Euv: n lupaukset ja haasteet globalfoundries -yrityksissä

Yksi syy siihen, että olin niin kiinnostunut käymään GlobalFoundriesissa aiemmin tässä kuussa, oli mahdollisuus nähdä EUV: n litografialaite paikallaan ja kuulla siitä, kuinka yritys aikoo käyttää sitä.

Minulla ei ollut kauan sitten mahdollisuutta käydä Connecticutin tehtaalla, jossa ASML rakentaa monia komponentteja tällaiseen EUV-koneeseen. Nämä valtavat työkalut käyttävät äärimmäisen ultraviolettivaloa (EUV), joka loisti maskin läpi ääriviivojen rajaamiseksi sirujen pienille ominaisuuksille, ja ne ovat eräs maailman monimutkaisimmista koneista. Ne on suunniteltu korvaamaan nykyiset standardit upottavat litografiakoneet, jotka käyttävät valoa, jonka aallonpituus on 193 nm, joissakin sirujen valmistusprosessien kerroksissa.

EUV-kone on uskomattoman monimutkainen. Kuten GlobalFoundriesin teknologiatutkimuksen johtaja George Gomba selitti, prosessi alkaa 27 kilovatin hiilidioksidilla laserilla, joka laukaistaan ​​säteen kuljetus- ja tarkennusjärjestelmän läpi pienille pisarakokoille (läpimitta noin 20 mikronia), joita pisarageneraattori tuottaa. plasma-astiassa. Ensimmäinen pulssi tasoittaa pisaroita ja toinen höyrystää sitä muodostaen laserilla tuotetun plasman (LPP). Plasmasta emittoidut EUV-fotonit kerätään erityisellä peilillä, joka heijastaa 13, 5 nm: n aallonpituuden valoa ja säteily siirretään keskipisteeseen, missä se tulee skanneriin, ja heijastetaan naamion läpi piikiekkoon. Gomba, joka työskentelee Albany Nanotechin tehtaalla, kertoi työskentelevänsä EU: n esituotantojärjestelmissä vuodesta 2013 ja odottaa nyt EUV: n olevan täydessä tuotannossa GlobalFoundriesissa vuoden 2019 jälkipuoliskolla.

Nämä työkalut ovat niin monimutkaisia, että ne vaativat kuukausien työtä vain saadakseen ne valmiiksi tuotannon aloittamiseen. Yrityksen Fab 8 -tapahtumassa Maltalla, New Yorkissa, näin kaksi ensimmäistä asennettua EUV-työkalua; yksi on melkein valmis ja toinen on prosessituotannossa, ja vielä kahdelle on tilaa.

EUV-työkalujen hankkiminen itse rakennuksesta oli monimutkainen toimenpide. Pääastia suljettiin ensin; sitten kattoon asennettiin nosturi ja rakennuksen sivulle leikattiin reikä massiivisen uuden järjestelmän siirtämiseksi sisälle. Sitten tietenkin se oli kytkettävä muihin tehtaan työkaluihin. Tämä sisälsi työtä sekä alakerrassa, joka piti asettaa lähdetyökalulle, joka luo prosessissa käytetyn laserin, että itse puhdastilassa. Se kaikki piti tehdä pitämällä loput fab: sta käynnissä täydellä nopeudella.

Fab 8: n johtaja ja toimitusjohtaja Tom Caulfield vertasi tätä "sydänleikkauksen tekemiseen maratonin aikana".

EUV: n asema - ja mitä on vielä ratkaistava

Gary Patton, GlobalFoundriesin maailmanlaajuisen tutkimus- ja kehitystoiminnan johtaja, sanoi, että 7nm on riskintuotannossa Fab 8: lla tänä vuonna ja täydessä tuotannossa ensi vuonna, käyttämällä upotus litografiaa ja quad-kuviointia, mutta ei EUV: tä. Monikuviointi vie kauemmin, koska se sisältää enemmän vaiheita, ja ongelmia voi syntyä jokaisessa vaiheessa tarvittavan erittäin tarkan kohdistuksen vuoksi, mutta nämä litografiatyökalut ovat yleisiä, ymmärrettäviä ja valmiita tänään. Suunnitelmana on myöhemmin tarjota versio 7 nm prosessista käyttämällä uusia EUV-työkaluja.

EUV ei "ole vielä valmis tänään", Patton sanoi, vedoten lähdevoimaan, vastustusmateriaaleihin ja naamioihin liittyviin ongelmiin, etenkin kun kehitetään oikea pellicle (ohut kalvo, joka menee naamion tai hiusverkon yli).

Tällä hetkellä EUV-koneet eivät ole niin nopeita, yhden insinöörin mukaan, ne voivat tuottaa noin 125 kiekkoa tunnissa, verrattuna noin 275 kiekkoon tunnissa upotus litografiassa. Ne voivat todella säästää aikaa, koska jos prosessi vähentää monikuviointiin käytettyjen läpimenojen lukumäärää, se ei vain säästä vaiheita litografiassa, vaan myös etsausta ja valmistelua. Siten EUV: n pitäisi oikeastaan ​​maksaa vähemmän ajaa, kun se on valmis, Caulfield sanoi.

Gomba totesi, että tarkoituksena ei ole pelkästään vähentää 3 tai 4 optisen litografian kerrosta, vaan myös vähentää monia muita vaiheita, koska jokaisen litografiavaiheen välillä on myös etsaus ja muu käsittely kiekossa. Gomba sanoi, että tavoitteena on vähentää syklin aikaa jopa 30 päivällä.

Ylityspiste on todennäköisesti nelikulmainen, mutta paljon riippuu saannosta (jota olisi parannettava, koska EUV: n litografiavaiheilla tulisi olla vähemmän vaihtelevuutta kuin monilla upotettavilla litografiavaiheilla) ja sykliajan parannuksista. EUV: n tulisi myös antaa sirujen suunnittelijoille mahdollisuus toimia paljon vähemmän rajoittavissa olosuhteissa.

Mutta hän myös huomautti, että joitain ratkaisematta olevista asioista, etenkin kun kyse on pelliclesta. Toinen insinööri selitti, että EUV: n käyttämä 13, 5 nm: n säteily absorboi melkein kaiken, joten koneen sisätilojen on oltava tyhjiö. EUV: n avulla suuri osa voimasta ei kulje verkon läpi (maski), vaan lämmittää sen. Pellicle auttaa suojaamaan naamaria, mutta pellon läpi kulkevan valon määrän (läpäisy) ja pellon pitkäikäisyyden parantamiseksi on vielä tehtävä työtä. Tämä puolestaan ​​vaikuttaa läpimenoon, samoin kuin naamioiden pitkäikäisyyteen ja kokonaiskoneen käyttöaikaan.

Seurauksena on, Pattonin mukaan, että yritys aikoo alun perin tarjota 7 nm: n kutisteen EUV: n kanssa, jota käytetään enimmäkseen kontakteihin ja malleihin. Pelkästään tämä voi tarjota tiheyden kasvun 10 - 15 prosenttia ilman suuria suunnitteluinvestointeja. Patton sanoi, että kun ongelmat on ratkaistu, EUV: tä voidaan käyttää ja sitä käytetään monissa muissa kerroksissa. (Joel Hruska ExtremeTechistä , joka myös oli kiertueella, on täällä tarkemmin.)

Patton huomautti, että ASML: n pitäisi saada "valtava tunnustus" EUV: n työntämisestä niin pitkälle kuin se on, ja sanoi, että se on "uskomaton tekniikan ominaisuus". Kysyttäessä, onko GlobalFoundries todella sitoutunut tekemään EUV: n, Caulfield vastasi, että yritys on tehnyt 600 miljoonan dollarin sijoituksen, mikä tarkoittaa, että "on tehtävä se".

FDX ja tulevaisuuden sirunvalmistuksen etenemissuunnitelma

Laajassa keskustelussa siitä, mihin sirunvalmistus suuntautuu, Patton - joka vietti pitkän uran IBM: n sirutekniikan parissa - selitti kuinka konsepti muuttuu, kun saavutamme Mooren lain loppua. Hän huomautti, että sirujen valmistuksen alkuvuosina kyse oli piikarmonen CMOS: n tasomaisesta skaalaamisesta. Sitten, vuosina 2000-2010, keskityttiin uusiin materiaaleihin; Nyt suuri osa painopisteestä on 3D-transistoreissa (FinFET: t, joita käytetään nykyään useimmissa huipputeknisissä prosesseissa) ja 3D-pinoamiseen.

Hänen mukaansa vuoteen 2020 mennessä saavutamme atomimittojen rajat, joten meidän on keskityttävä muihin innovointitapoihin, mukaan lukien uudet transistorien suunnittelutavat (kuten FinFETiä korvaavat nanojohdot), uudentyyppiset substraatit (kuten Fully Köyhdytetty pii-eristetekniikka (GlobalFoundries on kehittämässä); tai uusia järjestelmätason integraatiotasoja (kuten edistyksellinen pakkaus, pii-fotoniikka ja upotettu muisti).

Patton sanoi, että GlobalFoundriesillä on kaksi etenemissuunnitelmaa. Ensimmäinen perustuu nykyiseen FinFET-tekniikkaan ja on suunniteltu korkean suorituskyvyn laitteille. GlobalFoundriesissa tämä tarkoittaa siirtymistä nykyisestä 14nm prosessista prosessin tarkistamiseen, jota se kutsuu 12nm, ja myöhemmin tänä vuonna siihen, mitä se kutsuu 7nm. Pattonin mukaan tämän pitäisi soveltua parhaiten mobiilisovellusten prosessoreihin ja korkean suorituskyvyn prosessoreihin ja GPUS: iin. GlobalFoundries lupaa jopa 40 prosentin parannuksen laitteen suorituskyvyssä ja 60 prosentin vähennyksen kokonaisteholla verrattuna 14 nm prosessiin. Yhtä vakuuttavasti sen pitäisi vähentää die-kustannuksia noin 30 prosentilla jopa 45 prosenttiin verrattuna edelliseen sukupolveen.

Tässä etenemissuunnitelman osassa GlobalFoundries on samalla kurssilla verrattuna kilpailevien fabien etenemissuunnitelmiin, kuten TSMC tai Samsung.

Mutta muissa sovelluksissa yritys keskittyy siihen, mitä se kutsuu FDX: ksi, merkkinsä täysin tyhjentyneelle pii-eristysteknologialle. Tämä on tasomainen tekniikka, mikä tarkoittaa, että siinä ei käytetä 3D-transistoreita, ja Pattonin mukaan se tarjoaa kustannustehokkaamman ratkaisun matala- ja keskitason matkapuhelimille, samoin kuin esineiden Internetin ja monien autojen prosessoreille. sovellukset. Vaikka osa tätä koskevasta tutkimuksesta tapahtuu Maltalla, FDX-prosessi järjestetään pääosin Dresdenissä, Saksassa. Nykyinen työ prosessin parissa tapahtuu siinä, jota GlobalFoundries kutsuu 22nm: n FDX-solmuksi; tämä on suunniteltu siirtymään 12 nm prosessiin ensi vuonna.

Caulfield totesi, että "kutistuminen ei riitä" ja että siirtyäksesi seuraavaan solmuun, GlobalFoundriesin on myös tarjottava enemmän suorituskykyä ja tuoda todellista arvoa asiakkaille. Hän totesi, että yritys ohitti 20nm ja muut, jotka kutsuvat 10nm keskittymään 7nm, ja sanoi, että tämä solmu tarjoaa 30–45 prosentin välittömän kustannusvähennyksen verrattuna 14nm, mikä kompensoi jonkin verran tarvetta lisätä maskeja lisävaiheisiin, joita multi- kuviointi.

Caulfield totesi, että yli puolet yrityksen tuloista jää vanhoihin prosessisolmuihin, kuten 28 ja 40 nm solmuihin. Yrityksen Singaporen tehdas on keskittynyt 40 nm: n ja sitä vanhempiin prosesseihin ja Dresden valmistaa 22 nm: n ja sitä vanhempia prosesseja. Samaan aikaan kaikki Maltalla on keskittynyt 14 nanometriin ja uudempiin prosesseihin.

Caulfield sanoi, että yhtiö haluaa olla 7 nopeudella "nopea seuraaja". FDX: n ollessaan se haluaa olla "häiritsevä" tekijä markkinoilla.

Patton totesi, että GlobalFoundries osoitti 7 nm: n testipiirin vuonna 2015, jonka se kehitti yhteistyökumppaneiden IBM: n ja Albany NanoTech Complex -yrityksen kanssa. 5 nm: n säteellä yritys on puhunut nanosivuista tai porttien ympärillä olevista transistoreista ja keskittymisestä moduulin sisäiseen viestintään käyttämällä 2, 5D: n ja 3D-sirupakkauksia piin väliintulijoihin erilaisten die- ja hybridi-muistipaikkojen yhdistämiseksi. Kumppaneidensa kanssa se esitteli viime vuonna 5 nm: n testisirun.

Olen jo vuosien ajan vaikuttunut siitä, kuinka paljon sirujen valmistusteollisuus on pystynyt parantamaan. On vaikea ajatella toista teollisuutta, joka on siirtynyt niin pitkälle ja niin nopeasti - ja työkaluvalmistajien, kuten ASML: n ja fabien, kuten GlobalFoundries, työ on aivan uskomatonta. Haasteet, joita he kohtaavat vielä nopeampien sirujen ja tiheämpien muotoilujen toteuttamisessa, ovat entistä vaikeampia, mutta vierailuni muistutti minua sekä kyseisten uusimpien prosessien monimutkaisuudesta että edistyksestä, jota jatkamme.

Kuinka todennäköisesti suosittelet PCMag.comia?