Tìm hiểu công nghê 45 nm

Trong TGVT-PCW VN tháng trước, chúng mình đã đề cập tới bộ vi xử lý thế kỷ mới của Intel được sản xuất theo qui trình công nghệ 45nm High-k metal gate (bài “Định luật Moore tiếp tục...”. Đây không chỉ là dễ dàng và đơn giản là bước cải tiến và phát triển của xu thế “thu nhỏ” những thành phần bên trong vi mạch bán dẫn. Đằng sau đó là các chiêu trò công nghệ chấm phá.

trong tháng 11 này, Intel tung ra Thị trường thế hệ chip mới đầu tiên được sản xuất theo quy trình công nghệ 45nm – chip Penryn, chứa hơn 400 triệu transistor so với BXL hai lõi và tới 800 triệu transistor với BXL 4 lõi. Có điều gì khác lạ so với những cơ sở của định luật Moore?
những người sáng tác Mark T. Bohr, Robert S. Chau, Tahir Ghani, and Kaizad Mistry – những người nhập cuộc một cách trực tiếp vào quy trình nghiên cứu và phân tích – thực hiện công nghệ 45nm high-k metal gate.
Có! Và không chỉ có vậy là khác lạ không hề nhỏ. Chip Penryn đã có thể không xuất hiện thêm nếu như không có bước phá cách cực kỳ quan trọng về cấu trúc của các transistor siêu nhỏ bên trong chip, mà chi tiết là chúng ta đề cập đến thành phần điện cực của transistor (gate stack). Vấn đề khó khăn phải vượt qua trong vài năm trở lại đây là công nghệ đã đạt mức số lượng giới hạn nguyên tử.
Để giữ đúng định luật Moore, cứ sau mỗi 24 tháng form size transistor phải được giảm sút một nửa, và tương đương như thế, các thành phần thấp nhất của transistor phải giảm còn 70%. Dẫu thế, có một thành phần quan trọng mà kích thước của chính bản thân nó đã đạt tới số lượng giới hạn, không hề nhỏ hơn được nữa. Đây là lớp silicon dioxide (SiO2) mỏng manh đóng vai trò cách thức điện giữa cực cổng (gate) và kênh (channel), nơi dòng điện chạy qua khi transistor ở trạng thái “mở” (hình 1). Lớp cách điện này mỏng dần với mỗi thế hệ chip mới, và đã giảm tới 10 lần kể từ năm 1990. Ở cả 2 thế hệ chip trước Penryn, lớp phương thức điện chỉ còn sót lại độ dày của khoảng chừng 5 nguyên tử (đường kính nguyên tử đơn Silicon là 0,26nm).

>>> tìm hiểu thêm: bán HPe ML10 Gen9

Lớp cách điện silicon dioxide mỏng là một trong những luận điểm lớn, nó mất dần khả năng phương thức điện. Xuất phát điểm từ các thế hệ chip từ 1990, đã có hiện tượng lạ rò rỉ điện qua lớp phương thức điện này. Cho đến cách đây hai năm, cường độ rò rỉ đã tăng đều 100 lần. Sau cùng, dẫn đến luận điểm có năng lượng bị tiêu hao do chip tăng cao lên dưới tác động của dòng điện tử đáng tiếc. Như vậy vị trí mỏng dính không dừng lại ở đó lớp silicon dioxide là không còn.
Với rào cản tưởng chừng không còn đánh bại này, ngành nghề công nghiệp bán dẫn có vẻ đang đi vào chỗ bế tắc, và định luật Moore cũng cần phải kết thúc sau đây...
Điều đáng sợ trên sẽ biến thành tác hại thật sự còn nếu không có một phát kiến mang tính cách mạng.
giải pháp cho vấn đề trên là làm dày thêm lớp cách thức điện, nhưng phải bằng chất liệu khác có đặc tính cách điện tốt hơn. Mặc dù vậy đây chỉ là một trong những nửa của vấn đề, bởi rắc rối còn ở trong phần cổng silicon (điện cực) sẽ không chịu thao tác làm việc với nguyên liệu cách thức điện mới. Và nếu giữ thiết kế như thế, transistor theo cách mới thao tác làm việc còn tệ hơn transistor cũ. Lời đáp cho điều đó là sử dụng sắt kẽm kim loại sửa chữa thay thế cho silicon một cách truyền thống để triển khai cực cổng (gate).
Kiến thúc nền tảng về transistor

Hình 1. Trong transistor, lớp cách điện silicon dioxide (SiO2) giữa cực cổng (gate) và kênh (chanel) đã mỏng dính đến mức số lượng giới hạn, gây nên hiện tượng “rò rỉ” điện tích.
Cấu tạo của cục vi xử lý, bộ nhớ và các loại chip khác đều dựa vào hàng ngàn, hàng triệu transistor, thành phần bán dẫn cơ bản. Loại transistor được sử dụng ở đây là transistor hiệu ứng trường MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Thực chất, transistor đóng tầm quan trọng của một công tắc: điện thế đặt vào cực cổng (gate) có tác dụng bật và tắt (cho qua và ngăn lại) dòng điện tích giữa hai cực khác: cực nguồn (source) và cực máng (drain); kênh (channel) là chỗ dòng điện tích dịch chuyển (hình 2). MOSFET có hai loại, N-MOS và P-MOS, phụ thuộc vào cấu tạo hóa học của những thành phần (loại N hay là P). Các transistor được bố trí trên một tấm silicon đơn, và bằng phương pháp hóa học người ta tạo nên những vùng loại N hay là P ngay trên tấm silicon. Mạch kết hợp (IC – integrated circuit) gồm có luôn cả hai loại transistor N và P.

>>> đọc thêm: bán hpe dl560 Gen10

Lấy ví dụ transistor NMOS. Vùng nguồn và máng được cấu tạo từ N-silicon, giữa chúng là P-silicon được gọi là kênh, nơi có dòng điện tích. Phần bên trên của kênh có một lớp mỏng tanh cách điện dioxide silicon (SiO2), được gọi bằng cổng oxide (gate oxide), và đây chính là phần gây nên mọi phiền toái mà cả ngành công nghiệp phải quan tâm.
Bên trên cổng oxide là điện cực, thường được cấu tạo từ silicon đa tinh thể (polycrystal silicon, hay là ngắn gọn là polysilicon). Trong trường hợp NMOS thì điện cực cũng thuộc loại N. Khi có điện áp dương tại cực cổng, nó tạo thành điện trường đẩy các điện tích dương (hole) đi và hút những điện tử để tạo nên dòng điện (on) giữa nguồn và máng.
Với PMOS transistor, mọi thứ đều ngược lại với NMOS. Nguồn và máng là P, kênh là N, và cực cổng là P. Nó thao tác làm việc cũng một cách đối lại, tức là khi có điện áp âm đặt vào cổng, nó sẽ ngăn (off) dòng điện trong kênh, nguồn và máng.
trong những thiết bị xúc tích và ngắn gọn, transistor NMOS và PMOS được thu xếp làm thế nào để cho hoạt động của chúng bổ sung cho nhau, theo đó xuất hiện thuật ngữ CMOS (complementary metal-oxide semiconductor). Phải họa tiết thiết kế mạch CMOS thế nào cho chúng chỉ tiêu thụ năng lượng lúc các transistor tiến hành đóng (on) hay là mở (off).
những đặc tính và nguyên vật liệu cấu thành của transistor MOS phần lớn không thay đổi từ 1960, nhưng size của chúng thì nhỏ đi đáng quá bất ngờ, từ 10 micrometer xuống chỉ còn dưới 50 nanometer trong thời điểm này, tức là giảm hơn 200 lần. Lớp phương thức điện SiO2 giảm từ 100nm xuống chỉ còn 1,2nm, đạt số lượng giới hạn 5 nguyên tử, và độ dày đó đã giữ nguyên kể từ thời điểm năm 2003 - khi thế hệ chip 90nm được trình bày - cho tới nay.
vật liệu cách điện High-k
vấn đề cần xử lý ở đây là phải kiếm được nguyên vật liệu cách thức điện với độ dày không hề thiếu để hạn chế điện tử trải qua nhưng cũng phải cho phép điện trường từ cổng truyền đến kênh để rất có khả năng mở transistor. Tóm lại, lớp phương thức điện này cần dày về vật lý nhưng phải mỏng về điện.
Thuật ngữ kỹ thuật dùng cho những nguyên vật liệu có đặc thù như vậy là chất điện môi “high-k” (High-k dielectric), trong những số đó k là hằng số điện môi. Thuật ngữ này chỉ ra năng lực chuyên môn chú tâm vào điện trường của nguyên vật liệu. Hằng số k càng cao, nguyên vật liệu rất có thể duy trì được dung tích điện tích càng lớn giữa hai tấm dẫn điện. Để minh họa, SiO2 có hệ số k khoảng 4, trong những lúc không gian có k bằng 1.
các ứng viên xin việc làm cho chất liệu “high-k” gồm có aluminum oxide (Al2O3), titanium dioxide (TiO2), tantalum pentoxide (Ta2O5), hafnium dioxide (HfO2), hafnium silicate (HfSiO4), zirconium oxide (ZrO2), zirconium silicate (ZrSiO4), và lanthanum oxide (La2O3). Thông qua đồng loạt những nghiên cứu và phân tích, thí điểm, nhóm kỹ sư Intel đã cố gắng định vị những chỉ số của nguyên vật liệu như hệ số dung môi, độ không thay đổi về điện, khả năng thích hợp với Silicon... Rất nhiều gian khổ, trở ngại mà nhóm đã phải vượt qua, kể cả việc phải nghiên cứu và phân tích để đặt ra một quy trình công nghệ sản xuất mới gọi bằng “atomic layer deposition”.
kết quả thu được đã cho chúng ta biết hai chất điện môi hafnium dioxide (HfO2) và zirconium oxide (ZrO2) rất có thể cung ứng nhu yếu đưa ra cho chất cách điện mới.
bắt đầu chuyển sang quy trình tiến độ thí điểm với vật liệu mới – high-k dielectric, nhóm nghiên cứu triển khai sản xuất mẫu transistor NMOS va PMOS. Dẫu thế, sau theo hàng loạt thành quả này ban đầu không đạt yêu cầu, một vấn đề mới lại nảy sinh: đây là tương tác giữa cực cổng (gate) và lớp cách thức điện high-k mới. Ở các transistor bây giờ, điện cực này thường được tạo nên từ silicon đa tinh thể (polysilicon), và nó thao tác làm việc rất tích cực với lớp cách thức điện silicon dioxide. Khi thay silicon dioxide bằng vật liệu high-k dielectric thì “mối quan hệ” này bị phá tan, ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của transistor.

>>> tìm hiểu thêm: máy chủ HPE ML30Gen9