Микропроцессорам обещано мрачное будущее без единого просвета

Интеграция Электроника
мобильная версия
, Текст: Владимир Бахур
При переходе к производству полупроводников с нормами 5 нм и менее индустрия может столкнуться с проблемами, ряд которых сейчас выглядит неразрешимым. Освоение горизонта 1 нм и вовсе может затянуться на десятилетия, говорят специалисты.

Жизнь после смерти Закона Мура

Дальнейшее развитие полупроводниковой индустрии может резко замедлиться или даже полностью застопориться при попытке освоить нормы технологического процесса, следующие после 5 нм, считают ведущие специалисты полупроводниковой отрасли.

Не исключен сценарий, по которому переход на нормы выпуска полупроводников с узлами порядка 1 нм займет не менее десятилетия, однако существует и более мрачная вероятность того, что развитие технологий споткнется уже на нормах 3 нм в связи с отсутствием подходящих материалов для изготовления фоторезистов, сообщил портал EE Times со ссылкой на итоги панельной дискуссии специалистов в рамках ежегодной конференции по проблемам литографии SPIE Advanced Lithography 2019.

Изначально участники сессии планировали отметить факт предсказанной ранее «смерти» Закона Мура (Moore’s Law), по которому число транзисторов на кристалле чипа удваивается каждые 24 месяца. Однако по итогам встречи ее участники отметили растущее в индустрии беспокойство относительно неопределенности с технологиями производства следующих поколений чипов, завязанных, в свою очередь, на растущее число нерешенных технологических проблем.

По словам Гарри Левинсона (Harry Levinson), специалиста по литографии AMD и GlobalFoundries с более чем 30-летним стажем, не за горами момент «смерти» полупроводниковой литографии.

«Мы делаем успехи, однако при экстраполировании до размеров менее диаметра атома кремния технологиям детализации с помощью литографии придет конец, - заявил он. (Радиус атома кремния составляет 111 пм – прим. CNews).

Технологические проблемы полупроводниковой индустрии

Фоторезисты представляют собой разновидность светочувствительных полимеров, которые в процессе изготовления микросхем наносятся на кремниевую пластину. Далее производится экспонирование фоторезиста литографической системой через окна фотошаблонов, с последующим «вытравливанием» дорожек на кремниевом кристалле.

В «традиционных» техпроцессах использовались лазерные установки с длиной волны 248 нм или 193 нм – в так называемой «зоне глубокого ультрафиолетового» спектра (Deep UV), которая граничит с воспринимаемым человеческим глазом диапазоном частот: от условной «фиолетовой» границы 380 нм до «красной» границы 780 нм.

В сочетании со специальными фазосдвигающими фотошаблонами и иммерсионной технологией (погружение в жидкость), такие фоторезисты позволяли формировать узлы чипов до 14 нм

При переходе к нормам 10 нм обострились все проблемы такого технологического комплекса. Фазосдвигающие фотошаблоны, чудом справлявшиеся с формированием узлов 14 нм при облучении лазером с длиной волны 193 нм за счет интерференции, столкнулись с физическими ограничениями при переходе к нормам 10 нм, в результате чего процент выхода готовой продукции с пластины резко снизился. Именно эти ограничения, в частности, стали камнем преткновения при переходе Intel к нормам 10 нм.

Переход к использованию экспонирующих установок с лазерами диапазона EUV («крайнего», или «жесткого» ультрафиолета) с длиной волны 13,5 нм (пограничная область с рентгеновским излучением) облегчил процесс экспонирования фоторезистов, однако занял почти два десятилетия. В дополнение, при нормах 10 нм и менее стал критичен ряд других характеристик фоторезистов – неоднородность, фоточувствительность и т.д.

При освоении более прецизионных технологических норм – от 5 нм и менее, размеры узлов микросхем становятся сравнимы с десятками и даже единицами диаметров атомов кремния. Переход на «атомарные» нормы техпроцесса вносит физические ограничения, решить которые с помощью литографии и современных фотомасок невозможно.

Литография экстремального ультрафиолета: 7 нм и меньше

В рамках панельной дискуссии Тони Йен (Tony Yen), вице-президент голландской ASML (ведущий мировой производитель литографического оборудования для полупроводникового производства – прим. Cnews), отметил, что возможности пленочных фоторезистов категории CAR (chemically amplified resist – резисты с химической амплификацией), широко используемых с 1980-х годов, когда в ходу была литография 248 нм, по настоящее время, с литографией экстремального ультрафиолета (EUV, Extreme ultraviolet lithography) с узлами 7 нм, похоже, исчерпали свои возможности.

Литографическая система ASML EUV

В настоящее время Samsung уже начал производство чипов 7 нм с применением литографии EUV. Ожидается, что TSMC начнет выпуск своей продукции с нормами порядка 7 нм и использованием экстремального ультрафиолета ближе к июню 2019 г.

Со своей стороны, ASML обещает поставить обоим компаниям до конца 2019 г. обновленные системы EUV класса 3400C, которые смогут обеспечить более высокую скорость и качество на выходе – до 170 пластин в час при содержании рабочей продукции более 90%.

ASML в 2019 г. намерена обновить свои системы EUV

По мнению Тони Чена, современные фоторезисты вполне пригодны для норм 7 нм, и [может быть] даже для следующего техпроцесса (5 нм). Однако при переходе к нормам 3 нм понадобятся более чувствительные материалы. По его мнению, пришла пора всерьез обратить внимание на новые платформы, такие как «молекулярные резисты».

Рынок важнейших химреактивов для полупроводниковой промышленности, оцениваемый сейчас менее чем в $1 млрд ежегодно, должен измениться, считает Тони Чен. Более разумным подходом, по его мнению, была бы совместная согласованная разработка с этапом без взаимной конкуренции, с последующим лицензированием технологий производителям коммерческих партий фоторезистов.

По такому пути уже пошли компании imec и KMLabs, которые сформировали совместную лабораторию AttoLab для разработки резистов под следующие поколения систем EUV, пишет EE Times.

В настоящее время исследователи AttoLab изучают характеристики резистов при фотонной бомбардировке во временных рамках пико- и аттосекунд. Помимо радиационной химии, в лаборатории готовы рассмотреть любые, даже невероятные по нынешним меркам технологии, включая квантовые явления. «Пока что это чистая наука, но из нее вполне могут зародиться новые технологии», - отметил Джон Петерсен (John Petersen), главный научный сотрудник imec, принимающий участие в работе лаборатории.

Представитель ASML также поднял вопрос о качестве фоторезистов как одном из эффективных способов снизить стохастические (случайные) ошибки, число которых значительно возрастает при переходе к нормам 5 нм и, таким образом, значительно снижает потенциальный уровень выхода годной продукции.

По словам Тони Йена, стохастические ошибки представляют гораздо большую проблему, нежели при литографии с длиной волны 193 нм, однако в определенной степени с ними можно бороться увеличением излучаемой мощности. В настоящее время планы ASML предусматривают переход к производству систем EUV мощностью 500 Вт. Такие системы в сочетании с более высокой числовой апертурой (High NA) обеспечат более четкое качество проекции, и таким образом помогут бороться со стохастическими ошибками.

Технологический прогресс систем EUV компании ASML

Специалисты из imec, в свою очередь, менее оптимистичны. Они, в частности отметили, что реальных решений для борьбы с высоким количеством дефектов в ближайшем будущем пока не просматривается.

Альтернативные пути наращивания производства

Среди решений, призванных компенсировать снижение выхода годной продукции из-за потенциального выхода из строя одного из миллиарда физических контактов в чипе, особое внимание уделяется разработке трехмерных структур.

По мнению Роба Эйткена (Rob Aitken), представителя ARM, основная сложность заключается в проектировании полупроводниковых структур в 3D, для этого потребуются новые методики разработки микроархитектуры. По его словам, разработчики готовятся перейти с нынешнего стандарта в 12 ячеек с девятью дорожками к ячейкам, использующим только четыре дорожки.

По итогу дискуссии все ее участники сошлись во мнении о том, что переход на кремниевые пластины 450 мм (современный стандарт 300 мм и менее – прим. CNews) и девятидюймовые сетки является тупиковой ветвью развития индустрии, особенно с учетом высокой стоимости инвестиций и невысокой скорости окупаемости этих технологий.

«Несколько лет назад мы создали [пластины] 450 мм, но требуется целая экосистема, без которой ничего не получится», - отметил Рич Уайз (Rich Wise) из Lam Research.

В конце дискуссии Крис Мэк (Chris Mack), ветеран литографической индустрии и один из модераторов, так резюмировал итоги встречи: «Лучший способ обойти ограничения – изменить парадигму. Кирпичную стену, которая зачастую находится в нашем сознании, смогут сдвинуть инновации».