IBM Breek Nieuw Grond met 7nm FinFET Technologie met EUV Lithografie

Deze vierde aflevering van onze vier-delige serie verkent IBM's breekbare papers gepresenteerd op IEDM 2016.

IEDM, het wereldwijde toonaangevende forum voor semiconductor en elektronische apparaat innovatie, hostte IBM's nieuwste doorbraken: een scanning-probe thermometer, een lucht spacer voor 10nm chips, een 7nm FinFET prototype, en pionerend koolstof-nanotube werk. De papers en talks, gepresenteerd door IBM onderzoekers en partners, werden gehighlight op dit jaar San Francisco congres.

Het congres toonde vier IBM papers die de next generation computing exemplificeren - Moore's Law duwende, architecturen innovierend en nieuwe materialen leverend. Dit finale artikel focust op de 7nm FinFET paper getiteld "A 7nm FinFET Technology Featuring EUV Patterning and Dual-Strained High-Mobility Channels," geauthoreerd door Ruilong Xie, een senior technical staff member bij GlobalFoundries, en collaboratoren van IBM's Albany Nanotech Center.

In juli onthulden IBM en zijn Alliantie partners de werelds eerste 7nm test chips, bereikt door Extreme Ultraviolet (EUV) lithografie en de adoptie van Silicon Germanium (SiGe) als transistor kanaal materiaal.

Van Silicium naar Silicon Germanium

De IEDM paper demonstreert dat SiGe-gebaseerde FinFETs voldoen aan de 10nm technologie ground rules terwijl ze superieure prestaties leveren. Deze benadering maakt zowel low-power als high-performance apparaten op een enkele chip mogelijk zonder beide te compromitteren, wat SiGe positioneert als een overtuigend CMOS alternatief.

SiGe vergroot chip schaling door spanning te introduceren via lattice mismatch - grotere germanium atomen in een silicium matrix - wat carrier mobiliteit verhoogt en hogere stroom bij verminderde spanning toelaat. Gekoppeld met verminderde parasitair weerstand en capaciteit, schetste het team een 7nm roadmap die 40% betere prestaties op dezelfde stroom bereikt als een 10nm node.

Extreem kleine golflengtes van licht

EUV gebruikt een 13,5nm golflengte - ver korter dan het traditioneel gebruikte 193nm licht - wat het etsen van tot 20 miljard 7nm transistors per wafer mogelijk maakt. Echter, om deze densiteit te realiseren, moet het proces betrouwbaar, consistent en schaalbaar worden.

Lithografie lijkt op traditionele fotografische printing: een wafer wordt blootgesteld aan licht dat door een masker passeert. De bereikbare lijnbreedtes hangen af van zowel het maskerpatroon als de lichtgolflengte. Met 193nm licht vereisen sub-feature patronen vaak meerdere blootstellingstappen, wat doorvoering beperkt.

Deze multi-pattern benadering laagt opeenvolgende blootstellingen - analoog aan Japans houtsneden - om features te verfijnen, maar introduceert prestatie degradatie. Terwijl acceptabel voor consumentenapparaten, belemmert het de betrouwbaarheid gevraagd door supercomputers en missie-kritieke systemen. Gevolgdrijvend nastreeft IBM EUV lithografie voor 7nm chips.

Boven links: Een schematische beschrijving van dual-gestresse kanaalmaterialen op de SRB met een super-steile retrograde well (SSRW), samen met TEM beelden van (a) de tractie-gespannen silicium vin en (b) de compressief gespannen SiGe vin op een gemeenschappelijke SRB. Boven rechts: Een TEM beeld van een 48nm contacted polysilicon pitch apparaat met een geoptimaliseerde self-aligned contact met een contact opening van ~10nm en Lmetal van ~15nm. Onder midden: illustratie en grafiek tonen dat het graaf epitaxiale proces gelijktijdig ground rules en contact weerstand reductie bereikt na implant en anneal optimalisaties.

Met 13,5nm EUV kan een enkele, hoge-getrouwheid blootstelling een 7nm patroon produceren, wat multi-patterning elimineert. De overgebleven obstakel is het overgang van EUV van demonstratie naar massaproductie - een evolutie die paralellelt met IBM's System 360 legacy, die evolveerde naar vandaag de geavanceerde processors door rigoureuze verfijning.

EUV lichtproductie begint met een gesmolten tin druppel in vacuüm, vormend een sferisch target. Een CO₂ laser vormt en stuurt de druppel; een tweede, krachtigere CO₂ laser verdampt dan het tin, emittend 13,5nm fotonen. Deze fotonen worden verzameld en gefocust op de wafer door een serie hoog-reflecterende spiegels.

Hoewel het EUV proces complex is, bevestigen de teamresultaten dat 7nm chips gefabriceerd met EUV hoge kwaliteit en prestaties bereiken. Dit ebent de weg voor betrouwbare, hoogpresterende componenten die aan de strenge eisen van next-generation supercomputers voldoen.

Lees deel één: Hotspot mapping
Lees deel twee: Een ander soort chip met koolstofnanotubes
Lees deel drie: Lucht spacers voor 10nm chips