Архивы: по дате | по разделам | по авторам

65-нм технология у Intel готова: кристалл 70 Мбит SRAM есть, утечек нет. Ждем процессоров

автор : Алекс Карабуто 30.08.2004

Вечером 29 августа корпорация Intel громогласно объявила о создании первой в мире полнофункциональной микросхемы памяти SRAM объемом 70 Мбит на полмиллиарда транзисторов, изготовленной по новому 65-нанометровому технологическому процессу. Утечки больше не грозят!?

29 августа в 9 вечера по «калифорнийскому» времени корпорация Intel громогласно объявила о создании первой в мире полнофункциональной микросхемы памяти SRAM объемом 70 Мбит, изготовленной по 65-нанометровому технологическому процессу. Кремниевый кристалл этой памяти площадью около 110 кв. мм содержит более полумиллиарда (!) транзисторов (для сравнения — в Pentium 4 на 90-нанометровом ядре Prescott лишь 125 миллионов транзисторов на такой же площади).

Новейший полнофункциональный кристалл Intel SRAM емкостью 70 Мбит и площадью 110 кв. мм, изготовленный по 65-нм кремниевой технологии.

Кристалл Intel SRAM емкостью 70 Мбит и площадью 110 кв. мм в сравнении с 10-центовой монетой.

Данный шаг призван, прежде всего, продемонстрировать, что у Intel практически готов к промышленному внедрению новейший техпроцесс P1264 с нормами 65 нанометров и высочайшей степенью интеграции элементов на кристалле, тогда как некоторые конкуренты лишь начинают выпускать чипы по 90-нм технологии...

Нынешние и будущие техпроцессы Intel. Начиная с P1268 в ход пойдет EUV-фотолитография с длиной волны 13 нм, тогда как вплоть до P1266 будет использоваться нынешняя UV-фотолитография с длиной волны 193 нм. По менению технологов Intel, иммерсионная фотолиторгафия, в настоящее время активно конкурирующая с EUV за позиции будущего индустриального стандарта, также рассматривается корпорацией, однако пока она не настолько эффективна (в том числе, экономически), как EUV-фотолиторгафия (Extreme Ultraviolet).

Напомним, что в конце ноября прошлого года Intel первой объявила о создании ячеек статической памяти по технологии 65 нм с использованием некоторых новых технологических подходов и материалов (см. www.terralab.ru/system/30845). Что же изменилось с тех пор? Прежде всего, удалось перейти от отдельных экспериментальных 4-мегабитных чипов с не до конца определенными режимами работы и быстродействием к полнофункциональным 70-мегабитным кристаллам памяти, которые лягут в основу будущих процессоров Intel, производимых по этой технологии (а это свыше 8 Мбайт «набортной» кэш-памяти!). Размер ячейки памяти остался прежним — 0,57 кв. микрон (или 0,1 кв. микрон на один транзистор). Не поменялись и базовые характеристики технологии P1264 — это эффективная длина затвора транзисторов 35 нм, оксид кремния в качестве подзатворного диэлектрика, использование напряженного кремния, восемь слоев медных межсоединений и диэлектрика с низкой диэлектрической проницаемостью,

В 65-нм техпроцессе Intel используется на один слой межсоединений больше, чем в 90-нм техпроцессе Intel (у других производителей микропроцессоров слоев, как правило, больше), а диэлектрик с низкой диэлектрической проницаемостью дополнительно улучшен. По оценкам Intel, использовать в данном случае большее количество слоев межсоединений (например, чтобы сделать расположение элементов на поверхности кремния более компактным) экономически невыгодно.

ультрафиолетовая литография с длиной волны 193 нм и использованием масок со смещением фазы и оптической коррекцией создаваемого рисунка (подробности см. по линку выше и на www.terralab.ru/system/30717).

Расстояние между стоком и истоком транзисторов (так называемый pitch) уменьшается в 1,4 раза каждве два года и для 65-нм технологии составляет 220 нанометров.

Вместе с тем, ряд технологических позиций претерпел существенные изменения. Большинство из них направлено на борьбу с «пресловутыми» утечками (о которых так много говорили в последнее время), сильно возрастающими при уменьшении размеров транзисторов и увеличении их количества на кристалле. Во-первых, увеличена толщина подзатворного оксида — одного из главных параметров, влияющих на утечки в современных транзисторах. Если прежде для 65-нм техпроцесса предполагалось использовать оксид толщиной около 0,8 нм, то теперь это 1,2 нм — столько же, сколько в нынешних 90-нанометровых процессорах Intel (Prescott, Dothan, Nocona). За счет этого удалось не только уменьшить утечки в расчете на один транзистор (поскольку примерно вдвое уменьшилась его площадь), но и повысить в конечном итоге быстродействие (на 20% снижена емкость затворов транзисторов). Кстати, в качестве материала для самого электрода затвора в 65-нм техпроцессе Intel используется силицид никеля (NiSi), обеспечивающий хорошую проводимость. Этот же материал применяется и для контактов стока и истока.

Во-вторых, теперь в 65-нм техпроцессе используется усовершенствованный напряженный кремний («второго поколения» вслед за тем "первым", что сейчас фигурирует в промышленном 90-нм техпроцессе). Он улучшает рабочий ток транзисторов на 30%, тогда как ранее это было 10-20%. А утечки новых 65-нм транзисторов уменьшены вчетверо (по сравнению с текущими 90-нм транзисторами) при том же рабочем токе!

Напряженный кремний создается двумя путями: сжатие P-каналов при помощи стока и истока из SiGe (вместо легированного Si) и растяжение N-каналов напряженным слоем Si3N4 поверх транзистора. В новой 65-нм технологии научились делать эти слои более напряженными, за счет чего и получился выигрыш. Кстати, Intel по-прежнему скептически относится к испоользованию технологии SOI (кремний на изоляторе), считая, что она слабо влияет на основные факторы утечкек в микросхемах, а уменьшение емкости P-N-переходов в SOI не является критичным фактором в нынешних изделиях. Кстати, по последним данным корпорация AMD также будет использовать напряженный крмений в своих процессорах, производимых по 90-нм технологии ("несмотря на" SOI).

Соотношение рабочего тока и тока утечки транзистора при питании 1,0 вольт в зависимости от технологии изготовления (90-нм 2002 год - это предтеча современного 90-нм техпроцесса без использования напряженного кремния). При фиксированном уровне утечки рабочий ток транзистора в нынешней 65-нм технологии Intel существенно выше — до 30%, тогда как прежде улучшение составляло 10-20% в зависимости от типа транзистора и уровня утечек.

При фиксированном уровне рабочего тока современная 65-нм технология Intel обеспечивает существенно более низкие утечки - до 4 раз по сравнению с текущими 90-нм транзисторами!

Вместе все это обеспечило до 40% прироста рабочей частоты транзисторов, заметное снижение тока потребления как в выключенном состоянии, так и в работе при напряжении питания около 1,0 вольт. Кстати, рабочее напряжение серийных микросхем и микропроцессоров, изготовленных по данной технологии, может гибко выбираться из диапазона от 0,7 до 1,1 вольт в зависимости от конкретных нужд и требуемых параметров конечных изделий. Конкрентые частоты работы будущих процессоров и памяти пока не называются.

Дополнительным средством снижения утечек стало введение в схемы памяти так называемых «sleep»-транзисторов, отключающих питание отдельных блоков памяти при их бездействии (см. рисунок). Это позволило еще втрое уменьшить утечки кристалла SRAM.

Снижение утечек при помощи sleep-транзисторов. Количество sleep-транзиторов в микросхеме памяти — это менее 1% от суммарной площади всех ячеек памяти. А эффект от их использования — троекратное снижение тока утечки кристалла. Кстати, похожая технология используется и в процессорах Intel Pentium M на ядрах Banias и Dothan, где простаивающие блоки кэш-памяти отключаются от питания.

В целом переход на более «тонкую» 65-нм технологию позволяет улучшить производительность микропроцессоров при неизменном или меньшем энергопотреблении, почти вдвое уменьшить площадь (и себестоимость) кристаллов прежнего дизайна или удвоить количество транзисторов на той же площади для повышения быстродействия и функциональности новых процессоров (как тут не вспомнить пресловутый закон Мура).

Сам 65-нанометровый техпроцесс и микросхемы с его помощью были разработаны и изготовлены на опытной фабрике Intel D1D в Хиллсборо (штат Орегон) — самом современном на сегодня заводе корпорации.

65-нм фабрика Intel D1D в Хиллсборо (штат Орегон).

Позднее кристаллы с использованием 65-нм техпроцесса и пластин диаметром 300 мм будут также изготавливаться на интеловских Fab 12 в Аризоне и Fab 24 в Ирландии. Причем, для перехода на 65 нанометров почти не нужно менять технологическое оборудование, поскольку используется та же самая ультрафиолетовая фотолитография с длиной волны излучения 193 нм, которая сейчас применяется для серийного производства 90-нанометровых кристаллов. Более подробную информацию по своей 65-нм технологии корпорация планирует обнародовать на научной конференции IEEE International Electron Devices Meeting, которая пройдет в середине декабря в Сан-Франциско.

Этапы развития кремниевой технологии Intel за несколько десятилетий и технологии, внедряемые по мере уменьшения размеров элементов на кристалле.

Разумеется, Intel вряд ли станет массово производить и продавать данные 70-мегабитные чипы статической памяти, однако это достижение крайне важно, в частности, для использования в качестве кэш-памяти современных и будущих микропроцессоров. Ведь рост объемов кэш-памяти является одним из наиболее эффективных путей повышения их производительности, а площадь кристаллов новейших микропроцессоров все в большей степени определяется именно расположенной на них статической памятью (взять хотя бы то же Dothan, где 2 Мбайт кэш-памяти составляют почти две трети площади кристалла, см. www.terralab.ru/system/32997). Ввод в строй и массовое производство чипов Intel по технологии 65 нм запланировано на 2005 год. Посмотрим, удастся ли корпорации на этот раз избежать тех задержек с выходом новых процессоров, которые наблюдались в течение последнего года при запуске 90-нанометрового техпроцесса.

Это фото, показывающее реальный размер нового кристалла памяти, можно рассматривать и как аллегорию - Intel держит в руках техпроцесс 65 нм.

Впрочем, Intel — далеко не единственный производитель полупроводниковых микросхем, кто активно разрабатывает и внедряет 65-нм технологию. Аналогичные работы совместно ведутся, например, гигантами AMD и IBM (см. www.terralab.ru/system/33692/page3.html, www.terralab.ru/system/33692/page4.html и img.terralab.ru/pubimages/83247.jpg), а в Европе, во француском городке Crolles, даже образована специальная индустриальная группа Crolles Alliance по разработке будущих полупроводниковых технологий производства (см., например, www.us.design-reuse.com/news/news8082.html). В нее входят такие гранды как Motorola, Philips Semiconductors, STMicroelectronics, Freescale Semiconductor и даже тайваньская TSMC на правах ассоциированного члена. Так, та же STMicroelectronics (и ряд других компаний) намеревается начать производство первых партий 65-нм чипов в третьем квартале 2005 года. У AMD это тоже 2005 год (правда, судя по тому, что она только-только начала выпускать свои процессоры по 90-нм процессу, этот срок может отодвинуться на 2006 год).

Вышеупомянутому альянсу, как и Intel удалось перейти от 90-нм к 65-нм техпроцессу без привлечения принципиально новых материалов: в частности, останутся медные межсоединения и нынешний low-k диэлектрик Black Diamond CVD от Applied Materials для из изоляции (в будущем легированный углеродом оксид-диэлектрик уменьшит свою проницаемость до 2,5). Как и у Intel, подзатворным диэлектриком пока остается оксид кремния и тощина его составит также около 13 Ангстрем (как подчеркивается - для борьбы с утечками), а рабочее напряжение КМОП-структур предполагается в районе 0,9 вольт. Внедряется и sleep-режим — отключение неиспользуемых блоков. Не претерпит существенных изменений и фотолитография — прежние установки с длиной волны 193-нм будут использовать новые маски с оптической коррекцией и сдвигом фаз. Применение же для этих целей "мокрой" (иммерсионной) литографии начнется не раньше 2005-2006, когда станут доступны надежные 193 нм иммерсионные инструменты.