Сказание о 45 нанометрах инжинера-исследователя Келин Кун

16 февраля 2009, 17:15

11 февраля в США – праздник – День изобретателя. В честь этого праздника заслуженный инженер-исследователь (Intel Fellow) корпорации Intel Келин Кун (Kelin Kuhn) поделилась своими мыслями о том, какими качествами должен обладать изобретатель.

Я перестала читать научную фантастику, когда в конце 2003 года оказалась в команде разработчиков 45-нм производственной технологии. Это произошло не потому, что у меня не было времени на чтение, хотя отчасти это верно, а потому что по сравнению с нашей работой фантастика стала казаться скучной.

Intel Penryn 45 nm 300mm wafer

30-сантиметровая пластина

(в диаметре) с процессорами Intel Penryn, выполненными по технологии 45 нанометров

Разработка 45-нм производственного процесса началась, как и всегда, с выработки основных проектных норм. Проектные нормы – список максимальных и минимальных размеров основных компонентов.

Занимаясь разработкой производственных технологий, я привыкла к тому, что новые проектные нормы всегда кажутся невыполнимыми – и 45-нм технология не была исключением. Когда был составлен первый набор проектных норм, моей реакцией на них было обычное: «ЛЮДИ НЕ МОГУТ СДЕЛАТЬ ЭТО». Надо сказать, что со временем я научилась сдерживать в себе эту реакцию, потому что мы ВСЕГДА заставляли все это работать – поколение за поколением. Однако я никогда не могу побороть это ощущение, когда первый раз знакомлюсь с нормами проектирования.

Kelin Kuhn

Почему я всегда испытываю такую реакцию? Подумайте, о каких размерах мы говорим. До прихода в Intel я была профессором в университете и занималась лазерами и оптикой. Я знала, что фотоотпечаток объекта не может быть меньше длины волны света, используемого для проекции. Работая над 45-нанометровой технологией, мы регулярно создаем транзисторы, размер которых по крайней мере в пять раз меньше длины волны ультрафиолетового (УФ) излучения, применяемого для получения отпечатка. Ячейка статической памяти, изготовляемой по 45-нм процессу, меньше красного кровяного тельца человека.

Intel 45nm transistor

Фотография 45-нанометрового транзистора

При разработке 45-нм производственной технологии мы столкнулись с критичной проблемой, описание которой уместнее звучало бы на борту звездолета, а не в реальной жизни. Перед нами стояла задача: изобрести процесс производства транзисторов, который позволит значительно уменьшить интенсивность квантово-механического туннельного перехода электронов через барьер. Вы можете подумать: а для чего это нужно? Дело в том, что если не избавиться от этого нежелательного явления, наши микросхемы будут слишком сильно нагреваться и потреблять так много электроэнергии, что для них нельзя будет найти практического применения.

В конце 90-х команда сотрудников подразделения Components Research Group корпорации Intel под руководством Роберта Чау (Robert Chau) начала поиск решений этой проблемы. Они установили, что заменив традиционный диэлектрик затвора на диэлектрический материал Hi-K с добавками оксида гафния, можно существенно уменьшить квантово-механическое «туннелирование» электронов. Они также обнаружили, что для организации эффективного производства материалов Hi-K на основе гафния необходимо изготавливать электрод затвора из другого материала – вместо поликристаллического кремния использовать металл. Позвольте мне ненадолго отвлечься и объяснить, почему нам стало так страшно.

45nm pic

В то время (конец 2003 – начало 2004 гг.) единственные рабочие транзисторы с диэлектриками high-k и металлическими затворами были получены в рамках исследовательских программ, и технологии их производства просто не существовало. Чтобы понять, на какой стадии находились разработки таких транзисторов, в качестве примера можно привести нашу основополагающую исследовательскую статью [Дэйтта (Datta) и др., IEDM 2003, стр. 653-655]. В ней демонстрировались важные особенности (встраивание напряженного кремния и три варианта снижения утечки в затворе), но основные научные факты об этих материалах еще были предметом спора. В то время на конференциях и экспертных дискуссиях шли горячие дебаты между учеными и университетскими специалистами по самым фундаментальным аспектам физики этих материалов.

45nm wafer and coin

Мысль о том, что Intel сможет всего за четыре года перейти от экспериментальной стадии изготовления таких структур к их рентабельному производству, казалась фантастической. Сегодня я вспоминаю, как происходило внедрение 45-нм процесса. Я до сих пор восхищаюсь тем, что нам удалось реализовать эту новаторскую составную архитектуры транзисторов (а также удовлетворить напряженным производственным требованиям). Мы снова подтвердили справедливость закона Мура, за два года совершив переход с 65-нм на 45-нм производственный процесс.

45nm vs 65nm

График, на котором показан процесс постепенного смещения 65-нм процессоров 45-нанометровыми

Одна из проблем при разработке технологии состоит в том, что любая инновация вызывает у «критиков» однозначную реакцию: «Это не будет работать»! Транзисторы с диэлектриками high-k и металлическими затворами не были исключением.

Мой отец говорил: «Непрофессионал считает, что все должно работать, и удивляется, когда что-то не работает. Профессионал уверен, что ничего не должно работать, и удивляется, когда что-то заработало». Это шутливое высказывание отражает истинную правду. При решении трудной задачи на «укрощение» вещей, которые работают неправильно, затрачивается столько энергии, что когда наконец приходит успех, его можно даже не заметить.

В научной фантастике (к сожалению, даже в лучших произведениях) главному герою приходит в голову блестящая мысль, и алле-гоп! – через несколько дней она уже реализована. Было бы здорово, если бы такое происходило и в реальной жизни, но это не так. Позволю себе поделиться одной важной мыслью: разработка 45-нм производственного процесса стала отличным подтверждением афоризма Томаса Эдисона: “Гений – это десять процентов вдохновения и девяносто процентов потения”.

45nm die

В случае с 45-нм производственным процессом 10 процентов «вдохновения» пришлось на одну основополагающую инновацию (объединение диэлектрика на основе гафния и металлического затвора). Остальные 90 процентов составляло «потение» – множество талантливых людей постоянно вносило последовательные улучшения в самых разных областях – включая рост процента выхода годной продукции, повышение надежности и увеличение быстродействия транзисторов. Только благодаря их усилиям была реализована 45-нм технология для производства транзисторов с диэлектриками high-k и металлическими затворами.

Хотя Келин шутит, что ей некогда читать научную фантастику, назовем три ее любимые книги: «Луна – суровая хозяйка» Роберта Хайнлайна, «Машина Творения» Джеймса Хогана и «Мирабель» Джанет Каган.