Las promesas y desafíos de euv en globalfoundries

Una de las razones por las que estaba tan intrigado de visitar GlobalFoundries a principios de este mes fue por la oportunidad de ver una máquina de litografía EUV en su lugar y saber cómo la empresa planea usarla.

No hace mucho, tuve la oportunidad de visitar una fábrica en Connecticut donde ASML construye muchos de los componentes para una máquina de EUV. Estas enormes herramientas utilizan luz ultravioleta extrema (EUV) que brilla a través de una máscara para delinear las líneas para características muy pequeñas de chips, y son algunas de las máquinas más complejas del mundo. Están diseñados para tomar el lugar de las máquinas de litografía de inmersión ahora estándar que usan luz con una longitud de onda de 193 nm en algunas capas del proceso de fabricación de chips.

En resumen, una máquina EUV es increíblemente complicada. Como lo explicó George Gomba, Vicepresidente de Investigación de Tecnología de GlobalFoundries, el proceso comienza con un láser de CO2 de 27 kilovatios que se dispara a través de un sistema de transporte y enfoque de haz en pequeñas gotas de estaño (alrededor de 20 micras de diámetro) producidas por un generador de gotas. en un vaso de plasma El primer pulso aplana la gota y el segundo la vaporiza, creando plasma producido por láser (LPP). Los fotones de EUV emitidos por el plasma son recolectados por un espejo especial que refleja la luz de longitud de onda de 13.5 nm y esa radiación se transmite a un punto de enfoque intermedio donde ingresa al escáner y se proyecta a través de una máscara sobre la oblea de silicio. Gomba, quien trabaja en las instalaciones de Nanotecnología de Albany, dijo que ha estado trabajando con sistemas de preproducción de EUV desde 2013, y ahora espera que EUV esté en plena producción en GlobalFoundries para la segunda mitad de 2019.

Estas herramientas son tan complejas que requieren meses de trabajo solo para prepararlas para comenzar la producción. En el Fab 8 de la compañía en Malta, Nueva York, vi las dos primeras herramientas EUV que se han instalado; uno está casi completo y el otro está en proceso de producción, y todavía hay espacio para dos más.

Obtener las herramientas EUV en el edificio en sí fue una operación compleja. El fab principal fue sellado primero; luego, se instaló una grúa en el techo y se hizo un agujero en el costado del edificio para mover el nuevo sistema masivo al interior. Luego, por supuesto, tenía que estar conectado a las otras herramientas en la fábrica. Esto implicó el trabajo tanto en la subfabricación, que tuvo que configurarse para la herramienta fuente que crea el láser utilizado en el proceso, como en la propia sala limpia. Todo tenía que hacerse mientras se mantenía el resto del fab funcionando a toda velocidad.

Tom Caulfield, vicepresidente sénior y gerente general de Fab 8, comparó esto con "hacer una cirugía cardíaca mientras corría un maratón".

El estado del EUV, y lo que aún queda por resolver

Gary Patton, director de tecnología y vicepresidente sénior de I + D mundial para GlobalFoundries, dijo que 7nm estará en producción de riesgo en Fab 8 este año, y en producción completa el próximo año, utilizando litografía de inmersión y patrones cuádruples, pero no EUV. La creación de patrones múltiples lleva más tiempo porque implica más pasos, y pueden surgir problemas debido a la alineación muy precisa que se necesita en cada paso, pero estas herramientas de litografía son comunes, bien entendidas y listas para hoy. El plan es ofrecer más tarde una versión del proceso de 7 nm utilizando las nuevas herramientas EUV.

El EUV "no está listo hoy", dijo Patton, citando problemas con la fuente de energía, los materiales resistentes y las máscaras, particularmente con el desarrollo de la película adecuada (una película delgada que cubre la máscara o la retícula).

Actualmente, las máquinas EUV no son tan rápidas, con un ingeniero que explica que pueden producir alrededor de 125 obleas por hora, en comparación con aproximadamente 275 obleas por hora para la litografía de inmersión. En realidad, pueden ahorrar tiempo, porque si el proceso reduce el número de pasadas para múltiples patrones, no solo ahorra pasos en la litografía, sino también en el grabado y la preparación. Por lo tanto, EUV debería costar menos correr cuando esté listo, dijo Caulfield.

Gomba señaló que la idea no es solo reducir 3 o 4 capas de litografía óptica, sino también reducir muchos otros pasos, porque entre cada paso de litografía, también hay grabado y otro procesamiento en la oblea. El objetivo, dijo Gomba, es reducir el tiempo del ciclo hasta en 30 días.

El punto de cruce es probablemente un patrón cuádruple, pero mucho depende del rendimiento (que debería mejorarse, ya que los pasos de la litografía EUV deberían tener menos variabilidad que los pasos de la litografía de inmersión múltiple) y las mejoras en el tiempo del ciclo. EUV también debería permitir a los diseñadores de chips operar en condiciones mucho menos restrictivas.

Pero también señaló que quedan algunos problemas por resolver, particularmente cuando se trata de la película. Otro ingeniero explicó que la radiación de 13, 5 nm utilizada por EUV es absorbida por casi todo, por lo que el interior de la máquina debe estar vacío. Con EUV, gran parte del poder no pasa a través de la retícula (máscara), sino que se calienta. La película ayuda a proteger la máscara, pero aún queda trabajo por hacer para mejorar la cantidad de luz que pasa a través de la película (transmisión), así como la longevidad de la película. Esto a su vez afectará el rendimiento, así como la longevidad de las máscaras y el tiempo de actividad de la máquina en general.

Como resultado, dijo Patton, la compañía inicialmente ofrecerá una reducción de 7 nm con EUV, que se utilizará principalmente para contactos y vías. Esto solo puede proporcionar un aumento del 10 al 15 por ciento en densidad sin una gran inversión en diseño. Cuando se resuelven los problemas, dijo Patton, EUV puede y será utilizado en muchas más capas. (Joel Hruska de ExtremeTech , que también estuvo en la gira, tiene más detalles aquí).

Patton señaló que ASML debería obtener un "crédito tremendo" por impulsar el EUV tanto como lo ha hecho, y dijo que es una "increíble hazaña de ingeniería". Cuando se le preguntó si GlobalFoundries está realmente comprometido a hacer EUV, Caulfield respondió que la empresa ha realizado una inversión de $ 600 millones, lo que significa "tener que hacerlo".

FDX y la hoja de ruta para la futura fabricación de chips

En una amplia discusión sobre hacia dónde se dirige la fabricación de chips, Patton, quien pasó una larga carrera trabajando en tecnología de chips para IBM, explicó cómo está cambiando el concepto a medida que llegamos al final de la Ley de Moore. Señaló que en los primeros años de fabricación de chips, todo se trataba de escalado plano de CMOS de silicio. Luego, de 2000 a 2010, el enfoque se centró en nuevos materiales; ahora, gran parte del enfoque está en los transistores 3D (los FinFET utilizados en la mayoría de los procesos de vanguardia en la actualidad) y el apilamiento 3D.

Para 2020, dijo, alcanzaremos los límites de las dimensiones atómicas, por lo que tendremos que centrarnos en otras formas de innovar, incluidas nuevas formas de diseñar transistores (como nanocables que reemplazan FinFET), nuevos tipos de sustratos (como el Fully Tecnología de silicio sobre aislante agotada GlobalFoundries está desarrollando); o nuevos niveles de integración a nivel de sistema (como empaque avanzado, fotónica de silicio y memoria integrada).

GlobalFoundries tiene dos hojas de ruta en las que está trabajando, dijo Patton. El primero se basa en la tecnología FinFET actual y está diseñado para dispositivos de alto rendimiento. En GlobalFoundries, esto significa pasar del proceso actual de 14nm a una revisión del proceso al que llama 12nm, y luego este año a lo que llama 7nm. Patton dijo que esto debería ser el más adecuado para procesadores de aplicaciones móviles y CPU y GPUS de alto rendimiento, con GlobalFoundries prometiendo una mejora de hasta un 40 por ciento en el rendimiento del dispositivo y una reducción del 60 por ciento en la potencia total en comparación con el proceso de 14 nm. Igualmente convincente, debería reducir los costos de los troqueles en aproximadamente un 30 por ciento hasta un 45 por ciento con respecto a la generación anterior.

En esta parte de la hoja de ruta, GlobalFoundries está en un curso similar en comparación con las hojas de ruta de los fabs de la competencia, como TSMC o Samsung.

Pero para otras aplicaciones, la compañía se está centrando en lo que llama FDX, su marca de tecnología de silicio sobre aislante completamente agotada. Esta es una tecnología plana, lo que significa que no utiliza transistores 3D, y Patton dijo que proporciona una solución más rentable para procesadores móviles de gama baja y media, así como procesadores para Internet de las cosas y muchos automóviles. aplicaciones. Si bien parte de la investigación para esto está ocurriendo en Malta, el proceso FDX se organiza principalmente en Dresden, Alemania. El trabajo actual en este proceso es en lo que GlobalFoundries llama su nodo FDX de 22 nm; Esto está programado para pasar a un proceso de 12nm el próximo año.

Caulfield señaló que "una reducción no es suficiente" y que para pasar al siguiente nodo, GlobalFoundries también tiene que ofrecer más rendimiento y aportar un valor real a los clientes. Señaló que la empresa omitió 20 nm y lo que otros llaman 10 nm para enfocarse en 7 nm y dijo que este nodo ofrece una reducción del costo directo del 30 al 45 por ciento en comparación con 14 nm, compensado en parte por la necesidad de más máscaras para los pasos adicionales requeridos por múltiples patrones

Caulfield señaló que más de la mitad de los ingresos de la empresa permanecen en nodos de proceso más antiguos, como los nodos de 28 y 40 nm. La planta de Singapur de la firma se centra en procesos de 40 nm y más antiguos, y Dresden fabrica en 22 nm y más. Mientras tanto, todo en Malta se centra en procesos de 14 nm y más nuevos.

En 7 nm, dijo Caulfield, la compañía quiere ser un "seguidor rápido", mientras que en FDX, quiere ser un factor "disruptivo" en el mercado.

Patton señaló que GlobalFoundries mostró un chip de prueba de 7 nm en 2015, que desarrolló con sus socios IBM y el Complejo Albany NanoTech. A 5nm, la compañía ha hablado sobre nanoescalas o transistores de compuerta completa, y un enfoque en la comunicación intramódulo usando el empaquetado de chips 2.5D y 3D en intercaladores de silicio para conectar diferentes dados y cubos de memoria híbridos. Con sus socios, demostró un chip de prueba de 5 nm el año pasado.

Durante años, me ha impresionado lo mucho que la industria de fabricación de chips ha podido mejorar. Es difícil pensar en otra industria que haya avanzado tanto y tan rápido, y el trabajo de fabricantes de herramientas como ASML y fab como GlobalFoundries es simplemente increíble. Los desafíos que enfrentan para realizar chips aún más rápidos y diseños más densos son cada vez más difíciles, pero mi visita me recordó tanto la complejidad de los procesos de vanguardia involucrados como el progreso que seguimos viendo.

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