Maju menuju 7nm

Ini adalah seri keempat dari empat bagian tentang makalah unggulan IBM di IEDM 2016.

Pertemuan Perangkat Elektron Internasional tahunan adalah "forum terkemuka di dunia untuk melaporkan terobosan teknologi di bidang semikonduktor dan teknologi perangkat elektronik, desain, manufaktur, fisika, dan pemodelan." Jadi, para peneliti IBM membawa termometer probe pemindai, pengatur jarak udara untuk chip 10 nanometer, chip 7 nm, dan tidak mau kalah dengan silikon, mereka juga membawa tabung nano karbon. Makalah dan presentasi oleh IBMers dan banyak mitra ini akan ambil bagian dalam konferensi minggu ini di San Francisco.

IEDM menampilkan empat makalah IBM sebagai beberapa contoh terbaik konferensi tentang penggambaran ulang komputasi ini — memperluas Hukum Moore, dan membangun arsitektur baru, dan menggunakan materi baru untuk melampauinya. Berikut adalah melihat lebih dekat pada makalah ini, dan para ilmuwan di balik pekerjaan tersebut. Angsuran terakhir dari seri ini menyoroti makalah “Teknologi FinFET 7nm Menampilkan Pola EUV dan Saluran Mobilitas Tinggi Berregangan Ganda”, oleh Ruilong Xie, anggota senior staf teknis GlobalFoundries, dan anggota tim IBM di Albany Nanotech Center .

Juli lalu, IBM dan mitra Aliansinya mengumumkan bahwa mereka telah mengembangkan chip uji node 7nm pertama di dunia. Terobosan datang dengan menerapkan Extreme Ultaviolet (EUV) Litografi – teknik menggunakan cahaya untuk mengetsa pola ke bahan lain – dan menggunakan Silicon Germanium (SiGe) sebagai bahan saluran di transistor.

Dari Silicon ke Silicon Germanium

Makalah IEDM tim menunjukkan bahwa “Teknologi FinFET berbasis SiGe menunjukkan peningkatan kinerja dengan aturan dasar teknologi 10nm (standar industri), memberikan solusi elegan menuju opsi teknologi CMOS yang layak. Salah satu solusi elegan tersebut adalah kelonggarannya untuk perangkat berdaya rendah dan berkinerja tinggi pada chip yang sama – tanpa kehilangan kinerja atau variabilitas pada satu jenis perangkat dibandingkan perangkat lainnya,” seperti dijelaskan dalam Inovasi material hingga 7nm .

Selanjutnya, SiGe mendorong batas skala chip dengan mengubah cara arus melewati saluran transistor. Ternyata dengan menambahkan atom germanium yang lebih besar ke kristal yang terbuat dari atom silikon yang lebih kecil, kristal mengembangkan ketidakcocokan kisi, menghasilkan ketegangan di saluran transistor. Strain ini memungkinkan untuk memindahkan lebih banyak arus melalui saluran pada tegangan yang lebih rendah. Jadi dengan menggunakan SiGe sebagai bahan saluran yang dikombinasikan dengan inovasi dalam resistensi parasit dan pengurangan kapasitansi, tim dapat memetakan peta jalan ke chip 7nm, sambil mempertahankan keseimbangan antara daya dan kinerja — kinerja dengan daya konstan yang, seperti yang dipresentasikan di IEDM , 40 persen lebih baik daripada chip 10nm!

Panjang gelombang cahaya yang sangat kecil

Cahaya yang digunakan, dengan panjang gelombang hanya 13,5 nm, jauh lebih pendek daripada cahaya dengan panjang gelombang 193 nm standar saat ini, sehingga mampu mengukir 20 miliar transistor 7 nm ke dalam sebuah chip. Namun sebelum tim dapat menempatkan banyak sakelar pada sebuah chip, mereka perlu membuat teknologi di belakang menggunakan panjang gelombang yang begitu pendek sebagai proses yang konsisten, terkontrol, dan berulang.

Untuk membuat chip menggunakan litografi, wafer terkena pola cahaya dengan cara yang sama seperti semua negatif foto non-digital dicetak pada kertas kontak – wafer diletakkan di atas wafer dan cahaya dilewatkan melalui topeng ('negatif') . Ukuran garis dan kabel yang dapat dicetak menggunakan teknik ini tidak hanya mencerminkan ukuran garis pada topeng, tetapi juga panjang gelombang cahaya yang digunakan. Saat ini, dengan menggunakan cahaya 193 nm, wafer dapat diekspos beberapa kali jika pola yang dibutuhkan lebih kecil dari yang dapat dihasilkan oleh 193 nm sendiri.

Jadi, seperti pencetakan potongan kayu Jepang, pola demi pola dilapisi di atas wafer untuk mendapatkan chip yang lebih rumit – dan lebih kecil. Namun, teknik multi-pola ini menyebabkan degradasi; yang mungkin bukan masalah kritis untuk chip di perangkat yang diproduksi secara massal seperti ponsel cerdas, tetapi merupakan penghalang jalan yang signifikan bagi superkomputer dan sistem khusus yang membutuhkan keandalan yang sangat tinggi. Dan, meskipun secara teknis memungkinkan untuk membuat chip 7 nm dengan cara ini, itu adalah alasan besar mengapa IBM memutuskan untuk mengeksplorasi cara membuat chip 7 nm menggunakan teknologi EUV.

Kiri atas: Deskripsi skematis bahan saluran tegangan ganda pada BPRS dengan sumur retrograde super curam (SSRW), bersama dengan gambar TEM dari (a) sirip silikon regangan tarik dan (b) sirip SiGe regangan tekan pada SRB umum. Kanan atas: Gambar TEM dari perangkat pitch polisilikon berkontak 48nm dengan kontak penyelarasan otomatis yang dioptimalkan dengan bukaan kontak ~10nm dan Lmetal ~15nm. Tengah bawah: ilustrasi dan grafik menunjukkan bahwa proses epitaksi parit secara bersamaan memenuhi aturan dasar dan pengurangan resistivitas kontak setelah optimasi implan dan anil.

Menggunakan EUV 13,5 nm, hanya satu pola fidelitas tinggi yang diperlukan untuk mencetak satu pola pada chip 7 nm. Tantangan bagi EUV adalah bagaimana mematangkan teknologi agar siap produksi. Sama seperti IBM System 360, yang dibuat pada tahun 1964, menghasilkan mesin yang lebih kecil dan lebih cepat saat ini melalui upaya penyempurnaan, penskalaan, dan rekayasa, EUV harus matang dengan cara yang sama.

Pertimbangkan ini:untuk menghasilkan cahaya 13,5 nm, perangkat EUV melepaskan tetesan timah cair ke dalam ruang hampa (untuk mendapatkan bentuk bola) yang kemudian dipukul dengan laser Karbon dioksida yang meratakannya dan memindahkannya ke sudut tertentu. Kaleng, yang masih jatuh, kemudian dipukul – dan diuapkan – dengan laser Karbon dioksida lain yang lebih kuat untuk melepaskan cahaya 13,5 nm, yang kemudian ditangkap dan difokuskan ke wafer menggunakan cermin khusus.

Meskipun proses untuk menggunakan lampu 13,5 nm ini rumit, kerja tim membuktikan bahwa membuat chip 7 nm menggunakan EUV adalah mungkin, dan memberikan hasil berkualitas tinggi. Artinya, chip dengan keandalan tinggi khusus untuk sistem kinerja tinggi masa depan dapat diproduksi untuk memenuhi permintaan superkomputer dan sistem generasi berikutnya.

Baca bagian pertama:Memetakan hot spot
Baca bagian kedua:Jenis chip lain dengan karbon nanotube
Baca bagian ketiga:Spacer udara untuk chip 10nm