Moderní výrobní technologie II

Miniaturizace výrobní technologie a nové materiály

Menší a menší výrobní technologie přináší také potřebu použítí nových materiálů. Protože řada vhodých kandidátů s potřebnými parametry často ale není kompatibilní se současnou výrobní technologií (nebo dalšími použitými materiály), jedná se zde spíše o postupnou evoluci. Mezi nové materiály můžeme zařadit materiály s nízkou dielektrickou konstantou, označované Low-K, kde se dielektrická konstanta pohybuje okolo 2,6. Kombinace Low-k a měděných mezispojů redukuje RC zpoždení a fakticky tak zvyšuje výkon.
Jednou za čas samozřejmě přijde nutně větší změna, jako je například použití měděných mezispojů nebo aktuálně nasazení kovových hradel, která jsou pro dosažení potřebných parametrů a nasazení nové výrobní technologie dále nevyhnutelná. V nových procesorech Intelu s jádrem Penryn jsou už také použity tak zvané High-K materiály a kovová hradla u tranzistorů. Dosud používaný oxid křemičitý nahradilo High-K dielektrikum na bázi Hafnia. Nejčastěji je zmiňován HfSiON (dusíkem dopovaný hafnon), ačkoliv Intel jako dielektrikum používá HfO2 (zvažována ale byla i řada dalších možností, jako například zmiňovaný HfSiON nebo HfSiO). Rozdíly u NMOS a PMOS tranzistorů, a nasazení nových materiálů, dále umožňují zvýšit efektivitu tranzistorů a jejich výkon díky jejich značně odlišným charakteristikám.
Firma Intel je zatím jediná, která použila technologii High-K a kovových hradel u 45 nm. AMD a IBM například dávají zatím přednost standardní technologii SOI bez High-K a stále také používají SiO2. S nasazení materiálů s vysokou dielektrickou konstantou a dalších materiálů je ale počítáno. Vývoj u IBM zaštiťuje aliance firem, kde se na vývoji MGHK (High-K/Metal Gate) technologie podílejí firmy jako AMD, Freescale, Charterede Semi, Infineon a Samsung. Použití a výzkum probíhá jak u "bulk" tak u SOI (Silicon On Insulator) technologie, kde se nasazení a možné použití pro řadu firem již výrazně liší.
IBM spolu s AMD a zmíněnou řadou firem se bude dále podílet na vývoji 32nm výrobní technologii a dalších generací, v kombinaci s HKMG. Podle současných výsledků se má díky HKGM a 32 nm SOI výrobní technologii zvýšit výkon a spínací rychlost tranzistorů až o 30 procent a spotřeba čipů snížit až o 45 procent. Prezentována zatím na 32 nm byla IBM zatím asi nejhustší implementace SRAM s nízkou spotřebou a plochou pouhých 0,15 µm2 na buňku. Pro představu, Intel s uvedením 45nm test waferu prezentoval SRAM buňku o velikosti 0,346 µm2 (u 65 nm to bylo 0,57 µm2 a 1,0 µm2 u 90nm výrobní technologie). Obecně tedy nedochází ani zdaleka k lineárnímu škálování, ale to se pohybuje na úrovni přibližně 60% oproti předešlým generacím. Jak ostatně ale prezentují výsledky IBM, společné úsilí zde přináší ovoce. Procesorová dvojka na trhu x86 procesory, AMD, plánuje 32nm výrobní technologii komerčně nasadit v roce 2010.

Vše je samozřejmě i závislé na postupu v oblasti fotolitografie a dostupnosti nových postupů a metod, spolu s dostatečnou výtěžností pro komerční nasazení.

Shrnutí a předpokládaný vývoj

Dovolte mi tedy nakonec takové menší shrnutí. Ačkoliv 45 nm již klepe na dveře a v případě operačních pamětí, FLASH nebo čipů pro grafické karty se již také výrobní technologie blíží 50 nm, situace za tímto bodem již není tak jasná. 193nm vlnová délka DUV fotolitografie se pomalu ale jistě blíží svému konci. Metody jako double-paterning / double exposure přináší další zlepšení a dovolují tedy použít stávající zařízení i pro další generace výrobní technologie, i zde jsou ale zřejmé limity. Na 32 nm již klasická "suchá" DUV fotolitografie s použitím 193nm vlnové délky nebude dostačovat, a tak přijde nevyhnutelně na řadu imerzní varianta DUV litografie. Ta přináší možnosti pro 45nm, 32nm a pravděpodobně také pro 22nm výrobní technologii.

I přes odklady se tak dočkáme i 450mm waferů, které možný výstup také mohou podstatně zvýšit, ačkoliv řada dalších firem není této myšlence příliš nakloněna a spíše se soustředí na paralelizaci zpracování 300 mm waferů. Největším zlomem budou tedy následující témata: nasazení EUV litografie a pozdější nasazení 450 mm waferů. Imerzní fotolitografie je dnes skutečností, stejně jako 45nm výrobní technologie. Co skutečně přinesou příští léta, zatím můžeme jen odhadovat. Jedno ale začíná být zřejmé již teď - pouhé zmenšování a miniaturizace výrobní technologie již dávno nestačí a o to bude další vývoj zajímavější. Pokud se dosavadní trendy podaří udržet, pro nás zákazníky přinesou nové technologie vyšší kapacitu pamětí a ještě neporovnatelně výkonnější procesory. A za stále nižší ceny...

Zdroje: AMD.com, ASML.com, Amkor, FabTech.org, Future-fab.com, Halbleiter.org, IBM.com, IMEC.be, ISMI, Intel.com, Nikkei Electronics, Samsung.com, Semiconductor.net, SPIE.org