Техпроцессы производства чипов: от микрон к нанометрам

Техпроцессы производства чипов: от микрон к нанометрам

История современной цивилизации неразрывно связана с историей миниатюризации электронных компонентов. В основе этой титанической работы лежит понятие технологического процесса (технологического узла) — совокупности норм и методов, используемых для производства полупроводниковых интегральных схем. Ключевым параметром, давшим название каждому поколению, исторически являлась длина затвора транзистора — расстояние между его истоком и стоком, определяющее скорость переключения и энергопотребление.

Более полувека эволюция этой отрасли подчинялась эмпирическому закону Мура, гласившему, что количество транзисторов на микросхеме удваивается примерно каждые два года. Этот закон был не физическим, а экономическим и технологическим императивом, двигавшим индустрию вперед: больше транзисторов означало выше производительность, ниже энергопотребление и стоимость вычислений. Путь от микронных (мкм) к нанометровым (нм) нормам — это история преодоления бесчисленных физических и инженерных барьеров, где каждая победа открывала новые горизонты для цифровой революции.

Статьи по микроэлектронике

• Софт для EDA
• EDA: Проектирования электроники
• Компетенции в микроэлектронике
• Производство чипов 28 нм
• Создание ОМК в России

Тезис 1: Ключевой параметр техпроцесса — размер транзистора (длина затвора). Его уменьшение ("масштабирование") — основа роста мощности электроники по Закону Мура.

Основы микроэлектроники. Что такое транзистор и как его "минимизируют"

Чтобы понять суть техпроцесса, нужно обратиться к сердцу любого чипа — полевому МОП-транзистору. Упрощенно, это переключатель с тремя электродами: истоком (источник заряда), стоком (приемник) и затвором (управляющий электрод). Подача напряжения на затвор создает проводящий канал между истоком и стоком, замыкая цепь. Основная задача инженеров — сделать этот переключатель как можно меньше и быстрее.

Принцип масштабирования Деннарда, сформулированный в 1974 году, гласил: при пропорциональном уменьшении всех размеров транзистора и напряжения питания, плотность мощности на кристалле остается постоянной, а быстродействие растет. То есть, чем меньше транзистор, тем быстрее он переключается и тем меньше энергии тратит на каждый акт переключения. Именно это и позволяло десятилетиями наращивать вычислительную мощь, следуя закону Мура.

Эпоха "классического" масштабирования (250 нм - 65 нм)

Это была "золотая эра" полупроводников, когда масштабирование шло относительно прямолинейно. Уменьшение проектной нормы с 250 до 65 нанометров означало пропорциональное сокращение всех элементов схемы. Рассмотрим это на примере узла 90 нм, появившегося в начале 2000-х.

Этот этап характеризовался двумя ключевыми инновациями.

Во-первых, массовым внедрением технологии strained silicon ("напряженный кремний"). Кристаллическую решетку кремния искусственно растягивали или сжимали, встраивая атомы германия, что увеличивало подвижность электронов, ускоряя ток через транзистор без уменьшения его физических размеров.

Во-вторых, произошел окончательный переход от алюминиевых межсоединений к медным. Медь обладает меньшим электрическим сопротивлением, что критически важно для повышения быстродействия и снижения тепловыделения на растущих по сложности чипах.

Основным инструментом литографии в эту эпоху была глубокая ультрафиолетовая литография (DUV) с длиной волны 193 нм, использующая эксимерные лазеры. Фоторезист на кремниевой пластине экспонировался через сложные фотошаблоны (маски), формируя контуры будущих транзисторов.

Стена. Физические и экономические ограничения

К середине 2000-х годов индустрия вплотную приблизилась к фундаментальным пределам. Классическое масштабирование перестало работать. При длине затвора около 25-30 нм проявились квантовые эффекты, в частности, туннелирование электронов через слой диэлектрика затвора, который к тому моменту был тоньше 2 нм (всего 5 атомов кремния!). Это приводило к катастрофическим утечкам тока — транзистор не мог надежно закрыться, потребляя энергию даже в выключенном состоянии. Тепловыделение на единицу площади росло, угрожая "зажарить" чип.

Параллельно нарастал и экономический кризис. Стоимость строительства новой полупроводниковой фабрики (фаба) стала расти экспоненциально. Если в начале 2000-х она составляла единицы миллиардов долларов, то к концу десятилетия перевалила за $10 млрд. Возник предел Рокса, по которому дальнейшее уменьшение размеров вело не к удешевлению, а к удорожанию каждого транзистора. Индустрии требовались революционные, а не эволюционные изменения.

Прорыв: High-k / Metal Gate (HKMG) (45 нм, 32/28 нм)

Ответом на вызовы стал фундаментальный отказ от материалов, служивших десятилетиями. Прорыв произошел на узлах 45 нм (первопроходцем стала Intel в 2007 году) и был массово внедрен на 28 нм.

Тезис 4: Введение High-k/Metal Gate (HKMG) на узлах 45/32 нм стало первой революцией, позволившей преодолеть барьер утечек через диэлектрик затвора.

Суть инновации: ультратонкий слой диоксида кремния (SiO₂) был заменен на материал с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k), такой как гафний. Более толстый слой High-k-диэлектрика пропускал меньше туннельного тока, но при этом сохранял необходимую емкость для эффективного управления каналом. Второй частью революции стал отказ от поликремниевого затвора в пользу металлического затвора, что решило проблемы нестабильности, возникавшие с новым диэлектриком.

Тезис 5: Техпроцесс 28 нм — исторический "золотой" узел, оптимальный по цене и производительности, до сих пор массово используется для "зрелых" продуктов.

Этот узел стал невероятно удачным компромиссом. Он предлагал значительный прирост производительности при приемлемой стоимости. Его стоимость разработки и производства была относительно умеренной, а возможности — огромными. Именно поэтому 28 нм стал рабочим инструментом для целых отраслей: интернета вещей (IoT), автомобильной электроники, силовой техники, где не требуется топовая производительность, но важна надежность и рентабельность. Это последний техпроцесс, пригодный для массового производства с использованием только DUV-литографии, без перехода на EUV.

Трехмерные транзисторы FinFET (22/16/14 нм - 7/5 нм)

Следующий барьер — потеря контроля над проводящим каналом в плоском транзисторе — был преодолен переходом в третье измерение. На смену планарной архитектуре пришла трехмерная архитектура FinFET ("плавниковый" транзистор), представленная на узле 22 нм.

В FinFET кремниевая область канала приподнята над поверхностью подложки в виде узкого "плавника". Затвор обхватывает этот плавник с трех сторон, а не только сверху, как в планарном транзисторе. Это дает многократно лучший электростатический контроль над каналом.

Тезис 6: Переход к 3D-архитектуре FinFET (22/16 нм) стал вторым прорывом, обеспечившим лучший контроль над каналом и дальнейшее масштабирование.

Затвор теперь мог эффективно включать и выключать транзистор, сводя утечки к минимуму. Это позволило снизить рабочее напряжение и, как следствие, энергопотребление, что было критически важно для мобильных устройств. Архитектура FinFET доминировала на нескольких поколениях техпроцессов, от 22/16 нм вплоть до 7 и 5 нм, обеспечив новый длительный цикл роста производительности.

Революция в литографии: Extreme Ultraviolet (EUV)

Пока физики боролись с транзисторами, инженеры-технологи столкнулись с не менее сложной проблемой: как наносить эти наноразмерные структуры на пластину? Метод многослойной литографии (мультипаттернинг) при использовании DUV (193 нм) достиг абсурдной сложности. Чтобы нарисовать одну линию, требовалось последовательно применять до четырех разных масок и этапов травления, что резко увеличивало стоимость, время и риск брака.

Спасением стала литография в крайнем ультрафиолете (EUV) с длиной волны всего 13.5 нанометров. Ее разработка заняла более 30 лет и стала самым сложным и дорогим инженерным проектом в истории человечества. Голландская компания ASML создала машины, в которых капля олова, облучаемая мощнейшим лазером, превращается в плазму, излучающую EUV-свет. Вся система работает в вакууме, а свет направляется при помощи уникальных зеркальных оптических систем, так как стеклянные линзы для EUV непригодны.

Тезис 7: Внедрение EUV-литографии (с 7 нм) — критически важный шаг, позволивший избежать невероятно сложной и дорогой многослойной D-литографии.

Использование EUV позволило сократить количество шагов мультипаттернинга в разы, упростив процесс и сделав экономически оправданным производство на узлах 7 нм и тоньше. Это технология, без которой дальнейшее движение по закону Мура было бы практически невозможно.

Эра наноразмеров и упаковки (5 нм, 3 нм)

На рубеже ниже 5 нм возможности FinFET также стали иссякать. Потребовалась новая архитектурная революция. Ей стала архитектура GAAFET (Gate-All-Around — затвор со всех сторон).

В ее реализации, известной как нанолисты (Nanosheet), проводящий канал представляет собой не "плавник", а набор горизонтальных кремниевых пластин (листов), расположенных друг над другом. Металлический затвор окружает каждый из этих листов со всех сторон, обеспечивая максимально возможный электростатический контроль.

Тезис 8: На узлах 3 нм и ниже происходит переход к архитектуре GAAFET/Nanosheet, где затвор полностью окружает канал, что дает еще больший контроль.

Например, компания Samsung первой анонсировала коммерческое использование GAA (технология MBCFET) на узле 3 нм. TSMC, в свою очередь, сначала внедрила усовершенствованный FinFET на своем 3 нм, но переход на GAA также планируется.

Параллельно, из-за растущих сложностей и стоимости монолитных кристаллов, произошла революция в упаковке. Чип перестал быть единым куском кремния. Концепция чиплетов предполагает разбивку большой системы на несколько меньших, оптимальных по техпроцессу чипов (например, CPU, GPU, память), которые затем монтируются на общей подложке (интерпозере).

Тезис 9: Революция в упаковке (чиплеты, 2.5D/3D) стала равной по важности революции в масштабировании, позволяя создавать сложные системы без гонки за миниатюризацией одного кристалла.

Технологии 2.5D-интеграции (типа CoWoS от TSMC) и 3D-интеграции, где чипы штабелируются вертикально, позволяют создавать "системы в корпусе" (SiP) с невиданной плотностью, скоростью межсоединений и энергоэффективностью.

Материальная революция

Движение вперед требует новых материалов. Уже сегодня в массовом производстве используется кремний-германий (SiGe) в областях истока и стока для улучшения проводимости. В перспективе — переход к канальным материалам с высокой подвижностью носителей. Наиболее исследуемые кандидаты:

• Арсенид галлия (GaAs) и антимонид индия (InSb): обладают отличной электронной подвижностью, но сложны в интеграции с кремниевым производством.
• Двумерные материалы, такие как дисульфид молибдена (MoS₂). Будучи толщиной в один атом, они обещают идеальный электростатический контроль и минимизацию утечек.
• Углеродные нанотрубки: обладают феноменальной подвижностью и теплопроводностью, но технологии их точного позиционирования и создания крупных массивов все еще находятся в стадии лабораторных исследований.

Экономика и геополитика производства

Сегодня стоимость строительства современной гигафабрики (гигафаба) для производства чипов по нормам 3 нм и тоньше приближается к 20-30 миллиардам долларов. Это привело к беспрецедентной концентрации отрасли.

Тезис 10: Стоимость фабрики растет экспоненциально, концентрируя передовое производство у 2-3 игроков (TSMC, Samsung, Intel), что создает геополитические риски.

Сложилась триада: компании без производства (fabless), такие как Apple, Qualcomm, NVIDIA, AMD, которые проектируют чипы; компании, производящие только для себя (IDM), как Intel; и контрактные производители (foundry), лидером которых является TSMC. Оборудование для них делают гиганты вроде ASML (EUV), Applied Materials и Tokyo Electron.

Такая глобальная взаимозависимость превратила полупроводники в инструмент геополитической борьбы. Экспортные ограничения, санкции и стремление к технологическому суверенитету (программы вроде "Чипсового закона" США и ЕС) стали новой реальностью, заставляя страны создавать дорогостоящие собственные производственные цепочки.

Что дальше? (1.5 нм, 1 нм, Ангстремы)

Дорожные карты лидеров индустрии уже прописаны до 14A (1.4 нм) и далее. Однако по мере приближения к размерам в несколько атомов кремния (менее 1 нм) становятся неизбежными качественные изменения.

Тезис 11: Дальнейшее масштабирование будет требовать новых материалов (2D-материалы, SiGe) и интеграции различных функций в единую систему.

На ближайшее десятилетие ключевыми направлениями станут:

1. Коммерциализация 2D-материалов для создания каналов в транзисторах.

2. Развитие когерентного оптического ввода-вывода прямо на чипе для суперскоростной связи.

3. Совершенствование 3D-интеграции до уровня тысяч вертикальных соединений на квадратный миллиметр.

4. В более отдаленной перспективе индустрия исследует фундаментально новые принципы вычислений, такие как спинтроника (использование спина электрона, а не его заряда), нейроморфные вычисления (имитация структуры мозга) и интеграция с элементами квантовых вычислений.

Заключение: От физики к философии прогресса

Гонка нанометров — это не просто погоня за маленькой цифрой. Это комплекснейший симфонический оркестр инноваций в физике, химии, материаловедении, оптике и инженерии.

Тезис 12: Будущее микроэлектроники — не в погоне за нанометрами, а в гетерогенной интеграции, специализированных вычислениях и, возможно, принципиально новых физических принципах работы.

Число техпроцесса (3 нм, 2 нм) окончательно превратилось в маркетинговый ярлык поколения.

Тезис 2: Цифровое значение (нм) сегодня — маркетинговый ярлык, обозначающий поколение технологии, а не физический размер конкретного элемента.

На авансцену выходят гетерогенная интеграция и специализированные вычисления. Создание оптимальных систем из чиплетов, произведенных по разным, наиболее подходящим для их задачи техпроцессам, становится важнее, чем миниатюризация единого монолитного кристалла. Специализированные чипы (ASIC) для искусственного интеллекта, машинного обучения и узких задач демонстрируют, что эффективность сегодня важнее универсальности.

Технологический суверенитет в этой сфере стал ключевым вызовом XXI века. Производство чипов — это новая "нефтяная скважина", и те, кто контролирует эту "скважину", будут определять контуры будущего цифрового мира.