Intel: первые 65 нм чипы. О сложностях и перспективах



Итак, исторический факт, знаменующий выпуск первых чипов с нормами 65 нм техпроцесса, можно назвать свершившимся. Сегодня компания Intel представила первые полностью функциональные 4 Мбит чипы статической памяти SRAM (Static Random Access Memory), выполненные с этими нормами. Разумеется, до начала массового производства чипов с 65 нм нормами еще далеко — даже Intel планирует массовые поставки таких микросхем только в 2005 году, однако, уже сейчас можно констатировать факт: Земля по-прежнему вертится, закон Мура по-прежнему в силе.

Двадцать месяцев назад компания Intel показала прототипы первых чипов SRAM, выполненные с нормами 90 нм техпроцесса. Тогда это событие было также первым в индустрии и представляло собой настоящий технологический прорыв. Сегодня мы говорим о внедрении 90 нм норм, практически, как о факте, если не свершившимся, то по крайней мере, реальном, появление таких чипов в ближайший год от многих производителей уже не вызывает удивления. Между тем, для того, чтобы получить на практике новые чипы с техпроцессом P1264, с 65 нм нормами, где ширина затвора транзистора не превышает 35 нм (для сравнения: затворы транзисторов процессора Intel Pentium 4 имеют порядка 50 нм), специалистам Intel вновь пришлось идти на многочисленные инженерные ухищрения. И дело не только во внедрении компанией второго поколения технологии так называемого «растянутого» (strained) кремния, медных соединений и использования новых low-k диэлектриков. Дело в том, что в очередной раз компания столкнулась с тем, что для производства чипов с новыми нормами пришлось использовать прежние инструменты вкупе с технологией фазового сдвига фотомасок. Наши постоянные читатели, возможно, помнят предшествовавший материал, описывавший сложности при переходе на 0,13 мкм техпроцесс, трудности с поставками новых 197 нм литографических инструментов и необходимость работы с прежними 248 нм литографическими инструментами (см. статью Перспективы нынешней литографии глазами Intel, или «Прощай, SVG!» от 2 августа 2001 года, а также тематически связанную с ней публикацию Intel покупает первую EUV-установку. Немного о перспективах внедрения EUV от 24 апреля 2002 года). На этот раз компания также использовала технологию фазового сдвига, однако, уже с поколением 193 нм сканеров. Впрочем, по всей видимости, сейчас — самое время поведать подробности о шагах, предваряющих появление на свет микросхемы. Сегодня мы вкратце коснемся процесса изготовления кремниевой пластины, чтобы впоследствии более предметно говорить о возникающих на пути разработчиков проблемах и методах их устранения.

Итак, Intel самой первой столкнулась с проблемами перехода к 65 нм нормам. Посмотрим на планы развития технологических процессов Intel. Нынешний «литографический» роадмэп компании выглядит таким образом:

Как и в прошлый раз, два года назад, когда речь шла о форсировании внедрения в массовое производство норм 0,13 мкм техпроцесса, Intel вновь столкнулась с тем, что современное состояние индустрии производства инструментов для выпуска чипов пока не готово к поставкам желательных в этом случае новых литографических установок. Напомню, что летом 2001 года специалисты Intel, в очередной раз услышавшие от SVG об отсрочке начала поставок 193 нм литографических инструментов, смогли перейти с 0,18 мкм норм на 0,13 благодаря применению технологии сдвига фазы при экспонировании фотомасок с применением прежних 248 нм инструментов.

Прошло время, массовые поставки 193 нм степперов вошли в график, а это как раз «то, что доктор прописал» для производства 90 нм чипов. Однако уже опробованная технология сдвига фазы, доработанная с учетом требований норм 65 нм техпроцесса, позволила специалистам Intel сделать прошедшим летом сенсационное заявление: следующее поколение 157 нм литографических инструментов компанией будет попросту пропущено. То есть, ближе к 2009 — 2010 годам, когда подойдет срок внедрения 32 нм техпроцесса, Intel намерена перейти сразу с 193 нм инструментов на экспозиционные установки технологии сверхглубокого ультрафиолета (Extreme Ultraviolet, EUV). Вопрос этот, надо сказать, до сих пор остается открытым. Дело в том, что 157 нм литография, мало того, что до сих выпускается лишь в единичных опытных экземплярах, стоит к тому же, из-за высоких цен на CaF оптику, дурных денег — что-то порядка $40-50 млн. за установку. Справедливости ради стоит отметить, что не все производители полупроводников отказались от планов использования 157 нм оборудования, да и в Intel, в целом, не отрицают возможности «промежуточных» — до ввода EUV литографии, закупок таких инструментов или чего-нибудь альтернативного, вроде иммерсионной литографии.

Тем не менее, нынешняя ситуация привела к разработке технологии «печати» 65 нм чипов с помощью прежних 197 нм инструментов. Делается это следующим образом. Внимательно рассмотрим следующий слайд:

Как видите, схематично экспонирующая система выглядит очень просто: источник света (193 нм лазер) «засвечивает» через шаблон-маску и фокусирующую систему кремниевую пластину. Мы не будем сейчас углубляться в хитрости техпроцесса, в работу с фоторезистами и ненормальные цены на подобную оптику, выделим лишь суть: для достижения 65 нм норм такая система не очень пригодна — слишком «длинноволновым» оказывается излучение 193 нм источника света. На помощь в этом случае приходит техника формирования отпечатка с помощью фазосдвигающей маски и технологии оптической коррекции, как показано на следующем слайде:

Таким образом, по уверениям специалистов компании, появляется возможность поддерживать технологический процесс с нормами менее 40 нм! Получается, что этого предостаточно не только для работы с 65 нм нормами, но также со следующим, 45 нм поколением техпроцесса, называемым в Intel P1266 и подготавливаемым к внедрению в 2007 году. Вот таким образом работает технология оптической коррекции, применяемая при работе с «фазосдвинутыми» фотошаблонами (alternating phase shift mask, APSM) на практике:

Итого, в результате получается достаточно оперативная и производительная работа с пластиной: представьте себе, что на работу с первыми тремя наиболее критичными слоями уходит всего пять дней! Несмотря на то, что пока что компания работает лишь с опытными образами 65 нм чипов, уже сейчас специалисты Intel утверждают: процент выхода готовых чипов при начале массового производства будет впечатляющим.

Что из себя представляет нынешнее опытное производство с 65 нм нормами? Для организации этого техпроцесса компания оборудовала на площади в 35 тыс. кв. футов, на своей крупнейшей фабрике D1D по выпуску 300 кремниевых пластин в Хиллсборо, Орегон, тестовую линию с 193 нм литографическими инструментами. Техпроцесс включает в себя использование «растянутого» (strained) кремния, 8 слоев металлизации, медные соединения, технологию применения low-k диэлектриков, получаемых путем сублимационного химического замещения (CVD, chemical vapor deposition), при этом, коэффициент диэлектрической проницаемости материала — k, менее 3.0.

Представьте себе, что ячейка полнофункционального 4 Мбит чипа SRAM, выполненного с нормами 65 нм, занимает площадь всего 0,57 нм²! Для того, чтобы более предметно представить порядок этих габаритов, можно сказать, что на площади в один квадратный миллиметр размещается порядка 10 млн. таких транзисторов, а сама ячейка состоит из 6 транзисторов. Стоит также отметить, что малый форм-фактор экспериментальных чипов SRAM не является единственной целью разработчиков. Изменение норм техпроцесса приносит с собой совершенно иные, меньшие рабочие напряжения питания, и здесь очень важным является тот факт, что снижение питания чипов до 0,7 В оставило вполне приличный «зазор» по шумовым характеристикам.

Фабрика D1D, являющаяся уже четвертым предприятием Intel по производству 300 мм кремниевых пластин, будет одной из первых, которая перейдет на выпуск чипов с соблюдением норм 65 нм и 45 нм техпроцесса, при этом, речь идет не только о производстве памяти, но также следующих поколений процессоров Pentium. Что касается нынешних экспериментальных чипов, они также имеют отношение к CPU, так как именно SRAM является памятью, применяемой в качестве кэша процессора.

Вот, собственно, вкратце все, что можно рассказать о новом 65 нм техпроцессе, освоенном в опытном порядке компанией Intel. Есть все шансы, что мы увидим первые процессоры с применением 65 нм техпроцесса P1264 уже в 2005 году. Дальнейшие планы Intel по внедрению новых техпроцессов выглядят в настоящее время следующим образом:




25 ноября 2003 Г.

Intel: ������ 65 �� ����. � ���������� � ������������

Intel: ������ 65 �� ����. � ���������� � ������������



����, ������������ ����, ����������� ������ ������ ����� � ������� 65 �� �����������, ����� ������� ������������. ������� �������� Intel ����������� ������ ��������� �������������� 4 ���� ���� ����������� ������ SRAM (Static Random Access Memory), ����������� � ����� �������. ����������, �� ������ ��������� ������������ ����� � 65 �� ������� ��� ������ — ���� Intel ��������� �������� �������� ����� ��������� ������ � 2005 ����, ������, ��� ������ ����� �������������� ����: ����� ��-�������� ��������, ����� ���� ��-�������� � ����.



�������� ������� ����� �������� Intel �������� ��������� ������ ����� SRAM, ����������� � ������� 90 �� �����������. ����� ��� ������� ���� ����� ������ � ��������� � ������������ ����� ��������� ��������������� ������. ������� �� ������� � ��������� 90 �� ����, �����������, ��� � �����, ���� �� ������������, �� �� ������� ����, ��������, ��������� ����� ����� � ��������� ��� �� ������ �������������� ��� �� �������� ���������. ����� ���, ��� ����, ����� �������� �� �������� ����� ���� � ������������ P1264, � 65 �� �������, ��� ������ ������� ����������� �� ��������� 35 �� (��� ���������: ������� ������������ ���������� Intel Pentium 4 ����� ������� 50 ��), ������������ Intel ����� �������� ���� �� �������������� ���������� ���������. � ���� �� ������ �� ��������� ��������� ������� ��������� ���������� ��� ����������� «�����������» (strained) �������, ������ ���������� � ������������� ����� low-k ������������. ���� � ���, ��� � ��������� ��� �������� ����������� � ���, ��� ��� ������������ ����� � ������ ������� �������� ������������ ������� ����������� ����� � ����������� �������� ������ ���������. ���� ���������� ��������, ��������, ������ ���������������� ��������, ����������� ��������� ��� �������� �� 0,13 ��� ����������, ��������� � ���������� ����� 197 �� ��������������� ������������ � ������������� ������ � �������� 248 �� ���������������� ������������� (��. ������ ����������� �������� ���������� ������� Intel, ��� «������, SVG!» �� 2 ������� 2001 ����, � ����� ����������� ��������� � ��� ���������� Intel �������� ������ EUV-���������. ������� � ������������ ��������� EUV �� 24 ������ 2002 ����). �� ���� ��� �������� ����� ������������ ���������� �������� ������, ������, ��� � ���������� 193 �� ��������. �������, �� ���� ���������, ������ — ����� ����� �������� ����������� � �����, ������������ ��������� �� ���� ����������. ������� �� ������� �������� �������� ������������ ���������� ��������, ����� ������������ ����� ��������� �������� � ����������� �� ���� ������������� ��������� � ������� �� ����������.

����, Intel ����� ������ ����������� � ���������� �������� � 65 �� ������. ��������� �� ����� �������� ��������������� ��������� Intel. �������� «���������������» ������� �������� �������� ����� �������:

��� � � ������� ���, ��� ���� �����, ����� ���� ��� � ������������ ��������� � �������� ������������ ���� 0,13 ��� �����������, Intel ����� ����������� � ���, ��� ����������� ��������� ��������� ������������ ������������ ��� ������� ����� ���� �� ������ � ��������� ����������� � ���� ������ ����� ��������������� ���������. �������, ��� ����� 2001 ���� ����������� Intel, � ��������� ��� ���������� �� SVG �� �������� ������ �������� 193 �� ��������������� ������������, ������ ������� � 0,18 ��� ���� �� 0,13 ��������� ���������� ���������� ������ ���� ��� �������������� ��������� � ����������� ������� 248 �� ������������.

������ �����, �������� �������� 193 �� ��������� ����� � ������, � ��� ��� ��� «��, ��� ������ ��������» ��� ������������ 90 �� �����. ������ ��� ������������ ���������� ������ ����, ������������ � ������ ���������� ���� 65 �� �����������, ��������� ������������ Intel ������� ��������� ����� ������������ ���������: ��������� ��������� 157 �� ��������������� ������������ ��������� ����� �������� ���������. �� ����, ����� � 2009 — 2010 �����, ����� �������� ���� ��������� 32 �� �����������, Intel �������� ������� ����� � 193 �� ������������ �� �������������� ��������� ���������� �������������� ������������� (Extreme Ultraviolet, EUV). ������ ����, ���� �������, �� ��� ��� �������� ��������. ���� � ���, ��� 157 �� ����������, ���� ����, ��� �� ��� ����������� ���� � ��������� ������� �����������, ����� � ���� ��, ��-�� ������� ��� �� CaF ������, ������ ����� — ���-�� ������� $40-50 ���. �� ���������. �������������� ���� ����� ��������, ��� �� ��� ������������� ��������������� ���������� �� ������ ������������� 157 �� ������������, �� � � Intel, � �����, �� �������� ����������� «�������������» — �� ����� EUV ����������, ������� ����� ������������ ��� ����-������ ���������������, ����� ������������ ����������.

��� �� �����, �������� �������� ������� � ���������� ���������� «������» 65 �� ����� � ������� ������� 197 �� ������������. �������� ��� ��������� �������. ����������� ���������� ��������� �����:


��� ������, ���������� ������������� ������� �������� ����� ������: �������� ����� (193 �� �����) «�����������» ����� ������-����� � ������������ ������� ���������� ��������. �� �� ����� ������ ����������� � �������� �����������, � ������ � ������������� � ������������ ���� �� �������� ������, ������� ���� ����: ��� ���������� 65 �� ���� ����� ������� �� ����� �������� — ������� «��������������» ����������� ��������� 193 �� ��������� �����. �� ������ � ���� ������ �������� ������� ������������ ��������� � ������� �������������� ����� � ���������� ���������� ���������, ��� �������� �� ��������� ������:


����� �������, �� ��������� ������������ ��������, ���������� ����������� ������������ ��������������� ������� � ������� ����� 40 ��! ����������, ��� ����� ������������� �� ������ ��� ������ � 65 �� �������, �� ����� �� ���������, 45 �� ���������� �����������, ���������� � Intel P1266 � ���������������� � ��������� � 2007 ����. ��� ����� ������� �������� ���������� ���������� ���������, ����������� ��� ������ � «��������������» ������������� (alternating phase shift mask, APSM) �� ��������:

�����, � ���������� ���������� ���������� ����������� � ���������������� ������ � ���������: ����������� ����, ��� �� ������ � ������� ����� �������� ���������� ������ ������ ����� ���� ����! �������� �� ��, ��� ���� ��� �������� �������� ���� � �������� �������� 65 �� �����, ��� ������ ����������� Intel ����������: ������� ������ ������� ����� ��� ������ ��������� ������������ ����� ������������.

��� �� ���� ������������ �������� ������� ������������ � 65 �� �������? ��� ����������� ����� ����������� �������� ����������� �� ������� � 35 ���. ��. �����, �� ����� ���������� ������� D1D �� ������� 300 ���������� ������� � ���������, ������, �������� ����� � 193 �� ���������������� �������������. ���������� �������� � ���� ������������� «�����������» (strained) �������, 8 ����� ������������, ������ ����������, ���������� ���������� low-k ������������, ���������� ����� ��������������� ����������� ��������� (CVD, chemical vapor deposition), ��� ����, ����������� ��������������� ������������� ��������� — k, ����� 3.0.


����������� ����, ��� ������ �������������������� 4 ���� ���� SRAM, ������������ � ������� 65 ��, �������� ������� ����� 0,57 ��²! ��� ����, ����� ����� ��������� ����������� ������� ���� ���������, ����� �������, ��� �� ������� � ���� ���������� ��������� ����������� ������� 10 ���. ����� ������������, � ���� ������ ������� �� 6 ������������. ����� ����� ��������, ��� ����� ����-������ ����������������� ����� SRAM �� �������� ������������ ����� �������������. ��������� ���� ����������� �������� � ����� ���������� ����, ������� ������� ���������� �������, � ����� ����� ������ �������� ��� ����, ��� �������� ������� ����� �� 0,7 � �������� ������ ��������� «�����» �� ������� ���������������.

������� D1D, ���������� ��� ��������� ������������ Intel �� ������������ 300 �� ���������� �������, ����� ����� �� ������, ������� �������� �� ������ ����� � ����������� ���� 65 �� � 45 �� �����������, ��� ����, ���� ���� �� ������ � ������������ ������, �� ����� ��������� ��������� ����������� Pentium. ��� �������� �������� ����������������� �����, ��� ����� ����� ��������� � CPU, ��� ��� ������ SRAM �������� �������, ����������� � �������� ���� ����������.

���, ����������, ������� ���, ��� ����� ���������� � ����� 65 �� �����������, ��������� � ������� ������� ��������� Intel. ���� ��� �����, ��� �� ������ ������ ���������� � ����������� 65 �� ����������� P1264 ��� � 2005 ����. ���������� ����� Intel �� ��������� ����� ������������ �������� � ��������� ����� ��������� �������: