Весной компания IBM порадовала нас выпуском опытного полупроводникового кристалла с технологическими нормами 7 нм. На днях этот своеобразный рекорд побил бельгийский центр Imec, который в содружестве с компанией Cadence Design Systems выпустил опытный процессор с технологическими нормами 5 нм. Подчеркнём, инженеры создали проект полноценного процессора с массивом SRAM, что делает эксперимент особенно ценным.

Исследователи ставили перед собой задачу изучить возможность производства 5-нм кремния всеми имеющимися на данный момент средствами. Было использовано три варианта производства: использование только 193-нм сканера, использование только EUV-сканера (длина волны 13,5 нм) и использование комбинированной (последовательной) проекции 193-нм сканера и EUV-сканера. Во всех случаях была задействована так называемая иммерсионная литография, когда пластины погружаются в жидкость для увеличения разрешения оптической системы сканеров.

Пример четырёхмасочной проекции для выпуска 15-нм NAND-флеш памяти с помощью 193-нм сканера

Опыт показал, что в случае одного только 193-нм сканера для производства чипов с транзисторным затвором длиной 5 нм требуется четыре фотошаблона для каждого металлического слоя процессора и три фотошаблона для создания отверстий под сквозную металлизацию. Один фотошаблон — это один проход сканера по всей поверхности пластины. Для автоматического выравнивая фотошаблонов была применена фирменная технология SAQP (Self-Aligned Quadruple Patterning). Нетрудно понять, что стоимость таким образом выпущенного решения окажется очень высокой. Дело даже не в цене фотошаблонов. Уровень брака будет запредельным.

Сканер диапазона EUV в разрезе

В случае использования только лишь EUV-сканера, для каждого металлического слоя потребовался только один фотошаблон и один проход. Также один фотошаблон потребовался для изготовления отверстий металлизации. Кроме этого, за счёт оптимизации разводки проводников потребовалось меньше слоёв металлизации. Таким образом, использование EUV-сканеров себя оправдает, но лишь с оговоркой, что появится оборудование с мощным источником излучения. Современные опытные EUV-сканеры способны за сутки обработать до 400 300-мм пластин. Для коммерческого использования производительность сканеров должна достигать скорости 2000 пластин в сутки. Сканеры 193i, например, в сутки способны обрабатывать до 4000 300-мм пластин. Подобные EUV-сканеры выйдут не раньше 2020 года, а то и позже. Хотя первое коммерческое использование EUV-литографии обещает начаться в 2018 или 2019 году.

Наконец, третий эксперимент, когда использовалась комбинация 193-нм и EUV-проекции. Для проекции каждого слоя металлизации были задействованы по четыре фотошаблона и 193-нм проекция. Отверстия металлизации подготавливались с помощью одного фотошаблона и EUV-проекции. В то же время исследователи отметили, что при смешанном использовании EUV-литографии и 193-нм литографии для выпуска 5-нм продукции может потребоваться два EUV-фотошаблона. Тем не менее, смешанный метод пока остаётся наиболее коммерчески выгодным для выпуска 5-нм продукции. Это подтвердили также компании TSMC и GlobalFoundries, которые допускают возможность производства 7-нм и 5-нм продукции с использованием штатного 193-нм и опытного EUV-оборудования. Центр Imec блестяще подтвердил такую возможность.