Η Κίνα τα κατάφερε: Πειραματική κατασκευή τρανζίστορ στα 3nm με λιθογραφία DUV χωρίς συστήματα EUV

Σύνοψη

• Το Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (IMECAS) ανακοίνωσε την επιτυχή πρώιμη ενσωμάτωση πειραματικών τρανζίστορ τεχνολογίας Gate-All-Around (GAA) κλίμακας 3nm.
• Το επίτευγμα βασίζεται αποκλειστικά στη χρήση εξοπλισμού βαθιάς υπεριώδους λιθογραφίας (DUV), παρακάμπτοντας την ανάγκη για τα υπερσύγχρονα και μη προσβάσιμα στην Κίνα συστήματα EUV της ASML.
• Τα νέα τρανζίστορ επιδεικνύουν εξαιρετικό ηλεκτρικό έλεγχο με την αναλογία ρεύματος on-off να ξεπερνά το 500.000, εξαλείφοντας σχεδόν πλήρως τις διαρροές ενέργειας.
• Η συγκεκριμένη μέθοδος απαιτεί εκτεταμένη χρήση πολλαπλής αποτύπωσης (multiple patterning), γεγονός που αυξάνει δραματικά τον χρόνο κατασκευής και την πολυπλοκότητα σε σύγκριση με την παραδοσιακή λιθογραφία EUV.
• Αν και αποτελεί ένα τεράστιο βήμα για την κινεζική βιομηχανία, η μετάβαση από το εργαστηριακό περιβάλλον στην εμπορική μαζική παραγωγή απαιτεί την επίλυση σημαντικών ζητημάτων που σχετίζονται με το τελικό κόστος και την απόδοση των wafers.

Η έρευνα στον τομέα των προηγμένων ημιαγωγών μόλις κατέγραψε ένα εξαιρετικά σημαντικό πειραματικό ορόσημο, το οποίο αποδεικνύει τις επίμονες προσπάθειες της κινεζικής τεχνολογικής βιομηχανίας να απεξαρτηθεί από τον δυτικό εξοπλισμό. 

Σύμφωνα με επίσημες αναφορές που παρουσιάστηκαν στο συνέδριο IC World στο Πεκίνο, το Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (IMECAS) ολοκλήρωσε επιτυχώς την πρώιμη ενσωμάτωση μιας πειραματικής ροής κατασκευής για τρανζίστορ αρχιτεκτονικής Gate-All-Around (GAA) με στόχο τους κόμβους κλίμακας 3nm. Το εντυπωσιακό στοιχείο αυτής της ανακοίνωσης εστιάζεται στο γεγονός ότι η όλη διαδικασία υλοποιήθηκε αποκλειστικά μέσω συστημάτων βαθιάς υπεριώδους λιθογραφίας (DUV) εμβάπτισης, ελλείψει πρόσβασης στα απαραίτητα μηχανήματα ακραίας υπεριώδους λιθογραφίας (EUV) που κατασκευάζει μονοπωλιακά η ολλανδική ASML.

Ο επικεφαλής μηχανικός του Εθνικού Μείζονος Ειδικού Έργου 02 της Κίνας, Tianchun Ye, επιβεβαίωσε πως οι ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν λειτουργικά τρανζίστορ στοιβαγμένων νανοφύλλων, τα οποία μπορούν να διαχωρίσουν αποτελεσματικά την αγώγιμη από τη μη αγώγιμη κατάστασή τους. Για να κατανοήσουμε το μέγεθος της τεχνικής πρόκλησης, αρκεί να αναφέρουμε πως η τεχνολογία GAA αντικαθιστά τα παραδοσιακά FinFET στους σύγχρονους κόμβους αιχμής, καθώς η τοποθέτηση της πύλης περιμετρικά του καναλιού προσφέρει ανώτερο ηλεκτροστατικό έλεγχο καθώς οι φυσικές διαστάσεις συρρικνώνονται σε επίπεδα λίγων νανομέτρων.

Τα εργαστηριακά δεδομένα που δόθηκαν στη δημοσιότητα καταδεικνύουν πως τα τρανζίστορ που κατασκευάστηκαν με την τεχνολογία DUV παρουσίασαν μια εξαιρετική αναλογία ρεύματος on-off, η οποία ξεπερνά το 500.000. Το νούμερο αυτό υποδηλώνει ότι η ποσότητα του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα όταν ο διακόπτης είναι ενεργοποιημένος είναι μισό εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη σε σχέση με την ποσότητα που καταγράφεται στην ανενεργή κατάσταση. Αυτός ο δείκτης πιστοποιεί την ικανότητα της αρχιτεκτονικής να ελαχιστοποιεί τις απώλειες και τις ανεπιθύμητες διαρροές ρεύματος, παρέχοντας το θεωρητικό υπόβαθρο για την επίτευξη επιδόσεων που προσεγγίζουν τις προδιαγραφές ενός σύγχρονου κόμβου 3nm.

Βέβαια, η φυσική της λιθογραφίας επιβάλλει αυστηρούς περιορισμούς που δεν μπορούν να αγνοηθούν εύκολα. Το φως που εκπέμπεται από τα μηχανήματα DUV διαθέτει μεγαλύτερο μήκος κύματος σε σύγκριση με την τεχνολογία EUV, καθιστώντας αδύνατη την αποτύπωση τόσο λεπτών κυκλωμάτων με μία μόνο έκθεση. Για να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, οι ερευνητές του IMECAS υποχρεώθηκαν να καταφύγουν σε εξαιρετικά πολύπλοκες μεθόδους υπολογιστικής λιθογραφίας και πολλαπλής αποτύπωσης. Η τεχνική αυτή διαχωρίζει τα πυκνά μοτίβα που δεν μπορούν να διαχωριστούν σε μία μόνο έκθεση σε πολλαπλά μέρη, επαναλαμβάνοντας τις διαδικασίες έκθεσης, απόθεσης υλικών και χημικής χάραξης για τον σχηματισμό ενός και μόνο στρώματος.

Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει θεωρητικά την επίτευξη μικρότερων διαστάσεων, ωστόσο, αυξάνει κατακόρυφα τη διάρκεια της παραγωγής και τον αριθμό των απαιτούμενων βημάτων μέσα στο εργοστάσιο. Σύμφωνα με μοντέλα ανάλυσης της βιομηχανίας, η χρήση συστημάτων EUV απαιτεί περίπου 20% λιγότερα βήματα επεξεργασίας ανά wafer συγκριτικά με την πολλαπλή αποτύπωση μέσω DUV. Συνεπώς, ενώ η κινεζική ακαδημαϊκή κοινότητα απέδειξε πως η δημιουργία τρανζίστορ 3nm χωρίς EUV είναι επιστημονικά εφικτή, το μεταβατικό στάδιο προς την εμπορική βιωσιμότητα παραμένει ένα δυσεπίλυτο πρόβλημα που σχετίζεται άμεσα με το τελικό κόστος παραγωγής και τα ποσοστά επιτυχούς παραγωγής (yield rates).

Οι ειδικοί της αγοράς επισημαίνουν πως το εν λόγω επίτευγμα πρέπει να ερμηνευθεί αυστηρά ως μια πειραματική επικύρωση της ροής διαδικασιών για δομές GAA βασισμένες σε εξοπλισμό DUV, και όχι ως απόδειξη ότι η Κίνα διαθέτει ήδη έναν έτοιμο κόμβο 3nm για τα χυτήρια της. Για να θεωρηθεί η τεχνολογία έτοιμη για μαζική παραγωγή, τα εργαστήρια θα πρέπει να αποδείξουν την αξιοπιστία της σε επίπεδο ολοκληρωμένου κυκλώματος, διασφαλίζοντας παράλληλα την ιδανική ισορροπία μεταξύ κατανάλωσης ενέργειας, απόδοσης και επιφάνειας (τα γνωστά κριτήρια PPA), ενσωματώνοντας και τις προκλήσεις διασύνδεσης (interconnects) στο εσωτερικό του chip. Το Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής ερευνά εντατικά αυτές τις τεχνολογίες από το 2020, στοχεύοντας στην αντιμετώπιση των περιορισμών που προκύπτουν στο Middle-End-Of-Line (MEOL), όπου οι πυκνές επαφές των τρανζίστορ τείνουν να δημιουργούν φαινόμενα συμφόρησης.

Η εξέλιξη αυτή έρχεται να προστεθεί στις ευρύτερες προσπάθειες οργανισμών όπως η SMIC, η οποία έχει ήδη επιδείξει την ικανότητα κατασκευής chips κατηγορίας 7nm χρησιμοποιώντας την ίδια προηγμένη γενιά λιθογραφίας DUV. Καθώς οι γεωπολιτικές πιέσεις εντείνονται και η πρόσβαση σε δυτικές τεχνολογίες αιχμής περιορίζεται ολοένα και περισσότερο, η κινεζική βιομηχανία ημιαγωγών επενδύει τεράστιους πόρους στην εξάντληση των δυνατοτήτων του υφιστάμενου εξοπλισμού της. Αν αυτές οι έρευνες καταλήξουν στο μέλλον να υποστηρίξουν γραμμές μαζικής παραγωγής, η δυναμική της παγκόσμιας αγοράς μικροεπεξεργαστών ενδέχεται να αναδιαμορφωθεί, μειώνοντας τη δραματική εξάρτηση από ένα και μόνο ευρωπαϊκό μονοπώλιο κατασκευής λιθογραφικών συστημάτων.