Les microprocesseurs modernes sont les microcircuits les plus rapides et les plus intelligents au monde. Ils peuvent effectuer jusqu’à 4 milliards d’opérations par seconde et sont produits à l’aide de nombreuses technologies différentes. Depuis le début des années 90 du 20e siècle, lorsque les processeurs ont été largement utilisés, ils ont traversé plusieurs étapes de développement. L'apogée du développement de structures de microprocesseurs utilisant les technologies existantes des microprocesseurs de 6ème génération a eu lieu en 2002, lorsqu'il est devenu possible d'utiliser toutes les propriétés de base du silicium pour obtenir des hautes fréquences avec le moins de pertes dans la production et la création de circuits logiques. Aujourd'hui, l'efficacité des nouveaux processeurs diminue quelque peu malgré l'augmentation constante de la fréquence des cristaux, à mesure que les technologies du silicium approchent de la limite de leurs capacités.
Microprocesseurest un circuit intégré formé sur un petit cristal de silicium. Le silicium est utilisé dans les microcircuits car il possède des propriétés semi-conductrices : sa conductivité électrique est supérieure à celle des diélectriques, mais inférieure à celle des métaux. Le silicium peut être à la fois un isolant qui empêche le mouvement des charges électriques et un conducteur - les charges électriques le traverseront alors librement. La conductivité d'un semi-conducteur peut être contrôlée en introduisant des impuretés.
Le microprocesseur contient des millions de transistors reliés entre eux par les conducteurs les plus fins en aluminium ou en cuivre et utilisés pour le traitement des données. C'est ainsi que se forment les pneus intérieurs. En conséquence, le microprocesseur remplit de nombreuses fonctions - des opérations mathématiques et logiques au contrôle du fonctionnement d'autres microcircuits et de l'ensemble de l'ordinateur.
L'un des principaux paramètres du microprocesseur est la fréquence du cristal, qui détermine le nombre d'opérations par unité de temps, la fréquence du bus système, la quantité de mémoire cache interne. SRAM . Le processeur est marqué par la fréquence du cristal. La fréquence du cristal est déterminée par la fréquence de commutation des transistors de fermé à ouvert. La capacité d'un transistor à commuter plus rapidement est déterminée par la technologie de fabrication des tranches de silicium à partir desquelles les puces sont fabriquées. La dimension du processus technologique détermine les dimensions du transistor (son épaisseur et sa longueur de grille). Par exemple, en utilisant le processus 90 nm introduit début 2004, la taille du transistor est de 90 nm et la longueur de grille est de 50 nm.
Tous les processeurs modernes utilisent des transistors à effet de champ. La transition vers une nouvelle technologie de processus vous permet de créer des transistors avec une fréquence de commutation plus élevée, des courants de fuite plus faibles et des tailles plus petites. Réduire la taille vous permet de réduire simultanément la surface de la puce, et donc la dissipation thermique, et une grille plus fine vous permet d'appliquer moins de tension pour la commutation, ce qui réduit également la consommation d'énergie et la dissipation thermique.
La norme technologique de 90 nm s'est avérée être un obstacle technologique assez sérieux pour de nombreux fabricants de puces. Ceci est confirmé par l'entreprise TSMC , qui produit des puces pour de nombreux géants du marché, tels que les entreprises AMD, nVidia, ATI, VIA . Pendant longtemps, elle n'a pas pu établir la production de puces utilisant la technologie 0,09 micron, ce qui a conduit à un faible rendement en cristaux appropriés. Ceci est une des raisons DMLA a longtemps reporté la sortie de ses processeurs dotés de technologie SOI (silicium sur isolant) ). Cela est dû au fait que c'est sur cette dimension d'élément que toutes sortes de facteurs négatifs auparavant peu visibles, tels que les courants de fuite, une grande dispersion de paramètres et une augmentation exponentielle du dégagement de chaleur, ont commencé à se manifester fortement.
Il existe deux courants de fuite : le courant de fuite de grille et le courant de fuite inférieur au seuil. D'abord est provoqué par le mouvement spontané des électrons entre le substrat de silicium du canal et la grille en polysilicium. Deuxième - mouvement spontané des électrons de la source du transistor vers le drain. Ces deux effets conduisent au fait qu'il est nécessaire d'augmenter la tension d'alimentation pour contrôler les courants dans le transistor, ce qui affecte négativement la dissipation thermique. Ainsi, en réduisant la taille du transistor, on réduit tout d'abord sa grille et la couche de dioxyde de silicium ( SiO2 ), qui constitue une barrière naturelle entre la porte et le canal.
D'une part, cela améliore les performances en vitesse du transistor (temps de commutation), mais d'autre part, cela augmente les fuites. C'est-à-dire qu'il s'avère qu'il s'agit d'une sorte de cycle fermé. Ainsi le passage à 90 nm est une nouvelle diminution de l'épaisseur de la couche de dioxyde, et en même temps une augmentation des fuites. La lutte contre les fuites passe, encore une fois, par une augmentation des tensions de commande et, par conséquent, une augmentation significative du dégagement de chaleur. Tout cela a entraîné un retard dans l'introduction d'un nouveau procédé technique par les concurrents sur le marché des microprocesseurs - Intel et AMD.
L'une des solutions alternatives est l'utilisation de la technologie DONC JE (silicium sur isolant), que l'entreprise a récemment mis en œuvre DMLA sur leurs processeurs 64 bits. Cependant, cela lui a coûté beaucoup d’efforts et a surmonté un grand nombre de difficultés fortuites. Mais la technologie elle-même offre un grand nombre d’avantages avec un nombre relativement faible d’inconvénients.
L'essence de la technologie, en général, est tout à fait logique : le transistor est séparé du substrat de silicium par une autre fine couche d'isolant. Avantages - poids. Pas de mouvement incontrôlé d'électrons sous le canal du transistor, affectant ses caractéristiques électriques - encore une fois. Après avoir appliqué le courant de déverrouillage à la grille, le temps d'ionisation du canal jusqu'à l'état de fonctionnement, jusqu'à ce que le courant de fonctionnement le traverse, est réduit, c'est-à-dire que le deuxième paramètre clé des performances du transistor s'améliore, son activation/désactivation le temps est deux. Ou, à la même vitesse, vous pouvez simplement réduire le courant de déverrouillage - trois. Ou trouver un compromis entre augmenter la vitesse de travail et réduire la tension. Tout en maintenant le même courant de déverrouillage, l'augmentation des performances du transistor peut aller jusqu'à 30 %, si vous laissez la fréquence la même, en mettant l'accent sur les économies d'énergie, le plus peut alors être encore plus important - jusqu'à 50 %.
Enfin, les caractéristiques du canal deviennent plus prévisibles et le transistor lui-même devient plus résistant aux erreurs sporadiques, telles que celles provoquées par des particules cosmiques qui pénètrent dans le substrat du canal et l'ionisent de manière inattendue. Désormais, pénétrant dans le substrat situé sous la couche isolante, ils n'affectent en rien le fonctionnement du transistor. Le seul inconvénient du SOI est qu'il faut réduire la profondeur de la région émetteur/collecteur, ce qui affecte directement et directement l'augmentation de sa résistance à mesure que l'épaisseur diminue.
et enfin troisième la raison qui a contribué au ralentissement de la croissance des fréquences est la faible activité des concurrents sur le marché. On peut dire que chacun était occupé avec ses propres affaires. DMLA engagé dans l'introduction généralisée des processeurs 64 bits, par exemple Intel c'était une période d'amélioration du nouveau procédé technique, de débogage pour un rendement accru de cristaux appropriés.
Ainsi, la nécessité de passer à de nouveaux procédés techniques est évidente, mais elle est à chaque fois confiée aux technologues avec beaucoup de difficulté. Les premiers microprocesseurs Pentium (1993) ont été réalisés selon la technologie du procédé 0,8 micron, puis 0,6 micron. En 1995, la technologie de traitement de 0,35 micron a été utilisée pour la première fois pour les processeurs de 6e génération. En 1997, elle est passée à 0,25 micron et en 1999 à 0,18 micron. Les processeurs modernes sont fabriqués à l'aide des technologies 0,13 et 0,09 micron, cette dernière ayant été introduite en 2004. Comme vous pouvez le constater, pour ces processus techniques, la loi de Moore est observée, selon laquelle tous les deux ans, la fréquence des cristaux double avec une augmentation du nombre de transistors qui en composent. Le processus technologique évolue au même rythme. Certes, à l’avenir, la « course aux fréquences » dépassera cette loi. En 2006, l'entreprise Intel prévoit de maîtriser la technologie de traitement 65 nm et 2009 - 32 nm.
Il est temps ici de rappeler la structure du transistor, à savoir une fine couche de dioxyde de silicium, un isolant situé entre la grille et le canal, et remplissant une fonction tout à fait compréhensible - une barrière aux électrons qui empêche les fuites du courant de grille.
Évidemment, plus cette couche est épaisse, mieux elle remplit ses fonctions isolantes, mais elle fait partie intégrante du canal, et il n'est pas moins évident que si l'on veut réduire la longueur du canal (taille du transistor), alors il faut réduire son épaisseur, et de plus, très rapidement. À propos, au cours des dernières décennies, l'épaisseur de cette couche représentait en moyenne environ 1/45 de la longueur totale du canal. Mais ce processus a sa fin - comme Intel l'a dit il y a cinq ans, si vous continuez à utiliser SiO 2, comme c'est le cas depuis 30 ans, l'épaisseur minimale de la couche sera de 2,3 nm, sinon la fuite de courant de grille deviendra tout simplement irréaliste. valeurs.
Jusqu'à récemment, rien n'a été fait pour réduire les fuites dans les sous-canaux, mais la situation commence maintenant à changer, puisque le courant de fonctionnement, avec le temps de réponse de la grille, est l'un des deux principaux paramètres caractérisant la vitesse du transistor, et les fuites à l'état bloqué l'affectent directement - pour conserver l'efficacité requise du transistor, il est nécessaire, en conséquence, d'augmenter le courant de fonctionnement, avec toutes les conditions qui en découlent.
Fabrication Le microprocesseur est un processus complexe qui comprend plus de 300 étapes. Les microprocesseurs sont formés à la surface de fines plaquettes de silicium circulaires - des substrats, à la suite d'une certaine séquence de divers processus de traitement utilisant des produits chimiques, des gaz et des rayons ultraviolets.
Les substrats mesurent généralement 200 millimètres ou 8 pouces de diamètre. Cependant, Intel est déjà passé aux tranches de 300 mm ou 12 pouces. Les nouvelles plaques permettent d’obtenir presque 4 fois plus de cristaux, et le rendement est bien supérieur. Les plaquettes sont fabriquées à partir de silicium raffiné, fondu et transformé en longs cristaux cylindriques. Les cristaux sont ensuite découpés en fines plaques et polis jusqu'à ce que leurs surfaces soient lisses comme un miroir et exemptes de défauts. Ensuite, en se répétant séquentiellement et cycliquement, une oxydation thermique est effectuée (formation d'un film SiO2 ), photolithographie, diffusion d'impuretés (phosphore), épitaxie (accumulation de couches).
Lors du processus de fabrication des microcircuits, les couches de matériaux les plus fines sont appliquées sur des plaques vierges sous la forme de motifs soigneusement calculés. Jusqu'à plusieurs centaines de microprocesseurs sont placés sur une plaque, dont la fabrication nécessite plus de 300 opérations. L'ensemble du processus de fabrication des processeurs peut être divisé en plusieurs étapes : croissance du dioxyde de silicium et création de régions conductrices, tests, fabrication du boîtier et livraison.
Le processus de fabrication du microprocesseur commence par " cultivation "sur la surface d'une plaque polie d'une couche isolante de dioxyde de silicium. Cette étape est réalisée dans un four électrique à très haute température. L'épaisseur de la couche d'oxyde dépend de la température et du temps que la plaque passe dans le four .
Suit ensuite photolithographie - le processus au cours duquel un motif se forme à la surface de la plaque. Tout d'abord, une couche temporaire de matériau sensible à la lumière, une résine photosensible, est appliquée sur la plaque, sur laquelle une image des sections transparentes du modèle, ou photomasque, est projetée à l'aide d'un rayonnement ultraviolet. Les masques sont créés lors de la conception du processeur et sont utilisés pour générer des modèles de circuits dans chaque couche du processeur. Sous l'influence du rayonnement, les zones exposées de la photocouche deviennent solubles et sont éliminées avec un solvant (acide fluorhydrique), révélant le dioxyde de silicium qui les sous-tend.
La silice exposée est éliminée par un processus appelé " gravure "Ensuite, la couche photo restante est retirée, ce qui laisse un motif de dioxyde de silicium sur la plaquette semi-conductrice. À la suite d'une série d'opérations de photolithographie et de gravure supplémentaires, le silicium polycristallin, qui possède les propriétés d'un conducteur, est également appliqué à la plaquette.
Lors de l'opération suivante, appelée " se doper ", les zones ouvertes de la plaquette de silicium sont bombardées d'ions de divers éléments chimiques, qui forment des charges négatives et positives dans le silicium, modifiant ainsi la conductivité électrique de ces zones.
Superposer de nouveaux calques avec la gravure ultérieure du circuit, elle est effectuée plusieurs fois, tandis que pour les connexions intercouches dans les couches, il reste des "fenêtres", qui sont remplies de métal, formant des connexions électriques entre les couches. Dans sa technologie de traitement de 0,13 micron, Intel a utilisé des conducteurs en cuivre. Dans le processus de fabrication de 0,18 micron et dans les processus de génération précédente, Intel utilisait de l'aluminium. Le cuivre et l’aluminium sont d’excellents conducteurs d’électricité. Lors de l'utilisation de la technologie de processus 0,18 micron, 6 couches ont été utilisées ; lors de l'introduction de la technologie de processus 90 nm en 2004, 7 couches de silicium ont été utilisées.
Chaque couche du processeur a son propre motif, ensemble toutes ces couches forment un circuit électronique tridimensionnel. L'application des couches est répétée 20 à 25 fois sur plusieurs semaines.
Les tranches de silicium doivent initialement être suffisamment épaisses pour résister aux contraintes auxquelles les substrats sont soumis lors du processus de stratification. Par conséquent, avant de découper la plaque en microprocesseurs individuels, son épaisseur est réduite de 33 % à l'aide de procédés spéciaux et la saleté est éliminée du verso. Ensuite, une couche d'un matériau spécial est appliquée sur l'envers de la plaque "plus fine", ce qui améliore la fixation ultérieure de la glace au boîtier. De plus, cette couche assure le contact électrique entre la surface arrière du circuit intégré et le boîtier après assemblage.
Ensuite, les plaques sont testées pour vérifier la qualité de toutes les opérations de traitement. Pour déterminer si les processeurs fonctionnent correctement, leurs composants individuels sont testés. Si des défauts sont détectés, ils sont analysés pour comprendre à quelle étape du traitement la panne s'est produite.
Des sondes électriques sont ensuite connectées à chaque processeur et l'alimentation est appliquée. Les processeurs sont testés par l'ordinateur, qui détermine si les caractéristiques des processeurs fabriqués répondent aux exigences spécifiées.
Après tests, les plaquettes sont envoyées vers une usine d’assemblage où elles sont découpées en petits rectangles contenant chacun un circuit intégré. Une scie de précision spéciale est utilisée pour séparer la plaque. Les cristaux non fonctionnels sont rejetés.
Chaque cristal est ensuite placé dans un écrin individuel. Le boîtier protège le cristal des influences extérieures et assure sa connexion électrique avec la carte sur laquelle il sera ensuite installé. De minuscules boules de soudure situées à certains points du cristal sont soudées aux bornes électriques du boîtier. Désormais, les signaux électriques peuvent circuler de la carte vers la puce et vice versa.
Dans les futurs processeurs, l'entreprise Intel appliquer la technologie BBUL , ce qui vous permettra de créer des boîtiers fondamentalement nouveaux avec moins de dissipation thermique et de capacité entre les jambes CPU.
Une fois la puce installée dans l'emballage, le processeur est à nouveau testé pour déterminer s'il est opérationnel. Les processeurs défectueux sont rejetés et ceux en bon état sont soumis à des tests de résistance : exposition à diverses conditions de température et d'humidité, ainsi qu'à des décharges électrostatiques. Après chaque stress test, le processeur est testé pour déterminer son état fonctionnel. Les processeurs sont ensuite triés en fonction de leur comportement à différentes vitesses d'horloge et tensions d'alimentation.
Les processeurs qui ont réussi le test passent au contrôle final, dont la tâche est de confirmer que les résultats de tous les tests précédents étaient corrects et que les paramètres du circuit intégré correspondent aux normes établies ou même les dépassent. Tous les processeurs qui passent le contrôle de sortie sont étiquetés et emballés pour être livrés aux clients.
Les racines de notre mode de vie numérique proviennent certainement des semi-conducteurs, qui ont permis la création de puces informatiques sophistiquées à base de transistors. Ils stockent et traitent les données, qui constituent la base des microprocesseurs modernes. Les semi-conducteurs, qui sont aujourd'hui fabriqués à partir de sable, sont un composant clé de presque tous les appareils électroniques, des ordinateurs aux ordinateurs portables en passant par les téléphones portables. Même les voitures ne peuvent désormais plus se passer des semi-conducteurs et de l'électronique, car les semi-conducteurs contrôlent le système de climatisation, le processus d'injection de carburant, l'allumage, le toit ouvrant, les rétroviseurs et même la direction (BMW Active Steering). Aujourd’hui, presque tous les appareils consommant de l’énergie sont construits sur des semi-conducteurs.
Les microprocesseurs comptent sans aucun doute parmi les produits semi-conducteurs les plus complexes, car le nombre de transistors atteindra bientôt le milliard et la gamme de fonctionnalités est déjà étonnante aujourd'hui. Des processeurs double cœur Core 2 seront bientôt lancés sur le processus Intel 45 nm presque terminé, et ils contiendront déjà 410 millions de transistors (bien que la plupart d'entre eux soient utilisés pour le cache L2 de 6 Mo). Le procédé 45 nm doit son nom à la taille d'un seul transistor, qui est désormais environ 1 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain. Dans une certaine mesure, c'est pourquoi l'électronique commence à tout régir dans nos vies : même lorsque la taille du transistor était plus grande, il était très bon marché de produire des microcircuits peu complexes, le budget des transistors était assez important.
Dans cet article, nous examinerons les principes fondamentaux de la fabrication des microprocesseurs, mais aborderons également l'histoire des processeurs, leur architecture et examinerons différents produits sur le marché. Vous pouvez trouver de nombreuses informations intéressantes sur Internet, dont certaines sont répertoriées ci-dessous.
- Wikipédia : Microprocesseur. Cet article traite de différents types de processeurs et fournit des liens vers les fabricants et des pages wiki supplémentaires sur les processeurs.
- Wikipédia : Microprocesseurs (Catégorie). Consultez la section microprocesseur pour encore plus de liens et d’informations.
Concurrents PC : AMD et Intel
Fondée en 1969, Advanced Micro Devices Inc. a son siège à Sunnyvale, en Californie, tandis que le cœur d'Intel, fondé un an plus tôt, se trouve à quelques kilomètres de là, à Santa Clara. AMD possède aujourd'hui deux usines : à Austin (Texas, USA) et à Dresde (Allemagne). La nouvelle usine sera bientôt opérationnelle. De plus, AMD a uni ses forces avec IBM dans le développement de la technologie et de la fabrication des processeurs. Bien entendu, tout cela ne représente qu’une fraction de la taille d’Intel, puisque le leader du marché compte aujourd’hui près de 20 usines réparties sur neuf sites. Environ la moitié d’entre eux sont utilisés pour la production de microprocesseurs. Ainsi, lorsque vous comparez AMD et Intel, n'oubliez pas que vous comparez David et Goliath.
Intel dispose d'un avantage indéniable sous la forme d'une énorme capacité de production. Oui, l’entreprise est aujourd’hui leader dans la mise en œuvre de processus technologiques avancés. Intel a environ un an d'avance sur AMD à cet égard. En conséquence, Intel peut utiliser plus de transistors et plus de cache dans ses processeurs. AMD, contrairement à Intel, doit optimiser le processus technique le plus efficacement possible afin de suivre le rythme de son concurrent et de proposer des processeurs décents. Bien entendu, la conception des processeurs et leur architecture sont très différentes, mais le processus technique de fabrication repose sur les mêmes principes de base. Bien que, bien sûr, il existe de nombreuses différences.
Fabrication de microprocesseurs
La production de microprocesseurs comprend deux étapes importantes. Le premier concerne la production du substrat, qu’AMD et Intel réalisent dans leurs usines. Cela inclut de conférer des propriétés conductrices au substrat. La deuxième étape est le test des substrats, l'assemblage et le conditionnement du processeur. Cette dernière opération est généralement réalisée dans les pays les moins chers. Si vous regardez les processeurs Intel, vous constaterez que l'emballage a été fabriqué au Costa Rica, en Malaisie, aux Philippines, etc.
AMD et Intel tentent désormais de fabriquer des produits pour le maximum de segments de marché, sur la base du minimum d'assortiment de cristaux possible. Un exemple parfait est la gamme de processeurs Intel Core 2 Duo. Il existe trois processeurs aux noms de code pour différents marchés : Merom pour les applications mobiles, Conroe pour la version de bureau, Woodcrest pour la version serveur. Les trois processeurs sont construits sur la même base technologique, ce qui permet au constructeur de prendre des décisions dès les dernières étapes de la production. Les fonctionnalités peuvent être activées ou désactivées, et la fréquence d'horloge actuelle donne à Intel un excellent taux de rendement des puces. Si la demande de processeurs mobiles augmente sur le marché, Intel pourrait se concentrer sur la sortie des modèles Socket 479. Si la demande de modèles de bureau augmente, la société testera, validera et conditionnera des puces pour Socket 775, tandis que les processeurs de serveur seront conditionnés pour Socket 771. Ainsi, même des processeurs à quatre cœurs sont créés : deux cristaux double cœur sont installés dans un seul package, nous obtenons donc quatre cœurs.
Comment sont fabriquées les chips
La production de puces consiste à imposer des couches minces présentant un « motif » complexe sur des substrats de silicium. Tout d’abord, une couche isolante est créée qui agit comme un obturateur électrique. Un matériau photorésistant est ensuite appliqué sur le dessus et les zones indésirables sont éliminées à l'aide de masques et d'une irradiation de haute intensité. Lorsque les zones irradiées sont éliminées, des zones de dioxyde de silicium s'ouvrent en dessous, qui sont éliminées par gravure. Après cela, le matériau photorésistant est également retiré et nous obtenons une certaine structure à la surface du silicium. Ensuite, des processus de photolithographie supplémentaires sont effectués, avec différents matériaux, jusqu'à obtenir la structure tridimensionnelle souhaitée. Chaque couche peut être dopée avec une certaine substance ou des ions, modifiant ainsi les propriétés électriques. Des fenêtres sont créées dans chaque couche afin d'apporter ensuite des connexions métalliques.
Quant à la production de substrats, ils doivent être découpés à partir d'un seul cylindre monocristallin en fines « crêpes » afin d'être facilement découpés ultérieurement en cristaux de processeur séparés. Des tests sophistiqués sont effectués à chaque étape de la production pour évaluer la qualité. Des sondes électriques sont utilisées pour tester chaque puce sur le substrat. Enfin, le substrat est découpé en noyaux individuels, les noyaux non fonctionnels sont immédiatement éliminés. Selon les caractéristiques, le cœur devient l'un ou l'autre processeur et est enfermé dans un boîtier qui facilite l'installation du processeur sur la carte mère. Tous les blocs fonctionnels sont soumis à des tests de résistance intensifs.
Tout commence avec les pads
La première étape de la fabrication du processeur se fait en salle blanche. À propos, il est important de noter qu’une telle production technologique est une accumulation d’un énorme capital par mètre carré. La construction d'une usine moderne avec tous les équipements « vole » facilement 2 à 3 milliards de dollars, et il faut plusieurs mois pour tester les nouvelles technologies. Ce n’est qu’à ce moment-là que l’usine pourra produire en masse des transformateurs.
En général, le processus de fabrication des puces comprend plusieurs étapes de traitement du substrat. Cela inclut la création des substrats eux-mêmes, qui seront éventuellement découpés en cristaux individuels.
Tout commence par la croissance d'un monocristal, dont le germe cristallin est noyé dans un bain de silicium fondu, situé juste au-dessus du point de fusion du silicium polycristallin. Il est important que les cristaux croissent lentement (environ une journée) pour garantir que les atomes soient correctement disposés. Le silicium polycristallin ou amorphe est composé de nombreux cristaux assortis qui entraîneront des structures de surface indésirables aux propriétés électriques médiocres. Une fois fondu, le silicium peut être dopé avec d’autres substances qui modifient ses propriétés électriques. L'ensemble du processus se déroule dans une pièce scellée avec une composition d'air spéciale afin que le silicium ne s'oxyde pas.
Le monocristal est découpé en « galettes » à l'aide d'une scie circulaire diamantée, qui est très précise et ne crée pas de grandes irrégularités à la surface des substrats. Bien entendu, dans ce cas, la surface des substrats n'est toujours pas parfaitement plane, des opérations supplémentaires sont donc nécessaires.
Tout d’abord, à l’aide de plaques d’acier rotatives et d’un matériau abrasif (tel que l’oxyde d’aluminium), une couche épaisse est retirée des substrats (un processus appelé rodage). En conséquence, les irrégularités allant de 0,05 mm à environ 0,002 mm (2 000 nm) sont éliminées. Les bords de chaque substrat doivent ensuite être arrondis, car les bords tranchants peuvent provoquer le décollement des couches. Ensuite, le processus de gravure est utilisé, lors de l'utilisation de divers produits chimiques (acide fluorhydrique, acide acétique, acide nitrique), la surface est lissée de 50 microns supplémentaires. Il n’y a aucune détérioration physique de la surface car l’ensemble du processus est entièrement chimique. Il vous permet de supprimer les erreurs restantes dans la structure cristalline, ce qui rendra la surface proche de l'idéal.
La dernière étape est le polissage, qui lisse la surface jusqu'à la rugosité, maximum 3 nm. Le polissage se fait avec un mélange de soude et de silice granulaire.
Aujourd'hui, les tranches de microprocesseurs ont un diamètre de 200 ou 300 mm, ce qui permet aux fabricants de puces d'obtenir de nombreux processeurs sur chaque tranche. La prochaine étape concernera les substrats de 450 mm, mais il ne faut pas s'y attendre avant 2013. En général, plus le diamètre du substrat est grand, plus il est possible de produire de puces de même taille. Une plaquette de 300 mm, par exemple, produit plus de deux fois plus de processeurs qu'une plaquette de 200 mm.
Nous avons déjà évoqué le dopage, qui s'effectue lors de la croissance d'un monocristal. Mais le dopage est effectué à la fois avec le substrat fini et ultérieurement lors des processus de photolithographie. Cela vous permet de modifier les propriétés électriques de certaines zones et couches, et non de la structure entière du cristal.
L'ajout d'un dopant peut se faire par diffusion. Les atomes dopants remplissent l’espace libre à l’intérieur du réseau cristallin, entre les structures de silicium. Dans certains cas, la structure existante peut également être dopée. La diffusion s'effectue à l'aide de gaz (azote et argon) ou à l'aide de solides ou d'autres sources de dopant.
Une autre approche du dopage est l'implantation ionique, qui est très utile pour modifier les propriétés d'un substrat dopé, puisque l'implantation ionique est réalisée à température ordinaire. Les impuretés existantes ne se diffusent donc pas. Un masque peut être appliqué sur le substrat, ce qui permet de traiter uniquement certaines zones. Bien sûr, on peut parler longtemps d'implantation ionique et discuter de la profondeur de pénétration, de l'activation additive à haute température, des effets de canal, de la pénétration dans les niveaux d'oxyde, etc., mais cela dépasse le cadre de notre article. La procédure peut être répétée plusieurs fois au cours de la production.
Pour créer des sections d'un circuit intégré, le processus de photolithographie est utilisé. Étant donné que dans ce cas, il n'est pas nécessaire d'irradier toute la surface du substrat, il est important d'utiliser ce que l'on appelle des masques, qui transmettent un rayonnement de haute intensité uniquement à certaines zones. Les masques peuvent être comparés à un négatif noir et blanc. Les circuits intégrés comportent de nombreuses couches (20 ou plus) et chacune d'elles nécessite son propre masque.
Une fine structure de film chromé est appliquée sur la surface d'une plaque de verre de quartz pour créer un motif. Dans le même temps, des outils coûteux utilisant un faisceau d'électrons ou un laser écrivent les données nécessaires d'un circuit intégré, ce qui permet d'obtenir un motif de chrome sur la surface d'un substrat de quartz. Il est important de comprendre que chaque modification du circuit intégré entraîne la nécessité de produire de nouveaux masques, de sorte que l'ensemble du processus de modification est très coûteux. Pour les schémas très complexes, les masques sont créés pendant très longtemps.
Par photolithographie, une structure est formée sur un substrat de silicium. Le processus est répété plusieurs fois jusqu'à ce que de nombreuses couches (plus de 20) soient créées. Les couches peuvent être constituées de différents matériaux. De plus, vous devez également réfléchir aux connexions avec des fils microscopiques. Toutes les couches peuvent être alliées.
Avant le début du processus de photolithographie, le substrat est nettoyé et chauffé pour éliminer les particules collantes et l'eau. Le substrat est ensuite recouvert de dioxyde de silicium à l'aide d'un dispositif spécial. Ensuite, un agent de liaison est appliqué sur le substrat, ce qui garantit que le matériau photorésistant qui sera appliqué à l'étape suivante reste sur le substrat. Le matériau photorésistant est appliqué au milieu du substrat, qui commence alors à tourner à grande vitesse afin que la couche soit uniformément répartie sur toute la surface du substrat. Le substrat est ensuite à nouveau chauffé.
Le revêtement est ensuite irradié à travers le masque avec un laser quantique, un rayonnement ultraviolet dur, des rayons X, des faisceaux d'électrons ou des faisceaux d'ions - toutes ces sources de lumière ou d'énergie peuvent être utilisées. Les faisceaux d'électrons sont principalement utilisés pour la fabrication de masques, de rayons X et de faisceaux d'ions à des fins de recherche, et la production industrielle est aujourd'hui dominée par les rayons UV durs et les lasers à gaz.
Un rayonnement UV dur d'une longueur d'onde de 13,5 nm irradie le matériau photorésistant lorsqu'il traverse le masque.
Le temps de projection et la mise au point sont très importants pour obtenir le résultat souhaité. Une mauvaise mise au point entraînera la présence de particules supplémentaires de matériau photorésistant, car certains trous du masque ne seront pas irradiés correctement. La même chose se produira si le temps de projection est trop court. La structure photorésistante sera alors trop large, les zones sous les trous seront sous-exposées. D’un autre côté, un temps de projection excessif crée des zones sous les trous trop grandes et une structure photorésistante trop étroite. En règle générale, il est très long et difficile d’ajuster et d’optimiser le processus. Un réglage infructueux entraînera de graves écarts dans les conducteurs de connexion.
Une unité de projection pas à pas spéciale déplace le substrat vers la position souhaitée. Ensuite, une ligne ou une section peut être projetée, correspondant le plus souvent à une seule puce de processeur. Des micro-paramètres supplémentaires peuvent apporter des modifications supplémentaires. Ils peuvent déboguer la technologie existante et optimiser le processus. Les micro-installations fonctionnent généralement sur des surfaces inférieures à 1 m². mm, alors que les installations conventionnelles couvrent des zones plus grandes.
Le substrat passe ensuite à une nouvelle étape où le matériau photorésistant affaibli est retiré, permettant ainsi l'accès au dioxyde de silicium. Il existe des procédés de gravure humide et sèche qui traitent les zones de dioxyde de silicium. Les procédés humides utilisent des composés chimiques, tandis que les procédés secs utilisent du gaz. Un processus distinct consiste à éliminer les restes du matériau photorésistant. Les fabricants combinent souvent le retrait humide et sec afin que le matériau photorésistant soit complètement éliminé. Ceci est important car le matériau photorésistant est organique et, s’il n’est pas retiré, peut provoquer des défauts dans le substrat. Après gravure et nettoyage, vous pouvez procéder à l'inspection du substrat, qui a généralement lieu à chaque étape importante, ou transférer le substrat vers un nouveau cycle de photolithographie.
Test de substrat, assemblage, conditionnement
Les substrats finis sont testés sur les unités de contrôle de sonde. Ils fonctionnent avec l'ensemble du substrat. Des contacts de sondes sont superposés aux contacts de chaque cristal, permettant de réaliser des tests électriques. Le logiciel teste toutes les fonctions de chaque cœur.
En coupant dans le substrat, des noyaux individuels peuvent être obtenus. À l'heure actuelle, les installations de contrôle des sondes ont déjà identifié quels cristaux contiennent des erreurs, afin qu'après découpe, ils puissent être séparés des bons. Auparavant, les cristaux endommagés étaient physiquement marqués. Désormais, cela n'est plus nécessaire, toutes les informations sont stockées dans une seule base de données.
Monture en cristal
Le noyau fonctionnel doit ensuite être collé au boîtier du processeur à l’aide d’un matériau adhésif.
Ensuite, vous devez établir des connexions filaires reliant les contacts ou les pattes du boîtier et le cristal lui-même. Des connexions en or, en aluminium ou en cuivre peuvent être utilisées.
La plupart des processeurs modernes utilisent des emballages en plastique avec un dissipateur de chaleur.
En règle générale, le noyau est enveloppé dans un emballage en céramique ou en plastique pour éviter tout dommage. Les processeurs modernes sont équipés d'un dissipateur de chaleur, qui offre une protection supplémentaire au cristal, ainsi qu'une grande surface de contact avec le refroidisseur.
Test du processeur
La dernière étape consiste à tester le processeur, qui s'effectue à des températures élevées, conformément aux spécifications du processeur. Le processeur est automatiquement installé dans la prise de test, après quoi toutes les fonctions nécessaires sont analysées.
CPU c'est le cœur de tout ordinateur moderne. Tout microprocesseur est essentiellement un grand circuit intégré sur lequel se trouvent des transistors. En faisant passer un courant électrique, les transistors permettent de créer des calculs de logique binaire (tout ou rien). Les processeurs modernes sont basés sur la technologie 45 nm. 45 nm (nanomètre) est la taille d’un seul transistor sur une plaquette de processeur. Jusqu'à récemment, la technologie 90 nm était principalement utilisée.
Les plaques sont constituées de silicium, qui constitue le deuxième plus grand gisement de la croûte terrestre.
Le silicium est obtenu par traitement chimique, le purifiant des impuretés. Après cela, il commence à fondre, formant un cylindre de silicium d'un diamètre de 300 millimètres. Ce cylindre est ensuite découpé en plaques avec un fil diamanté. L'épaisseur de chaque plaque est d'environ 1 mm. Pour que la plaque ait une surface idéale, après découpe avec un fil, elle est polie avec une meuleuse spéciale.
Après cela, la surface de la plaquette de silicium est parfaitement lisse. D'ailleurs, de nombreuses entreprises manufacturières ont déjà annoncé la possibilité de travailler avec des plaques de 450 mm. Plus la surface est grande, plus le nombre de transistors à accueillir est grand et plus les performances du processeur sont élevées.
CPU se compose d'une plaquette de silicium, à la surface de laquelle se trouvent jusqu'à neuf niveaux de transistors, séparés par des couches d'oxyde, pour l'isolation.
Développement de la technologie de fabrication de processeurs
Gordon Moore, l'un des fondateurs d'Intel, l'un des leaders mondiaux de la production de processeurs, a découvert en 1965, sur la base de ses observations, la loi selon laquelle de nouveaux modèles de processeurs et de microcircuits apparaissaient à intervalles réguliers. La croissance du nombre de transistors dans les processeurs est multipliée par environ 2 en 2 ans. Depuis 40 ans maintenant, la loi de Gordon Moore fonctionne sans distorsion. Le développement des technologies futures n'est pas loin - il existe déjà des prototypes fonctionnels basés sur les technologies de fabrication de processeurs 32 nm et 22 nm. Jusqu'au milieu de 2004, la puissance du processeur dépendait principalement de la fréquence du processeur, mais à partir de 2005, la fréquence du processeur a pratiquement cessé de croître. Il existe une nouvelle technologie de processeur multicœur. Autrement dit, plusieurs cœurs de processeur sont créés avec une fréquence d'horloge égale et, pendant le fonctionnement, la puissance des cœurs est résumée. Cela augmente la puissance globale du processeur.
Ci-dessous, vous pouvez regarder une vidéo sur la production de processeurs.
Comment sont fabriquées les puces électroniques
Pour comprendre quelle est la principale différence entre ces deux technologies, il est nécessaire de faire une brève parenthèse dans la technologie elle-même pour la production de processeurs ou de circuits intégrés modernes.
Comme le montre le cours de physique scolaire, dans l'électronique moderne, les principaux composants des circuits intégrés sont des semi-conducteurs de type P et de type N (selon le type de conductivité). Un semi-conducteur est une substance dont la conductivité est supérieure à celle des diélectriques, mais inférieure à celle des métaux. Les deux types de semi-conducteurs peuvent être à base de silicium (Si), qui sous sa forme pure (appelé semi-conducteur intrinsèque) est un mauvais conducteur du courant électrique, mais l'ajout (incorporation) d'une certaine impureté dans le silicium permet de changer radicalement ses propriétés conductrices. Il existe deux types d'impuretés : donneuse et accepteuse. L'impureté donneuse conduit à la formation de semi-conducteurs de type n avec une conductivité de type électronique, tandis que l'impureté acceptrice conduit à la formation de semi-conducteurs de type p avec une conductivité de type trou. Les contacts des semi-conducteurs p et n permettent de former des transistors, principaux éléments structurels des microcircuits modernes. De tels transistors, appelés transistors CMOS, peuvent être dans deux états fondamentaux : ouverts lorsqu'ils conduisent l'électricité, et verrouillés lorsqu'ils ne conduisent pas l'électricité. Les transistors CMOS étant les principaux éléments des microcircuits modernes, parlons-en plus en détail.
Comment fonctionne un transistor CMOS
Le transistor CMOS de type n le plus simple possède trois électrodes : source, grille et drain. Le transistor lui-même est constitué d'un semi-conducteur de type P à conductivité par trous, et des semi-conducteurs de type N à conductivité électronique sont formés dans les régions de drain et de source. Naturellement, en raison de la diffusion des trous de la région p vers la région n et de la diffusion inverse des électrons de la région n vers la région p, des couches appauvries (couches dans lesquelles il n'y a pas de porteurs de charge principaux) se forment. aux limites de transition des régions p et n. Dans l'état normal, c'est-à-dire lorsqu'aucune tension n'est appliquée à la grille, le transistor est dans un état « verrouillé », c'est-à-dire qu'il n'est pas capable de conduire le courant de la source vers le drain. La situation ne change pas même si une tension est appliquée entre le drain et la source (nous ne prenons pas en compte les courants de fuite provoqués par le mouvement de porteurs de charge mineurs sous l'influence des champs électriques générés, c'est-à-dire des trous pour le région n et électrons pour la région p).
Cependant, si un potentiel positif est appliqué à la grille (Fig. 1), la situation changera radicalement. Sous l'influence du champ électrique de la grille, les trous sont enfoncés profondément dans le semi-conducteur p et les électrons, au contraire, sont attirés dans la région située sous la grille, formant un canal riche en électrons entre la source et le drain. Si une tension positive est appliquée à la grille, ces électrons commencent à se déplacer de la source vers le drain. Dans ce cas, le transistor conduit le courant, on dit que le transistor "s'ouvre". Si la tension est supprimée de la grille, les électrons cessent d'être attirés dans la région située entre la source et le drain, le canal conducteur est détruit et le transistor cesse de laisser passer le courant, c'est-à-dire qu'il se « verrouille ». Ainsi, en modifiant la tension à la grille, vous pouvez allumer ou éteindre le transistor, de la même manière que vous pouvez allumer ou éteindre un interrupteur à bascule conventionnel, contrôlant le flux de courant à travers le circuit. C'est pourquoi les transistors sont parfois appelés commutateurs électroniques. Cependant, contrairement aux commutateurs mécaniques classiques, les transistors CMOS n'ont pratiquement aucune inertie et sont capables de passer de l'état passant à l'état bloqué des milliards de fois par seconde ! C'est cette caractéristique, c'est-à-dire la capacité de commuter instantanément, qui détermine en fin de compte la vitesse du processeur, composé de dizaines de millions de transistors aussi simples.
Ainsi, un circuit intégré moderne se compose de dizaines de millions de transistors CMOS les plus simples. Arrêtons-nous plus en détail sur le processus de fabrication des microcircuits dont la première étape est la préparation des substrats de silicium.
Étape 1. Cultiver des blancs
La création de tels substrats commence par la croissance d’un monocristal cylindrique de silicium. Ensuite, des plaques rondes (plaquettes) sont découpées à partir de ces ébauches monocristallines (ébauches), dont l'épaisseur est d'environ 1/40 de pouce et le diamètre est de 200 mm (8 pouces) ou 300 mm (12 pouces). Il s'agit des substrats de silicium utilisés pour la réalisation de microcircuits.
Lors de la formation de tranches à partir de monocristaux de silicium, il est tenu compte du fait que pour les structures cristallines idéales, les propriétés physiques dépendent en grande partie de la direction choisie (propriété d'anisotropie). Par exemple, la résistance d’un substrat de silicium sera différente dans les directions longitudinale et transversale. De même, selon l'orientation du réseau cristallin, le cristal de silicium réagira différemment aux éventuelles influences externes associées à son traitement ultérieur (par exemple, gravure, pulvérisation, etc.). Par conséquent, la plaque doit être découpée dans un monocristal de telle manière que l'orientation du réseau cristallin par rapport à la surface soit strictement maintenue dans une certaine direction.
Comme déjà indiqué, le diamètre d'une ébauche de monocristal de silicium est de 200 ou 300 mm. De plus, un diamètre de 300 mm est une technologie relativement nouvelle, dont nous parlerons ci-dessous. Il est clair qu'une plaque d'un tel diamètre peut accueillir bien plus d'une puce, même si l'on parle d'un processeur Intel Pentium 4. En effet, plusieurs dizaines de microcircuits (processeurs) sont formés sur une telle plaque de substrat, mais pour simplifier nous ne considérera que les processus d'une petite zone d'un futur microprocesseur.
Étape 2. Application d'un film protecteur de diélectrique (SiO2)
Après la formation du substrat de silicium, commence l'étape de création de la structure semi-conductrice la plus complexe.
Pour ce faire, il est nécessaire d'introduire dans le silicium les impuretés dites donneuses et acceptrices. Cependant, la question se pose de savoir comment procéder à l'introduction d'impuretés selon un schéma-modèle précisément donné ? Pour rendre cela possible, les zones où les impuretés ne sont pas nécessaires sont protégées par un film spécial de dioxyde de silicium, ne laissant que les zones exposées à un traitement ultérieur (Fig. 2). Le processus de formation d'un tel film protecteur du motif souhaité comprend plusieurs étapes.
Dans un premier temps, la totalité de la plaquette de silicium est entièrement recouverte d'un mince film de dioxyde de silicium (SiO2), qui est un très bon isolant et agit comme un film protecteur lors du traitement ultérieur du cristal de silicium. Les tranches sont placées dans une chambre où, à haute température (de 900 à 1 100 °C) et sous pression, l'oxygène se diffuse dans les couches superficielles de la tranche, entraînant l'oxydation du silicium et la formation d'un film superficiel de dioxyde de silicium. Pour que le film de dioxyde de silicium ait une épaisseur précisément spécifiée et ne contienne pas de défauts, il est nécessaire de maintenir strictement une température constante en tous points de la plaque pendant le processus d'oxydation. Si la totalité de la tranche ne doit pas être recouverte d'un film de dioxyde de silicium, un masque Si3N4 est alors préalablement appliqué sur le substrat de silicium pour éviter une oxydation indésirable.
Étape 3 : appliquez une résine photosensible
Une fois le substrat de silicium recouvert d'un film protecteur de dioxyde de silicium, il est nécessaire de retirer ce film des endroits qui seront soumis à un traitement ultérieur. Le film est retiré par gravure et pour protéger les zones restantes de la gravure, une couche de ce qu'on appelle la résine photosensible est appliquée sur la surface de la plaque. Le terme « photorésist » désigne des compositions sensibles à la lumière et résistantes aux facteurs agressifs. Les compositions utilisées doivent, d'une part, avoir certaines propriétés photographiques (devenir solubles sous l'influence de la lumière ultraviolette et être lavées lors du processus de gravure), et d'autre part, résistives, leur permettant de résister à la gravure dans les acides et les alcalis. , chauffage, etc. L'objectif principal des photorésists est de créer un relief protecteur de la configuration souhaitée.
Le processus d'application d'une photorésiste et de son irradiation ultérieure aux ultraviolets selon un motif donné est appelé photolithographie et comprend les opérations principales suivantes : formation d'une couche de photorésiste (traitement du substrat, dépôt, séchage), formation d'un relief protecteur (exposition, développement , séchage) et transfert d'image sur le substrat (gravure, dépôt etc.).
Avant d'appliquer la couche photorésistante (Fig. 3) sur le substrat, celui-ci est soumis à un prétraitement, ce qui améliore son adhésion à la couche photorésistante. Pour appliquer une couche uniforme de photorésist, la méthode de centrifugation est utilisée. Le substrat est placé sur un disque rotatif (centrifugeuse) et sous l'influence des forces centrifuges, la résine photosensible est répartie sur la surface du substrat en une couche presque uniforme. (En parlant d'une couche pratiquement uniforme, on prend en compte le fait que sous l'action des forces centrifuges l'épaisseur du film formé augmente du centre vers les bords, cependant, cette méthode d'application de la résine photosensible permet de résister aux fluctuations de la épaisseur de couche à ± 10 %.)
Étape 4. Lithographie
Après l'application et le séchage de la couche photorésistante, commence l'étape de formation du relief protecteur nécessaire. Le relief est formé du fait que sous l'action du rayonnement ultraviolet tombant sur certaines zones de la couche photorésistante, cette dernière modifie les propriétés de solubilité, par exemple, les zones éclairées cessent de se dissoudre dans le solvant, ce qui élimine les zones de la couche qui n'a pas été exposée à l'éclairage, ou vice versa - les zones éclairées se dissolvent. Selon la manière dont le relief est formé, les photorésists sont divisés en négatifs et positifs. Les photorésists négatifs sous l'action du rayonnement ultraviolet forment des zones protectrices du relief. Les photorésists positifs, au contraire, sous l'influence du rayonnement ultraviolet, acquièrent les propriétés de fluidité et sont éliminés par le solvant. En conséquence, une couche protectrice est formée dans les zones qui ne sont pas exposées au rayonnement ultraviolet.
Pour éclairer les zones souhaitées de la couche photorésistante, un modèle de masque spécial est utilisé. Le plus souvent, des plaques de verre optique avec des éléments opaques obtenus par une méthode photographique ou autre sont utilisées à cet effet. En fait, un tel modèle contient un dessin d'une des couches du futur microcircuit (il peut y avoir plusieurs centaines de couches de ce type au total). Parce que ce patron est une référence, il doit être réalisé avec une grande précision. De plus, compte tenu du fait que de nombreuses photoplaques seront fabriquées à l'aide d'un seul photomasque, celui-ci doit être durable et résistant aux dommages. Il en ressort clairement qu'un photomasque est une chose très coûteuse : selon la complexité du microcircuit, il peut coûter des dizaines de milliers de dollars.
Le rayonnement ultraviolet traversant un tel motif (Fig. 4) illumine uniquement les zones souhaitées de la surface de la couche photorésistante. Après irradiation, la résine photosensible est soumise à un développement, à la suite de quoi les parties inutiles de la couche sont éliminées. Cela ouvre la partie correspondante de la couche de dioxyde de silicium.
Malgré l’apparente simplicité du procédé photolithographique, c’est cette étape de production des micropuces qui est la plus difficile. Le fait est que, conformément à la prédiction de Moore, le nombre de transistors sur une seule puce augmente de façon exponentielle (doublant tous les deux ans). Une telle augmentation du nombre de transistors n'est possible que grâce à une diminution de leur taille, mais c'est précisément cette diminution qui « repose » sur le processus de lithographie. Afin de réduire la taille des transistors, il est nécessaire de réduire les dimensions géométriques des lignes appliquées sur la couche de photorésist. Mais il y a une limite à tout : il n'est pas si facile de focaliser un faisceau laser sur un point. Le fait est que, conformément aux lois de l'optique ondulatoire, la taille minimale du point sur lequel le faisceau laser est focalisé (en fait, il ne s'agit pas simplement d'un point, mais d'un diagramme de diffraction) est déterminée, entre autres facteurs, par le longueur d'onde de la lumière. Le développement de la technologie lithographique depuis son invention au début des années 70 a consisté à raccourcir la longueur d’onde de la lumière. C'est ce qui a permis de réduire la taille des éléments du circuit intégré. Depuis le milieu des années 1980, le rayonnement ultraviolet produit par un laser est utilisé en photolithographie. L'idée est simple : la longueur d'onde du rayonnement ultraviolet est plus courte que la longueur d'onde de la lumière visible, il est donc possible d'obtenir des lignes plus fines à la surface de la résine photosensible. Jusqu'à récemment, le rayonnement ultraviolet profond (Deep Ultra Violet, DUV) d'une longueur d'onde de 248 nm était utilisé pour la lithographie. Cependant, lorsque la photolithographie a franchi la frontière des 200 nm, de graves problèmes sont apparus, remettant pour la première fois en question la possibilité d'une utilisation ultérieure de cette technologie. Par exemple, à une longueur d'onde inférieure à 200 µm, trop de lumière est absorbée par la couche photosensible, de sorte que le processus de transfert du modèle de circuit vers le processeur devient plus compliqué et plus lent. De tels problèmes poussent les chercheurs et les fabricants à rechercher des alternatives à la technologie lithographique traditionnelle.
La nouvelle technologie de lithographie, appelée lithographie EUV (Extreme UltraViolet ultraviolet radiation), est basée sur l'utilisation d'un rayonnement ultraviolet d'une longueur d'onde de 13 nm.
La transition de la lithographie DUV à la lithographie EUV permet une réduction de plus de 10 fois de la longueur d'onde et une transition vers une plage où elle est comparable à la taille de quelques dizaines d'atomes seulement.
La technologie lithographique actuelle permet d'appliquer un gabarit avec une largeur de conducteur minimale de 100 nm, tandis que la lithographie EUV permet d'imprimer des lignes de largeurs beaucoup plus petites - jusqu'à 30 nm. Contrôler les rayonnements ultra-courts n’est pas aussi simple qu’il y paraît. Le rayonnement EUV étant bien absorbé par le verre, la nouvelle technologie implique l'utilisation d'une série de quatre miroirs convexes spéciaux qui réduisent et focalisent l'image obtenue après application du masque (Fig. 5 , , ). Chacun de ces miroirs contient 80 couches métalliques individuelles d’environ 12 atomes d’épaisseur.
Étape 5 Gravure
Une fois la couche de photorésist éclairée, l'étape de gravure commence pour retirer le film de dioxyde de silicium (Fig. 8).
Le processus de décapage est souvent associé à des bains acides. Cette méthode de gravure à l'acide est bien connue des radioamateurs qui fabriquaient eux-mêmes des circuits imprimés. Pour ce faire, un motif de pistes de la future planche est appliqué sur la feuille de textolite avec un vernis qui agit comme une couche protectrice, puis la plaque est descendue dans un bain d'acide nitrique. Les sections inutiles de la feuille sont éliminées par gravure, exposant une textolite propre. Cette méthode présente un certain nombre d'inconvénients, dont le principal est l'incapacité de contrôler avec précision le processus d'élimination des couches, car trop de facteurs affectent le processus de gravure : concentration d'acide, température, convection, etc. De plus, l'acide interagit avec le matériau dans toutes les directions et pénètre progressivement sous le bord du masque photorésistant, c'est-à-dire qu'il détruit les couches recouvertes par la résine photosensible sur le côté. Par conséquent, dans la production de processeurs, une méthode de gravure sèche, également appelée plasma, est utilisée. Cette méthode permet de contrôler avec précision le processus de gravure, et la destruction de la couche gravée se produit strictement dans le sens vertical.
La gravure sèche utilise un gaz ionisé (plasma) pour éliminer le dioxyde de silicium de la surface de la plaquette, qui réagit avec la surface du dioxyde de silicium pour former des sous-produits volatils.
Après la procédure de gravure, c'est-à-dire lorsque les zones souhaitées de silicium pur sont exposées, le reste de la photocouche est retiré. Ainsi, un motif de dioxyde de silicium reste sur le substrat de silicium.
Étape 6. Diffusion (implantation ionique)
Rappelons que le processus précédent de formation du motif nécessaire sur un substrat de silicium était nécessaire afin de créer des structures semi-conductrices aux bons endroits en introduisant une impureté donneuse ou acceptrice. Le processus d'incorporation d'impuretés est réalisé au moyen d'une incorporation uniforme par diffusion (Fig. 9) d'atomes d'impuretés dans le réseau cristallin du silicium. Pour obtenir un semi-conducteur de type n, on utilise généralement de l'antimoine, de l'arsenic ou du phosphore. Pour obtenir un semi-conducteur de type P, le bore, le gallium ou l'aluminium sont utilisés comme impureté.
L'implantation ionique est utilisée pour le processus de diffusion des dopants. Le processus d'implantation consiste dans le fait que les ions de l'impureté requise sont « projetés » depuis l'accélérateur à haute tension et, disposant d'une énergie suffisante, pénètrent dans les couches superficielles du silicium.
Ainsi, à la fin de l’étape d’implantation ionique, la couche nécessaire de la structure semi-conductrice a été créée. Cependant, dans les microprocesseurs, il peut y avoir plusieurs couches de ce type. Une fine couche supplémentaire de dioxyde de silicium est cultivée pour créer la couche suivante dans le schéma de circuit résultant. Après cela, une couche de silicium polycristallin et une autre couche de photorésist sont appliquées. Le rayonnement ultraviolet traverse le deuxième masque et met en évidence le motif correspondant sur la couche photo. Viennent ensuite les étapes de dissolution de la photocouche, de gravure et d'implantation ionique.
Étape 7 Pulvérisation et dépôt
L'imposition de nouvelles couches est effectuée plusieurs fois, tandis que des « fenêtres » sont laissées pour les connexions intercouches dans les couches, qui sont remplies d'atomes métalliques ; en conséquence, des bandes métalliques sont créées sur les régions cristallines conductrices. Ainsi, dans les processeurs modernes, des liens s'établissent entre des couches qui forment un schéma tridimensionnel complexe. Le processus de culture et de traitement de toutes les couches dure plusieurs semaines et le cycle de production lui-même comprend plus de 300 étapes. En conséquence, des centaines de processeurs identiques sont formés sur une plaquette de silicium.
Pour résister aux impacts auxquels les plaquettes sont soumises pendant le processus de stratification, les substrats de silicium sont initialement suffisamment épais. Par conséquent, avant de découper la plaque en processeurs individuels, son épaisseur est réduite de 33 % et la saleté est éliminée du verso. Ensuite, une couche d'un matériau spécial est appliquée sur la face arrière du substrat, ce qui améliore la fixation du cristal au boîtier du futur processeur.
Étape 8. Dernière étape
À la fin du cycle de formation, tous les processeurs sont minutieusement testés. Ensuite, des cristaux spécifiques ayant déjà réussi le test sont découpés dans la plaque de substrat à l'aide d'un dispositif spécial (Fig. 10).
Chaque microprocesseur est intégré dans un boîtier de protection, qui assure également la connexion électrique de la puce du microprocesseur avec des périphériques externes. Le type de boîtier dépend du type et de l'application prévue du microprocesseur.
Après avoir été scellé dans le boîtier, chaque microprocesseur est testé à nouveau. Les processeurs défectueux sont rejetés et ceux en bon état sont soumis à des tests de résistance. Les processeurs sont ensuite triés en fonction de leur comportement à différentes vitesses d'horloge et tensions d'alimentation.
Des technologies prometteuses
Le processus technologique de production de microcircuits (notamment de processeurs) a été envisagé par nos soins de manière très simplifiée. Mais même une présentation aussi superficielle permet de comprendre les difficultés technologiques auxquelles on est confronté lorsqu'on réduit la taille des transistors.
Cependant, avant d'envisager de nouvelles technologies prometteuses, répondons à la question posée au tout début de l'article : quelle est la norme de conception du processus technologique et en quoi, en fait, la norme de conception de 130 nm diffère-t-elle de la norme de 180 nm ? 130 nm ou 180 nm est une distance minimale caractéristique entre deux éléments adjacents dans une couche du microcircuit, c'est-à-dire une sorte de pas de grille auquel les éléments du microcircuit sont liés. Dans le même temps, il est évident que plus cette taille caractéristique est petite, plus il est possible de placer de transistors sur la même zone de puce.
Les processeurs Intel utilisent actuellement un processus de fabrication de 0,13 micron. Cette technologie est utilisée pour fabriquer le processeur Intel Pentium 4 avec le cœur Northwood, le processeur Intel Pentium III avec le cœur Tualatin et le processeur Intel Celeron. Dans le cas d'un tel procédé technologique, la largeur utile du canal du transistor est de 60 nm et l'épaisseur de la couche d'oxyde de grille ne dépasse pas 1,5 nm. Au total, le processeur Intel Pentium 4 contient 55 millions de transistors.
En plus d'augmenter la densité des transistors dans une puce de processeur, la technologie 0,13 micron, qui a remplacé celle de 0,18 micron, présente d'autres innovations. Premièrement, il utilise des connexions en cuivre entre les transistors individuels (dans la technologie 0,18 micron, les connexions étaient en aluminium). Deuxièmement, la technologie 0,13 micron permet une consommation d'énergie réduite. Pour la technologie mobile, par exemple, cela signifie que la consommation électrique des microprocesseurs diminue et que la durée de vie de la batterie est plus longue.
Eh bien, la dernière innovation incarnée dans la transition vers un processus technologique de 0,13 micron est l'utilisation de plaquettes de silicium (wafer) d'un diamètre de 300 mm. Rappelons qu'avant cela, la plupart des processeurs et microcircuits étaient fabriqués à base de tranches de 200 mm.
L'augmentation du diamètre de la tranche réduit le coût de chaque processeur et augmente le rendement en produits de qualité adéquate. En effet, la surface d'une plaquette d'un diamètre de 300 mm est respectivement 2,25 fois plus grande que la surface d'une plaquette d'un diamètre de 200 mm et le nombre de processeurs obtenus à partir d'une plaquette d'un diamètre de 300 mm est plus de deux fois plus grand.
En 2003, l'introduction d'un nouveau procédé technologique avec un standard de conception encore plus bas, à savoir 90 nanomètres, est attendue. La nouvelle technologie de processus qu'Intel fabriquera la plupart de ses produits, y compris les processeurs, les chipsets et les équipements de communication, a été développée dans l'usine pilote de tranches de 300 mm d'Intel, D1C, à Hillsboro, dans l'Oregon.
Le 23 octobre 2002, Intel Corporation a annoncé l'ouverture d'une nouvelle installation de 2 milliards de dollars à Rio Rancho, au Nouveau-Mexique. La nouvelle usine, appelée F11X, utilisera une technologie de pointe pour fabriquer des processeurs sur des tranches de 300 mm en utilisant un processus de conception de 0,13 micron. En 2003, l'usine sera transférée vers un procédé technologique avec une norme de conception de 90 nm.
En outre, Intel a déjà annoncé la reprise de la construction d'une autre usine de fabrication chez Fab 24 à Leixlip, en Irlande, conçue pour fabriquer des composants semi-conducteurs sur des tranches de silicium de 300 mm avec une règle de conception de 90 nm. La nouvelle entreprise d'une superficie totale de plus de 1 million de mètres carrés. pieds avec des salles particulièrement propres d'une superficie de 160 000 mètres carrés. pieds devrait être opérationnel au premier semestre 2004 et emploiera plus d'un millier de personnes. Le coût de l'objet est d'environ 2 milliards de dollars.
Le processus 90 nm utilise un certain nombre de technologies avancées. Il s'agit notamment des plus petits transistors CMOS produits en série au monde, avec une longueur de grille de 50 nm (Figure 11), qui augmentent les performances tout en réduisant la consommation d'énergie, et de la couche d'oxyde de grille la plus fine jamais fabriquée de tous les transistors, seulement 1,2 nm (Figure 12), ou moins de 5 couches atomiques et la première mise en œuvre dans l'industrie d'une technologie de silicium stressé haute performance.
Parmi les caractéristiques énumérées, seule la notion de « silicium contraint » mérite peut-être d'être commentée (Fig. 13). Dans un tel silicium, la distance entre les atomes est plus grande que dans un semi-conducteur conventionnel. Ceci, à son tour, permet au courant de circuler plus librement, de la même manière que les véhicules ayant des voies plus larges se déplacent plus librement et plus rapidement.
Grâce à toutes les innovations, les performances des transistors sont améliorées de 10 à 20 %, tout en augmentant les coûts de production de seulement 2 %.
De plus, le processus 90 nm utilise sept couches par puce (Figure 14), soit une couche de plus que le processus 130 nm, et des connexions en cuivre.
Toutes ces fonctionnalités, combinées à des tranches de silicium de 300 mm, offrent à Intel des avantages en termes de performances, de volume et de coût. Les consommateurs en profitent également, car la nouvelle technologie de traitement d'Intel permet à l'industrie de continuer à évoluer conformément à la loi de Moore, en améliorant sans cesse les performances des processeurs.
