Технологии полупроводников. Часть 1

Большинство из вас наверняка прекрасно представляют и понимают, как устроен транзистор и как он работает. Но более глубокими познаниями могут похвастать немногие. Это неудивительно, поскольку данная тематика достаточно сложная для понимания, и описать максимально простым языком все процессы создания и работы транзисторов и чипов очень тяжело. Тем не менее, мы попытались это сделать. О том, что из себя представляет кремний, о транзисторах и их производстве — читайте далее.

Кремний — главный полупроводник

Наш рассказ мы начнем с самого важного материала для компьютерной индустрии — кремния. Его отличительной особенностью, как и у любого другого полупроводника, считается его зонная структура (band structure), которая представляет собой совокупность энергетических уровней, которые образуются большим числом орбитальных положений, на которых могут располагаться электроны. При этом каждый из уровней отделен друг от друга. Тем не менее, можно заметить, что между уровнями постоянно происходит распределение энергии. Происходит это как раз из-за очень большого количества орбитальных положений и их близкого расположения. Тут же стоит отметить, в структуре присутствуют и большие «зазоры», известные как запрещенные зоны (band gaps). По своей сути, запрещенные зоны — это те энергетические уровни, на которых электроны располагаться не могут.

В зонной структуре полупроводников существует такой показатель, как уровень Ферми, который на скриншоте выше обозначен как E_F. Он отражает полное количество химической потенциальной энергии для электронов при абсолютном нуле, то есть при температуре 0 градусов по Кельвину. Поэтому если зона располагается над уровнем Ферми, то ее электроны могут отделяться от атомов. Следовательно, они также могут проводить ток. Такая зона называется зоной проводимости. Если же зона располагается ниже уровня Ферми, то ее электроны уже не могут покидать атом. Эта зона носит название зоны валентности.

Стоит сказать, что в идеальном кристалле полупроводника при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, уровень Ферми располагается ровно посередине запрещенной зоны. Такое утверждение справедливо также и для изоляторов. Однако, в отличие от изоляторов у полупроводников, запрещенная зона, как правило, довольно узкая, что можно увидеть на скриншоте вверху. В действительности она настолько малая, что электроны даже могут «перепрыгивать» ее. Это происходит потому, что в реальных условиях всегда присутствует еще и тепловая энергия, которая оказывает дополнительное влияние на поведение электронов. Это свойство полупроводников не столь полезно для цифровой логики, как процесс легирования, который может оказывать реальное влияние на структуру каждой зоны. Другими словами, легирование позволяет изменять распределение электронов в зоне валентности и зоне проводимости.

В зависимости от того, как меняется распределение электронов, полупроводники могут быть двух типов: p и n. Если зонная структура изменяется таким образом, что свободные электроны генерируются легче и их становится больше, то такой материал становится полупроводником n-типа. Ну а если создаются электронные «дырки», то это уже полупроводник p-типа. Сама «дырка» представляет собой место, где мог бы располагаться электрон, но его там нет. Несмотря на отсутствие электрона в этом месте, «дырка» все равно может проводить ток. Если еще раз взглянуть на диаграмму полупроводника p-типа, то становится ясно, что его зона валентности находится в непосредственной близости от уровня Ферми. Из-за этого электроны, как правило, остаются в зоне валентности на низших орбиталях. Это означает, что на месте «дырок» могли быть электроны, что делает их носителями заряда. При этом нужно сказать, что приведенная диаграмма зон не совсем корректна. Объясним, почему. Обычно в процессе легирования зоны не только меняют свое расположение. Кроме этого, создаются и новые зоны, что не показано на диаграмме.

Самые интересные процессы начинаются, когда полупроводники p- и n-типов располагаются друг с другом. Поскольку у полупроводников p-типа имеются «дырки», а у материалов n-типа — избыток электронов, то между ними начинается движение (диффузия) электронов, которое пытается уравнять заряд в соединении. Из-за диффузии область соединения полупроводником n-типа становится положительно заряженной, а p-типа — отрицательно заряженной. Это происходит потому, что в процессе диффузии часть соединения n-типа теряет электроны, то есть становится положительно заряженной. Область p-типа, наоборот, получает их и становится отрицательно заряженной. В результате образуется электрическое поле, препятствующее диффузии, и достигается положение равновесия. Та область, где происходит этот процесс, называется слоем обеднения. Такое название этот слой получил по той причине, что в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда, из-за чего он не умеет проводить ток.

P-n-соединения чрезвычайно важны в микроэлектронике. Вообще описанная выше система может быть использована как диод, который представляет собой устройство, позволяющее протекать току только в одном направлении. Если подключить аккумулятор положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным — к полупроводнику n-типа, то электроны и «дырки» обоих полупроводников устремятся к соединению, и слой обеднения значительно уменьшится. И уже это приведет к тому, что через соединение начнет протекать ток.

Транзисторы: MOSFET

Кремний используется в производстве самой главной части любого процессора — транзистора. Существует множество различных методов их изготовления, однако мы остановимся на самой распространенной на сегодня технологии MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, или полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник).

MOSFET-транзистор имеет относительно простой дизайн, однако в то же время существуют некоторые сложности в его имплементации. Такой транзистор состоит из четырех основных частей: истока (source), затвора (gate), стока (drain) и базы (body). Остановимся подробнее на взаимодействии первых трех компонентов.

По большому счету, названия этих частей говорят сами за себя. Исток — это место входа тока, а сток — точка его выхода. Что касается затвора, то он отвечает за протекание тока. Это означает, что в зависимости от приложенного к затвору напряжения (смещения) он может находиться в двух состояниях: включенном (ток протекает) и выключенном (ток не протекает). Здесь также важно отметить, что в зависимости от типа MOSFET-транзистора ток может протекать в обоих направлениях — как из истока в сток, так и наоборот.

Конечно, транзистор — это не только исток, сток и затвор. В случае с МОП-транзистором n-типа исток и сток — это выводы из области n-типа. Их окружает полупроводниковая подложка p-типа. Ну а в небольшом промежутке между истоком и стоком располагается непосредственно МОП-затвор.

Архитектура затвора в традиционном MOSFET-транзисторе довольно проста. На кремниевую подложку наносится слой диоксида кремния (SiO2), а уже на него накладывается поликремниевый или металлический затвор. Такая структура делает затвор конденсатором, в котором диоксид кремния выступает в роли диэлектрика.

Из курса физики известно, что конденсатор создает электрическое поле в том случае, если между его пластинами существует разница потенциалов. При этом из-за плотности электронов и «дырок» линии электрического поля не могут проходить сквозь проводники. Однако для полупроводников это правило не выполняется.

В результате для полупроводников возникает ситуация, когда электроны кремния, расположенного рядом с диоксидом кремния, имеют больше шансов быть делокализованным. Это проявляется в изгибе зон, который можно увидеть на картинке выше. Это приводит к повышению вероятности того, что электроны смогут преодолеть расстояние между зонами валентности и проводимости.

С ростом плотности электронов изгиб зон уменьшается. Эффект изгиба зон уменьшается до тех пор, пока не исчезает совсем. В точке, где эффект прекращает действовать, заканчивается и созданный канал. При этом из-за большого количества свободных электронов создается инверсионный слой. В случае с NMOS-транзистором в инверсионном слое подложка p-типа становится подложкой n-типа. Теперь, если к затвору приложить положительное напряжение, то он позволит пропустить ток от стока к истоку. PMOS-транзистор работает ровным счетом наоборот: если приложить к затвору отрицательное напряжение, то он начнет пропускать ток от истока к стоку.

CMOS логика

Разобравшись с принципом работы транзистора, переходим к следующему вопросу: как же имплементировать логические операции с помощью таких затворов? На самом деле, трудно представить связь между протеканием тока и теми инструкциями, которые можно увидеть в программном коде. Существует далеко не один метод для реализации логики, однако сегодня мы остановимся на самом распространенном из них — CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), или КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).

Почему же CMOS стал столь популярным? Причина кроется в энергоэффективности метода. CMOS затрачивает значительное количество энергии только во время переключений, в то время как другие методы имплементации логики потребляют достаточно много энергии вне зависимости от состояния.

Однако прежде чем перейти к рассказу о CMOS, необходимо сказать несколько слов о булевой логике. Если не углубляться в подробности, то ее суть заключается в том, что любое выражение можно свести к последовательности простейших логических операций. Этими операциями являются «И» (конъюнкция), «ИЛИ» (дизъюнкция) и «НЕ» (отрицание). Именно они составляют основу всех функций, которые поддерживаются современными вычислительными устройствами.

Нужно отметить, что CMOS состоит исключительно из MOSFET-транзисторов p- и n-типа и не имеют в своей архитектуре резисторов. Поэтому существуют определенные требования, которые позволяют заимплементировать всевозможные логические вентили. Таких требований всего два:

• Все PMOS-транзисторы должны иметь на входе источник напряжения или другой PMOS-транзистор.
• Все NMOS-транзисторы должны иметь на входе землю или другой NMOS-транзистор

Рассмотрим эти требования на примере логического вентиля отрицания. Для его реализации требуется один NMOS- и один PMOS-транзистор. В такой конструкции PMOS-транзистор подсоединен к источнику напряжения, а NMOS — к земле. Схему вентиля отрицания можно увидеть ниже.

Принцип работы вентиля отрицания заключается в следующем. При высоком напряжении на входе NMOS-транзистор переходит во включенное состояние, а PMOS, наоборот, находится в выключенном. Тогда напряжение на выходе находится на уровне, близком к 0 В. В случае, если на вход подается низкое напряжение, PMOS-транзистор переходит во включенное состояние. При этом на выходе напряжение относительно высокое и по своему значению близко к показателю Vdd. Если говорить более простым языком, то при подаче на вход близкого к нулю напряжения (другими словами, значения «0») на выходе мы получаем ненулевое напряжение (значение «1»). И наоборот: при подаче нулевого напряжения (значение «0») на выходе получается ненулевой вольтаж (значение «1»).

Как вы знаете, современные процессоры состоят из миллионов таких транзисторов. При этом столь огромное их количество удается разместить на достаточно малой площади. К примеру, процессор Apple A8, использующийся в смартфонах iPhone 6, имеет около двух миллиардов транзисторов. Но при этом размер кристалла составляет всего 89 мм². Делать столь производительные и небольшие чипы позволяют современные производственные технологии, о которых и пойдет речь далее.

Производство транзисторов

Производство любого чипа начинается с применения метода Чохральского, с помощью которого выращиваются кристаллы кремния. Этот метод был придуман польским химиком Яном Чохральским еще в 1916 году, когда он случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленным оловом. Вытягивая ручку из тигля, он заметил, что за металлическим пером тянется тонкая нить застывшего олова. Чохральский решил повторить эксперимент, однако вместо ручки использовал небольшой кусок металла. Результат опыта был аналогичным: при вытягивании металла из расплавленного олова снова образовалась металлическая нить. Эта нить представляла собой монокристалл размером около 1 мм в диаметре и до 150 см длиной. Тем не менее, использовать метод Чохральского для промышленного производства полупроводниковых кристаллов начали только в 1950-х годах.

Источник изображения

Итак, в чем же заключается суть метода Чохральского в настоящее время. Первым шагом является плавление чистого кремния и погружение его в кварцевый тигель. Иногда на этом этапе добавляются другие материалы, чтобы полученный кристалл обладал немного иными характеристиками. Затем в тигель с расплавленным кремнием опускается затравка определенного сечения и заданной ориентации. Шток с затравкой вращается и по мере нарастания кремния постепенно поднимается вверх. При этом тигель с расплавом вращается в противоположном направлении. Полученный монокристалльный кремний разрезают на пластины толщиной 75 мм и диаметром до 300 мм, а затем полируют для того, чтобы поверхность была как можно более плоской и гладкой.

После этого пластина подготавливается для процесса фотолитографии. На ее поверхности наращивается слой оксида, а затем вся пластина очищается от всевозможных загрязнений. Следующим шагом является нанесение фоторезиста на поверхность пластины, после чего на протяжении примерно полутора минут она вращается на огромной скорости. После нанесения фоторезиста пластина помещается на несколько минут в печь, где достигается температура порядка 100-120 градусов Цельсия. Этот процесс называется задубливанием. Он необходим для испарения растворителя, содержащегося в фоторезисте, что способствует улучшению адгезии (сцеплению поверхностей разнородных тел).

После завершения подготовительного этапа наступает время экспонирования. Данный процесс заключается в засветке фоторезиста через фотошаблон, который содержит желаемый рисунок, светом видимого или ультрафиолетового диапазона. Сейчас, как правило, в производстве используется ультрафиолетовое излучение с длиной волны 193 нм. После экспонирования пластину вновь помещают в печь для вторичного задубливания. Этот шаг не является обязательным, но чаще всего его не пропускают, дабы повысить качество последующего процесса проявления фоторезиста.

Видео, демонстрирующее процесс производства кремниевых пластин

Проявление фоторезиста заключается в удалении определенных его частей и формировании в его пленке окон. Если раньше для проявления использовались специальные жидкости (например, гидроксид тетраметиламмония), то сейчас производители предпочитают проводить эту процедуру с помощью ионизированного газа. Для получения готового чипа все вышеописанные шаги повторяются для пластины около 50 раз. А теперь рассмотрим непосредственно создание транзисторов на примере CMOS-инвертера.

Первый литографический проход используется для размещения кремния n-типа, который будет использоваться PMOS-транзистором. После этого наращивается слой оксида и размещается слой поликремния. Во время следующего литографического прохода применяется процесс травления для определенных частей слоя оксида, а также для большей части слоя поликремния. Затем с помощью процесса ионной имплантации создаются стоки и истоки. Сама ионная имплантация представляет собой процесс, во время которого ионы с высокой энергией (порядка 10-2000 КэВ) на большой скорости врезаются в подложку и остаются в ней. После создания истоков и стоков во избежание роста слоя оксида поверх него наносится еще и слой нитрида.

Последовательность всех этих операций называется FEOL (front-end-of-line). Результат их выполнения — это наличие на пластине отдельных транзисторов, которые пока что никак не связаны между собой. Создание внутренних связей между компонентами пластины происходит во время следующего этапа — BEOL (back end of line).

Во время BEOL-процессов поверх слоя нитрида наносится еще один слой — металлический. Затем к этому слою применяется травление, в результате чего между всеми компонентами образуются соединения. Интересно, что при производстве во время BEOL-процесса металлические слои наносятся 12 раз.

Конечно, описанный процесс создания чипов далеко не идеальный. Даже крупнейшие производители кристаллов порой испытывают трудности с выпуском годных чипов. Дабы избежать попадания бракованных кристаллов в конечные устройства, пластины постоянно и тщательно тестируются. Если во время тестирования в пластине обнаруживаются дефекты, то она попросту выбрасывается. Особо внимательно пластины тестируются после окончания FEOL и BEOL этапов.

Вместо заключения

Сегодня мы рассмотрели непосредственно физику полупроводников, а также уделили время CMOS-логике и созданию транзисторов. Но это еще не всё. В следующий раз мы поговорим о том, какие пути уменьшения размеров транзисторов существуют, какими способами можно увеличить их производительность, а также расскажем, как может измениться литография в самом ближайшем будущем.