Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Bevezetés http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/01-bevez.ppt http://www.eet.bme.hu
Alapfogalmak IC-k egy felületszerelt panelon Megnézzük, hogy mi van e tokok belsejében Nézzük meg, mi van a tokon belül Szilícium chip-ek vannak bent 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 2
Alapfogalmak Szelet (wafer), chip (morzsa) vagy die perfekt szilícium egykristályból keszül Sok azonos chip van egy szeleten Szeletátmérők: 15-20-25 cm, 4-6-8" 100 2000 chi/szelet, egyszerre készülnek 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 3
Si egykristály: rúd, szeletek 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 4
Si egykristály rúd készítése 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 5
Si egykristály: rúd, szeletek ma: 12" 8" szelet Intel Pentium processzorokkal, Intel Múzeum ~2007 Megmunkált Si szelet EET, V2 III. emelet 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 6
Si egykristály és szeletgyártás: 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 7
Alapfogalmak Megmunkált szeletek, darabolás előtt 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 8
Alapfogalmak Darabolás (dicing) gyémánt vágóeszköz Szelet, kész chipekkel 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 9
Alapfogalmak Egy egyszerű IC chip fénymikroszkópi képe A különböző vastagságú oxidréteggel fedett területek különböző színűnek látszanak μa 741 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 10
Alapfogalmak 16x16mm 2 -es memória chipek 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 11
Alapfoglamak Minimális csíkszélesség - minimal feature size (MFS) a kialakítható legkisebb alakzat mérete Fémezés csík ("drót") Adalékolt terület ("diffúziós csík") MFS kezdetekkor: 15-20µm MFS ma: ~0.1µm vagy kevesebb Elektron-mikroszkópos felvétel 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 12
Minimal feature size trend (Intel) 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 13
Alapfogalmak Minimal feature size (MFS) 2007/2008, Intel: Intel IBM Nagyon sok fém vezetékezési réteg, réz használata aluminium helyett 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 14
Alapvető gyártási lépések Rétegleválasztás vagy növesztés: új anyagréteg jön létre a szilícium szelet teljes felületén Struktúrálás (patterning): a kialakított anyagrétegben mintázatot alakítunk ki fotoreziszt felvitele mintázat ráfényképezése a rezisztre, a reziszt előhívása mintázat átvitele a rezisztről valamilyen marási művelettel (etching) reziszt eltávolítása Külső adalékok mélységi bevitele: ion implantáció (korábban diffúzió) 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 15
Mintázat kialakítása Az eredeti mintázat egy fotomaszkon van üveg hordozón króm mintázat Nagy pontossági igény: 0.03µm / 30cm! 10-7 Látható fény: λ=0.3-0.6 µm deep UV-re van szükség! 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 16
Fotolitográfia Sárga fényű helyiségben a reziszt UV-re érzékeny, sárgára nem EET, V2 306, majd: QB P IC gyár valahol a világban EET, V2 306, majd: QB P Monolit IC Labor, Mikroelektronika szakirány az EET-n 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 17
Struktúrálás: fotolitográfia 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 18
Jellemző alakzatok a chip-en Fémezés csik Kontaktus ablak P adalékolt régió N adalékolt régió Egy technológia: 15..25 maszk Probléma: maszkillesztés IC ellenállás elektron-mikroszkópi képe 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 19
Alapfogalmak Layout: azon alakzatok összessége, amelyek együttese kiadja működő IC-t Circuit CORE Bonding PAD LSI áramkör terve, képernyőn TTL 7400, fénymikroszkóp 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 20
Tokozás ma nagy kihívás Bondoló automata Sok kivezetés finom pitch nagyfrekvenciás tulajdonságok hőelvezetés a környezetbe 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 21
Egy IC gyár (silicon foundry vagy fab) Tiszta szoba (cleanroom) 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 22
Tiszta szoba (cleanroom) A műveletek maximális tisztaságot igényelnek Speciális ruha mint az űrruha Speciális szoba: tiszta szoba; sokkal tisztább, mint egy steril műtő 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 23
Tiszta szoba (cleanroom) IBM Intel Múzeum 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 24
Tiszta szoba (cleanroom) 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 25
Tiszta szoba (cleanroom) 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 26
Fotolitográfia Sárga fényű helyiségben a reziszt UV-re érzékeny, sárgára nem EET, V2 306 IC gyár valahol a világban EET, V2 306 Monolit IC Labor, Mikroelektronika szakirány az EET-n 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 27
Ionimplanter, diffúziós kályha IBM EET, V2 306 Monolit IC Labor, Mikroelektronika szakirány az EET-n 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 28
Egy parti A szeleteket csoportokban kezelik (parti vagy angolul batch) 40..100 szelet/parti, 10 000 50 000 chip/parti Egy parti beillesztése a diffúziós kályhába 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 29
Szeletátmérők Ma kb. 30cm (8"), vagy akár 12" 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 30
Egy Intel fab 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 31
Intel fab-ek 2006-2008 65nm fab-ek, ~2006 45nm: "Fab32", 2007-2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 32
Folytatás: 2011.09.13 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 33
Fejlődési trendek A Moore törvény és annak megnyilvánulásai Friss roadmap adatok 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 34
Gyökerek 1837 Morse, telegraph ~1920 rádió 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 35
Mikroelektronika: az egyik leggyorsabban fejlődő iparág A tranzisztorok forradalma: Tranzisztor Bardeen (Bell Labs), 1947 Bipoláris tranzisztor Schockley, 1949 Az első bipoláris logikai kapu Harris, 1956 Az első monolitikus IC Jack Kilby, 1959 Az első kereskedelmi IC logikai kapukkal Fairchild, 1960 TTL 1962-től az 1990-es évekig ECL 1974-től az 1980-as évekig Kb. ilyen bonyolultságú IC-t készíthet bárki a Monolit IC Laborban a Mikroelektronika szakirányon az EET-n ECL 3-input Gate Motorola 1966 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 36
Mikroelektronika: az egyik leggyorsabban fejlődő iparág MOSFET-ek fejlődése: MOSFET tranzisztor Lilienfeld (Kanada, 1925) és Heil (Anglia, 1935) CMOS 1960-as évek, de gyártási gondok miatt megrekedt pmos az 1960-as években nmos az 1970-es években (4004, 8080) sebesség miatt (1 CMOS az 1980-as években preferált MOSFET technológia a kis fogyasztás előnye miatt Manapság pl.: BiCMOS, GaAs, SiGe nagyfrekvenciás áramkörökhöz SOI, réz vezetékezés, kis dielektromos állandójú szigetelők (low-k) 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 37
Gordon Moore, 1965: 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 38
Mikroelektronika: az egyik leggyorsabban fejlődő iparág Moore törvény 1965-ben Gordon Moore megjósolta, hogy az egy lapkára integrálható tranzisztorok száma 14..18 havonta megduplázódik (exponenciális növekedés) A jóslat továbbra is helytálló. Az 1 millió tranzisztor/lapka határt az iparág a 80-as években törte át 2300 tranzisztor, 1 MHz-es órajel frekvencia (Intel 4004) - 1971 16 millió tranzisztor (Ultra Sparc III) 42 millió tranzisztor, 2 GHz-es órajel frekvencia clock (Intel P4) - 2001 140 millió tranzisztor, (HP PA-8500) More than Moore: elemsűrűség erőteljesebb fokozása, pl. 3D kialakítással (pl. RAM-ok, lásd pen drive-ok) 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 39
Mikroelektronika: az egyik leggyorsabban fejlődő iparág 2300 tranzisztor 42 millió tranzisztor Intel 4040 Intel Pentium IV 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 40
Rendszeres előrejelzés: roadmap 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 41
Legfrissebb tényleges állapot Céges honlapokról, pl. Intel: 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 42
Minimal feature size trend (Intel) 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 43
Processzorok 2002-es toplistája Föbb jellemzők összefoglaló táblázata: órajel frekvencia, lapka mérete, tranzisztorok száma fogyasztás 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 44
A Moore törvény processzorokra A tranzisztorok száma kb. 2 évente megduplázódik: 1000 100 2X growth in 1.96 years! Transistors (MT) 10 1 0.1 0.01 0.001 8085 8086 8080 4004 8008 386 286 486 P6 Pentium proc Forrás: Intel 1970 1980 1990 2000 2010 Year 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 45
A DRAM kapacitás fejlődése Három évente 4-szeres növekedés: Kbit capacity/chip 100000000 64 000 000 16 000 000 0.07 μm 10000000 2 óra audio CD, 4 000 000 0.1 μm 30 s HDTV 1000000 1 000 000 0.13 μm 256 000 0.18-0.25 μm 100000 1 átlagos könyv 64 000 0.35-0.4 μm emberi agy, 10000 16 000 0.5-0.6 μm emberi DNS 4 000 0.7-0.8 μm 1000 1 000 1.0-1.2 μm 256 100 64 1.6-2.4 μm 1 A4-es gépelt oldal 10 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 Year 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 46
Lapka méret (die size) növekedése 10 év alatt kb. 2-szeres növekedés, 7%-os éves növekedés (megfelel a Moore tv-nek) 100 Die size (mm) 10 8080 8008 4004 386 8085 8086 286 486 P6 Pentium proc Forrás: Intel 1 1970 1980 1990 2000 2010 Year 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 47
Órajel frekvencia növekedése 2 év alatt kb. 2-szeres növekedés 10000 1000 2X every 2 years Frequency (Mhz) 100 10 1 0.1 8085 8008 4004 8080 8086 286 386 486 P6 Pentium proc Forrás: Intel 1970 1980 1990 2000 2010 Year 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 48
Növekvő fogyasztás (disszipáció) Folyamatos növekedés figyelhető meg a vezető processzorok esetében Power (Watts) 100 10 1 Korlátozó tényezővé válik 8085 8080 8008 4004 8086 286 386 486 P6 Pentium proc 0.1 1971 1974 1978 1985 1992 2000 Year Forrás: Intel 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 49
Növekvő disszipációsűrűség Fogyasztás erőteljesebben nő, mint a lapkaméret, ezért a teljesítménysűrűség meredeken nő: 10000 Forrás: Intel Power Density (W/cm2) 1000 100 10 1 4004 8008 8080 Rakéta fúvóka Atomreaktor 8086 Főzőlap 8085 286 386 486 P6 Pentium proc A disszipációsűrűség lesz a korlát Kulcskérdés a tokozás, a hűtés 1970 1980 1990 2000 2010 Year 2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés Poppe András, BME-EET 2010 50