De beloften en uitdagingen van euv bij globalfoundries

Een van de redenen waarom ik eerder deze maand zo geïntrigeerd was om GlobalFoundries te bezoeken, was de mogelijkheid om een ​​EUV-lithografiemachine te zien en te horen hoe het bedrijf van plan is het te gebruiken.

Niet lang geleden kreeg ik de kans om een ​​fabriek in Connecticut te bezoeken waar ASML veel van de componenten voor een dergelijke EUV-machine bouwt. Deze enorme tools maken gebruik van extreem ultraviolet (EUV) licht dat door een masker scheen om de lijnen voor zeer kleine functies van chips af te bakenen en zijn enkele van de meest complexe machines ter wereld. Ze zijn ontworpen om de plaats in te nemen van de nu standaard immersielithografiemachines die licht met een golflengte van 193 nm gebruiken in sommige lagen van het chipproductieproces.

Om samen te vatten, een EUV-machine is ongelooflijk ingewikkeld. Zoals George Gomba, vice-president van Technology Research voor GlobalFoundries het uitlegde, begint het proces met een 27-kilowatt CO2-laser die door een straaltransport- en focussysteem wordt afgevuurd op kleine tindruppeltjes (ongeveer 20 micron in diameter) geproduceerd door een druppelgenerator in een plasmavat. De eerste puls maakt de druppel plat en de tweede verdampt deze, waardoor laser geproduceerd plasma (LPP) ontstaat. EUV-fotonen die uit het plasma worden uitgezonden, worden verzameld door een speciale spiegel die licht met een golflengte van 13, 5 nm reflecteert en die straling wordt doorgegeven aan een tussenliggend focuspunt waar het de scanner binnenkomt en door een masker op de siliciumwafel wordt geprojecteerd. Gomba, die werkt vanuit de Albany Nanotech-faciliteit, zei dat hij sinds 2013 met preproductie EUV-systemen werkt en verwacht nu dat EUV in de tweede helft van 2019 volledig in productie is bij GlobalFoundries.

Deze tools zijn zo complex dat ze maanden werk vereisen om ze klaar te maken voor productie. Op Fab 8 van het bedrijf in Malta, New York, zag ik de eerste twee EUV-tools die zijn geïnstalleerd; één is bijna voltooid en de andere is in procesproductie, en er is nog ruimte voor twee meer.

De EUV-tools in het gebouw zelf krijgen was een complexe operatie. De hoofdfabriek werd eerst afgesloten; vervolgens werd een kraan in het plafond geïnstalleerd en een gat in de zijkant van het gebouw gesneden om het enorme nieuwe systeem naar binnen te verplaatsen. Vervolgens moest het natuurlijk worden aangesloten op de andere gereedschappen in de fabriek. Dit omvatte zowel werk in de subfabriek, dat moest worden ingesteld voor de brontool die de laser maakt die in het proces wordt gebruikt, evenals in de cleanroom zelf. Het moest allemaal gebeuren terwijl de rest van de fabule op volle snelheid moest blijven draaien.

Tom Caulfield, SVP & General Manager van Fab 8, vergeleek dit met "een hartoperatie uitvoeren tijdens een marathon".

De status van EUV - en wat er nog moet worden opgelost

Gary Patton, CTO & SVP van Wereldwijde R&D voor GlobalFoundries, zei dat 7nm dit jaar bij Fab 8 in risicoproductie zal zijn en volgend jaar volledig zal produceren, met behulp van immersielithografie en quad-patroonvorming, maar niet EUV. Multi-patroonvorming duurt langer omdat het meer stappen omvat en er problemen kunnen optreden vanwege de zeer precieze uitlijning die bij elke stap nodig is, maar deze lithografietools zijn tegenwoordig algemeen, goed begrepen en klaar voor gebruik. Het plan is om later een versie van het 7nm-proces aan te bieden met behulp van de nieuwe EUV-tools.

EUV is 'niet klaar vandaag', zei Patton, onder verwijzing naar problemen met bronvermogen, weerstand tegen materialen en de maskers, met name met de ontwikkeling van de juiste pellicle (een dunne film die over het masker of dradenkruis gaat.)

Momenteel zijn EUV-machines niet zo snel, met een ingenieur die uitlegt dat ze ongeveer 125 wafels per uur kunnen produceren, vergeleken met ongeveer 275 wafels per uur voor immersielithografie. Ze kunnen eigenlijk tijd besparen, omdat als het proces het aantal passages voor meerpatronen vermindert, het niet alleen stappen in lithografie bespaart, maar ook in etsen en voorbereiding. Dus, EUV zou eigenlijk minder moeten kosten om te draaien wanneer het klaar is, zei Caulfield.

Gomba merkte op dat het idee niet alleen is om 3 of 4 lagen optische lithografie te verminderen, maar ook om vele andere stappen te verminderen, omdat er tussen elke lithografiestap ook etsen en andere verwerking op de wafer is. Het doel, zei Gomba, is om de cyclustijd met maximaal 30 dagen te verminderen.

Het crossover-punt is waarschijnlijk quad-patroonvorming, maar veel hangt af van de opbrengst (die moet worden verbeterd, omdat EUV-lithografiestappen minder variabiliteit moeten hebben dan meerdere immersie-lithografiestappen) en de cyclustijdverbeteringen. EUV moet chipontwerpers ook in staat stellen onder veel minder beperkende omstandigheden te werken.

Maar hij merkte ook op dat er nog een aantal problemen moeten worden opgelost, met name als het gaat om de pellicle. Een andere ingenieur legde uit dat de 13, 5 nm straling die EUV gebruikt, door bijna alles wordt geabsorbeerd, dus het interieur van de machine moet een vacuüm zijn. Met EUV gaat veel van de kracht niet door het dradenkruis (masker), maar verwarmt het in plaats daarvan. De pellicle helpt het masker te beschermen, maar er moet nog steeds worden gewerkt aan het verbeteren van de hoeveelheid licht die door de pellicle gaat (transmissie), evenals de levensduur van de pellicle. Dit heeft op zijn beurt invloed op de doorvoer, evenals op de levensduur van de maskers en de uptime van de totale machine.

Als gevolg hiervan, zei Patton, zal het bedrijf in eerste instantie een krimp van 7 nm aanbieden met EUV, die meestal zal worden gebruikt voor contacten en via's. Alleen dit kan een dichtheidstoename van 10 tot 15 procent opleveren zonder grote ontwerpinvesteringen. Wanneer de problemen zijn opgelost, zei Patton, kan EUV in veel meer lagen worden gebruikt. (Joel Hruska van ExtremeTech , die ook op de tour was, heeft hier meer details.)

Patton merkte op dat ASML "enorm krediet" zou moeten krijgen voor het pushen van EUV zover het heeft, en zei dat het een "ongelooflijke prestatie van engineering" is. Op de vraag of GlobalFoundries echt toegewijd is om EUV te doen, antwoordde Caulfield dat het bedrijf een investering van $ 600 miljoen heeft gedaan, wat betekent "moet het doen".

FDX en de routekaart voor toekomstige chipproductie

In een brede discussie over waar het maken van chips naartoe gaat, legde Patton - die een lange carrière aan chiptechnologie voor IBM werkte - uit hoe het concept verandert naarmate we het einde van de wet van Moore bereiken. Hij merkte op dat het in de beginjaren van de chipproductie allemaal om vlakke schaal van silicium CMOS ging. Daarna, vanaf 2000-2010, lag de focus op nieuwe materialen; nu ligt veel van de focus op 3D-transistoren (de FinFET's die tegenwoordig in de meeste toonaangevende processen worden gebruikt) en 3D-stapelen.

Tegen 2020, zei hij, zullen we de grenzen van atomaire dimensies bereiken, dus moeten we ons richten op andere manieren van innoveren, waaronder nieuwe manieren om transistoren te ontwerpen (zoals nanodraden die FinFET's vervangen), nieuwe soorten substraten (zoals de volledig Verarmde Silicon-on-Insulator-technologie ontwikkelt zich GlobalFoundries); of nieuwe niveaus van systeemniveau-integratie (zoals geavanceerde verpakking, siliciumfotonica en ingebed geheugen).

GlobalFoundries heeft twee routekaarten waaraan het werkt, zei Patton. De eerste is gebaseerd op de huidige FinFET-technologie en is ontworpen voor hoogwaardige apparaten. Bij GlobalFoundries betekent dit de overgang van het huidige 14nm-proces naar een herziening van het proces dat het 12nm noemt, en later dit jaar naar wat het 7nm noemt. Patton zei dat dit het best geschikt zou moeten zijn voor mobiele applicatieprocessors en krachtige CPU's en GPUS, waarbij GlobalFoundries tot 40 procent verbetering van de apparaatprestaties belooft en een 60 procent reductie van het totale vermogen in vergelijking met het 14nm-proces. Even dwingend zou het de kosten met ongeveer 30 procent tot wel 45 procent moeten verlagen ten opzichte van de vorige generatie.

In dit deel van de routekaart ligt GlobalFoundries op een vergelijkbare koers als de routekaarten van concurrerende fabels, zoals TSMC of Samsung.

Maar voor andere toepassingen richt het bedrijf zich op wat het FDX noemt, het merk voor volledig uitgeputte siliconen-op-isolatortechnologie. Dit is een vlakke technologie, wat betekent dat het geen 3D-transistors gebruikt, en Patton zei dat het een meer kosteneffectieve oplossing biedt voor low-end en mid-tier mobiele processors, evenals processors voor het internet der dingen en veel automotive toepassingen. Hoewel een deel van het onderzoek hiervoor op Malta plaatsvindt, wordt het FDX-proces meestal georganiseerd in Dresden, Duitsland. Momenteel wordt aan dit proces gewerkt door wat GlobalFoundries zijn 22nm FDX-knooppunt noemt; dit is gepland om volgend jaar naar een proces van 12 nm te gaan.

Caulfield merkte op dat "een inkrimping niet genoeg is", en dat om naar het volgende knooppunt te gaan, GlobalFoundries ook meer prestaties moet bieden en echte waarde moet bieden aan klanten. Hij merkte op dat het bedrijf 20 nm heeft overgeslagen en wat anderen 10 nm noemen om zich op 7 nm te concentreren en zei dat dit knooppunt een directe kostenreductie van 30 tot 45 procent biedt in vergelijking met 14 nm, enigszins gecompenseerd door de behoefte aan meer maskers voor de extra stappen die vereist zijn voor multi- patroonvorming.

Caulfield merkte op dat meer dan de helft van de inkomsten van het bedrijf op oudere procesknooppunten blijven, zoals 28 en 40 nm knooppunten. De fabriek in Singapore richt zich op 40 nm en oudere processen en Dresden produceert op 22 nm en ouder. Ondertussen is alles op Malta gericht op 14nm en nieuwere processen.

Op 7 nm, zei Caulfield, wil het bedrijf een 'snelle volger' zijn, terwijl het op FDX een 'verstorende' factor in de markt wil zijn.

Patton merkte op dat GlobalFoundries in 2015 een 7nm-testchip liet zien, die hij ontwikkelde met partners IBM en het Albany NanoTech Complex. Op 5 nm heeft het bedrijf gesproken over nanosheets of gate-all-round transistoren, en een focus op intra-module communicatie met behulp van 2.5D en 3D-chipverpakkingen op silicium interposers om verschillende die en hybride geheugenblokjes te verbinden. Samen met zijn partners demonstreerde het vorig jaar een 5nm-testchip.

Al jaren ben ik onder de indruk van hoeveel de chipindustrie heeft kunnen verbeteren. Het is moeilijk om een ​​andere industrie te bedenken die tot nu toe en zo snel is verhuisd - en het werk van gereedschapmakers zoals ASML en fabels zoals GlobalFoundries is gewoon ongelooflijk. De uitdagingen waarmee ze worden geconfronteerd bij het realiseren van nog snellere chips en dichtere ontwerpen zijn steeds moeilijker, maar mijn bezoek herinnerde me aan zowel de complexiteit van de geavanceerde processen als de vooruitgang die we blijven zien.

Hoe waarschijnlijk is het dat u PCMag.com aanbeveelt?