Недавно, изучая кристалл процессора Pentium, я заметил непонятные структуры, где линии сигнала без видимых на то причин были соединены с кремниевой подложкой. На фото выше я отметил два примера таких конструкций, где металлическая линия (оранжевая) соединяется с миниатюрными квадратными областями легированного кремния (серый), изолированными от остальной цепи. В итоге мне удалось выяснить, что эти структуры являются «антенными диодами», особыми диодами, защищающими цепь от повреждения во время производства пластин. И в текущей статье я порассуждаю на тему проектирования первых процессоров Pentium, попутно объяснив, как эти диоды работают.
В 1993 году компания Intel выпустила свой первый процессор Pentium, который положил начало по сей день развивающейся серии устройств: Pentium Pro, Pentium II и так далее. В этой статье я буду разбирать структуру первого Pentium, который содержит 3,1 миллиона транзисторов.1 На фото ниже показан его увеличенный кремниевый кристалл, размером с ноготь. Микросхема этого процессора включает три слоя металлической разводки поверх кремния, поэтому подложку почти не видно.
Кристалл Pentium с разметкой основных функциональных блоков
Современные процессоры создаются на базе технологий CMOS (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) с использованием двух типов транзисторов: nMOS и pMOS. На схеме ниже показано устройство nMOS-транзистора. Его можно рассматривать как переключатель между истоком и стоком, управляемый затвором. Исток и сток (показаны зелёным) состоят из кремния n+-типа, то есть легированного примесями, изменяющими его полупроводниковые свойства. Затвор состоит из слоя поликремния (показан красным), изолированного от кремния очень тонким оксидным слоем.
Поскольку оксидный слой имеет толщину всего в несколько сотен атомов,2 он очень хрупок и легко повреждается избыточным напряжением. (Поэтому CMOS-микросхемы чувствительны к статическому электричеству.) И, как мы далее увидим, оксидный слой также может повреждаться напряжением в процессе производства.
Схема структуры nMOS-транзистора
Процессор Pentium состоит из нескольких слоёв. Начиная с нижнего, в нём присутствуют миллионы транзисторов, соответствующих показанной выше схеме. Нанесённая поверх кремния поликремниевая разводка формирует затворы транзисторов, а также обеспечивает соединение близлежащих элементов. Над ней находится три слоя металлической разводки, которые соединяют детали микросхемы.
Грубо говоря, нижний металлический слой соединяется с кремнием и поликремнием, создавая логические затворы транзисторов в то время, как верхние слои служат для передачи сигналов уже на бо́льшие расстояния — один для их горизонтальной передачи, а второй — для вертикальной. Соединение между различными проводящими слоями обеспечивают крохотные вольфрамовые отверстия, называемые переходными (via). Основной сложностью проектирования микросхем является трассировка, а именно прокладывание путей сигналов через несколько проводящих слоёв так, чтобы добиться максимальной плотности схемы.
На фото ниже показана небольшая область кристалла Pentium, где видны три металлических слоя. Золотые вертикальные линии — это верхний слой, формируемый из алюминия и меди. Под ним видна горизонтальная разводка среднего слоя. Последним идёт более сложный нижний слой, включающий кремний и поликремний, из которых формируются транзисторы.
Маленькие чёрные точки — это переходные отверстия, соединяющие разные слои. А более крупные тёмные круги — это точки соединения с находящимся ниже кремнием или поликремнием. В нижней части снимка видны вертикальные серые полосы — это линии поликремния, формирующие затворы транзисторов.
И хотя микросхема кажется плоской, она имеет трёхмерную структуру со множеством слоёв металла, разделённых изолирующими слоями диоксида кремния. Понимание этой трёхмерной структуры пригодится далее. (На деле металлические проводящие слои микросхемы в большинстве её участков намного плотнее. Здесь вы видите одну из немногих областей, где все эти слои можно разглядеть.)
Металлические слои кристалла Pentium. L-образный сегмент чуть ниже и левее центра — это линия, ведущая к антенному диоду. На фото показан крохотный участок модуля обработки операций с плавающей запятой. Чтобы чётко продемонстрировать все слои, я совместил несколько снимков с помощью фокус-стекинга
Весь процесс производства микросхем невероятно сложен, но я не стану затрагивать большинство деталей и сосредоточусь только на последовательности создания каждого проводящего слоя.
Первым делом поверх кремниевой пластины наносится однородный металлический слой. Далее, с помощью процесса под названием фотолитография, на его поверхности создаётся нужный рисунок: на пластину наносится светочувствительный химический компонент, называемый «фоторезист», который затем облучают светом видимого или ультрафиолетового диапазона через фотошаблон с нужным узором. Под действием света фоторезист затвердевает, создавая защитную плёнку с желаемым проводящим рисунком. Наконец, незащищённый метал вытравливается, оставляя только этот рисунок.
Раньше при изготовлении микросхем металл удалялся с помощью жидких кислот, и процесс этот назывался мокрым травлением. Будучи не самым удобным способом, такое травление выедало металл под краями маски, что по мере уплотнения схем и утоньшения проводящих линий начало создавать проблемы. Решением стало сухое травление, при котором для удаления металла используется плазма.
В целом, суть процесса в следующем. Микросхема помещается в рабочую камеру между двух пластин, расположенных над и под ней. Затем камера заполняется специальным газом, например, хлороводородом, и на эти пластины подаётся высокое напряжение, в результате чего газ ионизируется в высокореакционную плазму. Эта плазма, в свою очередь, воздействует на незащищённую фоторезистом поверхность, удаляя лишний металл. Преимущество сухого травления в том, что оно может действовать вертикально (анизотропно), позволяя лучше контролировать ширину линий рисунка.
И хотя техника травления плазмой повысила общее качество процесса, она создала другую проблему: повреждение оксида, также образно называемое «антенный эффект».3 Суть в том, что длинные металлические линии микросхемы могут перенимать электрический заряд плазмы, накапливая высокое напряжение. И здесь стоит вспомнить, что тонкий оксидный слой под затворами транзисторов уязвим к повреждению напряжением, которое как раз создаётся под воздействием плазмы. В результате это может либо уничтожить транзистор, вызвав пробой в подзатворный диэлектрик, либо нарушить его эффективность внесением зарядов в оксидный слой.4
На риск повреждения в результате этого антенного эффекта влияет несколько факторов. Первый — благодаря оксидному слою, к создаваемому напряжению чувствителен только затвор. Если линия также подключена к истоку или стоку транзистора, то она «защищена», так как исток и сток обеспечивают соединение с подложкой микросхемы, позволяя заряду спокойно рассеиваться. И здесь стоит обратить внимание, что в готовой микросхеме затвор каждого транзистора подключён к истоку или стоку другого транзистора (который передаёт ему сигнал), поэтому риск повреждения отсутствует. Таким образом, проблема может возникнуть только при производстве, когда одна сторона проводящей линии подключена к затвору, а вторая не подключена никуда. Более того, верхний проводящий слой тоже «защищён», поскольку при его создании все подключения уже реализованы.
Вторым фактором является то, что создаваемое напряжение пропорционально длине проводящей линии, поэтому короткие линии опасности не представляют.
Наконец, риску подвержен только тот слой, который в данный момент протравливается, так как нижние слои изолированы от него толстым диэлектриком, который заряд не примет.
Все эти факторы ведут к выработке ряда методов по предотвращению антенного эффекта.5 Во-первых, длинные линии можно разбивать на более короткие сегменты, соединяемые перемычками на слое выше. Во-вторых, для исключения подобных проблем можно помещать длинные линии на верхний слой.6 В-третьих, можно добавить диоды для рассеивания заряда с линии — такие диоды называются «антенными» (возможно, уместнее их будет называть «отводящие», — прим. пер.). А поскольку диоды работают в одном направлении, то при фактическом использовании микросхемы они никакого электрического эффекта не оказывают. А вот при производстве они позволяют заряду рассеиваться в подложке прежде, чем он создаст проблемы.
Третье решение, отводящие диоды, и объясняет те загадочные соединения, которые я обнаружил на чипе Pentium. На схеме ниже они представлены в виде квадратных участков легированного кремния. Более крупные области этого кремния формируют p-канальные транзисторы (выше) и n-канальные (ниже). Линии поликремния здесь едва видны. В местах пересечения с легированным кремнием они формируют затворы транзисторов. (Для получения этого снимка я счистил все проводящие слои).
Снимок транзисторов на кристалле Pentium под микроскопом. Для видимости кремния металлические и поликремниевые слои удалены.
Немного смущает тот факт, что отводящие диоды выглядят практически идентично «well taps» (они же tap cells, — прим. пер.) — соединениям между подложкой и положительным питанием — но имеют совсем иное назначение. В процессорах Pentium pMOS транзисторы формируются в «карманах» (wells) кремния n-типа. Эти карманы должны быть подняты до уровня положительного напряжения микросхемы, в связи с чем они во многих местах соединяются с плюсом её питания. Эти соединения (well taps), обеспечивающие полноценную электрическую связь, представляют собой квадратные участки кремния n+-типа, расположенные внутри карманов кремния n-типа. В свою очередь, отводящие диоды тоже состоят из кремния n+-типа, только расположенного уже в кремнии p-типа, благодаря чему создаётся p-n переход, их формирующий.
В Pentium отводящие диоды используются только для небольшой части схемы при необходимости, так как требуют на кристалле дополнительного места. Большинство «антенных» проблем в этих процессорах, очевидно, были решены посредством грамотной трассировки. И хотя отводящие диоды используются относительно редко, их оказалось достаточно, чтобы привлечь моё внимание.
Причём в современных микросхемах «антенный эффект» до сих пор является проблемой. Производители даже публикуют правила, определяющие максимальный допустимый размер «антенн» в конкретных производственных процессах.7 Существуют специальные программные средства, которые проверяют дизайн микросхем на соответствие установленным правилам, изменяя трассировку и добавляя в нужных местах диоды. Нарушение подобных правил может привести к повреждению микросхем и снижению их годного выхода, так что эта проблема существует не просто в теории.
▍ Примечания и ссылки
1. В статье я разбираю устройство Pentium 80501 (кодовое имя P5). Эта модель была замещена более быстрой и энергоэффективной версией под номером 80502 (P54C). И та, и другая модификации считаются оригинальным Pentium. ↩
2. В отчёте «IC manufacturing drives CPU performance» сказано, что толщина подзатворного диэлектрика в 1993 году составляла от 100 до 300 ангстрем. ↩
3. Естественно, линии выступают антеннами условно, а не буквально, поскольку накапливают заряд, а не принимают радиоволны.
Вопрос повреждения оксида вследствие плазмохимического травления в 1990-х годах привёл к ряду исследований и проведению конференций, нацеленных на решение этой проблемы. Международный симпозиум, посвящённый её изучению, начался в 1996 году и продолжался аж до 2003. Огромное число исследователей из компаний-производителей полупроводников, а также академиков, изучали причины и влияние повреждений, вызываемых плазмохимическим воздействием. ↩
4. Повреждение вызывается в результате «туннелирования по Фаулеру-Нордхайму», когда электроны проходят через слой оксида. Во флэш-памяти этот эффект туннелирования используется для её стирания. То, что такая память выдерживает лишь ограниченное число записей, как раз объясняется вызываемым им накапливанием повреждения. ↩
5. Вот некоторые сопутствующие работы: "Magnetron etching of polysilicon: Electrical damage" (1991), "Thin-oxide damage from gate charging during plasma processing (1992)", "Antenna protection strategy for ultra-thin gate MOSFETs (1998)", "Fixing antenna problem by dynamic diode dropping and jumper insertion (2000)".
В Pentium используется подход «динамического добавления диодов», когда отводящие диоды добавляются только при необходимости, а не в каждую цепь. Я заметил, что в этом процессоре в случае невозможности добавления диода к имеющимся линиям, эти линии удлиняют, подключая его в удалённом месте. В качестве примечания в третьей работе указывается интересная единица длины — kµm, подразумевающая 1000 µm. Конечно, мыслить можно и в микрометрах, но обычно эта информация выражается в мм. ↩
6. Источники говорят, что трассировка сигналов поверх металла предотвращает антенные проблемы. Однако я вижу в Pentium несколько отводящих диодов, подключённых напрямую от нижнего слоя металла (M1) через M2 к длинным линиям на M3. Эти диоды кажутся лишними, так как к тому времени затворы уже соединены с истоками/стоками. В общем, здесь всё ещё остаются загадки… ↩
7. На фабриках регламент по допустимым размерам антенн предоставляется в рамках комплекта для проектирования процессов (Process Design Kit, PDK). Вот эти правила для MOSIS и SkyWater. Я сосредоточил своё внимание на антенном эффекте в металлических слоях, но поликремний и переходные отверстия тоже могут вызывать подобные повреждения, так что правила бывают и для них. Тем не менее поликремний способен создать антенный эффект с наименьшей вероятностью, так как на нём ввиду повышенного сопротивления обычно используются короткие соединения. ↩
Автор: Bright_Translate
