グローバルファウンドリでのeuvの約束と課題

今月初めにGlobalFoundriesを訪れたことにとても興味をそそられた理由の1つは、EUVリソグラフィーマシンが設置されていることを確認し、会社がそれをどのように使用するかを聞いたことです。

少し前、私はASMLがそのようなEUVマシン用のコンポーネントの多くを製造しているコネチカットの工場を訪問する機会がありました。 これらの巨大なツールは、極端な紫外線（EUV）光をマスクを通して照射して、チップの非常に小さな特徴の線を描き、世界で最も複雑な機械の一部です。 これらは、チップ製造プロセスのいくつかの層で193nmの波長の光を使用する、現在標準の液浸リソグラフィー装置の代わりになるように設計されています。

要約すると、EUVマシンは非常に複雑です。 GlobalFoundriesのテクノロジーリサーチ担当バイスプレジデントであるジョージゴンバが説明したように、プロセスは27キロワットのCO2レーザーから始まります。プラズマ容器内。 最初のパルスは液滴を平らにし、2番目のパルスはそれを蒸発させ、レーザー生成プラズマ（LPP）を作成します。 プラズマから放出されたEUV光子は、波長13.5nmの光を反射する特別なミラーによって収集され、その放射は中間焦点に送られてスキャナーに入射し、マスクを通してシリコンウェーハに投影されます。 アルバニーナノテク施設で働いているゴンバ氏は、2013年から試作前のEUVシステムで作業しており、現在は2019年後半までにGlobalFoundriesでEUVが完全に生産されると予想しています。

これらのツールは非常に複雑であるため、生産開始の準備をするためだけに数か月の作業が必要です。 ニューヨークのマルタにある同社のFab 8で、最初にインストールされた2つのEUVツールを見ました。 1つはほぼ完成しており、もう1つはプロセス生産中です。さらに2つを追加する余地があります。

建物自体にEUVツールを導入するのは複雑な作業でした。 メインファブは最初に封印されました。 その後、天井にクレーンを設置し、建物の側面に穴を開けて、大規模な新しいシステムを内部に移動しました。 その後、もちろん、工場内の他のツールに接続する必要がありました。 これには、プロセスで使用されるレーザーを作成するソースツールとクリーンルーム自体の両方で設定する必要があるサブファブでの作業が含まれていました。 ファブの残りの部分をフルスピードで稼働させながら、すべてを行う必要がありました。

Fab 8のSVP&General ManagerであるTom Caulfieldは、これを「マラソンを実行しながら心臓手術を行う」と比較しました。

EUVのステータス-そしてまだ解決する必要があるもの

GlobalFoundriesのワールドワイドR&DのCTO兼SVPであるGary Patton氏は、7nmは今年Fab 8で、量産は来年、液浸リソグラフィとクワッドパターニングを使用し、EUVは使用しないと述べています。 マルチパターン化はより多くのステップを必要とするため時間がかかり、各ステップで非常に正確なアライメントが必要なために問題が発生する可能性がありますが、これらのリソグラフィツールは一般的で、よく理解されており、すぐに使用できます。 計画では、後で新しいEUVツールを使用して7nmプロセスのバージョンを提供する予定です。

EUVは「今日準備ができていません」と、特に適切なペリクル（マスクまたはレチクルを覆う薄膜）の開発に伴う電源、レジスト材料、およびマスクの問題を挙げて、パットン氏は述べました。

現在、EUVマシンはそれほど高速ではなく、1人のエンジニアが、1時間あたり約125枚のウェーハを生産できると説明しています。 プロセスがマルチパターニングのパス数を減らすと、リソグラフィのステップだけでなく、エッチングと準備のステップも節約されるため、実際に時間を節約できます。 したがって、EUVの準備が整ったら、実際に実行するのにかかる費用は少なくなるはずです、とコールフィールドは言いました。

Gombaは、アイデアは3層または4層の光リソグラフィーを削減するだけでなく、他の多くのステップも削減することであると述べました。各リソグラフィーステップの間には、ウェーハに対するエッチングやその他の処理もあります。 Gomba氏によると、目標はサイクルタイムを最大30日短縮することです。

クロスオーバーポイントはおそらくクワッドパターニングですが、歩留まり（EUVリソグラフィのステップは複数の液浸リソグラフィのステップよりもばらつきが少ないため、改善する必要があります）とサイクル時間の改善に大きく依存します。 また、EUVにより、チップ設計者ははるかに制限の少ない条件下で動作できるようになります。

しかし彼も、特にペリクルに関しては、解決すべき問題がいくつか残っていると指摘しました。 別のエンジニアは、EUVで使用される13.5nmの放射はほとんどすべてに吸収されるため、機械の内部は真空にする必要があると説明しました。 EUVでは、パワーの大部分はレチクル（マスク）を通過せず、代わりにレチクルを加熱します。 ペリクルはマスクの保護に役立ちますが、ペリクルを通過する光の量（透過）を改善し、ペリクルの寿命を延ばすために、まだ作業が必要です。 これは、スループットに影響するだけでなく、マスクの寿命とマシン全体の稼働時間にも影響します。

その結果、Patton氏によると、同社は最初にEUVで7nmの縮小を提供し、これは主にコンタクトとビアに使用されます。 これだけでも、大きな設計投資をせずに、密度を10〜15％高めることができます。 問題が解決されると、EUVはさらに多くのレイヤーで使用できるようになり、今後も使用される予定であるとPatton氏は述べています。 （ ExtremeTechの Joel Hruskaもツアーに参加しました。詳細はこちらをご覧ください。）

パットンは、ASMLがEUVをできる限り推進したことで「途方もない信用」を獲得すべきであると指摘し、「エンジニアリングの驚くべき偉業」であると述べました。 GlobalFoundriesがEUVの実施に真剣に取り組んでいるかどうかを尋ねられたとき、コールフィールドは、同社が6億ドルの投資を行ったと回答しました。

FDXと将来のチップ製造のロードマップ

チップメイキングがどこに向かうのかについての幅広い議論の中で、IBMのチップテクノロジーに長年携わってきたパットンは、ムーアの法則の終わりに到達するにつれてコンセプトがどのように変化するかを説明しました。 彼は、チップ製造の初期の頃は、シリコンCMOSの平面的なスケーリングがすべてだったと指摘しました。 その後、2000年から2010年にかけて、新しい素材に焦点が当てられました。 現在、3Dトランジスタ（今日のほとんどの最先端プロセスで使用されているFinFET）と3Dスタッキングに重点が置かれています。

彼は2020年までに、原子の大きさの限界に達するので、トランジスタ（FinFETを置き換えるナノワイヤなど）の新しい設計方法、新しい種類の基板（Fully枯渇したシリコンオンインシュレーター技術GlobalFoundriesが開発中）; または新しいレベルのシステムレベル統合（高度なパッケージング、シリコンフォトニクス、組み込みメモリなど）。

パットン氏によると、GlobalFoundriesには2つのロードマップがあります。 1つ目は、現在のFinFETテクノロジーに基づいており、高性能デバイス向けに設計されています。 GlobalFoundriesでは、これは現在の14nmプロセスから、12nmを呼び出しているプロセスの改訂版に移行し、今年後半に7nmを呼び出すものに移行することを意味します。 パットンは、これはモバイルアプリケーションプロセッサと高性能CPUおよびGPUに最適であり、GlobalFoundriesはデバイスのパフォーマンスを最大40％改善し、14nmプロセスと比較して総電力を60％削減すると約束しています。 同様に説得力があり、ダイのコストを前世代よりも約30パーセントから45パーセントも削減するはずです。

ロードマップのこの部分では、GlobalFoundriesは、TSMCやSamsungなどの競合するファブのロードマップと比較して、同様のコースにあります。

しかし、他のアプリケーションでは、同社は完全に劣化したシリコンオンインシュレータ技術のブランドであるFDXに焦点を当てています。 これは平面技術であり、3Dトランジスタを使用しないことを意味します。Patton氏は、ローエンドおよびミッドティアモバイルプロセッサに加え、モノのインターネットおよび多くの自動車用のプロセッサに、よりコスト効率の高いソリューションを提供すると述べました。アプリケーション。 このための研究の一部はマルタで行われていますが、FDXプロセスは主にドイツのドレスデンで開催されています。 このプロセスに関する現在の作業は、GlobalFoundriesが22nm FDXノードと呼んでいるものです。 これは来年12nmプロセスに移行する予定です。

コールフィールドは、「縮小だけでは不十分」であり、次のノードに進むために、GlobalFoundriesはより多くのパフォーマンスを提供し、顧客に真の価値をもたらす必要があると指摘しました。 彼は、同社が20nmをスキップし、他の人が10nmと呼んでいる7nmに焦点を合わせ、このノードは14nmに比べて30から45％の直接コスト削減を提供し、パターニング。

コールフィールドは、同社の収益の半分以上が28や40nmノードなどの古いプロセスノードに残っていると指摘しました。 同社のシンガポール工場は40nm以上のプロセスに焦点を当てており、ドレスデンは22nm以上で製造しています。 一方、マルタのすべては14nm以降のプロセスに焦点を当てています。

コールフィールド氏によると、同社は7nmでは「高速フォロワー」になりたいと考えている一方、FDXでは市場で「破壊的な」要因になりたいと語っています。

パットンは、GlobalFoundriesが2015年に7nmのテストチップを示し、パートナーのIBMおよびAlbany NanoTech Complexと共同で開発したと述べました。 5nmで、同社はナノシートまたはゲートオールアラウンドトランジスタについて話し、シリコンインターポーザーで2.5Dおよび3Dチップパッケージを使用して異なるダイおよびハイブリッドメモリキューブを接続するモジュール内通信に焦点を当てました。 昨年、パートナーとともに5nmテストチップのデモを行いました。

何年もの間、私はチップ製造業界がどれほど改善できたかに感銘を受けてきました。 これまでに、そして非常に速く移動している別の業界を考えるのは難しいです。そして、ASMLなどのツールメーカーやGlobalFoundriesなどのファブによる作業は信じられないほどです。 さらに高速なチップとより高密度な設計を実現する際に彼らが直面する課題はますます困難になっていますが、今回の訪問では、関与する最先端プロセスの複雑さと継続的な進展の両方を思い出しました。

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