstotkov Zemljinega plašča sestavljajo silikatni minerali. To v praksi pomeni, da je silicij na voljo v neomejenih količinah povsod po svetu. Zelo majhen del se porabi za izdelavo integriranih vezij, pretežni del pa v gradbeništvu kot pesek, steklo ali cement. Druga izjemno pomembna lastnost je sorazmerna enostavnost izdelave velikih, zelo čistih monokristalov silicija, kar predstavlja pri germaniju bistveno večje težave.

Drugi sklop razlogov pa je fizikalni in pojasnjuje, zakaj sploh potrebujemo polprevodnike. Električna prevodnost kovin je načeloma visoka in jo je težko opazno zmanjšati. Nasprotno velja za izolatorje, ki trmasto ne prevajajo električnega toka ne glede na okoliščine.

Polprevodniki – ki so lahko kemijski elementi kot silicij ali spojine kot galijev arzenid – so nekje vmes. Fizikalno definicijo podaja razlika med valenčnim pasom, v katerem so zunanji elektroni, in prevodnim pasom. V prevodnikih se prekrivata in elektroni zlahka tečejo po materialu, v izolatorjih pa je razlika med njima (prepovedani pas) previsoka. V polprevodnikih je razlika ravno pravšnja, da je z dovajanjem energije mogoče elektrone vzbuditi v prevodni pas, s čimer material začasno postane prevoden.

Silicij je z nami vztrajal pol stoletja in bo tudi v prihodnosti igral pomembno vlogo, bo pa najbrž dobil pomočnike. IBM je za nove 7 nm čipe uporabil zlitino silicija in germanija, v nekoliko bolj oddaljeni prihodnosti pa bi ga utegnil nadomestiti grafen.

Spreminjanje geometrije vrat za doseganje boljšega nadzora nad delovanjem tranzistorja. Pri planarnem MOSFETu vrata na kanal vplivajo z ene strani, pri GAA (gate all-around) pa z vseh. FinFET je vmesna in danes najbolj priljubljena tehnologija.

Spreminjanje geometrije vrat za doseganje boljšega nadzora nad delovanjem tranzistorja. Pri planarnem MOSFETu vrata na kanal vplivajo z ene strani, pri GAA (gate all-around) pa z vseh. FinFET je vmesna in danes najbolj priljubljena tehnologija.

FinFET si lahko predstavljamo kot prepognjen planarni MOSFET.

FinFET si lahko predstavljamo kot prepognjen planarni MOSFET.

In kako zdaj to izdelati?

Vse opisano je zgolj ena vrsta težav, ki jih povzroča miniaturizacija. Nič ne pomaga rešiti inženirske in dizajnerske težave, ki omogočajo delovanje majhnih čipov, če jih ne znamo izdelati. Tu fizikalne omejitve postavlja valovna dolžina svetlobe, ki se uporablja pri osvetljevanju fotoreaktivnega premaza za jedkanje.

Danes za fotografijo uporabljajo laserje KrF (kriptonov fluorid) z valovno dolžino svetlobe 248 nm in ArF (argonov fluorid) s 157 nm, zato se imenuje DUV (deep UV). S tem je šlo brez težav nekje do 90 nm, potem pa je bilo treba uporabiti nove zvijače.

Eden izmed njih je maska za fazni zamik (phase-shift mask). Klasične maske so homogene debeline z izrezanim vzorcem, skozi katerega svetloba pada na premaz. Maske PSM imajo tu in tam različno debelino – ponekod so tako tanke, da čeznje prodre premalo svetlobe za reakcijo s premazom, a dovolj za interferenco s preostalo vpadlo svetlobo. Uporablja se tudi dvojno vzorčenje, kjer za jedkanje iste plasti potrebujejo dve maski – najprej premaz presvetlijo skozi prvo, potem pa skozi drugo, kar spet podvoji ločljivost.

Druga zvijača je potopitvena litografija, ko med lečo projektorja in silicijevo rezino ni več zraka, temveč tekočina z lomnim količnikom, večjim od 1, navadno kar ultračista voda. Tudi tako je mogoče izboljšati ločljivost.

Ko ni šlo več niti tako, je bila edina možnost uporabiti svetlobo še nižje valovne dolžine. Pri ekstremni UV (EUV) fotolitografiji uporabljajo svetlobo z valovno dolžino 13,5 nm, kar prinaša povsem novo vrsto težav. Vse snovi močno absorbirajo kratkovalovno svetlobo, zato je treba med silicijevo rezino in optiko vzpostaviti vakuum. Zaradi visoke energije te svetlobe je treba premaz osvetljevati zelo kratek čas, vsaka nenatančnost in defekt pa ima uničujoče posledice za čip. Hkrati tak laser porablja bistveno več energije. Izkoristek znižuje tudi dodatna usmerjevalna optika, ki je potrebna, ker so laserji EUV viri nekoherentne svetlobe. Za industrijsko proizvodnjo primerni laserji porabljajo tudi več sto kilovatov električne energije, česar ni trivialno niti hladiti. Za izdelavo 100 jeder na uro je treba rezine obsevati s svetlobnim tokom 3 kW, izkoristki laserjev EUV pa so zgolj nekajodstotni! Kljub nizkim izkoristkom ni težko izdelati deset jeder na uro, množična proizvodnja pa seveda zahteva več in bolje.

Danes se večinoma uporablja DUV z vsemi opisanimi zvijačami in še nekaj drugimi, za katere tu ni prostora. IBM je svoj 7 nm čip seveda izjedkal z EUV.

Časovni pregled uporabe različnih tehnologij za doseganje manjših litografij. PSM: maska za fazni zamik, EPL: litografija z elektronskim snopom, PXL: rentgenska litografija, IPL: ionska litografija, EBDW: neposredna elektronska litografija brez maske.

Časovni pregled uporabe različnih tehnologij za doseganje manjših litografij. PSM: maska za fazni zamik, EPL: litografija z elektronskim snopom, PXL: rentgenska litografija, IPL: ionska litografija, EBDW: neposredna elektronska litografija brez maske.

Prihodnost

Kaj bo prinesla prihodnost, ne ve nihče. Še najbolje to vedo v IBMu, Intelu, Globalfoundries, TSMCju in drugih livarnah čipov, a svoje raziskave dobro skrivajo pred konkurenco.

Ekstremna ultravijolična litografija in FinFETi gotovo niso zadnja postaja v razvoju. Trenutno največ obeta tudi elektronska litografija, ki namesto svetlobe (fotonov) uporablja elektrone, ki imajo seveda manjšo valovno dolžino; podobno kot elektronski mikroskop omogoča večje povečave od optičnega. FinFETe pa bodo verjetno nadomestile druge izvedbe tranzistorjev, katerih ime niti ni pomembno. Izdelovalci bodo iskali nove materiale in poizkušali vrata čim bolj zviti okrog kanala, dokler ne odkrijejo kakšne revolucionarne tehnologije. Prav tako se že dlje časa napovedujejo pravi tridimenzionalni čipi, kjer bi bili tranzistorji zloženi drug nad drugim, podobno kot je pomnilnik NAND flash že zgrajen iz 48 celic, ki so druga nad drugo.

ASMLjev stroj za ekstremno litografijo UV

ASMLjev stroj za ekstremno litografijo UV

A eno je gotovo. Časov enostavnega zmanjševanja litografije je konec, zdaj bo za vsako izboljšavo treba garati najprej na papirju in kasneje v proizvodni hali. Podobno se je zgodilo tudi z višanjem takta, zato so današnji procesorji obviseli okrog 4 GHz, povečuje pa se število jeder. Kako to izkoristiti, je zdaj postal problem programerjev, ne inženirjev. A dokler ne pridejo kvantni računalniki, bodo le tako lahko ohranili pri življenju Moorov zakon in pravzaprav celotno računalniško branžo, ki je odvisna od inovacij in prodaje vedno novih, hitrejših izdelkov. 

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!
Prijava

ph

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki