no slide titleender/eet_ebook/bmevieea306/01-bevez.pdf · 2012. 4. 3. · emberi agy, emberi dns....

http://www.eet.bme.hu

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemElektronikus Eszközök Tanszéke

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Bevezetés

http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/01-bevez.ppt

2011-09-09 Mikroelektronia - Bevezetés © Poppe András, BME-EET 2010 2

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem

Elektronikus Eszközök Tanszéke

Alapfogalmak

Megnézzük, hogy mi van e tokok belsejében

Nézzük meg, mi van a tokon belül

► IC-k egy

felületszerelt

panelon

Szilícium chip-ek

vannak bent




Alapfogalmak► Szelet (wafer),

chip

(morzsa) vagy dieperfekt szilícium egykristályból keszül

► Sok azonos chip

van egy szeleten

► Szeletátmérők: 15-20-25…

cm,

4-6-8"

► 100…2000 chi/szelet, egyszerre készülnek




Si

egykristály: rúd, szeletek




Si egykristály

rúd készítése

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/23/Monokristalines_Silizium_f%C3%BCr_die_Waferherstellung.jpg




Si egykristály: rúd, szeletek

ma: 12"

8" szelet Intel

Pentium

processzorokkal,

Intel Múzeum

Megmunkált Si szeletEET,

V2 III. emelet

~2007




Si egykristály és szeletgyártás:




Alapfogalmak► Megmunkált

szeletek, darabolás

előtt




Alapfogalmak► Darabolás (dicing)

Szelet, kész chipekkel

gyémánt vágóeszköz




Alapfogalmak► Egy

egyszerű

IC chip fénymikroszkópi

képe

A különböző

vastagságú oxidréteggel

fedett

területek

különböző

színűnek látszanak

μA 741




Alapfogalmak► 16x16mm2-es

memória

chipek




Alapfoglamak► Minimális csíkszélesség

-

minimal

feature size

(MFS) –

a kialakítható

legkisebb alakzat mérete

Elektron-mikroszkópos

felvétel

Fémezés csík

("drót")

Adalékolt

terület

("diffúziós csík")

MFS kezdetekkor: 15-20µm

MFS ma: ~0.1µm vagy kevesebb




Minimal feature size –

trend (Intel)




Alapfogalmak► Minimal feature size

(MFS)

2007/2008, Intel:

IBM

Nagyon

sok

fém vezetékezési réteg, réz használata aluminium helyett

Intel




Alapvető

gyártási lépések► Rétegleválasztás vagy növesztés:

új anyagréteg

jön létre a szilícium szelet teljes felületén► Struktúrálás

(patterning):

a kialakított

anyagrétegben mintázatot alakítunk kifotoreziszt felvitelemintázat ráfényképezése a rezisztre, a reziszt előhívásamintázat átvitele a rezisztről valamilyen marási művelettel (etching)reziszt eltávolítása

► Külső

adalékok mélységi bevitele:

ion implantáció (korábban diffúzió)




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 µmdeep UV-re van szükség!




Fotolitográfia►

Sárga fényű

helyiségben –

a reziszt

UV-re

érzékeny, sárgára

nem

Monolit IC Labor, Mikroelektronika szakirány

az EET-n

EET, V2 306, majd: QB P

EET, V2 306, majd: QB P

IC gyár valahol a világban




Struktúrálás: fotolitográfia




Jellemző

alakzatok a chip-enFémezés csik

Kontaktus ablak

P adalékolt

régió

N

adalékolt

régió

Egy technológia: 15..25 maszkProbléma: maszkillesztés

IC ellenállás

elektron-mikroszkópi

képe




Alapfogalmak► Layout:

azon alakzatok összessége, amelyek

együttese kiadja működő

IC-t

LSI áramkör

terve, képernyőn TTL 7400, fénymikroszkóp

Circuit CORE Bonding PAD




Tokozás –

ma nagy kihívás

Bondoló

automata

Sok kivezetés

–

finom pitch• nagyfrekvenciás tulajdonságok• hőelvezetés a környezetbe




Egy IC gyár (silicon foundry vagy fab)

► Tiszta szoba (cleanroom)




Tiszta szoba (cleanroom)

A műveletek maximális

tisztaságot igényelnek

Speciális ruha –

mint az űrruhaSpeciális szoba: tiszta szoba; sokkal tisztább, mint egy steril műtő





Intel Múzeum

IBM




Fotolitográfia►

Sárga fényű

helyiségben –

a reziszt

UV-re

érzékeny, sárgára

nem


az EET-n

EET, V2 306

EET, V2 306

IC gyár valahol a világban




Ionimplanter, diffúziós kályha

IBMEET, V2 306


az EET-n




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




Szeletátmérők► Ma kb.

30cm (8"), vagy

akár 12"




Egy Intel fab




Intel fab-ek

2006-2008► 65nm fab-ek, ~2006 45nm: "Fab32", 2007-




Folytatás: 2011.09.13

☺




Fejlődési trendek►

A Moore

törvény és annak megnyilvánulásai

►

Friss roadmap

adatok




Gyökerek1837 Morse, telegraph

~1920

rádió




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

ECL 3-input GateMotorola 1966Kb. ilyen bonyolultságú

IC-t készíthet bárki a

Monolit IC Laborban a

Mikroelektronika szakirányon

az EET-n





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 áramkörökhözSOI, réz vezetékezés, kis dielektromos állandójú szigetelők (low-K)




Gordon Moore, 1965:





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) - 197116 millió tranzisztor (Ultra Sparc III)42 millió tranzisztor, 2 GHz-es órajel frekvencia clock (Intel P4) - 2001140 millió tranzisztor, (HP PA-8500)

►

More than

Moore: elemsűrűség erőteljesebb fokozása, pl. 3D kialakítással (pl. RAM-ok, lásd pen

drive-ok)





iparág

Intel 4040

Intel Pentium IV

2300 tranzisztor

42 millió tranzisztor




Rendszeres előrejelzés: roadmap




Legfrissebb tényleges állapot► Céges honlapokról, pl. Intel:




Minimal feature size –

trend (Intel)




Processzorok 2002-es toplistája► Föbb

jellemzők összefoglaló

táblázata:

órajel frekvencia, lapka mérete, tranzisztorok számafogyasztás




A Moore

törvény processzorokra►

A tranzisztorok száma kb. 2 évente megduplázódik:

40048008

80808085 8086

286386

486Pentium®

proc

P6

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

1970 1980 1990 2000 2010Year

Tran

sist

ors

(MT)

2X growth in 1.96 years!

Forrás: Intel




256

1 000

4 000

16 000

64 000

256 000

4 000 000

16 000 000

64 000 000

1 000 000

64

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

100000000

1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010

Year

Kbi

t cap

acity

/chi

p

A DRAM kapacitás fejlődése►

Három évente 4-szeres növekedés:

1.6-2.4 μm

1.0-1.2 μm

0.7-0.8 μm

0.5-0.6 μm

0.35-0.4 μm

0.18-0.25 μm0.13 μm

0.1 μm

0.07 μm

1 A4-es gépelt oldal

1 átlagos könyv

2 óra audio

CD,30 s HDTV

emberi agy,emberi DNS




Lapka méret (die size) növekedése►

10 év alatt kb. 2-szeres növekedés, 7%-os éves növekedés (megfelel a Moore

tv-nek)

40048008

80808085

8086286

386486 Pentium ®

procP6

1

10

100

1970 1980 1990 2000 2010Year

Die

siz

e (m

m)

Forrás: Intel




Órajel frekvencia növekedése►

2 év alatt kb. 2-szeres növekedés

Forrás: Intel

P6Pentium ®

proc486

38628680868085

8080

800840040.1

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010Year

Freq

uenc

y (M

hz)

2X every 2 years




Növekvő

fogyasztás (disszipáció)►

Folyamatos növekedés figyelhető

meg a vezető

processzorok esetében

P6Pentium ®

proc

486386

2868086

808580808008

4004

0.1

1

10

100

1971 1974 1978 1985 1992 2000Year

Pow

er (W

atts

)

Korlátozó tényezővé

válik

Forrás: Intel




Növekvő

disszipációsűrűség►

Fogyasztás erőteljesebben nő, mint a lapkaméret, ezért a teljesítménysűrűség meredeken nő:

400480088080

8085

8086

286 386 486Pentium®

procP6

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010Year

Pow

er D

ensi

ty (W

/cm

2)

Főzőlap

Atomreaktor

Rakéta fúvókaForrás: Intel

Kulcskérdés

a tokozás, a hűtés

A disszipáció- sűrűség lesz a korlát

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306AlapfogalmakAlapfogalmakSi egykristály: rúd, szeletekSi egykristály rúd készítéseSi egykristály: rúd, szeletek ma: 12"Si egykristály és szeletgyártás:AlapfogalmakAlapfogalmakAlapfogalmakAlapfogalmakAlapfoglamakMinimal feature size – trend (Intel)AlapfogalmakAlapvető gyártási lépésekMintázat kialakításaFotolitográfiaStruktúrálás: fotolitográfiaJellemző alakzatok a chip-enAlapfogalmakTokozás – ma nagy kihívásEgy IC gyár (silicon foundry vagy fab) Tiszta szoba (cleanroom)Tiszta szoba (cleanroom)Tiszta szoba (cleanroom)Tiszta szoba (cleanroom)FotolitográfiaIonimplanter, diffúziós kályhaEgy partiSzeletátmérőkEgy Intel fabIntel fab-ek 2006-2008Folytatás: 2011.09.13Fejlődési trendekGyökerekMikroelektronika: az egyik leggyorsabban fejlődő iparágMikroelektronika: az egyik leggyorsabban fejlődő iparágGordon Moore, 1965:Mikroelektronika: az egyik leggyorsabban fejlődő iparágMikroelektronika: az egyik leggyorsabban fejlődő iparágRendszeres előrejelzés: roadmapLegfrissebb tényleges állapotMinimal feature size – trend (Intel)Processzorok 2002-es toplistájaA Moore törvény processzorokraA DRAM kapacitás fejlődéseLapka méret (die size) növekedéseÓrajel frekvencia növekedéseNövekvő fogyasztás (disszipáció)Növekvő disszipációsűrűség

no slide titleender/eet_ebook/bmevieea306/01-bevez.pdf · 2012. 4. 3. · emberi agy, emberi dns....

Documents