Технологический процесс в электронной промышленности

Основная статья: Электронная промышленность

Технологический процесс полупроводникового производства — технологический процесс по изготовлению полупроводниковых (п/п) изделий и материалов; часть производственного процесса по изготовлению п/п изделий (транзисторов, диодов и т. п.); состоит из: последовательности технологических (обработка, сборка) и контрольных операций.

Кристаллический кремний

Фото микропроцессора Apple/VTI^[англ.], предназначенного для первого Apple Macintosh.

При производстве п/п изделий применяется фотолитография и литографическое оборудование. Разрешающая способность (в мкм и нм) этого оборудования (т. н. проектные нормы) и определяет название применяемого конкретного технологического процесса.

Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров п/п структур способствуют улучшению характеристик (размеры, энергопотребление, рабочие частоты, стоимость) полупроводниковых приборов (микросхем, процессоров, микроконтроллеров и т. д.). Особую значимость это имеет для процессорных ядер, в аспектах потребления электроэнергии и повышения производительности, поэтому ниже указаны процессоры (ядра) массового производства на данном техпроцессе.

Этапы технологического процесса при производстве микросхем

Пластина монокристаллического кремния с готовыми микросхемами

Подробнее см. Планарная технология

Технологический процесс производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (микропроцессоров, модулей памяти и др.) включает нижеследующие операции.

• Механическую обработку полупроводниковых пластин — получают пластины полупроводника со строго заданной геометрией, нужной кристаллографической ориентацией (не хуже ±5 %) и классом чистоты поверхности. Эти пластины в дальнейшем служат заготовками в производстве приборов или подложками для нанесения эпитаксиального слоя.
• Химическую обработку (предшествующую всем термическим операциям) — удаление механически нарушенного слоя полупроводника и очистка поверхности пластины. Основные методы химической обработки: жидкостное и газовое травление, плазмохимические методы. Для получения на пластине рельефа (профилирование поверхности) в виде чередующихся выступов и впадин определённой геометрии, для вытравливания окон в маскирующих покрытиях, для проявления скрытого изображения в слое экспонированного фоторезиста, для удаления его заполимеризированных остатков, для получения контактных площадок и разводки в слое металлизации применяют химическую (электрохимическую) обработку.
• Эпитаксиальное наращивание слоя полупроводника — осаждение атомов полупроводника на подложку, в результате чего на ней образуется слой, кристаллическая структура которого подобна структуре подложки. При этом подложка часто выполняет лишь функции механического носителя.
• Получение маскирующего покрытия — для защиты слоя полупроводника от проникновения примесей на последующих операциях легирования. Чаще всего проводится путём окисления эпитаксиального слоя кремния в среде кислорода при высокой температуре.
• Фотолитография — производится для образования рельефа в диэлектрической плёнке.
• Введение электрически активных примесей в пластину для образования отдельных p- и n-областей — нужно для создания электрических переходов, изолирующих участков. Производится методом диффузии из твёрдых, жидких или газообразных источников, основными диффузантами в кремний являются фосфор и бор.

Термическая диффузия — направленное перемещение частиц вещества в сторону убывания их концентрации: определяется градиентом концентрации. Часто применяется для введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины (или выращенные на них эпитаксиальные слои) для получения противоположного, по сравнению с исходным материалом, типа проводимости либо элементов с более низким электрическим сопротивлением.

Ионное легирование (применяемое при изготовлении полупроводниковых приборов с большой плотностью переходов, солнечных батарей и СВЧ-структур) определяется начальной кинетической энергией ионов в полупроводнике и выполняется в два этапа: полупроводниковую пластину на вакуумной установке внедряют ионы; производится отжиг при высокой температуре. В результате восстанавливается нарушенная структура полупроводника и ионы примеси занимают узлы кристаллической решётки.

• Получение омических контактов и создание пассивных элементов на пластине — с помощью фотолитографической обработки в слое оксида, покрывающем области сформированных структур, над предварительно созданными сильно легированными областями n⁺- или p⁺-типа, которые обеспечивают низкое переходное сопротивление контакта, вскрывают окна. Затем методом вакуумного напыления всю поверхность пластины покрывают слоем металла (металлизируют), излишек металла удаляют, оставив его только на местах контактных площадок и разводки. Полученные таким образом контакты, для улучшения адгезии материала контакта к поверхности и уменьшения переходного сопротивления, термически обрабатывают (операция вжигания). В случае напыления на материал оксида специальных сплавов получают пассивные тонкоплёночные элементы — резисторы, конденсаторы, индуктивности.
• Добавление дополнительных слоёв металла (в современных процессах — около 10 слоёв), между слоями располагают диэлектрик (англ. inter-metal dielectric, IMD) со сквозными отверстиями.
• Пассивация поверхности пластины. Перед контролем кристаллов необходимо очистить их внешнюю поверхность от различных загрязнений. Более удобной (в технологическом плане) является очистка пластин непосредственно после скрайбирования или резки диском, пока они ещё не разделены на кристаллы. Это целесообразно и потому, что крошки полупроводникового материала, образуемые при скрайбировании или надрезании пластин, потенциально являются причиной появления брака при разламывании их на кристаллы с образованием царапин при металлизации. Наиболее часто пластины очищают в деионизированной воде на установках гидромеханической (кистьевой) отмывки, а затем сушат на центрифуге, в термошкафу при температуре не более 60 °C или инфракрасным нагревом. На очищенной пластине определяются дефекты, вносимые операцией скрайбирования и разламывания пластин на кристаллы, а также при ранее проводившихся операциях — фотолитографии, окислении, напылении, измерении (сколы и микротрещины на рабочей поверхности, царапины и другие повреждения металлизации, остатки оксида на контактных площадках, различные остаточные загрязнения в виде фоторезиста, лака, маркировочной краски и т. п.).
• Тестирование неразрезанной пластины. Обычно это испытания зондовыми головками на установках автоматической разбраковки пластин. В момент касания зондами разбраковываемых структур измеряются электрические параметры. В процессе маркируются бракованные кристаллы, которые затем отбрасываются. Линейные размеры кристаллов обычно не контролируют, так как их высокая точность обеспечивается механической и электрохимической обработкой поверхности
• Разделение пластин на кристаллы — механически разделяет (разрезанием) пластину на отдельные кристаллы.
• Сборка кристалла и последующие операции монтажа кристалла в корпус и герметизация — присоединение к кристаллу выводов и последующая упаковка в корпус с последующей его герметизацией.
• Электрические измерения и испытания — проводятся с целью отбраковки изделий, имеющих несоответствующие технической документации параметры. Иногда специально выпускаются микросхемы с «открытым» верхним пределом параметров, допускающих впоследствии работу в нештатных для остальных микросхем режимах повышенной нагрузки (см., например, Разгон компьютеров).
• Выходной контроль, завершающий технологический цикл изготовления устройства, весьма важная и сложная задача (так, для проверки всех комбинаций схемы, состоящей из 20 элементов с 75 (совокупно) входами, при использовании устройства, работающего по принципу функционального контроля со скоростью 10⁴ проверок в секунду, потребуется 10¹⁹ лет)
• Маркировка, нанесение защитного покрытия, упаковка — завершающие операции перед отгрузкой готового изделия конечному потребителю.

Для выполнения требований электронной производственной гигиены строят особо чистые помещения («чистые комнаты»), в которых люди могут находиться только в специальной одежде

Технологии производства полупроводниковой продукции с субмикронными размерами элементов основаны на чрезвычайно широком круге сложных физико-химических процессов: получение тонких плёнок термическим и ионно-плазменным распылением в вакууме, механическая обработка пластин производится по 14-му классу чистоты с отклонением от плоскостности не более 1 мкм, широко применяется ультразвук и лазерное излучение, используются отжиг в кислороде и водороде, рабочие температуры при плавлении металлов достигают более 1500 °C, при этом диффузионные печи поддерживают температуру с точностью 0,5 °C, широко применяются опасные химические элементы и соединения (например, белый фосфор).

Всё это обусловливает особые требования к производственной гигиене, так называемую «электронную гигиену», ведь в рабочей зоне обработки полупроводниковых пластин или на операциях сборки кристалла не должно быть более пяти пылинок размером 0,5 мкм в 1 л воздуха. Поэтому в чистых комнатах на фабриках по производству подобных изделий все работники обязаны носить специальные комбинезоны^[1]. В рекламных материалах Intel спецодежда работников получила название bunny suit («костюм кролика»)^[2][3].

Материалы

Сверхвысокочистый природный кварц является одни из важнейших компонентов, используемых при производстве полупроводников — он применяется при изготовлении тиглей, необходимых для очистки кремниевых пластин^[4].

В процессе производства используется множество токсичных материалов, к ним относятся:

• ядовитые добавки, такие как мышьяк, сурьма и фосфор;
• ядовитые соединения, такие как арсин и фосфин при легировании ионной имплантацией, гексафторид вольфрама, используемые при CVD-осаждении вольфрама в межсоединениях транзисторов, и силаны, используемые для осаждения поликремния^[5];
• высокореактивные жидкости, такие как перекись водорода, дымящая азотная кислота, серная кислота и плавиковая кислота, используемые при травлении и очистке.

Техпроцессы 1970—1980-х

Ранние техпроцессы, до стандартизации NTRS (National Technology Roadmap for Semiconductors) и ITRS, обозначались «xx мкм» (xx микрон), где xx сперва обозначало техническое разрешение литографического оборудования, затем стало обозначать длину затвора транзистора, полушаг линий металла (half pitch) и ширину линий металла. В 1970-х существовало несколько техпроцессов, в частности 20, 10, 8, 6, 4, 3, 2 мкм; в среднем, каждые три года происходило уменьшение шага с коэффициентом 0,7^[6]

Прогресс миниатюризации и сравнение размеров техпроцесса с некоторыми микроскопическими объектами и длиной волны видимого света

3 мкм

3 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1975 году Zilog (Z80) и в 1979 году Intel (Intel 8086). Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 3 мкм.

1,5 мкм

1,5 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому Intel в 1982 году. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 1,5 мкм.

• Intel 80286

0,8 мкм

0,8 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в конце 1980-х — начале 1990-х годов компаниями Intel и IBM.

• Intel 80486 (1989 год)
• MicroSPARC I (1992 год)
• Первые Intel P5 Pentium на частотах 60 и 66 МГц (1993 год)

0,6 мкм / 0,5 мкм

Техпроцесс, достигнутый производственными мощностями компаниями Intel и IBM в 1994—1995 годах.

• 80486DX4 CPU (1994 год)
• IBM/Motorola PowerPC 601, первый чип архитектуры PowerPC
• Intel Pentium на частотах 75, 90 и 100 МГц
• МЦСТ-R100 (1998, 0,5 мкм, 50 МГц)

Техпроцессы 1990-х годов

Обозначения для техпроцессов, внедренных начиная с середины 1990-х годов, были стандартизованы NTRS и ITRS и стали называться «Technology Node» или «Cycle». Реальные размеры затворов транзисторов логических схем стали несколько меньше, чем обозначено в названии техпроцессов 350 нм — 45 нм благодаря внедрению технологий resist-pattern-thinning и resist ashing. С этих пор коммерческие названия техпроцессов перестали соответствовать длине затвора^[6][7].

С переходом на следующий техпроцесс ITRS площадь, занимаемая стандартной ячейкой 1 бита памяти SRAM, в среднем уменьшалась вдвое. В период с 1995 по 2008 года такое удвоение плотности транзисторов происходило в среднем каждые 2 года^[6].

350 нм

350 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1995—1997 годах ведущими компаниями — производителями микросхем, такими как Intel, IBM, и TSMC. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,35 мкм.

• AMD Am5x86 1995
• AMD K5 1996
• AMD K6 (Model 6) 1997
• Intel Pentium MMX (P55)
• Intel Pentium Pro
• Pentium II (Klamath)
• МЦСТ-R150 (2001, 150 МГц)

250 нм

250 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1998 году ведущими компаниями — производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,25 мкм.

Используется до 6 слоёв металла, минимальное количество литографических масок — 22^{[источник не указан 3508 дней]}.

• AMD K6 (Model 7) 1998
• AMD K6-2 1998
• AMD K6-III 1999
• Pentium II (Deschutes)
• Pentium III (Katmai)

180 нм

180 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1999 году ведущими компаниями — производителями микросхем. Соответствует удвоению плотности размещения по отношению к предыдущему техпроцессу 0,25 мкм. Также впервые используются внутренние соединения на основе медных соединений (Copper-based chips) с меньшим сопротивлением, чем у ранее применявшегося алюминия.

Содержит до 6-7 слоёв металла. Минимальное количество литографических масок — около 22^{[источник не указан 3508 дней]}.

• AMD K6-2+ (Model 13) 2000
• AMD K6-III+ (Model 13) 2000
• AMD Athlon (Orion, Pluto) 1999
• AMD Athlon XP (Thunderbird, Palomino)
• Intel Pentium III (Coppermine)
• Intel Pentium 4 Willamette

130 нм

130 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 2001 году ведущими компаниями — производителями микросхем. В соответствии с моделями ITRS^[8], соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 0,18 мкм.

• Intel Pentium III Tualatin — июнь 2001
• Intel Celeron Tualatin-256 — октябрь 2001
• Intel Pentium M Banias — март 2003
• Intel Pentium 4 Northwood — январь 2002
• Intel Celeron Northwood-128 — сентябрь 2002
• Intel Xeon Prestonia и Gallatin — февраль 2002
• AMD Athlon XP Thoroughbred, Thorton и Barton
• AMD Athlon MP Thoroughbred — август 2002
• AMD Athlon XP-M Thoroughbred, Barton и Dublin
• AMD Duron Applebred — август 2003
• AMD K7 Sempron Thoroughbred-B, Thorton и Barton — июль 2004
• AMD K8 Sempron Paris — июль 2004
• AMD Athlon 64 Clawhammer и Newcastle — сентябрь 2003
• AMD Opteron Sledgehammer — июнь 2003
• МЦСТ Эльбрус 2000 (1891BM4Я) — июль 2008
• МЦСТ-R500S (1891ВМ3) — 2008, 500 МГц

Техпроцессы менее 100 нм

Для обозначения более тонких техпроцессов разные технологические альянсы могут следовать различным рекомендациям (Foundry/IDM). В частности, TSMC использует обозначения 40 нм, 28 нм и 20 нм для техпроцессов, сходных по плотности с процессами Intel 45 нм, 32 нм и 22 нм соответственно^[9].

90 нм

90 нм — техпроцесс, соответствующий уровню полупроводниковой технологии, которая была достигнута к 2002—2003 годам. В соответствии с моделями ITRS^[8], соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 0,13 мкм.

Технологический процесс с проектной нормой 90 нм часто используется с технологиями напряженного кремния, а также c новыми диэлектрическими материалами с низкой диэлектрической проницаемостью (low-k-диэлектрик).

• Intel Pentium 4 (Prescott)
• AMD Turion 64 X2 (мобильный)
• МЦСТ-R1000 (4 ядра, 1 ГГц)^[10][11]
• Эльбрус-S (2010)

65 нм

65 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2004 году ведущими компаниями — производителями микросхем. В соответствии с моделями ITRS^[8], соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 90 нм.

• Intel Pentium 4 (Cedar Mill) — 2006-01-16
• Intel Pentium D 900-series — 2006-01-16
• Intel Celeron D (Cedar Mill cores) — 2006-05-28
• Intel Celeron M
• Intel Core — 2006-01-05
• Intel Core 2 — 2006-07-27
• Intel Core 2 Duo
• Intel Core 2 Quad
• Intel Xeon — 2006-03-14
• AMD Athlon 64 — 2007-02-20
• AMD Phenom X3, X4
• AMD Turion 64 X2 (мобильный)
• AMD Turion 64 X2 Ultra (мобильный)
• STI Cell — PlayStation 3 — 2007-11-17
• Microsoft Xbox 360 «Falcon» CPU — 2007-09
• Microsoft Xbox 360 «Opus» CPU — 2008
• Microsoft Xbox 360 «Jasper» CPU — 2008-10
• Microsoft Xbox 360 «Jasper» GPU — 2008-10
• Sun UltraSPARC T2 — 2007-10
• TI OMAP 3 (SoC) — 2008-02
• VIA Nano — 2008-05
• Loongson — 2009
• Эльбрус-4С — 2014

45 нм / 40 нм

45 нм и 40 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2006—2007 годам ведущими компаниями — производителями микросхем. В соответствии с моделями ITRS^[8], соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 65 нм.

Для микроэлектронной промышленности стал революционным, так как это был первый техпроцесс, использующий технологию high-k/metal gate^[12][13] (HfSiON/TaN в технологии компании Intel), для замены физически себя исчерпавших SiO₂/poly-Si

• Intel Core 2 Duo
• Intel Core 2 Quad
• AMD Phenom II X2, X3, X4, X6
• AMD Athlon II X2, X3, X4
• Fujitsu SPARC64 VIIIfx
• XCGPU (APU от GlobalFoundries, с 2010)

32 нм / 28 нм

32 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2009—2010 годам ведущими компаниями — производителями микросхем. В соответствии с моделями ITRS^[8], соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 45 нм.

Осенью 2009 компания Intel находилась на этапе перехода к этому новому техпроцессу^{[14][15][16][17][18]}. С начала 2011 начали производиться процессоры по данному техпроцессу.

В третьем квартале 2010 года на новых мощностях расположенной на Тайване фабрики Fab 12 компании TSMC начался серийный выпуск продукции по технологии, получившей маркетинговое обозначение «28-нанометров»^[19] (не является обозначением, рекомендуемым ITRS).

• Intel Sandy Bridge
• Intel Saltwell
• AMD Bulldozer
• AMD Piledriver^[англ.] (второе поколение Bulldozer)
• APU от AMD: Llano и Trinity (второе поколение AMD APU)
• Многоядерные процессоры Snapdragon фирмы Qualcomm.
• Мобильные процессоры Apple A7, изготовляемые Samsung.
• AMD Steamroller^[англ.] (третье поколение Bulldozer — 2014)^[20][21]
• Baikal-T1 — 2015
• Эльбрус-8С (восьмиядерный процессор серверного класса с архитектурой «Эльбрус» — 2015)^[22][23]

В мае 2011 по технологии 28 нм фирмой Altera была выпущена самая большая в мире микросхема, состоящая из 3,9 млрд транзисторов^[24].

22 нм / 20 нм

22 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2009—2012 годам ведущими производителями микросхем. Соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 32 нм.

22-нм элементы формируются путём фотолитографии, в которой маска экспонируется светом с длиной волны 193 нм^[25][26].

В 2008 году на ежегодной выставке высоких технологий International Electron Devices Meeting в Сан-Франциско технологический альянс компаний IBM, AMD и Toshiba продемонстрировал ячейку памяти SRAM, выполненную по 22-нм техпроцессу из транзисторов типа FinFET, которые, в свою очередь, выполняются по прогрессивной технологии high-k/metal gate (затворы транзистора изготавливаются не из кремния, а из гафния), площадью всего 0,128 мкм² (0,58×0,22 мкм)^[27].

Также о разработке ячейки памяти типа SRAM площадью 0,1 мкм², созданной по техпроцессу 22 нм, объявили IBM и AMD^[28].
Первые работоспособные тестовые образцы регулярных структур (SRAM) представлены публике компанией Intel в 2009 году^[29]. 22-нм тестовые микросхемы представляют собой память SRAM и логические модули. SRAM-ячейки размером 0,108 и 0,092 мкм² функционируют в составе массивов по 364 млн бит. Ячейка площадью 0,108 мкм² оптимизирована для работы в низковольтной среде, а ячейка площадью 0,092 мкм² является самой миниатюрной из известных сегодня ячеек SRAM.

По такой технологии производятся (с начала 2012 года):

• Intel Ivy Bridge / Ivy Bridge-E
• Intel Haswell (последователь Ivy Bridge, со встроенным GPU).
• Intel Bay Trail^[англ.]-M (мобильные Pentium и Celeron (Atom) на микроархитектуре Silvermont; сентябрь 2013)

16 нм / 14 нм

Транзистор с вертикально расположенным затвором (Fin Field Effect Transistor — Полевой с затвором-плавником)

По состоянию на май 2014, компания Samsung продолжала разработки техпроцессов 14 нм LPE/LPP^[30]; а выпускать процессоры для Apple планирует в 2015 году^[31].

По состоянию на сентябрь 2014 TSMC продолжала разработку 16-нм техпроцесса на транзисторах с вертикально расположенным затвором (Fin Field Effect Transistor, FinFET) и планировала начать 16-нм производство в 1 квартале 2015 года^[32].

Согласно экстенсивной стратегии фирмы Intel, уменьшение техпроцесса до 14 нм изначально ожидалось через год после представления чипа Haswell (2013); процессоры на новом техпроцессе будут использовать архитектуру с названием Broadwell. Для критических слоёв техпроцесса 14 нм Intel потребовалось применение масок с технологией Inverse Lithography (ILT) и SMO (Source Mask Optimization)^[33].

• процессоры Celeron N3000, N3050, N3150 и Pentium N3700 (Braswell) — начало продаж — апрель 2015^[34]
• Coffee Lake — десктопные процессоры от Intel (24 сентября 2017)
• AMD Ryzen — десктопные процессоры от AMD (2017)
• Мобильные процессоры Apple A10

Компания МЦСТ в 2021 году представила 16-нм процессор Эльбрус-16С.

В апреле 2018 года AMD представила процессоры Zen+ на улучшенном 14-нм техпроцессе, условно обозначенном как «12 нм»:

• Ryzen 5 2600 и 2600X
• Ryzen 7 2700 и 2700X

Техпроцессы с 2010-х годов по настоящее время

12 нм / 10 нм

Основная статья: 10 nm^[англ.]*

Тайваньский производитель United Microelectronics Corporation (UMC) сообщил, что присоединится к технологическому альянсу IBM для участия в разработке 10-нм CMOS-техпроцесса^[35].

В 2011 году публиковалась информация о планах Intel по внедрению 10-нм техпроцесса к 2018 году^[36], в октябре 2017 Intel сообщил о планах начать производство до конца 2017 года^[37], но в итоге, после выпуска крайне ограниченной партией 10-нм мобильного процессора Intel Core i3-8121U в 2018, массовое производство процессоров Intel по 10-нм техпроцессу началось только в 2019 году для мобильных устройств и в 2020 для десктопных.

Пробный выпуск продукции по нормам 10 нм намечался компанией TSMC на 2015 год, а серийный — на 2016^[38].

В начале 2017 года выпуск 10 нм составлял около 1 % от продукции TSMC^[39].

Samsung запустил 10-нм производство в 2017 году^[40].

• Apple A11 Bionic — 64-битный шестиядерный процессор для iPhone 8 (2017).
• Cannon Lake — первое поколение нескольких моделей 10-нм мобильных процессоров Intel с отключенным графическим ядром^[41].
• Ice Lake — второе поколение 10-нм процессоров Intel.
• Snapdragon 835.
• Snapdragon 845^[42].

7 нм

Основная статья: 7 nm

Модели FinFET структур (справа, полевой с круговым затвором /нанонитевый)

В 2018 году на фабриках TSMC началось производство мобильных процессоров Apple A12^[43], Kirin 980^[44], а также Snapdragon 855^[45]. Производство 7-нм процессоров на архитектуре x86 задерживается, первые образцы на данной архитектуре появляются не раньше 2019 года. Согласно интернет-изданию Russian Tom’s Hardware Guide, с помощью первого поколения 7-нм техпроцесса TSMC может разместить 66 миллионов транзисторов на квадратном миллиметре, в то же время с помощью 10-нм техпроцесса Intel может разместить на аналогичной площади 100 миллионов транзисторов^[46]. Переход на второе поколение^{[прояснить]} 7-нм техпроцесса у TSMC состоялся в 2019 году. Первым массовым продуктом, произведённым по этому техпроцессу, стал Apple A13.

Intel при 7-нм техпроцессе (ожидается в 2022 году)^[47], согласно изданию Hardwareluxx, планирует разместить 242 млн транзисторов на квадратном миллиметре^[48].

Китайская SMIC с 2021 года выпускает 7-нм чипы на своём старом оборудовании^[49]

Продукты:

• Apple A12X (с 2018)
• Zen 2 (микроархитектура) от AMD
  • серверные процессоры Epyc; ожидаются в 2019 году
  • десктопные процессоры Matisse от AMD; в продаже с начала июля 2019 года
  • графический ускоритель Vega от AMD^[50]
• RDNA^[англ.] (микроархитектура) от AMD
• Snapdragon 855
• Snapdragon 865
• Exynos 990
• HiSilicon Kirin 980
• новое поколение 8-ядерных APU Ryzen 4000 (кодовое имя Renoir) от AMD^[51][52]

6 нм / 5 нм

Основная статья: 5 nm

16 апреля 2019 года компания TSMC анонсировала освоение технологического процесса 6 нм в рисковом производстве, что позволяет повысить плотность упаковки элементов микросхем на 18 %, данный техпроцесс является более дешёвой альтернативной техпроцессу 5 нм, он позволяет легко масштабировать топологии, разработанные для 7 нм^[53].

В первой половине 2019 года TSMC начала рисковое производство чипов по 5-нм техпроцессу^[54]; переход на эту технологию позволяет повысить плотность упаковки электронных компонентов на 80 % и повысить быстродействие на 15 %^[55]. Согласно China Renaissance, техпроцесс TSMC N5 включает в себя 170 миллионов транзисторов на квадратный миллиметр^[56].

Samsung в марте 2017 года презентовал дорожную карту по выпуску процессоров по 7- и 5-нм технологиям. В ходе презентации вице-президент Samsung по технологии Хо-Кью Кан отметил, что многие производители столкнулись с проблемой при разработке технологий меньше 10 нм. Однако Samsung справилась с задачей, ключом к которой стало использование полевого транзистора с «кольцевым» затвором (GAAFET^[англ.]*). Эти транзисторы позволят компании продолжить уменьшать элементы до размера 7 и 5 нм. Для изготовления пластин компания применит технологию экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUV)^[57]. В 2020 году Samsung начал массовое производство 5-нм чипов^[58]. Плотность техпроцесса Samsung 5LPE при этом составила 125—130 миллионов транзисторов на квадратный миллиметр^[56].

Первым массовым продуктом, произведённым по 5-нм техпроцессу, стал Apple A14, представленный в сентябре 2020 года. В ноябре 2020 года был представлен процессор Apple M1, предназначенный для компьютеров линейки Macintosh.

4 нм

См. также: 4 nm^[англ.]

В сентябре 2022 года был представлен мобильный процессор Apple A16, выпущенный по 4 нанометрам.

3 нм

См. также: 3 nm

Исследовательский центр ИМЕК (Бельгия) и компания Cadence Design Systems создали технологию и в начале 2018 года выпустили первые пробные образцы микропроцессоров по технологии 3 нм^[59].

По данным TSMC, у которой 3-нанометровая топология появилась в конце 2020 году, переход на неё позволит нарастить производительность процессоров на 10— 15 % в сравнении с нынешними 5-нм чипами, а их энергопотребление снизится на 25—30 %^[60]. Ожидается, что пластина с 3-нм чипами будет стоить на 25 % больше, чем пластина 5-нм чипов^[61].

Samsung была намерена к 2021 году начать производство 3-нанометровой продукции с использованием транзисторов с окружающим затвором (технология GAAFET)^[62][63].

30 июня 2022 года Samsung заявила, что начала массовое производство 3-нм процессоров, став первой компанией, достигшей этого^[64][65], но речь идет о технологии первого поколения, которая применяется для выпуска относительно простых решений для ускорения майнинга. Структурно более сложные компоненты Samsung рассчитывает выпускать уже с использованием 3-нм технологии второго поколения, которая будет освоена к 2024 году (при этом, Samsung рассчитывает превзойти конкурентов типа TSMC и Intel, перейдя на использование технологии GAAFET)^[66].

Intel в сотрудничестве с TSMC планировала в начале 2023 года выпустить свой первый 3-нанометровый процессор (у Intel есть проект дизайна как минимум двух 3-нанометровых чипов, один из них ориентирован на ноутбуки, а второй предназначен для использования в серверах). Также к переходу на 3-нм готовится и Apple с выходом новой модификации планшета iPad Pro^[60].

12 сентября 2023 года Apple выпустила iPhone 15 Pro и iPhone 15 Pro Max на базе 3-нм мобильных процессоров Apple A17 Pro, содержащих 19 миллиардов транзисторов^[67].

2 нм

Основная статья: 2 nm^[англ.]

В мае 2021 года IBM заявила о создании первого 2-нм чипа^[68][69].

У TSMC первые партии чипов по 2-нанометровому техпроцессу будут произведены уже в 2024 году, а в следующем — налажено мелкосерийное производство^[70]. Крупносерийное производство (техпроцесс N2, в котором используются нанолистовые транзисторы с круговым затвором — Gate-all-Around, GAA) начнется, как ожидается, во второй половине 2025 года^[71][72]. По словам генерального директора TSMC, в рамках перехода на 2-нм технологию упор сделан на энергетическую эффективность: скорость переключения транзисторов, непосредственно влияющая на производительность компонента, вырастет на 10—15 % при неизменном энергопотреблении, либо можно будет добиться снижения энергопотребления на 20—30 % при том же уровне быстродействия; плотность размещения транзисторов по сравнению с техпроцессом N3E вырастет только на 20 % (что ниже типичного прироста)^[73]. 2-нм техпроцесс TSMC 2-го поколения — N2P — добавит обратную подачу питания, эта технология будет доступна для массового производства в 2026 году.

1,6 нм / 1,4 нм

Intel в конце 2022 года заявила что после 3-нм и 1,4-нм техпроцессов будет разрабатывать 1 нм. Атом кремния имеет диаметр 0,24 нанометра, таким образом 1 нанометр соответствует 4 атомам кремния в поперечнике. Однако названия последних поколений техпроцессов являются маркетинговыми и не отражают геометрических размеров транзисторов (хотя и иллюстрируют прогресс увеличения плотности транзисторов в чипе).

TSMC показала дорожную карту разработки техпроцессов 2 нм и 16 ангстрем ко второй половине 2026 года. ^[74]

См. также

• Полупроводниковая пластина
• Подложка
• Микротехнология
• Нанотехнология
• Международный план по развитию полупроводниковой технологии (ITRS) — набор плановых документов мировых лидеров полупроводниковой промышленности, для международного планирования производства, исследований и соответствия технологий и техпроцессов в рамках индустрии.
• Тик-так (стратегия)
• Список микроэлектронных производств
• List of semiconductor scale examples^[англ.]

Примечания

1. В качестве средств индивидуальной защиты применяют спецодежду, изготовленную из металлизированной ткани (комбинезоны, халаты, передники, куртки с капюшонами и вмонтированными в них защитными очками)

   — Городилин В. М., Городилин В. В. § 21. Излучения, их действия на окружающую среду и меры борьбы за экологию. // Регулировка радиоаппаратуры. — Издание четвёртое, исправленное и дополненное. — М.: Высшая школа, 1992. — С. 79. — ISBN 5-06-000881-9.

2. Миниатюрность и чистота  (неопр.). Дата обращения: 17 ноября 2010. Архивировано из оригинала 5 августа 2013 года.
3. Intel Museum — From Sand to Circuits  (неопр.). Дата обращения: 17 ноября 2010. Архивировано 20 ноября 2010 года.
4. Весь мир в заложниках у США. Весь нужный для производства электроники чистейший кварц добывают две шахты в Северной Каролине // CNews, 25 марта 2024
5. Baliga, B. Epitaxial Silicon Technology. — Elsevier, December 2, 2012. — ISBN 978-0-323-15545-8.
6. H. Iwai. Roadmap for 22 nm and beyond (англ.) // Microelectronic Engineering. — Elsevier, 2009. — Vol. 86, iss. 7—9. — P. 1520—1528. — doi:10.1016/j.mee.2009.03.129. Архивировано 23 сентября 2015 года.; slides Архивная копия от 2 апреля 2015 на Wayback Machine
7. What does '45-nm' mean, anyway? Архивная копия от 28 марта 2016 на Wayback Machine // EDN, October 22, 2007 "The result was that by about 350 nm (actually called 0.35 micron in those days), the «350 nm» had become simply the name of the process rather than a measure of any physical dimension. "
8. Semiconductor Design Technology and System Drivers Roadmap: Process and Status — Part 3 Архивная копия от 2 апреля 2015 на Wayback Machine, 2013: «ITRS MPU driver model .. scaled the number of logic transistors .. by 2× per technology node. Since dimensions shrink by 0,7× per node, and nominal layout density therefore doubles, this simple scaling model allows die size to remain constant across technology nodes.»
9. Scotten Jones (2014-09-29). "Who Will Lead at 10nm?". SemiWiki. Архивировано 14 июня 2016. Дата обращения: 27 октября 2015.
10. Микропроцессор МЦСТ R1000  (неопр.). Дата обращения: 7 октября 2013. Архивировано 26 апреля 2014 года.
11. Выпуск четырёхъядерного микропроцессора R1000
12. PRESS KIT — First 45nm Chips: Eco-Friendly. Faster. ‘Cooler’.  (неопр.) Дата обращения: 5 января 2014. Архивировано 6 января 2014 года.
13. Intel Demonstrates High-k + Metal Gate Transistor Breakthrough on 45 nm Microprocessors  (неопр.). Дата обращения: 5 января 2014. Архивировано 6 января 2014 года.
14. Intel 32nm Logic Technology Архивная копия от 5 июня 2011 на Wayback Machine (англ.)
15. процессоры Intel по 32-нм технологии  (неопр.). Дата обращения: 6 июня 2010. Архивировано из оригинала 30 марта 2010 года.
16. New Details on Intel’s Upcoming 32nm Logic Technology Архивная копия от 4 ноября 2009 на Wayback Machine (англ.)
17. White Paper Introduction to Intel’s 32nm Process Technology Архивная копия от 24 августа 2009 на Wayback Machine (англ.)
18. High Performance 32nm Logic Technology Featuring 2nd Generation High-k + Metal Gate Transistors  (неопр.). Дата обращения: 6 июня 2010. Архивировано 21 августа 2010 года.
19. TSMC преодолела сложности 40-нанометровой технологии и в этом году начнет выпуск по нормам 28 нм  (неопр.). Дата обращения: 19 июня 2019. Архивировано из оригинала 6 октября 2017 года.
20. AMD исправляет минусы Bulldozer в архитектуре Steamroller  (неопр.). Дата обращения: 13 июля 2013. Архивировано 21 июня 2013 года.
21. Новая архитектура AMD «Steamroller» в 2014? Архивная копия от 28 февраля 2014 на Wayback Machine // 3.01.2013
22. МЦСТ. "Новый 8-ядерный микропроцессор Эльбрус-8С". Архивировано 11 ноября 2020. Дата обращения: 26 июня 2014.
23. Восьмиядерный микропроцессор с архитектурой Эльбрус  (неопр.). Архивировано из оригинала 25 июня 2014 года.
24. Корпорация Altera установила новый отраслевой рекорд — Программируемая вентильная матрица (FPGA) Stratix V  (неопр.). Дата обращения: 29 мая 2011. Архивировано из оригинала 5 марта 2016 года.
25. Новости с прошедшего с 22 по 24 сентября в Сан-Франциско Форума Intel для разработчиков (Intel Developer Forum, IDF) (недоступная ссылка)
26. The Rosetta Stone of Lithography Архивная копия от 28 ноября 2013 на Wayback Machine, 2013-11-20, по материалам Lars Leibmann, The Escalating Design Impact of Resolution-Challenged Lithography. ICCAD 2013
27. IBM, AMD и Toshiba продемонстрировали первую 22-нм ячейку памяти SRAM (недоступная ссылка)
28. IBM и AMD продемонстрируют 22 нм ячейку памяти  (неопр.). Дата обращения: 7 июня 2010. Архивировано из оригинала 5 марта 2016 года.
29. Intel Developer Forum 22nm News Facts  (неопр.). Дата обращения: 6 июня 2010. Архивировано 7 октября 2009 года.
30. Архивная копия от 17 мая 2014 на Wayback Machine // digitimes.com
31. Samsung будет выпускать процессоры для Apple по нормам 14 нм. Архивировано 5 июля 2017 года. // iXBT.com
32. TSMC начнёт 16 нм производство в 1 квартале 2015 года Архивная копия от 1 августа 2014 на Wayback Machine // nvworld.ru
33. V. Singh. EUV: The Computational Landscape EUVL Workshop, 2014 Архивная копия от 22 декабря 2015 на Wayback Machine «ILT+SMO are used to sharpen the image of critical masks for 14nm and 10nm nodes»
34. Intel начинает продажи 14-нм процессоров Celeron N3000, N3050, N3150 и Pentium N3700 (Braswell) Архивная копия от 3 апреля 2015 на Wayback Machine // itc.ua, 1.04.2015
35. UMC присоединится к IBM в разработке 10-нм техпроцесса  (неопр.). Дата обращения: 17 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
36. Просочившийся слайд Intel указывает на 10-нм техпроцесс в 2018 году Архивная копия от 23 декабря 2011 на Wayback Machine // 3DNews
37. 10-нанометровые процессоры Intel все же появятся в этом году, но в очень ограниченном количестве Архивная копия от 30 октября 2017 на Wayback Machine // IXBT.com, окт 2017
38. В будущем году TSMC планирует начать пробный, а в 2016 году — серийный выпуск продукции по нормам 10 нм Архивная копия от 10 февраля 2019 на Wayback Machine // IXBT.com
39. Архивная копия от 7 ноября 2017 на Wayback Machine // eetimes.com
40. // eetimes.com / Архивная копия от 7 ноября 2017 на Wayback Machine
41. 10-нанометровые процессоры Intel Ice Lake могут задержаться до 2020 года (тот факт, что у Intel не срослось с 10-нанометровым техпроцессом, уже давно не является секретом) Архивная копия от 18 сентября 2018 на Wayback Machine // IXBT.com, 18 сентября 2018
42. Технические характеристики Snapdragon 845 | AndroidLime  (рус.). androidlime.ru. Дата обращения: 23 мая 2018. Архивировано 24 мая 2018 года.
43. "Началось производство процессоров Apple A12 для новых iPhone". Wylsacom. 2018-05-23. Архивировано 1 августа 2018. Дата обращения: 1 августа 2018.
44. "Huawei запустила производство процессора Kirin 980 для Mate 20, P30 и других смартфонов". AKKet. 2018-04-08. Архивировано 1 августа 2018. Дата обращения: 1 августа 2018.
45. "Snapdragon 855 запущен в массовое производство". android-1.com. Архивировано 1 августа 2018. Дата обращения: 1 августа 2018.
46. AMD Ryzen 3000: всё, что вам нужно знать о ЦП нового поколения  (неопр.). THG.ru (5 февраля 2019). Дата обращения: 7 марта 2019. Архивировано 7 марта 2019 года.
47. График выхода 7-нм продуктов Intel в 2022 году будет достаточно плотным Архивная копия от 12 декабря 2019 на Wayback Machine // 3DNews, 11.12.2019
48. Андрей Шиллинг. Сравнение техпроцессов: TSMC 5 нм, Intel 10 нм и GloFo 7 нм  (неопр.). «Hardwareluxx» (18 мая 2018). Дата обращения: 10 сентября 2019. Архивировано 9 марта 2019 года.
49. Китайская SMIC уже около года выпускает 7-нм чипы на старом оборудовании — они похожи на решения TSMC Архивная копия от 22 июля 2022 на Wayback Machine // 3DNews, 21.07.2022
50. AMD: первые такие CPU выйдут только в следующем году Архивная копия от 3 ноября 2018 на Wayback Machine // IXBT.com, ноябрь 2018
51. AMD готовится к захвату рынка ноутбуков с помощью 7-нм APU Ryzen 4000 Архивная копия от 5 апреля 2020 на Wayback Machine // 3DNews, 16.03.2020
52. AMD Zen 3 CPUs Deliver New Architecture, Significant IPC Gains & More (англ.). Дата обращения: 14 января 2020. Архивировано 26 декабря 2019 года.
53. TSMC Unveils 6-nanometer Process (англ.). TSMC. Дата обращения: 18 апреля 2019. Архивировано 18 апреля 2019 года.
54. TSMC завершила разработку 5-нм техпроцесса — началось рисковое производство  (рус.). 3DNews. Дата обращения: 10 апреля 2019. Архивировано 8 апреля 2019 года.
55. TSMC and OIP Ecosystem Partners Deliver Industry’s First Complete Design Infrastructure for 5nm Process Technology (англ.). TSMC. Дата обращения: 18 апреля 2019. Архивировано 14 апреля 2019 года.
56. Константин Ходаковский. TSMC рассказала о перспективных техпроцессах: 2 нм — в разработке, 3 нм и 4 нм — на пути к производству в 2022 году  (неопр.). 3dnews.ru (27 апреля 2021). Дата обращения: 28 апреля 2021. Архивировано 28 апреля 2021 года.
57. Samsung ramping up to 7nm next year Архивная копия от 13 июля 2017 на Wayback Machine // fudzilla.com
58. Алексей Разин. Samsung приступила к массовому производству 5-нм чипов и готовится предложить 4-нм  (неопр.). 3dnews.ru (2 ноября 2020). Дата обращения: 28 апреля 2021. Архивировано 7 ноября 2020 года.
59. Imec and Cadence Tape Out Industry’s First 3nm Test Chip  (неопр.). Дата обращения: 18 марта 2018. Архивировано 18 марта 2018 года.
60. Intel совершает рекордный скачок технологий. Она перейдет от 10-нм чипов к суперсовременным 3-нм // CNews, 2 июля 2021 / Архивная копия от 23 января 2022 на Wayback Machine
61. Одна пластина с 3-нм чипами TSMC будет стоить $20 тысяч — на 25 % больше, чем пластина 5-нм чипов // 23.11.2022
62. Samsung планирует начать массовое производство по 3-нм техпроцессу в 2021 году  (рус.). 3DNews Daily Digital Digest. Дата обращения: 10 апреля 2019. Архивировано 10 апреля 2019 года.
63. Samsung Plans Mass Production of 3nm GAAFET Chips in 2021 (англ.). Tom's Hardware (11 января 2019). Дата обращения: 18 января 2019. Архивировано 15 сентября 2022 года.
64. «Samsung Шредингера»: производство новейших 3-нм процессоров не такое массовое, как было заявлено // Ferra.ru, 10 июля 2022 / Архивная копия от 10 июля 2022 на Wayback Machine
65. визит в Южную Корею — президент США Джозеф Байден оставил автограф на кремниевой пластине с образцами первых 3-нм чипов производства Samsung Electronics Архивная копия от 5 августа 2022 на Wayback Machine // 3.08.2022
66. Samsung будет выпускать по 3-нм технологии графические процессоры для NVIDIA и центральные для IBM // 23.11.2022
67. Apple Event - September 12  (рус.). Дата обращения: 12 сентября 2023. Архивировано 12 сентября 2023 года.
68. https://www.cnews.ru/news/top/2021-05-06_sozdan_pervyj_v_mire_protsessor  (неопр.). cnews.ru. Дата обращения: 6 мая 2021. Архивировано 6 мая 2021 года.
69. Dr. Ian Cutress. IBM Creates First 2nm Chip  (неопр.). anandtech. Дата обращения: 6 мая 2021. Архивировано 6 мая 2021 года.
70. TSMC ускорила разработку 2-нм техпроцесса — первые чипы будут готовы в этом году Архивная копия от 6 июля 2024 на Wayback Machine // Хайтек+, 6 июня 2023
71. TSMC построит две новые фабрики для массового производства 2-нм чипов Архивная копия от 5 июля 2024 на Wayback Machine // Хайтек+, 22 января 2024
72. TSMC анонсировала техпроцесс N2 — 2-нм чипы появятся в 2026 году Архивная копия от 22 июля 2022 на Wayback Machine // 3DNews, 16.06.2022
73. TSMC могла бы улучшить характеристики 2-нм техпроцесса, но вышло бы слишком дорого Архивная копия от 22 июля 2022 на Wayback Machine // 3DNews, 15.07.2022
74. TSMC's Roadmap at a Glance: N3X, N2P, A16 Coming in 2025/2026  (неопр.). Дата обращения: 26 мая 2024. Архивировано 26 мая 2024 года.

Литература

• Готра З. Ю. Справочник по технологии микроэлектронных устройств. — Львов: Каменяр, 1986. — 287 с.
• Бер А. Ю., Минскер Ф. Е. Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. — М.: «Высшая школа», 1986. — 279 с.
• Пирс К., Адамс А., Кац Л. Технология СБИС. В 2-х кн. — М.: Мир, 1986. — 404 с.
• Ханке Х. И., Фабиан Х. Технология производства радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Энергия, 1980. — 463 с.
• Бушминский И. П., Морозов Г. В. Технологическое проектирование микросхем СВЧ. — М.: МГТУ, 2001. — 356 с. — ISBN 5-7038-1687-4.

Ссылки

• Закон Мура против нанометров. Всё, что вы хотели знать о микроэлектронике, но почему-то не узнали… // ixbt.com, 2 ноября 2011
• Как считают нанометры, как их на самом деле надо считать, и почему не все с этим согласны // ixbt.com, 31 декабря 2020
• Список техпроцессов (англ.). IC Knowledge Llc (ноябрь 2015). Дата обращения: 23 ноября 2015. Архивировано из оригинала 24 ноября 2015 года.