IBM проложила новый путь с 7-нм FinFET технологией, используя EUV-литографию

Эта четвертая часть нашей четырехчастной серии исследует прорывные статьи IBM, представленные на IEDM 2016.

IEDM, мировой ведущий форум инноваций в полупроводниках и электронных устройствах, принял последние прорывы IBM: сканирующий зондовый термометр, воздушный спейсер для 10-нм чипов, 7-нм FinFET прототип и пионерскую работу с углеродными нанотрубками. Статьи и доклады, представленные исследователями IBM и партнерами, были подсвечены на этом году в Сан-Франциско.

Конференция представила четыре статьи IBM, образцовые для следующего поколения вычислений — толкающие Закон Мура, инновирующие архитектуры и использующие новые материалы. Эта финальная статья фокусируется на 7-нм FinFET статье «A 7 nm FinFET Technology Featuring EUV Patterning and Dual‑Strained High‑Mobility Channels», автором которой является Руйлонг Сье, старший технический сотрудник GlobalFoundries, и коллабораторы из IBM Albany Nanotech Center.

В июле IBM и партнеры Альянса анонсировали мировые первые 7-нм тест-чипы, достигнутые через Extreme Ultraviolet (EUV) литографию и принятие кремний-германия (SiGe) как материала транзисторного канала.

От кремния к кремний-германию

Статья IEDM демонстрирует, что SiGe-базированные FinFETы соответствуют 10-нм технологическим ground rules, доставляя превосходную производительность. Этот подход позволяет интегрировать и низкопотребляющие, и высокопроизводительные устройства на одном чипе без компромиссов, позиционируя SiGe как убедительную CMOS-альтернативу.

SiGe расширяет масштабирование чипа, вводя напряжение через lattice mismatch — более крупные атомы германия в кремниевой матрице — повышая подвижность носителей и позволяя более высокий ток при сниженном напряжении. В сочетании с уменьшенным паразитным сопротивлением и емкостью, команда обозначила 7-нм дорожную карту, достигающую 40% лучшей производительности при том же питании, что 10-нм узел.

Экстремально малые длины волн света

EUV использует 13,5-нм длину волны — далеко короче традиционных 193-нм — позволяя травление до 20 миллиардов 7-нм транзисторов на вейфере. Однако, для реализации этой плотности процесс должен стать надежным, последовательным и масштабируемым.

Литография напоминает традиционную фотопечать: вейфер экспонируется свету, проходящему через маску. Достижимые ширины линий зависят от паттерна маски и длины волны света. С 193-нм светом суб-фичер паттерны часто требуют множественных экспозиций, лимитируя пропускную способность.

Этот мульти-паттерн подход накладывает последовательные экспозиции — аналогично японскому гравюре — для уточнения фич, но вводит деградацию производительности. Приемлемо для потребительских устройств, но препятствует надежности, требуемой суперкомпьютерами и миссионно-критичными системами. Следовательно, IBM преследует EUV-литографию для 7-нм чипов.

Верхний левый: схематическое описание dual-stressed канальных материалов на SRB с super-steep retrograde well (SSRW), вместе с TEM-изображениями (a) tensile-strained кремниевого фина и (b) compressively strained SiGe фина на общем SRB. Верхний правый: TEM-изображение 48-нм contacted polysilicon pitch устройства с оптимизированным self-aligned контактом с открытием ~10 нм и Lmetal ~15 нм. Нижний центр: иллюстрация и график показывают, что trench epitaxial процесс одновременно соответствует ground rules и снижению контактной резистивности после имплантации и отжига оптимизаций.

С 13,5-нм EUV единичная высокоточная экспозиция может произвести 7-нм паттерн, устраняя мульти-паттернинг. Оставшаяся преграда — переход EUV от демонстрации к массовому производству — эволюция, параллельная наследию IBM System 360, эволюционировавшему в сегодняшние передовые процессоры через строгое уточнение.

Генерация EUV света начинается с расплавленной капли олова в вакууме, формирующей сферическую мишень. CO₂ лазер формирует и направляет каплю; второй, более мощный CO₂ лазер затем испаряет олово, испуская 13,5-нм фотоны. Эти фотоны собираются и фокусируются на вейфер серией высокорефлективных зеркал.

Хотя EUV процесс сложен, результаты команды подтверждают, что 7-нм чипы, фabрикованные с EUV, достигают высокого качества и производительности. Это пролагает путь к надежным высокопроизводительным компонентам, способным удовлетворить строгие требования суперкомпьютеров следующего поколения.

Читайте часть первую: Mapping hot spots
Читайте часть вторую: Another kind of chip with carbon nanotubes
Читайте часть третью: Air spacers for 10nm chips