Die Versprechen und Herausforderungen von euv bei globalfoundries

Einer der Gründe, warum ich Anfang dieses Monats so fasziniert war, GlobalFoundries zu besuchen, war die Gelegenheit, eine EUV-Lithografiemaschine vor Ort zu sehen und zu erfahren, wie das Unternehmen sie einsetzen will.

Vor kurzem hatte ich die Gelegenheit, eine Fabrik in Connecticut zu besuchen, in der ASML viele der Komponenten für eine solche EUV-Maschine herstellt. Diese riesigen Werkzeuge verwenden extrem ultraviolettes (EUV) Licht, das durch eine Maske gestrahlt wird, um die Linien für sehr kleine Merkmale von Chips abzugrenzen. Sie gehören zu den komplexesten Maschinen der Welt. Sie sollen die heute üblichen Immersionslithographie-Maschinen ersetzen, die in einigen Schichten des Chip-Herstellungsprozesses Licht mit einer Wellenlänge von 193 nm verwenden.

Zusammenfassend ist eine EUV-Maschine unglaublich kompliziert. Wie George Gomba, Vice President Technology Research bei GlobalFoundries, erklärte, beginnt der Prozess mit einem 27-Kilowatt-CO2-Laser, der durch ein Strahltransport- und Fokussiersystem auf winzige Zinntröpfchen (ca. 20 Mikrometer Durchmesser) gebrannt wird, die von einem Tröpfchengenerator erzeugt werden in einem Plasmagefäß. Der erste Impuls glättet das Tröpfchen und der zweite verdampft es und erzeugt laserproduziertes Plasma (LPP). Vom Plasma emittierte EUV-Photonen werden von einem speziellen Spiegel gesammelt, der Licht mit einer Wellenlänge von 13, 5 nm reflektiert und die Strahlung zu einem Zwischenfokuspunkt überträgt, wo sie in den Scanner eintritt und durch eine Maske auf den Siliziumwafer projiziert wird. Gomba, der im Werk von Albany Nanotech arbeitet, sagte, er arbeite seit 2013 mit EUV-Vorproduktionssystemen und rechne nun damit, dass EUV in der zweiten Hälfte des Jahres 2019 bei GlobalFoundries in voller Produktion sein wird.

Diese Werkzeuge sind so komplex, dass monatelange Arbeit erforderlich ist, um sie für den Produktionsstart vorzubereiten. Auf der Fab 8 des Unternehmens in Malta, New York, habe ich die ersten beiden EUV-Tools gesehen, die installiert wurden. einer ist fast fertig und der andere befindet sich in der Produktion, und noch zwei weitere sind möglich.

Die EUV-Werkzeuge in das Gebäude selbst zu bringen, war eine komplexe Aufgabe. Die Hauptfabrik wurde zuerst abgeriegelt; Dann wurde ein Kran in die Decke eingebaut und ein Loch in die Seite des Gebäudes geschnitten, um das massive neue System hinein zu bewegen. Dann musste es natürlich mit den anderen Werkzeugen in der Fabrik verbunden werden. Dies umfasste sowohl Arbeiten in der Teilfabrik, die für das Quellwerkzeug eingerichtet werden musste, das den in dem Prozess verwendeten Laser erzeugt, als auch im Reinraum selbst. Es musste alles getan werden, während der Rest der Fabrik mit voller Geschwindigkeit lief.

Tom Caulfield, SVP & General Manager von Fab 8, verglich dies mit "einer Herzoperation beim Laufen eines Marathons".

Der Status von EUV - und was noch zu lösen ist

Gary Patton, CTO & SVP von Worldwide R & D für GlobalFoundries, sagte, dass 7nm in diesem Jahr bei Fab 8 in der Risikoproduktion und im nächsten Jahr in der vollen Produktion unter Verwendung von Immersionslithographie und Quad-Patterning, aber nicht EUV, produziert werden wird. Die Mehrfachstrukturierung dauert länger, da mehr Schritte erforderlich sind, und aufgrund der bei jedem Schritt erforderlichen sehr genauen Ausrichtung können Probleme auftreten. Diese Lithografiewerkzeuge sind jedoch allgemein bekannt, gut verstanden und werden heute eingesetzt. Es ist geplant, später eine Version des 7-nm-Prozesses unter Verwendung der neuen EUV-Tools anzubieten.

EUV ist "heute noch nicht fertig", sagte Patton und verwies auf Probleme mit der Energiequelle, den Resistmaterialien und den Masken, insbesondere mit der Entwicklung der richtigen Pellikel (ein dünner Film, der über die Maske oder das Fadenkreuz läuft).

Gegenwärtig sind EUV-Maschinen nicht so schnell, da ein Ingenieur erklärt, dass sie ungefähr 125 Wafer pro Stunde produzieren können, verglichen mit ungefähr 275 Wafern pro Stunde für die Immersionslithographie. Sie können tatsächlich Zeit sparen, denn wenn der Prozess die Anzahl der Durchgänge für die Mehrfachstrukturierung verringert, werden nicht nur Lithografieschritte, sondern auch Ätz- und Vorbereitungsschritte eingespart. So sollte EUV tatsächlich weniger kosten, wenn es fertig ist, sagte Caulfield.

Gomba bemerkte, dass die Idee nicht nur darin besteht, 3 oder 4 Schichten der optischen Lithographie zu reduzieren, sondern auch viele andere Schritte, da zwischen jedem Lithographieschritt auch Ätzen und andere Bearbeitungen auf dem Wafer stattfinden. Ziel sei es, die Zykluszeit um bis zu 30 Tage zu verkürzen.

Der Übergangspunkt ist wahrscheinlich eine Quad-Strukturierung, hängt jedoch stark von der Ausbeute (die verbessert werden sollte, da EUV-Lithografieschritte eine geringere Variabilität aufweisen sollten als Mehrfachtauchlithografieschritte) und den Zykluszeitverbesserungen ab. EUV sollte es Chip-Designern auch ermöglichen, unter wesentlich weniger restriktiven Bedingungen zu arbeiten.

Aber auch er merkte an, dass noch einige Probleme zu lösen sind, insbesondere im Hinblick auf die Pellikel. Ein anderer Ingenieur erklärte, dass die von EUV verwendete 13, 5-nm-Strahlung von fast allem absorbiert wird, sodass das Innere der Maschine ein Vakuum sein muss. Bei EUV geht ein Großteil der Energie nicht durch das Fadenkreuz (Maske), sondern erwärmt es. Das Häutchen schützt die Maske, es muss jedoch noch daran gearbeitet werden, die Lichtmenge, die durch das Häutchen (Transmission) geht, sowie die Lebensdauer des Häutchens zu verbessern. Dies wirkt sich wiederum auf den Durchsatz sowie auf die Langlebigkeit der Masken und die Betriebszeit der gesamten Maschine aus.

Infolgedessen, so Patton, wird das Unternehmen zunächst eine 7-nm-Schrumpfung mit EUV anbieten, die hauptsächlich für Kontakte und Durchkontaktierungen verwendet wird. Dies allein kann zu einer Erhöhung der Dichte um 10 bis 15 Prozent führen, ohne dass eine große Designinvestition erforderlich ist. Wenn die Probleme gelöst sind, kann und wird EUV in vielen weiteren Schichten verwendet, so Patton. (Joel Hruska von ExtremeTech , der auch auf der Tour war, hat hier mehr Details.)

Patton merkte an, dass ASML "enorme Anerkennung" dafür erhalten sollte, EUV so weit wie möglich voranzutreiben, und sagte, es sei eine "unglaubliche Leistung der Technik". Auf die Frage, ob GlobalFoundries sich wirklich für EUV einsetzt, antwortete Caulfield, dass das Unternehmen eine Investition in Höhe von 600 Millionen US-Dollar getätigt habe.

FDX und die Roadmap für das zukünftige Chipmaking

In einer breit angelegten Diskussion darüber, wohin die Chipherstellung führen soll, erläuterte Patton, der eine lange Karriere in der Chiptechnologie für IBM verbracht hatte, wie sich das Konzept ändert, wenn wir das Ende von Moores Gesetz erreichen. Er stellte fest, dass es in den Anfangsjahren der Chipherstellung ausschließlich um die planare Skalierung von Silizium-CMOS ging. Von 2000 bis 2010 konzentrierte sich der Fokus dann auf neue Materialien; Heute liegt der Schwerpunkt hauptsächlich auf 3D-Transistoren (die heute in den meisten Spitzenprozessen verwendeten FinFETs) und 3D-Stacking.

Bis 2020, sagte er, werden wir an die Grenzen der atomaren Dimensionen stoßen, daher müssen wir uns auf andere Arten der Innovation konzentrieren, einschließlich neuer Arten des Designs von Transistoren (wie Nanodrähte, die FinFETs ersetzen) und neuer Arten von Substraten (wie das Fully) Verbrauchte Silicon-on-Insulator-Technologie (GlobalFoundries entwickelt); oder neue Integrationsstufen auf Systemebene (z. B. Advanced Packaging, Silicon Photonics und Embedded Memory).

GlobalFoundries hat zwei Roadmaps, an denen es arbeitet, sagte Patton. Die erste basiert auf der aktuellen FinFET-Technologie und wurde für Hochleistungsgeräte entwickelt. Bei GlobalFoundries bedeutet dies, vom aktuellen 14-nm-Prozess zu einer Überarbeitung des Prozesses überzugehen, den es 12-nm nennt, und später in diesem Jahr zu dem, was es 7-nm nennt. Patton sagte, dies sei am besten für mobile Anwendungsprozessoren und Hochleistungs-CPUs und GPUS geeignet. GlobalFoundries versprach eine Verbesserung der Geräteleistung um bis zu 40 Prozent und eine Reduzierung der Gesamtleistung um 60 Prozent im Vergleich zum 14-nm-Prozess. Ebenso überzeugend sollten die Kosten gegenüber der Vorgängergeneration um rund 30 Prozent auf bis zu 45 Prozent gesenkt werden.

In diesem Teil der Roadmap befindet sich GlobalFoundries auf einem ähnlichen Kurs wie die Roadmaps von Wettbewerbern wie TSMC oder Samsung.

Bei anderen Anwendungen konzentriert sich das Unternehmen auf das, was es als FDX bezeichnet, seine Marke für vollständig verbrauchte Silizium-auf-Isolator-Technologie. Dies ist eine planare Technologie, dh es werden keine 3D-Transistoren verwendet. Patton sagte, dass sie eine kostengünstigere Lösung für mobile Prozessoren der unteren und mittleren Preisklasse sowie für Prozessoren für das Internet der Dinge und viele Automobilhersteller darstellt anwendungen. Während ein Teil der Forschung dazu in Malta stattfindet, wird der FDX-Prozess hauptsächlich in Dresden, Deutschland, organisiert. Derzeit wird an diesem Prozess gearbeitet, was GlobalFoundries seinen 22-nm-FDX-Knoten nennt. Dies soll nächstes Jahr zu einem 12-nm-Prozess führen.

Caulfield merkte an, dass "eine Schrumpfung nicht ausreicht" und dass GlobalFoundries, um zum nächsten Knoten zu gelangen, auch mehr Leistung bieten und den Kunden einen echten Mehrwert bieten muss. Er merkte an, dass die Firma 20 nm übersprang und wie andere sagen, 10 nm, um sich auf 7 nm zu konzentrieren, und sagte, dass dieser Knoten eine direkte Kostenreduzierung von 30 bis 45 Prozent im Vergleich zu 14 nm bietet, was etwas durch die Notwendigkeit von mehr Masken für die zusätzlichen Schritte ausgeglichen wird, die von Multi- Musterung.

Caulfield stellte fest, dass mehr als die Hälfte der Einnahmen des Unternehmens auf älteren Prozessknoten wie 28- und 40-nm-Knoten verbleibt. Das Werk in Singapur ist auf 40-nm- und ältere Prozesse ausgerichtet, und Dresden fertigt auf 22-nm- und älteren Prozessen. Mittlerweile konzentriert sich auf Malta alles auf 14-nm-Prozesse und neuere Prozesse.

Caulfield sagte, das Unternehmen wolle bei 7nm ein "schneller Follower" sein, während es bei FDX ein "Störfaktor" auf dem Markt sein wolle.

Patton stellte fest, dass GlobalFoundries 2015 einen 7-nm-Testchip zeigte, den es zusammen mit den Partnern IBM und dem Albany NanoTech Complex entwickelte. Bei 5 nm hat das Unternehmen über Nanoblätter oder Gate-Allround-Transistoren gesprochen und sich auf die Intra-Modul-Kommunikation unter Verwendung von 2, 5D- und 3D-Chip-Gehäusen auf Silizium-Interposern konzentriert, um verschiedene Chip- und Hybrid-Speicherwürfel zu verbinden. Mit seinen Partnern hat es im vergangenen Jahr einen 5-nm-Testchip demonstriert.

Ich war jahrelang beeindruckt, wie sehr sich die Chipherstellung verbessern konnte. Es ist schwer, sich eine andere Branche vorzustellen, die sich so weit und so schnell bewegt hat - und die Arbeit von Werkzeugherstellern wie ASML und Fabs wie GlobalFoundries ist einfach unglaublich. Die Herausforderungen, mit denen sie konfrontiert sind, um noch schnellere Chips und dichtere Designs zu realisieren, werden immer schwieriger. Mein Besuch hat mich jedoch sowohl an die Komplexität der aktuellen Prozesse als auch an die Fortschritte erinnert, die wir weiterhin sehen.

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