Jak vzniká procesor - moderní výrobní technologie

Budoucí trendy a nové materiály

A co dál? Časy pouhého zmenšování výrobní technologie jsou dávno pryč. Pro udržení stávajícího pokroku bude nutné s miniaturizací výrobní technologie také změnit řadu materiálů používaných k výrobě procesorů. Dojde také k podstatným změnám ve fotolitografii a ke změně struktury samotných tranzistorů.

Jedním z prvních kroků bude dokonalejší zpracování měděných mezispojů a další Low-k materiály pro mezispoje, stejně jako High-k materiály, které budou použity k lepšímu odizolování hradla tranzistoru. Intel například s High-k počítá již pro 45 nm výrobní technologii - jak se s miniaturizací vrstvička oxidu křemičitého stává stále tenčí, dochází k průsakům proudu, což má neblahý vliv na spotřebu. Se 45 nm se také blíží použití kovu pro hradla tranzistorů. Nasazení nových materiálů a metod výroby procesorů tak na sebe nenechá dlouho čekat...


SiGe

Křemík-germanium. Jedno z prvních nasazení má na svědomí IBM. Používá se jako základ pro roztažení atomové mřížky u technologie „napnutého“ křemíku. Další generace nasazení křemík-germania se očekává v nových 65 nm procesorech od AMD, které mají být na trhu již následující měsíc, dále pak i v K8L a zřejmě i v dalších generacích procesorů.


Strained Germanium

Ukázkou další možné aplikace germania je, stejně jako v případě křemíku, jeho navázání na vrstvu křemík-germania. V případě křemík-germania a navázaného germania je mřížka naopak mírně stlačená. Pohyblivost elektronů a děr je ovšem u germania zhruba 3x vyšší než v případě křemíku. Problémem je podstatně horší rozsah pracovních teplot germania a také samotné zpracování, které nutně musí vycházet z používaných technologií výroby. S nasazením se počítá až od 32 nm výrobní technologie s metodou zpracování (UHVCVD, Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition) chemické depozice z plynné fáze v ultavysokém vakuu. Použití stejné technologie je vyžadováno v případě EUV litografie.

Použití samotné je tedy obdobné jako u nataženého křemíku. V případě germania však nárůst výkonu tranzistoru může dosáhnout podle odborníků z IBM až 200%. V případě budoucího použití je pravděpodobné nahrazení SiO2 s pomocí High-k a kombinování s řadou dalších pokročilých technologií.


Low-k

Low-k materiály, neboli materiály s nízkou (a stále nižší) dielektrickou konstantou, které se používají pro spojení vrstev měděných mezispojů. Pro další generace bude nutné dielektrickou konstantu dále snižovat za pomoci nových materiálů. Zatím se zdá být reálné dosažení k = 2.2-2.3 pro 45 nm výrobní proces při zachování stávajícího typu výrobní technologie depozice z plynné fáze (CVD). AMD v současnosti, jak již bylo uvedeno, používá uhlíkem dopovaný oxid křemičitý. Intel používá uhlíkem legovaný oxid (CDO, carbon-doped oxide).

High-k

Vyšší dielektrická konstanta je naopak třeba pro odizolování hradla u tranzistoru. Se stále se zmenšující vrstvičkou SiO2, která se dostala dnes až na úroveň zhruba 1,2 nm, se zde již projevuje kvantová mechanika a problémem se stává tak zvaný „tunelový efekt“. V podstatě jde o to, že s jistou pravděpodobností dojde k průchodu elektronu touto vrstvou.

Nasazení High-k dielektrika, které bude mít vhodné rozměry a parametry, má tento jev minimalizovat. S nasazením High-k počítá Intel již pro 45 nm výrobní technologii, která přijde pravděpodobně na přelomu roku 2007-2008. Prozkoumávany jsou v současnoti zejména možnosti High-k dielektrik jako je například oxid hafničitý HfO2 nebo dusíkem dopovaný hafnon HfSiON.

První praktickou ukázkou aplikace HfSiON se může pochlubit firma Renesas z Japonska, která předvedla funkční buňku paměti SRAM, vyrobenou s použitím 45 nm výrobní technologie a zmiňovaného High-k dielektrika.


Metal gates

Neboli technologie kovových hradel. Ta mají nahradit, k výrobě hradel v současné době používaný, polysilikon. Jedním z možných kandidátů pro materiál hradel je podle AMD například silicid niklu NiSi nebo titanid niklu NiTi. Výkon tranzistoru díky technologii kovových hradel má být podle AMD vyšší o 20-25%. Nasazení této technologie je u Intelu i AMD pravděpodobné s 45 nm výrobním procesem.


Multi-Gate tranzistory

Neboli tranzistory s více hradly. Místo jednoho hradla, v závislosti na konkrétním návrhu, je použito hradel více. Podle Intelu budou vícehradlé tranzistory komerčně použitelné po roce 2009 s 32 nm výrobní technologií. Díky širšímu kanálu (v porovnání s typickým tranzistorem) dosahuje tento tranzistor mnohem vyššího výkonu. Jedny z prvních tříhradlých tranzistorů, které Intel testoval ještě vyrobené 65 nm výrobním procesem, vykazovaly zvýšení výkonu až o 45%. Proud tranzistoru ve vypnutém stavu se snížil 50x oproti typickému tranzistoru (také díky High-k dielektriku). Podobnou technologii má dnes i IBM, AMD a jistě řada dalších výrobců.

Na všechny zmiňované technologie a materiály je kromě potřebných parametrů (stálost při různých teplotách a řada nezbytných vlastností, které ten který materiál dovolí či nedovolí při výrobě použít) kladen zejména požadavek nízké ceny a možnost nasazení se současnými výrobními technologiemi. Už jen z finančních důvodů není možné pro jeden nebo dva „vhodné“ materiály měnit stávající výrobní postupy a takové technologie zatím nemají velkou šanci se komerčně prosadit, zejména pokud bude existovat jiná alternativa udržující potřebný pokrok ve výrobě a dostatečnou konkurenceschopnost.

Ne všechny problémy miniaturizace mohou nové materiály vyřešit. Příkladem jsou například příliš tenké měděné mezispoje, které zřejmě nebude čím nahradit, a tak celé řešení bude muset z velké části plynout z chytře navržené struktury mezispojů. Další výrazné změny nás čekají i v oblasti fotolitografie.