MỤC LỤC Trang CHƯƠNG 1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH 1 1.1 Quá trình hình thành công nghệ bán dẫn 1 1.2 Sự phát triển của công nghệ 22nm 2 1.3 Một số khái niệm căn bản 3 1.3.1 Transistor 2 chiều và dòng rò 3 1.3.2 Transistor 3D 5 1.3.3 Lợi ích. 6 CHƯƠNG 2. INTEL LÀM RA CHIP 22NM NHƯ THẾ NÀO? 8 2.1 Transistor, tế bào của chip. 8 2.2 Intel và transistor 22nm 9 2.3 Định nghĩa 11 2.3.1 Các loại vật liệu chính: 11 2.3.2 Chất cách điện điển hình: 11 2.3.3 Các loại dây dẫn điển hình: 12 2.3.4 MOS Versus Bipolar (MOS vs lưỡng cực). 12 2.4 Thực chất công nghệ 22nm nhỏ như thế nào? 12 2.5 Semiconductor Manufacturing Processes (Quy trình sản xuất bán dẫn). 13 2.5.1 Thiết kế (Design). 14 2.5.2 Chuẩn bị mẫu Wafer (Wafer Preparation). 16 2.5.3 Tạo wafer 18 2.5.4 Tạo lớp màng mỏng (Thin films). 19 2.5.5 Quy trình Frontend (FrontEnd Prosesses). 22 2.5.6 In quang litho (Photolithography). 24 2.5.7 Khắc axít (Etch) 26 2.5.8 Làm sạch (Cleaning) 29 2.5.9 Cấy ghép Ion (Ion Implantation). 32 2.5.10 Làm mịn, đánh bóng (Planarization). 34 2.5.11 Kiểm tra và đóng gói (Test and Assembly). 36 2.5.12 Class testing Competed Prosesor 38 CHƯƠNG 3. SO SÁNH CÔNG NGHỆ 22NM SO VỚI CÔNG NGHỆ KHÁC 39 CHƯƠNG 4. TƯƠNG LAI CỦA CÔNG NGHỆ BÁN DẪN 41 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN 42 CHƯƠNG 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO 42
TP.Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 09 năm 2014 ThS. Nguyễn Trần Sơn !"#$$%&'()*+,,- !./01+2/345*267/5 89:5!./0;55<;5/5 3=+>?75 5>5@AB3//C5 D:/5E/!F+ Ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời. Những thiết bị này đã góp phần nâng cao đời sống cho con người và chúng có một ý nghĩa lớn trong cuộc cách mạng công nghệ. Tuy nhiên một "thành viên" không thể không nhắc tới đó là Chip, mặc dù với vẻ bề ngoài có vẻ bé nhỏ nhưng những con Chip lại có một sức mạnh không hề "nhỏ" chút nào. Nếu coi các cỗ máy hiện đại ngày nay như một thực thể sống thì những con Chip bé nhỏ chính là các tế bào góp phần nuôi dưỡng và duy trì sự sống cho các cỗ máy này. Trong bài báo cáo này sẽ cho chúng ta được biết thêm về lịch sử hình thành và phát triển của những con Chip đầu tiên của nhân loại và tiến hành đi sâu, phân tích công nghệ sản xuất Chip 22nm của Intel. GDG Trang GDGH5I5 JK$ $$%&'()*+,,- 9L5 D/MN9O/P53P5 1QJRR#$$%SQTU Kể từ khi phát minh ra bóng bán dẫn trong năm 1947, công nghệ đã tiến triển nhanh chóng, mở đường cho những sản phẩm mạnh mẽ hơn bao giờ hết được ra đời, nhưng chi phí hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Với tốc độ quyết định bởi Định luật Moore, đã đòi hỏi nhiều đổi mới; những công nghệ đáng chú ý gần đây là strained silicon (được giới thiệu bởi Intel vào năm 2003) và high-k/metal gate (được giới thiệu bởi Intel vào năm 2007). Intel hiện tại đã tạo ra những sự thay đổi căn bản trong thiết kế bóng bán dẫn, một trong số đó sẽ cung cấp sự kết hợp chưa từng có của hiệu suất và hiệu quả năng lượng trong một loạt các máy tính, từ máy chủ đến máy tính cá nhân, và từ máy tính xách tay đến các thiết bị cầm tay. Lần đầu tiên trong lịch sử, bóng bán dẫn silicon có chiều thứ ba. Intel giới thiệu các bóng bán dẫn ba cổng, trong đó kênh bóng bán dẫn được đưa vào chiều thứ 3. Dòng điện được điều khiển trên 3 mặt của kênh (trên cùng, bên trái và bên phải) chứ không phải chỉ từ phía trên, như trong thông thường, bóng bán dẫn phẳng. Kết quả có được kiểm soát tốt hơn các bóng bán dẫn, tối đa hóa dòng hiện tại (cho hiệu suất tốt nhất) khi hoạt động, và giảm thiểu (giảm rò rỉ) khi nó được tắt. Chúng ta hãy nhìn lại lịch sử của bóng bán dẫn và những sự kiện quan trọng như đổi mới công nghệ 22nm của Intel trong công nghệ bán dẫn mới và đảm bảo sự tiếp tục của Định luật Moore trong tương lai gần. 16 tháng 12 năm 1947: William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain xây dựng thành công các bóng bán dẫn đầu tiên tại Bell Labs. 1950: William Shockley phát triển bóng bán dẫn lưỡng cực, thường được gọi là một bóng bán dẫn theo tiêu chuẩn ngày nay. 18 tháng 10 năm 1954: Các Radio bán dẫn đầu tiên, Regency TR1, đã được đưa ra thị trường và có chỉ bốn transistor (germanium). 25 tháng 4 năm 1961: Các bằng sáng chế đầu tiên được trao cho Robert Noyce cho một mạch tích hợp. Bán dẫn đã đủ để sử dụng trong radio và điện thoại, nhưng ngàng điện tử mới cần một cái gì đó nhỏ hơn - các mạch tích hợp. JK$V $$%&'()*+,,- 1965: Định luật Moore được sinh ra khi Gordon Moore dự đoán rằng số lượng bóng bán dẫn trên một chip sẽ tăng gấp đôi khoảng mỗi năm (một thập kỷ sau đó, sửa đổi thành mỗi 2 năm) trong tương lai, như đã nói trong một bài báo của Electronics Magazine. Ba năm sau, ông và Bob Noyce thành lập Intel, viết tắt của "integrated electronics." 1969: lần đầu tiên Intel phát triển công nghệ bóng bán dẫn cổng PMOS silic thành công. Các transistor tiếp tục sử dụng silicon dioxide truyền thống (SiO2) làm cổng điện môi, và giới thiệu các điện cực cổng polysilicon mới. 1971: Intel ra mắt bộ vi xử lý đầu tiên - 4004. 4004 chứa 2.250 bóng bán dẫn và được sản xuất với công nghệ 10micron PMOS của Intel trên tấm wafer 2 inch. 1985: bộ vi xử lý 386 ™ được phát hành, có 275.000 bóng bán dẫn - hơn 100 lần so với bản gốc 4004. Nó là một chip 32-bit và là đa nhiệm, có nghĩa là nó có thể chạy nhiều chương trình cùng một lúc. Ban đầu nó được sản xuất sử dụng công nghệ 1,5 micron CMOS. 13 tháng 8 năm 2002: Intel tung ra nhiều đột phá trong công nghệ của mình. Quy trình công nghệ 90nm, bao gồm hiệu suất cao hơn, năng lượng bóng bán dẫn thấp hơn, silicon, tốc độ cao và các vật liệu điện năng cực thấp mới. 29 tháng 1 năm 2007: Intel tiết lộ vật liệu bán dẫn mang tính đột phá - high-k và Metal Gate cổng - rằng nó sẽ sử dụng để xây dựng các bức tường cách nhiệt và chuyển đổi cổng ở hàng trăm triệu bóng bán dẫn 45nm trong thế hệ tiếp theo. Intel ® Core ™ 2 Duo, Intel Core 2 Quad và Xeon ® của bộ vi xử lý đa lõi - có tên mã là Penryn. 4 Tháng 5 năm 2011: Intel thông báo rằng đặt một bóng bán dẫn hoàn toàn mới thiết kế vào sản xuất khối lượng lớn. Clon71Transistor tri-gate sẽ cung cấp một sự kết hợp chưa từng có của hiệu suất và hiệu quả năng lượng trong một loạt các máy tính, từ máy chủ đến máy tính cá nhân, và từ máy tính xách tay đến các thiết bị cầm tay. JK$W $$%&'()*+,,- , NXYQJZ[K$$%,,- Công nghệ 22nm là bước phát triển tiếp theo công nghệ 32nm trong ngành công nghiệp bán dẫn. Nó được giới thiệu lần đầu tiên bởi một công ty bán dẫn vào năm 2008 cho việc sử dụng trong bộ nhớ, trong khi bộ vi xử lý (CPU) đầu tiên được phát hành đến tay người tiêu dùng là từ tháng 4 năm 2012. 18/8/2008, AMD, Freescale, IBM, STMicroelectronics, Toshiba, và trường College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) thông báo họ đã cùng nhau phát triển và sản xuất một cell SRAM 22nm, được xây dựng trên 6 con transistor thiết kế trên một tấm Wafer 300mm, trong đó kích thước một ô nhớ chỉ 0.1 µm 2 . Các cell được in sử dụng công nghệ in quang khắc. Ngày 22/9/2009, trong diễn đàn các nhà phát triển của Intel, Intel đã thông báo rằng những con chip sử dụng công nghệ 22nm sẽ có mặt vào giữa năm 2011. 2/5/2011, Intel công bố bộ vi xử lý 22nm đầu tiên của hãng, có tên mã là lvy Bridge, sử dụng công nghệ 3-D Tri-Gate. Những vi xử lý POWER8 cũng được sản xuất theo quy trình SOI 22nm. 23/4/2012, Intel core i7 và Intel core i5 dựa trên công nghệ 22nm đã được bán khắp nơi trên thế giới. Không ngừng phát triển, hiện nay Intel đã cho ra mắt những bộ vi xử lý dựa trên kiến trúc Hasell trên công nghệ 22nm. Theo lộ trình ITRS, sự kế thừa cho công nghệ 22nm sẽ là công nghệ 14nm. \ ]&^_Q%-`S' \ JK&&J,"a#Tb$Jb Các transistor được dùng chủ yếu hiện nay trong chip có tên gọi MOSFET, có cấu tạo cơ bản gồm: • Cực nguồn (): nơi dòng điện đi vào • Cực máng (): nơi dòng điện đi ra • Cực cổng (): nơi điều khiển việc ra / vào của dòng diện • Kênh dẫn (): nối giữa nguồn và máng JK$c $$%&'()*+,,- • Lớp cách điện (): ngăn dòng điện từ cổng không rò rỉ sang kênh dẫn !"# Dựa vào mô phỏng dưới đây, chúng ta có thể thấy rằng các transistor 2 chiều truyền thống – nền móng đầu tiên của vi mạch – bao gồm 3 phần chính: source (nguồn), drain (dẫn) và gate (cổng). $%&'% Nhìn qua có vẻ cực kì phức tạp, nhưng bản chất của nó chẳng qua giống như một công tắc điện. Hãy xem source và drain là 2 lỗ cắm trong các ổ điện gia đình. Khi bạn cắm một thứ gì đó dẫn điện vào cả 2 lỗ (chiếc kéo chẳng hạn), bạn đã đóng kín mạch và xuất hiện dòng điện chạy qua. Chiếc kéo chính là gate – một công tắc đóng và mở mạch – tức quyết định transistor có dẫn điện hay không (nên mới gọi là bóng bán dẫn). JK$d $$%&'()*+,,- Khi một điện áp được cấp vào gate, một miếng bán dẫn nhỏ giữa source và drain chuyển từ cách điện thành dẫn điện (tương đương việc cắm kéo vào ổ điện) dẫn đến việc xuất hiện dòng chạy từ source đến drain. Khi ngừng cấp điện áp này, dòng điện sẽ biến mất. Thực tế vẫn có một dòng điện có cường độ cực nhỏ chạy qua source và drain. Đó gọi là dòng rò – gây lãng phí điện năng, tỉ lệ với số lượng transistor – tức tỉ lệ với sức mạnh của thiết bị. Nói tóm lại, ý tưởng cơ bản chế tạo một transistor là sử dụng miếng bán dẫn đặt giữa 2 điện cực – có tính chất cách điện ở điều kiện bình thường, và dẫn điện khi được cấp điện áp đủ lớn. Chúng ta đều biết, sự phát triển của công nghệ phần cứng đi liền với sự phát triển (nhỏ dần) của tiến trình sản xuất transistor (45nm, 32nm, 22nm ). Vấn đề là: Transistor càng nhỏ thì kích thước miếng bán dẫn (màu xanh da trời trên hình) cũng giảm theo, và dòng điện chạy qua nó có cường độ càng thấp. Đến một kích thước nào đó đủ nhỏ, khi giá trị dòng hoạt động tiến sát đến dòng rò, sẽ không còn phân biệt được chế độ tắt- bật của transistor nữa. Đó sẽ là một thảm họa bởi tắt-bật transistor là cách chip xử lý sử dụng để thể hiện bit giữa 0 và 1. Có 2 cách cơ bản để khắc phục vấn đề này: 1 – giảm dòng rò và 2 – tăng dòng electron chạy qua miếng bán dẫn. Trên thực tế, con chip mới của Intel áp dụng cả 2 phương pháp trên. Chúng ta hãy chỉ nói về phương pháp thứ 2, bởi nó chính là nguyên nhân dẫn đến điều chúng ta đang nói tới: thay đổi thiết kế transistor. Muốn tăng dòng electron chạy qua, lại có 2 phương án: Thứ nhất là “chích” thêm điện áp đặt lên gate nhằm tăng độ dẫn điện của miếng bán dẫn. Cách này nghe rất hay nhưng không khả quan, bởi nó đồng nghĩa với điện năng tiêu thụ tăng đột biến. Cách thứ 2 – cách mà Intel lựa chọn – đó là tìm cách để tăng kích thước của miếng bán dẫn lên. Phương án này rất có lợi khi mà dòng hoạt động đủ lớn mà không yêu cầu điện áp quá cao (rất lợi về điện) – có điều cực kì phức tạp vì phải thiết kết lại transistor. JK$e $$%&'()*+,,- \, JK&&J\ Lần đầu tiên trong lịch sử, transistor được thiết kế với mô hình 3D. Intel đã giới thiệu transistor 3 cổng, trong đó kênh transistor được nâng lên thành 3D. Về căn bản, các transistor trong nhiều năm qua không có thay đổi nhiều. Chúng có kích thước nhỏ hơn, bổ sung thêm một số chất liệu khác để thay đổi hệ số điện trở, hạn chế hiện tượng rò dòng nhưng vẫn là các transistor phẳng (&). Rồi tới tiến trình () 22nm, Intel đề nghị ra một dạng transistor mới : đứng (()*) hoặc nhiều cổng ()). (#+(,-#(./ Chỉ cần nhìn vào bức hình trên, không khó để hình dung ra mẹo mà Intel sử dụng: Kích thước miếng bán dẫn (xanh da trời) tăng lên rất nhiều so với các transistor truyền thống. Công nghệ 22nm của Intel đưa Transistor sang dạng 3D. JK$ [...]... transitor nhưng nó khá là khác khi sản xuất ra điện áp cao Nhà máy Intel sản xuất 5 tỉ transistor mỗi giây và 150,000,000,000,000,000 mổi năm tương đương 20 tỉ tran cho mổi người trên trái đất này 2.5 Semiconductor Manufacturing Processes (Quy trình sản xuất bán dẫn) Hình 9: Quá trình sản xuất chất bán dẫn Trang 17 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm 2.5.1 Thiết kế (Design) Hình 10:... sử dụng là laser Trang 29 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm Eximer flo và các hỗn hợp khí trơ Các nhà sản xuất chất bán dẫn đang thử nghiệm với 193 nm UV và cũng với X-quang (trong đó có một bước sóng ngắn hơn) Hình 21: Exposura Processes 2.5.7 Khắc axít (Etch) Hình 22: Etch Trang 30 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm Thuật ngữ khắc (Etching Terminology): Khắc... mở và ngắt dòng hiệu quả hơn khi nó tắt (giảm rò rỉ) Công nghệ 22nm của Intel đã mở ra hướng công nghệ bán dẫn mới và đảm bảo định luật Moore vẫn tiếp tục đúng trong tương lai Trang 11 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch CHƯƠNG 2 Công nghệ sản xuất CPU 22nm INTEL LÀM RA CHIP 22NM NHƯ THẾ NÀO? Nhanh hơn, mạnh hơn, tiết kiệm điện hơn Đấy là kim chỉ nam mà giới công nghiệp điện toán (đặc biệt là phần cứng) vẫn luôn... trên bề mặt wafer Trang 25 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm 2.5.5 Quy trình Front-end (Front-End Prosesses) Hình 18: Front-end processes Oxy hóa nhiệt Lắng đọng Silicon Nitride: Lắng đọng hóa học hơi nước áp suất thấp (Low Pressure Chemical Vapor Deposition - LPCVD) Trang 26 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm Lắng đọng silic đa tinh thể: Lắng đọng hóa học... trình Etch Plasma khô bằng cách sử dụng sulfur hexafluoride hoặc kết hợp tetrafluoromethane và oxy Trang 23 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm Hình 16: Chemical Vapor Deposition (CVD) tungsten Trang 24 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm Hình 17: physical vapor deposition (PVD) Sự kết hợp đặc biệt của silic và kim loại gọi là silicua (silicides) có thể được sử dụng... hiện nay MOS đã trở thành công nghệ chủ đạo Thực chất công nghệ 22nm nhỏ như thế nào? - Các bóng bán dẫn gốc được xây dựng trong phòng Bell Labs năm 1947 nó có kích thước là 1 bàn tay Tương phản với hiện nay, nhỏ hơn 100 triệu - 22nm Tri-gate transitor sẽ bao phủ lên các chân Nhiều hơn 6 triệu tri- gate transisotr có thể được tạo thành sau kết thúc 1 - chu kì Công nghệ 22nm thật sự là quá nhỏ, nó... con người Trang 16 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm - Với sự thu gọn hiện tại, bạn sẽ không bao giờ thấy được nếu không có kinh - hiển vi So sánh thế hệ microproceser đầu tiên, 4004, giới thiệu năm 1971, 22nm CPU chạy nhanh hơn 4000 lần và mỗi transistor sử dụng năng lượng ít hơn - 5000 lần Và giá của mỗi transistor giảm xuống 50000 lần 22nm tran có thể đóng và mở tốt 1 tỉ lần trong... Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm 1.3.3 Lợi ích Hiện tại Intel thay đổi triệt để trong việc thiết kế transistor của họ, một trong số thay đổi đó là sự kết hợp chưa từng có giữa hiệu suất và hiệu quả năng lượng trong hàng loạt các máy tính, từ máy chủ, máy tính để bàn, máy tính xách tay đến các thiết bị cầm tay Hình 4: Bóng bán dẫn hai cổng (trái) so với bóng bán dẫn ba cổng (phải) Công nghệ 22nm tiếp... thiết kế công cụ thế hệ bán dẫn chân đã phát triển đến một mức độ tinh tế nơi các thành phần bề mặt và quá trình kết cấu của các thành phần là yếu tố xác định đến tiến trình thiết kế và trong nhiều trường hợp đang tích cực là sử dụng để bắt giữ nước thải và các sản phẩm phụ Trang 35 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm Trong quá trình lắng đọng hoặc khắc axít, phản ứng của các sản phẩm... cổng (multi-gate) 3-D transistor về bản chất không lạ lẫm với giới công nghiệp bán dẫn Đó là FinFET (hoặc các FET dạng "vảy" (fin)) từng được đề ra khá lâu Song FinFET vẫn chưa được dùng trong các sản phẩm thương mại và Intel là hãng đầu tiên ứng dụng kiểu thiết kế transistor này Trang 13 Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch Công nghệ sản xuất CPU 22nm Hình 6: Cấu tạo một transistor "phẳng" Nhưng tại sao Intel lại