Продвижение к 7 нм

Это четвертая часть из серии из четырех статей о докладах IBM, представленных на IEDM 2016.

Ежегодная международная конференция по электронным устройствам является «ведущим в мире форумом для сообщения о технологических достижениях в области полупроводниковых и электронных устройств, дизайна, производства, физики и моделирования». Поэтому исследователи IBM принесли свой сканирующий зонд-термометр, свою воздушную прокладку для 10-нанометрового чипа, свой 7-нм чип, и, чтобы не уступать кремнию, они также принесли свои углеродные нанотрубки. Эти доклады и презентации сотрудников IBM и многих партнеров примут участие в конференции на этой неделе в Сан-Франциско.

В рамках IEDM представлены четыре доклада IBM, которые являются одними из лучших примеров переосмысления вычислений на конференции - расширения закона Мура, создания новых архитектур и использования новых материалов, выходящих за рамки этого. Вот более подробный взгляд на эти документы и ученых, стоящих за работой. Последний выпуск серии посвящен статье «7-нанометровая технология FinFET с использованием EUV-паттерна и каналов высокой мобильности с двойным напряжением», подготовленную Жуйлонгом Се, старшим членом технического персонала GlobalFoundries, и членами команды IBM в Центре нанотехнологий в Олбани. .

В июле прошлого года IBM и ее партнеры по альянсу объявили, что они разработали первые в мире 7-нм чипы для тестирования узлов. Прорыв произошел благодаря применению литографии Extreme Ultaviolet (EUV) - технологии использования света для травления узоров на других материалах - и использования кремний-германия (SiGe) в качестве материала канала в транзисторе.

От кремния до кремния германия

В документе IEDM команды показано, что «технология FinFET на основе SiGe продемонстрировала повышение производительности с соблюдением основных правил технологии 10 нм (отраслевые стандарты), предоставив элегантные решения для жизнеспособного варианта технологии CMOS. Одним из этих элегантных решений является возможность использования как устройств с низким энергопотреблением, так и устройств с высокой производительностью на одном кристалле - без потери производительности или вариативности на одном типе устройства по сравнению с другим », как поясняется в разделе Новшество материалов до 7 нм .

Кроме того, SiGe раздвигает границы масштабирования кристалла, изменяя способ прохождения тока через канал транзистора. Оказывается, что, добавляя более крупные атомы германия к кристаллу, состоящему из более мелких атомов кремния, в кристалле возникает рассогласование решеток, вызывая напряжение в канале транзистора. Эта деформация позволяет пропускать через канал больше тока при более низких напряжениях. Таким образом, используя SiGe в качестве материала канала в сочетании с инновациями в области паразитного сопротивления и уменьшения емкости, команда смогла наметить дорожную карту для 7-нм чипа, сохраняя при этом баланс между мощностью и производительностью - производительность при постоянной мощности, которая, как было показано на IEDM , На 40 процентов лучше, чем 10-нм чип!

Чрезвычайно малые длины волн света

Используемый свет с длиной волны всего 13,5 нм намного короче, чем сегодня стандартный свет с длиной волны 193 нм, что делает его способным травить 20 миллиардов транзисторов 7 нм на кристалле. Но прежде чем команда сможет разместить такое количество переключателей на микросхеме, им необходимо сделать технологию, лежащую в основе использования такой короткой длины волны, последовательным, контролируемым и повторяемым процессом.

Чтобы изготовить чипы с использованием литографии, пластина подвергается воздействию светового узора почти так же, как все негативы нецифровых фотографий печатаются на контактной бумаге - она ​​удерживается над пластиной, а свет проходит через маску (`` негатив '') . Размер линий и проводов, которые можно напечатать с помощью этой техники, отражает не только размер линий на маске, но также длину волны используемого света. Сегодня, используя свет с длиной волны 193 нм, пластину можно экспонировать несколько раз, если требуемый рисунок меньше, чем то, что 193 нм может создать сам по себе.

Таким образом, как и в случае с японской гравюрой на дереве, узор за рисунком накладывается на поверхность пластины, чтобы получить более сложный и меньший по размеру чип. Однако этот метод множественного паттерна вызывает ухудшение качества; что может быть не столь критичным для микросхем в устройствах массового производства, таких как смартфоны, но является серьезным препятствием для суперкомпьютеров и специализированных систем, требующих очень высокой надежности. И хотя производство 7-нм чипов таким способом технически возможно, это большая причина, по которой IBM решила изучить, как создавать 7-нм чипы с использованием технологии EUV.

Вверху слева: Схематическое описание материалов канала с двойным напряжением на SRB со сверхкрутой ретроградной скважиной (SSRW), а также ПЭМ-изображения (a) деформированного при растяжении кремниевого ребра и (b) деформированного при сжатии SiGe-ребра на общем SRB. Вверху справа: ПЭМ-изображение устройства с контактным поликремнием с шагом 48 нм с оптимизированным самовыравнивающимся контактом с контактным отверстием ~ 10 нм и Lmetal ~ 15 нм. Внизу посередине: Иллюстрация и график показывают, что эпитаксиальный процесс траншеи одновременно соответствует основным правилам и снижению контактного сопротивления после оптимизации имплантата и отжига.

При использовании 13,5-нм EUV требуется всего один шаблон высокой точности для печати одного рисунка на 7-нм чипе. Задача EUV - как довести технологию до готовности к производству. Подобно тому, как IBM System 360, построенная в 1964 году, привела к появлению современных меньших и более быстрых машин за счет доработки, масштабирования и инженерных усилий, EUV придется развиваться аналогичным образом.

Подумайте вот о чем:для генерации света 13,5 нм устройство EUV выпускает каплю расплавленного олова в вакуум (для получения сферической формы), на которую затем попадает лазер на углекислом газе, который сглаживает ее и перемещает под определенным углом. Олово, все еще падающее, затем подвергается удару и испаряется с помощью другого более мощного углекислотного лазера, который испускает свет с длиной волны 13,5 нм, который затем улавливается и фокусируется на пластине с помощью специальных зеркал.

Хотя процесс использования этого 13,5-нм света сложен, работа групп доказывает, что создание 7-нм чипа с использованием EUV возможно и обеспечивает высококачественные результаты. Это должно означать, что специализированные высоконадежные микросхемы для будущих высокопроизводительных систем могут быть изготовлены в соответствии с требованиями суперкомпьютеров и систем следующего поколения.

Прочтите первую часть:Отображение горячих точек
Прочтите часть вторую:Еще один вид чипа с углеродными нанотрубками
Прочтите третью часть:Воздушные прокладки для 10-нм чипов