A réztechnológia már a feltalálása utáni évben bevonult a high-end processzorok gyártásába. A szobahőmérsékleten 1Ghz felett működő processzorok csak így válhattak napjaink realitásává.

Az 1 Ghz körüli processzorok néhány hónappal ezelőtt még csak házi gyártású, extra hűtőberendezésekkel, és laboratóriumi körülmények között voltak elképzelhetőek, mostanra pedig már a sorozatgyártásuk előtt állunk. A kutatások célja most is a mindig nagyobb teljesítmény és jobb architektúra elérése. Az egész félvezetőpiac célja mostanra körvonalazódott: a teljesítmény duplázása 18 havonta. A felvevőpiac és a sorozatgyártás számára azonban ez csak akkor értelmes dolog ha a réztechnológiához kidolgozzák a megfelelő gyártási stratégiát is.


A teljesítmény 18 havonta duplázódik meg.
A tranzisztoroknak rézzel való összeköttetése hozza meg a következő ugrást, de az átállás az alumíniumról a rézre mégsem egyszerű. A réztől ugyanis azért félnek a tudósok, mert - csakúgy mint az arany - a félvezető réteggel érintkezve (akárcsak atomokkal is) olyan mértékben szennyeződnek, hogy azonnal megszűnik az itt igen fontos vezetőképesség. Azért, hogy elkerüljék a gyártás során a szilícium lapok szennyeződését, egy speciális réteggel vonják be a rezet.

Az alumínium határai

Világszerte keresik még a lehetőségét az alumínium leváltásának a félvezető iparból. A chipek miniatűr struktúrájának és az alumínium relatíve nagy ellenállásának köszönhetően ugyanis a termelt teljesítmény felét az alumínium vezeték hőként adja le. Az átváltás mindig kisebb és kisebb architektúrákba is elősegíti a melegedést itt, és ez egyben a teljesítmény csökkenésével is jár. A kisebb keresztmetszet miatt megnő a vezetékek ellenállása, a jelek lassabban futnak. A vezeték késleltetése időközben túllépte már a tranzisztorok kapcsolási idejét is. Így a már 30 éve használatos alumínium nem felel meg a mai high-end procik előállításához. A réz már évek óta bele kellett hogy kerüljön a vezetékekbe, mert annak jobb a vezetőképessége. A 0,25 mikronosnál kisebb architektúrákhoz azonban ez már nem elegendő. Ezért kell hogy a közeljövőben tiszta réz vegye át az alumínium szerepét.

Miért réz?

A réz (Cu) a periódusos rendszerben az első mellékcsoportban található az ezüst és az arany mellett. A réz és az ezüst a két legjobb vezető típus.

Anyag	Vezetőképesség (MicroOhm/cm)	Előnyei	Hátrányai
Al	2,8	gyártó-standard anyag	nagy ellenállás
Au	2,4	nagy korrózióállóság	szennyezi a félvezetőt
Cu	1,7	alacsony ellenállás és elektromos migráció	korrodálódik, kevés technológiai tapasztalat, szennyezi a félvezetőt
Ag	1,6	alacsony ellenállás	jelentős korrózió

Ahogy a táblázatból is látszik a réznek kisebb az ellenállása mint az alumíniumnak ezért ugyanazon áramerősség mellett kisebb feszültség esik rajta. A felhasználónak így több energia áll rendelkezésére és nem alakítódik annyi hővé. Ugyanazon áramerősség mellett itt tehát kisebb keresztmetszetű vezetők lehetségesek.

Réz a chipben

Mostanság két eljárás létezik a rézvezetők előállítására: az első amely egy réz réteget galvanizál fel a felületre majd abba "vési" bele a struktúrákat, a másik az IBM Microelectronics által kifejlesztett technológia. Ez először is vájatokat készít a szilíciumba majd ezeket feltölti rézzel (galvanizálós eljárással), majd a felesleges réteget polírozással távolítják el. Ezt az un Dual-Damascene technológiát 15 évi fejlesztés után 1997ben mutatták be. Ezzel a költségek 20-30%kal csökkennek míg az elérhető teljesítmény nő 35%kal.

Majdnem minden gyártó erre a technológiára áll majd át. Így a rézben rejlik a félvezető-technológia reformálásának lehetősége. Azonban ez nem jelenti a réz-processzorok azonnali áresését. Először is ezeket az eljárásokat valakinek finanszírozni kell, másodszor pedig a gyártóknak meg kell tisztítani az eddigi gyártósorokat a fém-maradványoktól amik eddig ugyan nem jelentettek problémát, de most lehet, hogy akár a gyártósorok teljes elszigetelésére az eddigiektől is szükség lesz emiatt.

Eljárások	Elonyok	Hátrányok
Electroplanting (galvanizáló)	Olcsó, kituno kitölto képesség, megbízhatóság, jó vezetoképesség	Az elöállításhoz új gépek kellenek, szennyezés
Electroless plating	olcsó	új eloállítási technikák még nem lettek tesztelve
CVD	Jó kitöltőképesség	új eloállítási technikák még nem lettek tesztelve, drága
PVD&Reflow	Új kisebb chipekbe jó	drága, nem jó kitöltőképesség

Ez a táblázat a különböző fémező technológiákat mutatja. A CVD Chemical Vapour Depositiont jelent, ez kémiai anyagleválasztó technológia. A PVD Physical Vapour Depositiont jelent aminél a félvezetőre tett fémrétegből gáz atomokkal kibombázzák az atomokat. Amelyek a félvezetőre hullnak és ott vékony fémréteget képeznek.

A félvezetőgyártás

A nehézségek és az előnyök amik a réz technológiás gyártásnál előjönnek csak a részletekbe menően válnak láthatóvá. Itt a félvezetőgyártást kell egy kicsit jobban szemügyre vennünk. Egy ilyen komplex elem mint a processzor előállítása több mint 1500 lépést vesz igénybe és 3 hónapig tart. Ehhez az eljáráshoz szilíciumra van szükség. A quartzhomokot több mint 1400°C-on többször elolvasztják, ami megszabadítja azt a szennyeződésektől. Az így előálló tiszta (10millió szilícium atom közt egy idegen atom) szilíciumból egy 100-200 sőt a legújabb technológiával már 300mm átmérőjű 2-3m hosszú kristályrudat húznak. Ezt az egyetlen kristályból álló rudat rétegekre vágják, majd azokat alaposan polírozzák. Így jön létre az úgynevezett ostya amely minden szilícium chip alapját képezi. A modern high-end processzorok a CMOS-Technológiában egy réteg tranzisztorból és több mint 6 réteg vezetőből állnak (Layer).

Kezdetként a szilícium-ostyára egy fotólakkot visznek fel amit stepper-fénnyel világítanak meg. Ezzel készítik el az ostya fém térképét, majd az üresen hagyott területekre felviszik a fémet (oda lehet csak).
Azonban a mai mikron-töredékek alatti méreteknél egyre inkább akadályokba ütközik ez. Ilyen kis méreteknél ugyanis már a fény elhajlása is szerepet játszik, így a fény hullámhosszára is oda kell figyelni. Minden egyes új technológiára való átálláskor új drága gépek, anyagok, eljárások szükségesek.

A CMOS tranzisztorok kapcsolási sebessége

Az új technológiákra való átállás mindig kicsinyítéssel jár. Így a Gate-Oxyd rétege a tranzisztoroknak csökken, amitől csökken a feszültség álló képessége a tranzisztornak. Ezzel az üzemi feszültségét is csökkenteni kell. Ezzel valamelyest a cél ellen hat a dolog ugyanis csökkenti az elérhető frekvenciahatárokat.


Láthatóan a jó hűtésnél és növelt feszültségnél nő a kapcsolási sebessége a tranzisztoroknak.
A tranzisztorstruktúra felépítéséhez nagy elektromos energiájú idegen atomokat lőnek a félvezető felületbe amik speciális elektromos tulajdonságú, kád alakú területeket képeznek.


Egy CMOS tranzisztor felépítése
Egy CMOS tranzisztor 2 kádja (DRAIN & SOURCE) között marad egy vékony kivonat-réteg. Ennek a szélességét hívják csatornaszélességnek. Ez adja meg a gyártási méretet pl.: 0,25mikron . E felett a rész felett lesz egy pár atom vastag izolációs oxidréteg létrehozva, polykristallin szilíciumból (Gate). Amint a chip feszültség alá kerül a DRAIN és SOURCE közt az áram át tud folyni - a Tranzisztor át van kapcsolva. Párokban ezek kapcsolják a kimeneti jeleket. A fémréteg a tranzisztorkapcsolathoz kell és a kívülről érkező jelek bekapcsolásához.

Rézzel 35%kal gyorsabban

A réznek tehát megvan az a nem kívánatos tulajdonsága, hogy szennyezi a félvezetőt. Ettöl a vezetőképesség változik , a tranzisztorok használhatatlanok lesznek. Ezt akár egyetlen atom is előidézheti. Ráadásul a réz relatív gyorsan korrodálódik. Ezért a rezet egy felületi réteggel passzíválni is kell. Az IBM által kifejlesztett tecnhológiának köszönhetően egy lapkán 24millió Gatter fér el, ami több mint 74Milló tranzisztornak felel meg (=10db PII chip). A réz ellenállása 40%kal kisebb, gyorsabban (35%) és veszteség- mentesebben továbbítja a jeleket.

A DUAL-DAMASCENE-tecnológia

Itt először kimélyítik a vezetők/tranzisztorok helyeit ezután egy néhány atomnyi izolácós fóliával fedik be ami megakadályozza a szilícium réz-szennyeződését. Harmadik lépésként fel gőzölik a (galvanizálással) a fémet a felületre, így felépül a vezető réteg.


A réz vezetők

Ezek után a felesleges réteget ami kiült a felületre CMP (Chemical Mechanical Polishin) eljárással lepolírozzák. Ezután jön a sík felületre még egy izolációs réteg majd az egész kezdődik előröl. Így akár 9 metál-réteg felvihető.

Alant látható egy réz és egy alumínium technológiával készült chip :




Az úgynevezett Moore törvény szerint 18 havonta tehát megduplázódik a processzorok teljesítménye. Ennek vége egyenlőre nem látható, a réz leváltja az alumíniumot, jobb izoláló anyagok, gyorsabb tranzisztorok jönnek. Így bizony, a legújabb technológiák már fejlesztés alatt állnak, vagy akár már a bevezetés küszöbén. Például egyik ilyen technológia a SOI (Silicon On Insulator), ami azonos frekvencia mellett csökkenti 70%kal a szükséges feszültséget. Ezzel a DRAM például teljesen rákerülhet a processzorra és újból, teljesen új perspektívák nyílnak meg előttünk.

Forrás: Tecchannel-IBM Microelectronics