Công nghệ sản xuất CPU 22nm

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

GVHD: ThS Nguyễn Trần Sơn

BÁO CÁO Môn: Kỹ Thuật Chế Tạo Vi Mạch – CE404.F11

Đề tài: Công nghệ sản xuất CPU 22nm

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời Những thiết bị này đã góp phần nâng caođời sống cho con người và chúng có một ý nghĩa lớn trong cuộc cách mạng côngnghệ 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 máynày

Trong bài báo cáo này sẽ cho chúng ta được biết thêm về lịch sử hình thành vàphát triển của những con Chip đầu tiên của nhân loại và tiến hành đi sâu, phân tíchcông nghệ sản xuất Chip 22nm của Intel

MỤC LỤC HÌNH ẢNH Trang

C HƯƠNG 1 L I ̣ CH SƯ ̉ HI ̀ NH THA ̀ NH

1.1 Quá trình hình thành công nghệ bán dẫn

Kể từ khi phát minh ra bóng bán dẫn trong năm 1947, công nghệ đã tiến triển nhanhchóng, mở đường cho những sản phẩm mạnh mẽ hơn bao giờ hết được ra đời, nhưng chiphí hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng hơn Với tốc độ quyết định bởi Định luậtMoore, đã đòi hỏi nhiều đổi mới; những công nghệ đáng chú ý gần đây là strainedsilicon (được giới thiệu bởi Intel vào năm 2003) và high-k/metal gate (được giới thiệubởi Intel vào năm 2007) Intel hiện tại đã tạo ra những sự thay đổi căn bản trong thiết kếbóng bán dẫn, một trong số đó sẽ cung cấp sự kết hợp chưa từng có của hiệu suất vàhiệu 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 cácbóng bán dẫn ba cổng, trong đó kênh bóng bán dẫn được đưa vào chiều thứ 3 Dòngđiện được điều khiển trên 3 mặt của kênh (trên cùng, bên trái và bên phải) chứ khôngphải chỉ từ phía trên, như trong thông thường, bóng bán dẫn phẳng Kết quả có đượckiểm soát tốt hơn các bóng bán dẫn, tối đa hóa dòng hiện tại (cho hiệu suất tốt nhất) khihoạt 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 đổimới công nghệ 22nm của Intel trong công nghệ bán dẫn mới và đảm bảo sự tiếp tục củaĐịnh luật Moore trong tương lai gần

 16 tháng 12 năm 1947: William Shockley, John Bardeen và WalterBrattain xây dựng thành công các bóng bán dẫn đầu tiên tại Bell Labs

 1950: William Shockley phát triển bóng bán dẫn lưỡng cực, thường đượcgọi là một bóng bán dẫn theo tiêu chuẩn ngày nay

 18 tháng 10 năm 1954: Các Radio bán dẫn đầu tiên, Regency TR1, đãđược đưa ra thị trường và có chỉ bốn transistor (germanium)

 25 tháng 4 năm 1961: Các bằng sáng chế đầu tiên được trao cho RobertNoyce cho một mạch tích hợp Bán dẫn đã đủ để sử dụng trong radio vàđiện thoại, nhưng ngàng điện tử mới cần một cái gì đó nhỏ hơn - các mạch

 1965: Định luật Moore được sinh ra khi Gordon Moore dự đoán rằng sốlượng bóng bán dẫn trên một chip sẽ tăng gấp đôi khoảng mỗi năm (mộtthập kỷ sau đó, sửa đổi thành mỗi 2 năm) trong tương lai, như đã nói trongmột bài báo của Electronics Magazine Ba năm sau, ông và Bob Noycethành lập Intel, viết tắt của "integrated electronics."

 1969: lần đầu tiên Intel phát triển công nghệ bóng bán dẫn cổng PMOSsilic thành công Các transistor tiếp tục sử dụng silicon dioxide truyềnthống (SiO2) làm cổng điện môi, và giới thiệu các điện cực cổngpolysilicon mới

 1971: Intel ra mắt bộ vi xử lý đầu tiên - 4004 4004 chứa 2.250 bóng bándẫn và được sản xuất với công nghệ 10micron PMOS của Intel trên tấmwafer 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, cónghĩa là nó có thể chạy nhiều chương trình cùng một lúc Ban đầu nóđược sản xuất sử dụng công nghệ 1,5 micron CMOS

 13 tháng 8 năm 2002: Intel tung ra nhiều đột phá trong công nghệ củamình Quy trình công nghệ 90nm, bao gồm hiệu suất cao hơn, năng lượngbóng bán dẫn thấp hơn, silicon, tốc độ cao và các vật liệu điện năng cựcthấp 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 bứctường cách nhiệt và chuyển đổi cổng ở hàng trăm triệu bóng bán dẫn45nm trong thế hệ tiếp theo Intel ® Core ™ 2 Duo, Intel Core 2 Quad vàXeon ® 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 hoàntoàn 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 nănglượng 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

1.2 Sự phát triển của công nghệ 22nm

Công nghệ 22nm là bước phát triển tiếp theo công nghệ 32nm trong ngành côngnghiệp 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 pháthành đến tay người tiêu dùng là từ tháng 4 năm 2012

 18/8/2008, AMD, Freescale, IBM, STMicroelectronics, Toshiba, và trườngCollege of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) thông báo họ đãcùng 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 thướcmột ô nhớ chỉ 0.1 µm2 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 thôngbáo 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 làlvy Bridge, sử dụng công nghệ 3-D Tri-Gate Những vi xử lý POWER8cũng được sản xuất theo quy trình SOI 22nm

 23/4/2012, Intel core i7 và Intel core i5 dựa trên công nghệ 22nm đã đượcbán khắp nơi trên thế giới

Không ngừng phát triển, hiện nay Intel đã cho ra mắt những bộ vi xử lý dựa trênkiến trúc Hasell trên công nghệ 22nm

Theo lộ trình ITRS, sự kế thừa cho công nghệ 22nm sẽ là công nghệ 14nm

1.3 Một số khái niệm căn bản

1.3.1 Transistor 2 chiều và dòng rò

Các transistor được dùng chủ yếu hiện nay trong chip có tên gọi MOSFET, cócấu tạo cơ bản gồm:

• Cực nguồn (source): nơi dòng điện đi vào

• Cực máng (drain): nơi dòng điện đi ra

• Cực cổng (gate): nơi điều khiển việc ra / vào của dòng diện

• Kênh dẫn (channel): nối giữa nguồn và máng

• Lớp cách điện (oxide): ngăn dòng điện từ cổng không rò rỉ sang kênh

dẫn

Hình 1: Cấu tạo cơ bản của một MOSFET

Dựa vào mô phỏng dưới đây, chúng ta có thể thấy rằng các transistor 2 chiềutruyền thống – nền móng đầu tiên của vi mạch – bao gồm 3 phần chính: source(nguồn), drain (dẫn) và gate (cổng)

Hình 2: Cấu tạo một transistor "phẳng"

Nhìn qua có vẻ cực kì phức tạp, nhưng bản chất của nó chẳng qua giống nhưmột công tắc điện Hãy xem source và drain là 2 lỗ cắm trong các ổ điện gia đình Khibạn cắm một thứ gì đó dẫn điện vào cả 2 lỗ (chiếc kéo chẳng hạn), bạn đã đóng kínmạch 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 bóngbán dẫn)

Khi một điện áp được cấp vào gate, một miếng bán dẫn nhỏ giữa source vàdrain chuyển từ cách điện thành dẫn điện (tương đương việc cắm kéo vào ổđiện) dẫn đến việc xuất hiện dòng chạy từ source đến drain Khi ngừng cấp điện ápnày, dòng điện sẽ biến mất Thực tế vẫn có một dòng điện có cường độ cực nhỏ chạyqua source và drain Đó gọi là dòng rò – gây lãng phí điện năng, tỉ lệ với số lượngtransistor – 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 dẫnđặt giữa 2 điện cực – có tính chất cách điện ở điều kiện bình thường, và dẫnđiện khi được cấp điện áp đủ lớn

 Chúng ta đều biết, sự phát triển của công nghệ phần cứng đi liền với sự pháttriển (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 datrời trên hình) cũng giảm theo, và dòng điện chạy qua nó có cường độ càngthấp Đến một kích thước nào đó đủ nhỏ, khi giá trị dòng hoạt động tiến sátđến 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 đểthể hiện bit giữa 0 và 1

 Có 2 cách cơ bản để khắc phục vấn đề này: 1 – giảm dòng rò và 2 – tăngdòng 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 đổithiết 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 củamiếng bán dẫn Cách này nghe rất hay nhưng không khả quan, bởi nóđồng 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 củamiếng 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 phứctạp vì phải thiết kết lại transistor

1.3.2 Transistor 3D

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 đổinhiều Chúng có kích thước nhỏ hơn, bổ sung thêm một số chất liệukhác để thay đổi hệ số điện trở, hạn chế hiện tượng rò dòng nhưng

vẫn là các transistor phẳng (planar) Rồi tới tiến trình (node) 22nm, Intel đề nghị ra một dạng transistor mới : đứng (3-D) hoặc nhiều cổng (multi-gate).

Hình 3: Transistor cổng 3 (hay Transistor 3 chiều)

 Chỉ cần nhìn vào bức hình trên, không khó để hình dung ra mẹo màIntel sử dụng: Kích thước miếng bán dẫn (xanh da trời) tăng lên rấtnhiều so với các transistor truyền thống

 Công nghệ 22nm của Intel đưa Transistor sang dạng 3D

1.3.3 Lợi ích.

Hiện tại Intel thay đổi triệt để trong việc thiết kế transistor của họ, mộttrong số thay đổi đó là sự kết hợp chưa từng có giữa hiệu suất và hiệu quả nănglượng trong hàng loạt các máy tính, từ máy chủ, máy tính để bàn, máy tính xách tayđến 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 tục khẳng định tính đúng đắn của Định luậtMoore: các bóng bán dẫn nhỏ hơn, hiệu suất hoạt động/watt được nâng cao và chiphí trên mỗi bóng bán dẫn thấp hơn

Trong thiết kế này thì dòng điện được điều khiển bởi 3 mặt của kênh(top, left và right) thay vì chỉ được điều khiển từ “top” như transistor phẳng Kếtquả thu được là việc điều khiển các transistor được tốt hơn, tối đa dòng điện (chohiệu suất tốt nhất) khi nó 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 bảođịnh luật Moore vẫn tiếp tục đúng trong tương lai

C HƯƠNG 2 I NTEL LÀM RA CHIP 22 NM NHƯ THẾ NÀO ?

Nhanh hơn, mạnh hơn, tiết kiệm điện hơn Đấy là kim chỉ nam mà giới côngnghiệp điện toán (đặc biệt là phần cứng) vẫn luôn tuân theo trong suốt hàng chục nămqua Nhưng làm sao để đạt được những mục tiêu trên không phải điều đơn giản Maythay, nhờ kỹ thuật bán dẫn và sự sáng tạo của hàng ngàn kỹ sư, những con chip mớivẫn liên tục ra đời dựa trên các dây chuyền sản xuất tiến bộ hơn Hôm nay chúng ta sẽnói một chút về kỹ thuật bán dẫn 22nm của Intel

2.1 Transistor, tế bào của chip.

Thành phần cơ bản của sinh vật trên hành tinh này là các tế bào Chip cũng tương

tự Mặc cho có khác biệt về kiến trúc và kích cỡ như nào, mọi con chip mà nhân loạilàm ra từ trước đến nay đều dựa trên các transistor, một thiết bị về cơ bản là một côngtắc điện Mục đích của các kỹ sư: có thể bật/tắt/tăng giảm cường độ tín hiệu bất kỳ khinào họ muốn

Thế nên việc làm ra chip suy cho cùng là làm ra các transistor Các transistorđược dùng chủ yếu hiện nay trong chip có tên gọi MOSFET, có cấu tạo cơ bản gồm:

 Cực nguồn (source): nơi dòng điện đi vào

 Cực máng (drain): nơi dòng điện đi ra

 Cực cổng (gate): nơi điều khiển việc ra / vào của dòng diện

 Kênh dẫn (channel): nối giữa nguồn và máng

 Lớp cách điện (oxide): ngăn dòng điện từ cổng không rò rỉ sang kênh dẫn

Hình 5: Cấu tạo cở bản của 1 MOSFET

Cụm 'FET' trong MOSFET là viết tắt của field-effect transistor, có nghĩa là

transistor hiệu-ứng-trường Thuật ngữ này đồng thời nói lên cách mà transistor hoạtđộng: khi một điện áp được đặt vào cực cổng, nó sẽ tạo ra một trường điện từ tác độnglên kênh dẫn Tuỳ chủng loại FET (PMOS hay NMOS) mà tác động của trường này sẽ

có vai trò đóng/ngắt mạch điện nối giữa 2 cực máng & nguồn

Bằng cách phối hợp hàng chục, hàng trăm, hàng ngàn (và hiện nay lên tới hàngtỷ) transistor, các kỹ sư đã tạo ra những con chip có kiến trúc khác nhau cũng như ứngdụng thay đổi tuỳ mục đích Số lượng transistor trên một con chip nhìn theo một góc

độ nào đấy cũng có thể nói lên sức mạnh chung (khi so với những con chip khác cùngkiến trúc) của chip

Chính vì số lượng transistor có thể xem như tỷ lệ thuận với sức mạnh chip, nêncàng "nhét" được nhiều transistor hơn lên một diện tích cho sẵn sẽ cho ra con chipcàng mạnh Và để đạt được điều này thì kích thước transistor phải thu nhỏ Đây là lý

do tại sao chúng ta thường nghe nói chip 32nm thì tốt hơn 45nm, chip 45nm thì tốthơn 65nm và cứ thế (vì có nhiều transistor hơn)

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 dụngkiểu thiết kế transistor này

Hình 6: Cấu tạo một transistor "phẳng".

Nhưng tại sao Intel lại thay đổi? Về phương diện kỹ thuật thì có nhiều thứ để bàn

Ở đây chúng ta chỉ nêu vắn tắt là điện áp ngưỡng (threshold) và điện áp vận hành (operating) của FinFET dễ kiểm soát hơn so với planar Song thứ gì cũng có 2 mặt:

làm FinFET phức tạp và khó khăn nhiều hơn so với planar Do vậy Intel chưa "vội"chuyển qua FinFET ở các tiến trình trước (65, 45, 32nm ) mà vẫn dùng planar vì nóvẫn đáp ứng yêu cầu đề ra của Intel

Hình 7: Khác biệt trong hoạt động của transistor "phẳng" và 3-D.

Có điều với các thiết kế x86 hiệu năng cao của Intel, planar ở node 22nm có vẻkhông còn "tốt" nên hãng này chuyển qua FinFET Mặc dù vậy, giới bán dẫn vẫn tiếptục dùng planar vì các thiết kế của họ vẫn hoạt động "tốt" với loại transistor này Do

đó bạn đừng cho rằng FinFET là bắt buộc mà "tuỳ nhu cầu mới cần đến hay không"

Hình 8: Transistor 3-D của Intel (FinFET).

Tiếp theo chúng ta sẽ đi vào chi tiết từng quá trình làm transistor 22nm của Intel

2.3 Định nghĩa

2.3.1 Các loại vật liệu chính:

- Vật liệu cách điện: là vật liệu ngăn hoặc chống lại dòng chảy của điệntích SiO2 là một chất cách iện ược sử dụng rất nhiều trong công nghệbán dẫn nó có điện trở suất từ 1014 – 1016 Ohm-cm

- Dây dẫn: vật liệu sẵn sàng hỗ trợ dòng chảy ủa điện tích (cho dòng điệnchạy qua) Ví dụ là kim loại nhôm (Al) có điện trở suất 2,7.10-6 Ohm-cm

- Chất bán dẫn: Một loại vật liệu có thể được sử dụng như là 1 chất cáchđiện và 1 dây dẫn

2.3.2 Chất cách điện điển hình:

- Oxit Silic (SiO2), là một trong những chất cách điện phổ biến nhất dùngtrong các mạch tích hợp, SiO2 là một họp chất rất tốt để ngăn cản dòngđiện

- Silicon Nitride (Ni3N4), thường được sử dụng như một rào cản cuối cùngcho mạch tích hợp Silicon.

2.3.3 Các loại dây dẫn điển hình:

- Nhôm (Al) là dây dẫn thường xuyên được sử dụng trong mạch tích hợpSilicon

- Titanium (Titan), Cobalt, Nickel và Platinum là những kim loại thườngđược để tạo ra mối liên hệ giữa Silicide với Silicon

- Tungsten (Vonfram) được sử dụng để trám đầy

- Titanium Nitride, được sử dụng như một lớp rào cản để ngăn chặn sự tácđộng từ kim loại hoặc ngăn chặn sự tương tác giữa kim loại và Silicon

- Đồng (Cu), chỉ sử dụng như một dây dẫn

2.3.4 MOS Versus Bipolar (MOS vs lưỡng cực).

- MOS sản xuất đơn giản so với hơn lưỡng cực Số lượng mặt nạ tối thiểu

để làm cho lưỡng cực là 7, trong khi đó mặt nạ tối thiểu của để làm choMOS chỉ là 5

- MOS đòi hỏi ít ổ đĩa hiện tại Thiết bị MOS được điều khiển điện áp vớiđầu vào trở kháng cao Thiết bị lưỡng cực kiểm soát với trở kháng đầuvào thấp

- MOS tiêu thụ ít điện năng hơn Điều này đặc biệt đúng với nguyên líthiết kế của CMOS, nó chỉ tiêu tốn năng lượng khi chuyển đổi giữa cáctrạng thái

- Thiết bị MOS đơn giản để cô lập và có thể được đóng gói chặt chẽ hơn

- Như chúng ta đã thấy, hiện nay MOS đã trở thành công nghệ chủ đạo

2.4 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 triệu22nm Tri-gate transitor sẽ bao phủ lên các chân

- Nhiều hơn 6 triệu tri- gate transisotr có thể được tạo thành sau kết thúc 1chu kì

- Công nghệ 22nm thật sự là quá nhỏ, nó nhỏ hơn 4000 lần so với chiều rộngcủa sợi tóc (khoảng 90 microns) của con người

- Với sự thu gọn hiện tại, bạn sẽ không bao giờ thấy được nếu không có kinhhiển vi.

- So sánh thế hệ microproceser đầu tiên, 4004, giới thiệu năm 1971, 22nmCPU 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 1 giây, nó sẽ hoạt động liêntục trong vòng 2000 năm đến lúc mà nó hư

- Nó là 1 thiết kế trong tri gate transitor nhưng nó khá là khác khi sản xuất rađiện áp cao Nhà máy Intel sản xuất 5 tỉ transistor mỗi giây và150,000,000,000,000,000 mổi năm tương đương 20 tỉ tran cho mổi ngườitrên trái đất này

2.5 Semiconductor Manufacturing Processes (Quy trình sản xuất bán dẫn).

Hình 9: Quá trình sản xuất chất bán dẫn

2.5.1 Thiết kế (Design).

Hình 10: Thiết kế (design)

 Thiết lập quy trình thiết kế

 Thiết kế các phần tử mạch

 Liên kết nối định tuyến

 Mô phỏng thiết bị

 Chuẩn bị mẫu

Thiết kế: Hoạt động đầu tiên là thiết kế chip Khi hàng chục triệu bóng bán dẫn

sẽ được xây dựng trên một hình vuông làm bằng silic có kích thước rất nhỏ (chỉ bằngmóng tay của những đứa trẻ), việc đặt và liên kết các bóng bán dẫn phải được làmriêng một cách tỉ mỉ Mỗi bóng bán dẫn phải được thiết kế cho chức năng dự định banđầu của nó, và nhóm các bóng bán dẫn khi đã được kết hợp sẽ tạo ra các yếu tố mạchnhư biến tần, bộ cộng và bộ giải mã, Các nhà thiết kế cũng phải tính đến mục đích

dự định của chip Một con chip vi xử lý thực hiện hướng dẫn trong một máy tính, vàmột con chip bộ nhớ lưu trữ dữ liệu Hai loại có khác nhau đôi chút trong cấu trúc Do

sự phức tạp của các con chip ngày nay Công việc thiết kế đều được thực hiện bằngmáy tính, mặc dù các kỹ sư thường in ra một sơ đồ cấu trúc mở rộng của 1 con chip đểkiểm tra một cách chi tiết

Các bước cơ bản của thiết kế là:

+ Thiết kế kiến trúc transitor bán dẫn và thiết lập các quy tắc thiết kế.

+ Thiết kế phần tử cơ bản của mạch có thể được sử dụng như là khối xây dựngcho mạch phức tạp hơn

+ Định tuyến 10 km hệ thống dây điện để tín hiệu đến các phần tử trong mạch + Mô phỏng các mạch phức tạp, tính toán và loại bỏ các yếu tố không mongmuốn

+ Chuẩn bị mô hình cho in quang lito (quang khắc)

Pattern Preparation (Chuẩn bị mẫu) Thiết bị bán dẫn được tạo thành nhiều như 50lớp riêng biệt của silic, silic đa tinh thể, silicon dioxide, kim loại và silicides Mô hìnhcho mỗi lớp được chứa trên một mặt nạ được gọi là một kẻ ô Một kẻ ô là một chấtnền thạch anh quang học Lưới caro thường lớn hơn 10 lần so với kích thước thực tếcủa mô hình họ sẽ sản xuất Tập hợp các lưới carô tạo nên tất cả các lớp của một thiết

bị bán dẫn được gọi là một loạt thiết bị Để giữ cho bề mặt sạch kẻ ô, một tấm nhựamỏng gọi là màng mỏng được gắn một khoảng cách ngắn đi từ bề mặt của mặt kẻ ô.Điều này cho phép các tấm wafer được làm sạch mà không cần tiếp xúc trực tiếp trên

bề mặt crôm

2.5.2 Chuẩn bị mẫu Wafer (Wafer Preparation)

Hình 11: Thiết kế Wafer Preparation

chảy ở nhiệt độ hơn 1300 ° C trong nồi nấu bằng thạch anh được bao quanh bởi môitrường khí trơ Argon có độ tinh khiết cao Sự tan chảy được làm lạnh đến một nhiệt

độ chính xác, sau đó một hạt mầm silicon đơn tinh thể được đặt trong lớp silicon đangtan chảy, sau đó xoay và kéo lên từ từ Sức căng bề mặt giữa hạt mầm và silicon nóngchảy gây ra một lượng nhỏ chất lỏng tăng lên với hạt mầm và làm lạnh một thỏi tinhthể duy Đường kính phôi được xác định bằng cách kiểm soát nhiệt độ và tốc độ chiếtsuất Để giảm thiểu tạp chất của silicon, quá trình này diễn ra trong môi trường khí trơ

ở áp suất 20 Torr Tinh thể sau khi kéo ra được đặt trên 1 tảng bê tông lớn để kiểmsoát độ rung, cho phép định hướng tinh thể thích hợp, và ngăn ngừa các lỗi Hầu hếtcác thỏi sản xuất ngày nay có đường kính 200mm, nhưng các nhà cung cấp thườngchuyển sang thỏi silicon có đường kính 300mm

2.5.3 Tạo wafer

Ingot không phải thứ Intel dùng, mà là wafer Đấy là các tấm silicon tròn có

bề dày chỉ khoảng 1mm, được cắt ra bằng máy từ các thỏi silicon Đường kính củaingot cũng chính là đường kính của wafer Loại wafer tiên tiến nhất hiện nay cóđường kính 300mm Intel đang vận động giới công nghiệp chuyển sang dùng wafer450mm để tăng cao hiệu quả khai thác trong sản xuất chip Tuy vậy với bề dày cựcmỏng, việc tăng cường kích thước wafer không phải vấn đề đơn giản và giới côngnghiệp vẫn đang e ngại trước mong muốn này

Hình 14: Tạo wafer

Nhưng người làm ra wafer không phải Intel Hãng này đặt mua wafer từ cácnhà sản xuất khác Intel chỉ thực sự bắt tay vào sản xuất từ các bước sau

2.5.4 Tạo lớp màng mỏng (Thin films)

Hình 15: Tạo Thin films

Quá trình tạo lớp màng mỏng được sử dụng để kết nối các bóng bán dẫn trênmột con chip và làm cho chúng thành một thiết bị hoạt động được Sự lắng đọng hóahọc từ hơi nước (Chemical Vapor Deposition - CVD), mạch CVD là một lớp rộng củacác quy trình sử dụng phản ứng hóa học có kiểm soát để tạo ra các lớp trên tấm wafer.Trước khi lắng đọng, wafer thường được làm sạch qua quá trình Etch Plasma khôbằng cách sử dụng sulfur hexafluoride hoặc kết hợp tetrafluoromethane và oxy