Технологический процесс полупроводникового производства — технологический процесс изготовления полупроводниковых (п/п) изделий и материалов, и состоит из последовательности технологических (обработка, сборка) и контрольных операций, часть производственного процесса производства п/п изделий (транзисторов, диодов и т. п.).
При производстве п/п интегральных микросхем применяется фотолитография и электронная литография. Разрешающая способность (в мкм и нм) этого оборудования (т. н. проектные нормы) и определяет название применяемого конкретного технологического процесса.
Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров п/п структур способствуют улучшению характеристик (размеры, энергопотребление, рабочие частоты, стоимость) полупроводниковых приборов (микросхем, процессоров, микроконтроллеров и т.д.). Особую значимость это имеет для процессорных ядер, в аспектах потребления электроэнергии и повышения производительности, поэтому ниже указаны процессоры (ядра) массового производства на данном техпроцессе.
Технологический процесс производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (микропроцессоров, модулей памяти и др.) включает нижеследующие операции.
Технологии производства полупроводниковой продукции с субмикронными размерами элементов основана на чрезвычайно широком круге сложных физико-химических процессов: получение тонких плёнок термическим и ионно-плазменным распылением в вакууме, механическая обработка пластин производится по 14-му классу чистоты с отклонением от плоскостности не более 1 мкм, широко применяется ультразвук и лазерное излучение, используются отжиг в кислороде и водороде, рабочие температуры при плавлении металлов достигают более 1500 °C, при этом диффузионные печи поддерживают температуру с точностью 0,5 °C, широко применяются опасные химические элементы и соединения (например, белый фосфор).
Всё это обусловливает особые требования к производственной гигиене, так называемую «электронную гигиену», ведь в рабочей зоне обработки полупроводниковых пластин или на операциях сборки кристалла не должно быть более пяти пылинок размером 0,5 мкм в 1 л воздуха. Поэтому в чистых комнатах на фабриках по производству подобных изделий все работники обязаны носить специальные комбинезоны1). В рекламных материалах Intel спецодежда работников получила название bunny suit («костюм кролика») 2) 3).
Ранние техпроцессы, до стандартизации NTRS (National Technology Roadmap for Semiconductors) и ITRS, обозначались «xx мкм» (xx микрон), где xx сперва обозначало техническое разрешение литографического оборудования, затем стало обозначать длину затвора транзистора, полушаг линий металла (half pitch) и ширину линий металла. В 1970-ых существовало несколько техпроцессов, в частности 10, 8, 6, 4, 3, 2 мкм; в среднем, каждые три года происходило уменьшение шага с коэффициентом 0.74)
3 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1975 году Zilog (Z80) и в 1979 году Intel (Intel 8086). Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 3 мкм.
1,5 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому Intel в 1982 году. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 1,5 мкм.
0,8 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в конце 1980-х — начале 1990-х годов компаниями Intel и IBM.
Техпроцесс, достигнутый производственными мощностями компаниями Intel и IBM в 1994—1995 годах.
Обозначения для техпроцессов, внедренных начиная с середины 1990-ых годов, были стандартизованы NTRS и ITRS и стали называться «Technology Node» или «Cycle». Реальные размеры затворов транзисторов логических схем стали несколько меньше, чем обозначено в названии техпроцессов 350 нм - 45 нм, благодаря внедрению технологий resist-pattern-thinning и resist ashing. С этих пор коммерческие названия техпроцессов перестали соответствовать длине затвора.5)6)
С переходом на следующий техпроцесс ITRS площадь, занимаемая стандартной ячейкой 1 бита памяти SRAM, в среднем уменьшалась вдвое. В период с 1995 по 2008 года такое удвоение плотности транзисторов происходило в среднем каждые 2 года7).
350 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1997 году ведущими компаниями-производителями микросхем, такими как Intel, IBM, и TSMC. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,35 мкм.
250 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1998 году ведущими компаниями-производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,25 мкм.
Используется до 6 слоёв металла, минимальное количество литографических масок 22.
180 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1999 году ведущими компаниями-производителями микросхем. Соответствует удвоению плотности размещения по отношению к предыдущему техпроцессу 0,25 мкм.
Содержит до 6-7 слоёв металла. Минимальное количество литографических масок около 22.
130 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 2000—2001 годах ведущими компаниями-производителями микросхем. В соответствии с моделями ITRS[6], соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 0,18 мкм.
Для обозначения более тонких техпроцессов разные технологические альянсы могут следовать различным рекомендациям (Foundry/IDM). В частности, TSMC использует обозначения 40 нм, 28 нм и 20 нм для техпроцессов, сходных по плотности с процессами Intel 45 нм, 32 нм и 22 нм соответственно8)).
90 нм — техпроцесс, соответствующий уровню полупроводниковой технологии, которая была достигнута к 2002—2003 годам. В соответствии с моделями ITRS9), соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 0,13 мкм.
Технологический процесс с проектной нормой 90 нм часто используется с технологиями напряженного кремния, медных соединений с меньшим сопротивлением, чем у ранее применяемого алюминия, а также c новыми диэлектрическими материалами с низкой диэлектрической проницаемостью.
65 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2004 году ведущими компаниями-производителями микросхем. В соответствии с моделями ITRS10), соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 90 нм.
45 нм и 40 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2006—2007 годах ведущими компаниями-производителями микросхем. В соответствии с моделями ITRS11), соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 65 нм.
Для микроэлектронной промышленности стал революционным, так как это был первый техпроцесс, использующий технологию high-k/metal gate12)13) (HfSiON/TaN в технологии компании Intel), для замены физически себя исчерпавших SiO2/poly-Si
32 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2009—2010 годах ведущими компаниями-производителями микросхем. В соответствии с моделями ITRS14)15), соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 45 нм.
Осенью 2009 компания Intel находилась на этапе перехода к этому новому техпроцессу16)17)18)19)20). С начала 2011 начали производиться процессоры по данному техпроцессу.
В третьем квартале 2010 года на новых мощностях расположенной на Тайване фабрики Fab 12 компании TSMC начался серийный выпуск продукции по технологии, получившей маркетинговое обозначение «28-нанометров»21) (не является обозначением, рекомендуемым ITRS).
В мае 2011 по технологии 28 нм фирмой Altera была выпущена самая большая в мире микросхема, состоящая из 3,9 млрд транзисторов26).
22 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2009—2012 гг. ведущими компаниями — производителями микросхем. Соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 32 нм.
22-нм элементы формируются путем фотолитографии, в которой маска экспонируется светом с длиной волны 193 нм27)28).
В 2008 году, на ежегодной выставке высоких технологий International Electron Devices Meeting в Сан-Франциско технологический альянс компаний IBM, AMD и Toshiba продемонстрировал ячейку памяти SRAM, выполненную по 22-нм техпроцессу из транзисторов типа FinFET, которые, в свою очередь, выполняются по прогрессивной технологии high-k/metal gate (затворы транзистора изготавливаются не из кремния, а из гафния), площадью всего 0,128 мкм² (0,58×0,22 мкм)29).
Также о разработке ячейки памяти типа SRAM площадью 0,1 мкм² созданную по техпроцессу 22 нм объявили IBM и AMD30)
Первые работоспособные тестовые образцы регулярных структур (SRAM) представлены публике компанией Intel в 2009 году31). 22-нм тестовые микросхемы представляют собой память SRAM и логические модули. SRAM-ячейки размером 0,108 и 0,092 мкм² функционируют в составе массивов по 364 млн бит. Ячейка площадью 0,108 мкм² оптимизирована для работы в низковольтной среде, а ячейка площадью 0,092 мкм² является самой миниатюрной из известных сегодня ячеек SRAM.
По такой технологии производятся (начала 2012 года):
По состоянию на сентябрь 2014 TSMC продолжает разработки 16 нм техпроцесса на транзисторах с вертикально расположенным затвором (fin field effect transistor, FinFET) и планирует начать 16 нм производство в 1 квартале 2015 года32).
Согласно экстенсивной стратегии фирмы Intel уменьшение техпроцесса до 14 нм изначально ожидалось через год после представления чипа Haswell; процессоры на новом техпроцессе будут использовать архитектуру с названием Broadwell.
Строительство завода под названием Fab 42 в американском штате Аризона началось в середине 2011 года, а в эксплуатацию планировалось сдать в 2013 году. По заявлению Intel, он стал бы самым современным заводом по массовому выпуску компьютерных процессоров, используя 14-нанометровую технологию на основе 300-миллиметровых кремниевых пластин. Завод также стал бы первым массовым производством, совместимым с 450-мм пластинами.33)34) В стройку планируется вложить более $5 млрд. На момент запуска Fab 42 станет, по ожиданиям, одним из самых передовых в мире заводов по выпуску полупроводниковой продукции в больших объёмах.
В январе 2014 года Intel объявила о задержке открытия завода Fab 4235). Открытие завода планируется в IV квартале 2014 года, массовое производство в I квартале 2015 года36).
По состоянию на май 2014 компания Samsung продолжает разработки техпроцессов 14 нм LPE/LPP37). В 2015 году Samsung будет выпускать процессоры для Apple по нормам 14 нм38).
Апрель 2015 — Intel начинает продажи 14-нм процессоров Celeron N3000, N3050, N3150 и Pentium N3700 (Braswell).39)
Тайваньский полупроводниковый производитель United Microelectronics (UMC) сообщил, что присоединится к технологическому альянсу IBM для участия в разработке 10 нм CMOS-техпроцесса40).
В 2011 году публиковалась информация о планах Intel по развитию техпроцесса 10 нм к 2018 году41).
Пробный выпуск продукции компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) по нормам 10 нм намечен на 2015 год, а серийный — на 2016 год42).