IBM Avança com Tecnologia FinFET 7nm Usando Litografia EUV

Esta quarta parte de nossa série de quatro partes explora os papers inovadores da IBM apresentados no IEDM 2016.

O IEDM, fórum líder mundial para inovação em semicondutores e dispositivos eletrônicos, hospedou os últimos avanços da IBM: termômetro de sonda varredura, espaçador de ar para chips 10-nm, protótipo FinFET 7-nm e trabalho pioneiro em nanotubos de carbono. Os papers e palestras, apresentados por pesquisadores e parceiros da IBM, foram destaque na conferência de San Francisco deste ano.

A conferência exibiu quatro papers da IBM que exemplificam a próxima geração de computação — expandindo a Lei de Moore, inovando arquiteturas e aproveitando novos materiais. Este artigo final foca no paper FinFET 7-nm intitulado "Tecnologia FinFET 7 nm com Padrão EUV e Canais de Alta Mobilidade Duplamente Estressados", escrito por Ruilong Xie, membro sênior da equipe técnica da GlobalFoundries, e colaboradores do Centro Nanotech da IBM em Albany.

Em julho, a IBM e seus parceiros da Aliança revelaram os primeiros chips de teste 7-nm do mundo, alcançados através de Litografia Ultravioleta Extrema (EUV) e adoção de Silício-Germânio (SiGe) como material de canal do transistor.

Do Silício ao Silício-Germânio

O paper do IEDM demonstra que FinFETs baseados em SiGe atendem regras de base de tecnologia 10-nm enquanto entregam desempenho superior. Esta abordagem permite dispositivos de baixa potência e alto desempenho em um único chip sem comprometer nenhum, posicionando SiGe como alternativa CMOS atraente.

SiGe estende escalonamento de chip introduzindo tensão via descompasso de rede — átomos de germânio maiores em matriz de silício — aumentando mobilidade de portadores e permitindo maior corrente em voltagem reduzida. Acoplado com resistência e capacitância parasitas reduzidas, a equipe delineou roteiro 7-nm que atinge 40% melhor performance na mesma potência que nó de 10-nm.

Comprimentos de onda extremamente pequenos de luz

EUV emprega comprimento de onda de 13,5-nm — muito menor que luz de 193-nm tradicionalmente usada — permitindo gravação de até 20 bilhões de transistores 7-nm por wafer. No entanto, para realizar esta densidade, o processo deve se tornar confiável, consistente e escalável.

Litografia se assemelha a impressão fotográfica tradicional: wafer é exposto à luz passando através de máscara. Larguras de linha alcançáveis dependem tanto do padrão da máscara quanto do comprimento de onda da luz. Com luz de 193-nm, padrões sub-recursos frequentemente requerem múltiplas etapas de exposição, limitando rendimento.

Esta abordagem multi-padrão camada exposições sucessivas — akin to Japanese woodcutting — para refinar características, mas introduz degradação de performance. Embora aceitável para dispositivos de consumo, prejudica confiabilidade exigida por supercomputadores e sistemas críticos. Consequentemente, a IBM persegue litografia EUV para chips 7-nm.

Canto superior esquerdo: Descrição esquemática de materiais de canal duplamente estressados no SRB com poço retrogrado super-ínclinado (SSRW), junto com imagens TEM de (a) aleta de silício tensilmente estressada e (b) aleta SiGe compressivamente estressada em SRB comum. Canto superior direito: Imagem TEM de dispositivo com pitch de polisilício contatado de 48 nm com contato auto-alinhado otimizado com abertura de contato ~10 nm e Lmetal ~15 nm. Centro inferior: ilustração e gráfico mostram que processo epitaxial de vala atende simultaneamente regras de base e redução de resistividade de contato após otimização de implantação e recozimento.

Com EUV de 13,5-nm, única exposição de alta fidelidade pode produzir padrão 7-nm, eliminando multi-padronização. O obstáculo restante é transicionar EUV de demonstração para produção em massa — evolução que paralela o legado System 360 da IBM, que evoluiu para processadores avançados de hoje através de refinamento rigoroso.

Produção de luz EUV começa com gota de estanho fundido em vácuo, formando alvo esférico. Laser CO₂ molda e direciona a gota; segundo laser CO₂ mais potente vaporiza o estanho, emitindo fótons de 13,5-nm. Estes fótons são coletados e focados no wafer por série de espelhos altamente reflexivos.

Embora o processo EUV seja complexo, resultados da equipe confirmam que chips 7-nm fabricados com EUV alcançam alta qualidade e performance. Isso pavimenta caminho para componentes confiáveis, de alto desempenho que podem atender requisitos rigorosos de supercomputadores de próxima geração.

Leia parte um: Mapeando pontos quentes
Leia parte dois: Outro tipo de chip com nanotubos de carbono
Leia parte três: Espaçadores de ar para chips 10nm