Микропроцессоры (стр. 5 из 6)

Intel Silicon Debug

В структуре деятельности Intel есть такое понятие — Silicon Debug. Это отладка — обнаружение и устранение ошибок и неудачных мест в кремниевых кристаллах микросхем (для краткости далее мы будем использовать английский термин, а не его перевод). Методы Silicon Debug позволяют исправлять как блоки, так и отдельные транзисторы на поверхности кристалла. А учитывая наномасштабы элементов современных микросхем, такие действия превращаются в подлинное искусство, и их всё возрастающую важность на современном этапе развития полупроводниковой промышленности трудно переоценить. Существует даже глобальная инженерная организация — Corporate Quality Network или CQN, которая занимается разработкой и поставкой инновационных, патентованных продуктов для решения подобных вопросов.

Методы Silicon Debug должны, во-первых, давать возможность обнаруживать проблемы в кристаллах, работающих на высоких частотах, — причем неразрушающим способом и в микромасштабах, а во-вторых, по возможности устранять их. И делать все это надо быстро, экономя время разработки и отладки кристаллов, — например, проверить в работе скорректированный кристалл до создания новых, исправленных фотолитографических масок. Сейчас эти методы тесно интегрированы в производственный процесс.

Традиционные способы диагностики

В дрезденских лабораториях AMD нам показали, как испытываются некоторые важные параметры микропроцессоров последнего поколения (90-нм Athlon 64). Этим занимаются так называемые Quality Lab и Material Analysis Lab. Во-первых, очень широко применяется так называемый «разрушающий» анализ. Дело в том, что многие важные параметры производимых на фабриках микроструктур могут быть измерены только разрушающим способом. Для этого в готовых или полуготовых (при контроле на стадии производства) кристаллах делаются поперечные сечения или разрезы.

А далее применяются широко известные в физике методы — оптическая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (TEM), рентгеновская дифракция (XRD), атомно-силовая микроскопия (AFM) и другие.

Анализ структур

Например, SEM является очень распространенным, оперативным и удобным методом контроля геометрических размеров создаваемых структур — транзисторов, металлических слоев и омических контактов между ними (а в современных 130-нм и 90-нм процессорах AMD — 9 слоев межсоединений и аж пять миллиардов контактов, и в их качестве и соответствии размеров проектным нормам надо быть уверенным). На современных технологических установках такой электронный микроскоп дополнен ионной пушкой. При помощи сфокусированного ионного луча (используются тяжелые ионы галлия) в нужном месте кристалла делается небольшой надрез и «вытравливается» неглубокая и аккуратная вертикальная канавка — чтобы под углом в электронный микроскоп было видно сечение верхних слоев микросхемы и можно было определить характерные размеры различных компонентов структуры. При помощи этой же аппаратуры можно определять и некоторые электронные свойства структур, а также контролировать количество дефектов на поверхности пластины.

Аналогичным образом (ионной пушкой) делаются сечения и для более тонкого метода визуального контроля — TEM. Этот метод чаще применяется для анализа сечений современных нанотранзисторов, поскольку некоторые их размеры настолько малы (например, в области затвора, см. фото выше), что разрешения SEM просто не хватает. Тут же можно сделать и элементный (химический) анализ атомарных слоев — например, измерить распределение азота в слое.

При помощи различных традиционных методов поверхностного анализа измеряется профиль легирования слоев кремния атомами примеси (B, P, As) — концентрацию легирующих примесей в процессе производства микросхем нужно уверенно контролировать, чтобы получить p-n-переходы с заданными свойствами. Для анализа дефектов в поверхностном слое монокристалла кремния служит SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometer). Фотоэлектронный микроскоп измеряет концентрацию азота в диэлектрике затвора. Все эти установки используют ультравысокий вакуум. Атомно-силовой микроскоп определяет шероховатость (неровность) поверхностей и размер зерен осаждаемых в производстве материалов.

Электрические испытания

Помимо этого, в лабораториях по контролю качества делаются различные электрические тесты готовых структур. Например, тесты на электромиграцию и диэлектрический пробой.

Полные тесты электромиграции в омических контактах и межсоединениях необходимы для того, чтобы определить качество омических контактов в межсоединениях микропроцессора и оценить время жизни всей структуры. Напомним, что межсоединения в современных процессорах делают из меди, однако в местах омических контактов наносят тонкий проводящий подслой (обычно его состав является ноу-хау компании). На электромиграцию тестируются как новые технологии при их разработке, так и текущие — квалифицируются продукты перед их выпуском на рынок и образцы серийной продукции. Для вычисления времени жизни контактов поводятся тесты на повышенной температуре — при 350–360 градусах Цельсия. О времени жизни судят по степени омической деградации контактов в течение определенного времени (не принимая во внимание неомические нарушения) — при такой высокой температуре деградация контактов становится заметной уже через несколько дней или недель работы. Далее процесс экстраполируют на штатные рабочие температуры процессора (до 100 градусов). Если получается более 100 тысяч часов (около десяти лет), продукт считается годным, если нет — партию кристаллов бракуют. Тестировать кристаллы можно прямо на неразрезанных пластинах.

Диэлектрический пробой подзатворного диоксида кремния — бич современных транзисторов. Поскольку подзатворный диэлектрик сейчас предельно тонок (1,4 нм или шесть атомарных слоев в последних процессорах AMD; у Intel еще тоньше — 1,2 нм), то его изолирующие свойства со временем ухудшаются. Особенно под действием достаточно высокого напряжения (около 1,4 В у современных настольных микропроцессоров [Что соответствует гигантскому электрическому полю — около миллиона вольт на миллиметровый промежуток. Например, виниловая изоляция бытовых электропроводов рассчитана на поля примерно в тысячу раз меньше. Физические механизмы зависящего от времени диэлектрического пробоя подзатворного диэлектрика весьма сложны и неоднозначны, поэтому тут используют комплексную эмпирику. Время жизни процессоров «по диэлектрику» определяют при помощи трех параметров экстраполяции — делаются стресс-тесты при повышенном напряжении (2,0–2,9 В), при повышенной температуре и на транзисторах большей площади. Полученные результаты экстраполируются на реальные размеры и условия работы транзисторов (например, температуру 90 градусов и напряжение 1,4 В) и по спецификациям допустимого тока утечки вычисляется среднее время жизни. По словам одного из сотрудников лаборатории AMD, для процессоров Opteron последнего поколения (90 нм) среднее время жизни оценивается (по этой характеристике) примерно в три года, но такое, казалось бы, малое время оправдывается требованиями нынешних пользователей — им, дескать, уже не нужны процессоры, живущие десять лет, поскольку апгрейд, как правило, требует их замены чаще.

Бесконтактная диагностика микросхем

Идеальным тестовым прибором для проверки кристаллов является тот, который бы мог измерять каждое напряжение, ток и температуру при определенных условиях. Методы контактных микрозондов здесь непригодны в силу очень многих причин (В первую очередь хотя бы потому, что такой зонд не сможет «приконтачиться» непосредственно к транзисторам на пластине — ведь они находятся под несколькими слоями металлизации и толстым слоем пассивирующего диэлектрика). Поэтому используются бесконтактные — оптоэлектронные и тепловые.

Современная оптическая диагностика кристаллов микросхем использует микрозонд с импульсным лазером ближнего инфракрасного диапазона (Laser Probe). Луч лазера проходит сквозь подложку кристалла микросхемы с обратной стороны (то есть там, где нет слоев металлизации) и фокусируется на слое стоков-истоков и каналов работающих в реальном масштабе времени транзисторов. Слабый отраженный оптический сигнал модулируется исследуемым транзистором в соответствии с изменениями зарядов и напряжений в его канале и, таким образом, содержит информацию о его динамической работе. Обработанные аппаратурой сигналы с оптического датчика представляют собой осциллограммы с пикосекундным разрешением, амплитуда которых пропорциональна напряжению на каждом из транзисторов (рисунок 12), что позволяет детально анализировать любой транзистор прямо во время реальной работы микропроцессора! Кстати, все это проводится в специальных прецизионных термостатах, где можно испытывать кристаллы на пониженных и повышенных температурах.

Рисунок 12 - Отражение оптического сигнала от работающего транзистора

Сканирующий лазерный луч может дать контрастную (в градациях серого) карту транзисторов на выбранном участке микросхемы с неплохим разрешением. Поскольку сейчас для этого используется ближний ИК-диапазон с длиной волны в районе 1 мкм (в области оптической прозрачности кремния, иначе подложку насквозь не просветишь), то и разрешение этого метода — не лучше долей микрона (на виденных мной в лабораториях Intel «живых» картинках можно было различить детали размером около 0,15 мкм). Однако для целей отладки и обнаружения слабых мест этого вполне хватает, поскольку даже в самых современных микропроцессорах, производимых по 90-нм технологии, продольный (то есть от истока к стоку) размер транзистора (Так называемый pitch (шаг), определяемый как расстояние между серединами контактов стока и истока транзистора. Pitch фактически является минимальным шагом размещения транзисторов на кристалле. Тогда как реальная полная «длина» транзистора может быть и больше) составляет более 300 нм (А транзистор в данном анализе нужен только целиком, то есть различать области его затвора, стока и истока, имеющие, разумеется, меньше размеры, попросту не нужно). Более того, данная аппаратура применима и для будущих техпроцессов с нормами 65 и 45 нм, где размер транзистора (точнее, pitch) равен 220 и примерно 150 нм соответственно.