26-27 февраля Москву посетили специалисты Intel, занимающиеся проблемами качества и надежности изделий в разных подразделениях корпорации. Стивен Джонсон, менеджер Intel Architecture Group, рассказал о полупроводниковых технологиях.

Переход Intel на 300-мм пластины при изготовлении микросхем позволит не только сэкономить средства на закупке производственного оборудования (при двукратном увеличении числа кристаллов на пластине стоимость оборудования хотя и возрастает, но не в два раза), но и увеличить выход годных микросхем. Дело в том, что сокращается процент подверженных дефектам кристаллов, находящихся на краю пластины. Любопытно, что пластины в процессе производства путешествуют в контейнерах, никогда не подвергаясь воздействию открытой среды.

Стивен Джонсон: “Плотность мощности,

рассеиваемой на кремниевом кристалле

размером с ноготь, приближается к плотности

мощности внутри ядерного реактора”

Одна из проблем, которую постоянно приходится решать корпорации, - перенос производства с фабрики на фабрику. Чтобы быстрым и предсказуемым способом нарастить объемы выпуска полупроводниковых кристаллов, применяется стратегия точного копирования. Она довольно трудо- и капиталоемка, но позволяет гарантировать нужный выход годных изделий в определенные сроки. Однако столь простой и эффективный подход иногда требует недюжинной изобретательности инженеров. Так, при переносе производства из Орегона в Ирландию, где часто меняется погода, приходится применять специальные меры для учета изменения атмосферного давления.

Толщина подзатворного диэлектрика полевого транзистора сегодня составляет 0,8 нм, всего несколько молекулярных слоев, и инженеры-технологи сталкиваются с проблемами пробоя затворов и токов утечки. Для их решения в Intel применяют изоляторы с низким коэффициентом диэлектрической проницаемости и полностью обедненный канал. Чтобы снизить паразитные сопротивления, области истока и стока получают эпитаксиальным наращиванием кремния.

Работая на гигагерцовых частотах, микросхемы выделяют много тепла. И это одна из причин для перехода с алюминиевых межсоединений на медные. При высокой температуре ускоряется электромиграция - диффузионный перенос массы проводника под действием электрического тока высокой плотности. Медь менее подвержена электромиграции, чем алюминий. При прочих равных условиях она позволяет создавать проводники с меньшим сечением. Кроме того, медь более экологична. Если алюминиевые проводники формируются травлением металла кислотами, то медные - путем сошлифовки лишнего металла.

Перспективная технология корпусирования BBUL (Bumpless Build-up Layer), разработанная и запатентованная в Intel, будет использоваться в микросхемах, содержащих сотни миллионов транзисторов. В традиционных корпусах FCPGA (Flip-Chip Pin Grid Array) кристалл шариковыми выводами припаивается к подложке, которая, по сути, представляет собой многослойную печатную плату. Корпус BBUL будет наращиваться непосредственно на кристалл так, что металлические слои разводки выводов станут естественным продолжением топологии кристалла. Толщина корпуса BBUL не превысит 1 мм, кристалл окажется внутри, а не на поверхности подложки и будет подвержен меньшим механическим напряжениям.

Грэхем Куртис, представляющий лаборатории Intel по валидации микросхем (Validation Labs, годовой бюджет 300 млн. долл., около 2500 сотрудников), посвятил слушателей в технологии проверки и отладки разрабатываемых процессоров, чипсетов и драйверов для них.

В распоряжении инженеров лаборатории имеются аппаратные эмуляторы, которые работают на частоте 0,5-2 МГц, имитируя готовый процессор или чипсет. Если, например, эмулятор сконфигурирован как чипсет, к нему подключаются специальная системная плата с инструментами отладки, настоящие процессор, жесткий диск, платы расширения и т. д. Загрузка операционной системы на такой системе может длиться часы, но она тем не менее помогает оценивать архитектурные решения, проверять, исправлены ли ошибки и отлаживать альфа-версии BIOS и драйверов, а также тестовое ПО еще до выпуска пробных образцов микросхем. В Intel широко используются и программные эмуляторы, работающие на обычных ПК.

Во время проверки тестовые образцы свежеразработанных чипсетов и процессоров нагружаются в максимально возможной степени. Например, во все PCI-разъемы системы вставляются платы расширения, которые одновременно вызывают прерывания, запросы на прямой доступ к памяти и т. д. К системе одновременно подключаются самые разные устройства: принтеры, сканеры, цифровые камеры, SCSI-контроллеры, сетевые контроллеры, модемы, оптические накопители и пр. При проверке программной совместимости используется более 20 разновидностей операционных систем.

Если разработчики Pentium III, проверяя свое детище, загружали его двадцатью миллиардами инструкций в неделю, то Pentium 4 выполнял уже триллион инструкций в неделю. Тестирование длилось круглосуточно в течение двух месяцев. Чтобы гарантировать совместимость с ранее созданным ПО, в процессе испытаний использовались алгоритмы, разработанные еще для Pentium и Pentium II (около 2000 тестов) и Pentium III (2200 тестов). Для проверки нетипичных режимов работы было предусмотрено тестирование с помощью случайных инструкций, причем так, чтобы максимально загрузить конвейер, разогрев процессор.

Полупроводниковое производство включает сотни операций - пластины проходят полный технологический цикл за несколько месяцев. Поэтому разработчикам, желающим скорее выпустить новый процессор или чипсет, нужно максимально сократить число его тестовых вариантов. Для этого служит технология, напоминающая микрохирургию. Глазами инженера-“хирурга” становится лазерный измеритель напряжения, который позволяет снять замеры с цепей кристалла сквозь материал корпуса - без физического контакта. Специальная лазерная химическая установка травления (Laser chemical etcher) действует как скальпель, удаляя ненужные связи. Иглой и нитками здесь служит ионный луч - с его помощью на кристалле создаются новые проводники и полупроводниковые области.