Les promesses et les défis de l'UEV chez Global Foundries

L'une des raisons pour lesquelles j'étais si intriguée de visiter GlobalFoundries plus tôt ce mois-ci était pour avoir l'occasion de voir une machine de lithographie EUV en place et d'entendre parler de la manière dont l'entreprise envisageait de l'utiliser.

Il n'y a pas si longtemps, j'ai eu l'occasion de visiter une usine du Connecticut où ASML fabrique de nombreux composants pour une telle machine EUV. Ces énormes outils utilisent une lumière ultraviolette extrême (EUV) émise à travers un masque pour délimiter les contours de très petites caractéristiques des puces et constituent certaines des machines les plus complexes au monde. Elles sont conçues pour remplacer les machines de lithographie par immersion, désormais standard, qui utilisent une lumière d’une longueur d’onde de 193 nm dans certaines couches du processus de fabrication de puces.

Pour récapituler, une machine EUV est incroyablement compliquée. Comme l'explique George Gomba, vice-président de la recherche technologique chez GlobalFoundries, le processus commence par un laser CO2 à 27 kilowatts qui est déclenché par un système de transport de faisceau et se concentre sur de minuscules gouttelettes d'étain (environ 20 microns de diamètre) produites par un générateur de gouttelettes. dans un vaisseau plasmatique. La première impulsion aplatit la gouttelette et la seconde la vaporise, créant un plasma produit par laser (LPP). Les photons EUV émis par le plasma sont collectés par un miroir spécial qui réfléchit une lumière de 13, 5 nm de longueur d'onde et transmet le rayonnement à un point de focalisation intermédiaire où il pénètre dans le scanner et est projeté à travers un masque sur la tranche de silicium. M. Gomba, qui travaille aux installations d'Albany Nanotech, a déclaré qu'il travaillait avec des systèmes de VUE de préproduction depuis 2013 et qu'il s'attend maintenant à ce que celui-ci soit en pleine production chez GlobalFoundries d'ici le second semestre de 2019.

Ces outils sont si complexes qu'ils nécessitent des mois de travail pour être prêts à démarrer la production. Lors de la Fab 8 de la société à Malte, à New York, j'ai vu les deux premiers outils EUV installés. l'un est presque terminé et l'autre est en cours de production et il reste encore de la place pour deux autres.

Obtenir les outils EUV dans le bâtiment lui-même était une opération complexe. L'usine principale a d'abord été fermée; ensuite, une grue a été installée au plafond et un trou a été creusé dans le côté du bâtiment pour permettre le transfert du nouveau système massif à l'intérieur. Ensuite, bien sûr, il devait être connecté aux autres outils de l'usine. Cela impliquait des travaux dans la sous-fabrique, qui devait être configurée pour l'outil source qui crée le laser utilisé dans le processus, ainsi que dans la salle blanche elle-même. Tout devait être fait en gardant le reste de l'usine en marche à toute vitesse.

Tom Caulfield, vice-président directeur et directeur général de Fab 8, a comparé cette pratique à "une opération du cœur lorsqu’un marathon est organisé".

Le statut de EUV et ce qu'il reste à résoudre

Gary Patton, CTO & Vice-président mondial de la R & D pour GlobalFoundries, a déclaré que 7 nm serait en production à risque à Fab 8 cette année, et en production complète l'année prochaine, en utilisant la lithographie par immersion et le modelage quad, mais pas l'EUV. La multi-configuration prend plus de temps car elle implique plus d'étapes et des problèmes peuvent survenir en raison de l'alignement très précis nécessaire à chaque étape, mais ces outils de lithographie sont courants, bien compris et prêts aujourd'hui. Il est prévu de proposer ultérieurement une version du processus 7 nm utilisant les nouveaux outils EUV.

EUV n’est "pas prêt aujourd’hui", a déclaré Patton, citant des problèmes liés à la source, aux matériaux résistants et aux masques, en particulier avec le développement de la pellicule appropriée (une pellicule mince recouvrant le masque ou le réticule.)

Actuellement, les machines EUV ne sont pas aussi rapides, un ingénieur expliquant qu'elles peuvent produire environ 125 plaquettes par heure, contre environ 275 plaquettes par heure pour la lithographie par immersion. Ils permettent en réalité de gagner du temps, car si le processus réduit le nombre de passes pour la modélisation multiple, il enregistre non seulement les étapes de la lithographie, mais également celles de la gravure et de la préparation. Ainsi, les EUV devraient en réalité coûter moins cher à exploiter quand ils seront prêts, a déclaré Caulfield.

Gomba a souligné que l’idée n’était pas simplement de réduire de 3 ou 4 couches de lithographie optique, mais aussi de nombreuses autres étapes, car entre chaque étape de lithographie, il y avait aussi une gravure et un autre traitement sur la tranche. Selon M. Gomba, l'objectif est de réduire le temps de cycle de 30 jours maximum.

Le point de croisement est probablement un quadruple motif, mais cela dépend en grande partie du rendement (qui devrait être amélioré, car les étapes de lithographie EUV devraient avoir une variabilité moindre que les étapes de lithographie par immersion multiple) et des améliorations de la durée du cycle. Les VUE devraient également permettre aux concepteurs de puces de fonctionner dans des conditions beaucoup moins restrictives.

Mais il a également noté qu'il restait quelques problèmes à résoudre, notamment en ce qui concerne la pellicule. Un autre ingénieur a expliqué que le rayonnement de 13, 5 nm utilisé par EUV est absorbé par presque tout, de sorte que l'intérieur de la machine doit être vide. Avec EUV, une grande partie de l’énergie ne traverse pas le réticule (masque), mais le réchauffe. La pellicule aide à protéger le masque, mais il reste encore du travail à faire pour améliorer la quantité de lumière qui traverse la pellicule (transmission), ainsi que la longévité de la pellicule. Cela aura également un impact sur le débit, ainsi que sur la longévité des masques et la disponibilité de l'ensemble de la machine.

En conséquence, a déclaré Patton, la société proposera dans un premier temps une réduction de 7 nm avec EUV, qui sera principalement utilisée pour les contacts et les vias. Cela seul peut permettre une augmentation de la densité de 10 à 15% sans un investissement de conception important. Une fois les problèmes résolus, a déclaré Patton, les VUE peuvent et seront utilisés dans de nombreuses autres couches. (Joel Hruska de ExtremeTech , qui était également sur la tournée, a plus de détails ici.)

Patton a noté qu'ASML devrait obtenir un "crédit considérable" pour avoir poussé les VUE aussi loin que possible, et a déclaré qu'il s'agissait d'un "exploit d'ingénierie incroyable". Lorsqu'on lui a demandé si GlobalFoundries était vraiment déterminée à utiliser les VUE, Caulfield a répondu que l'entreprise avait réalisé un investissement de 600 millions de dollars, ce qui signifie "qu'il faut le faire".

FDX et la feuille de route pour la fabrication de puces future

Patton, qui a passé une longue carrière à travailler sur la technologie des puces pour IBM, a expliqué comment le concept évolue à l'approche de la fin de la loi de Moore. Il a noté que dans les premières années de la fabrication de puces, tout était axé sur la mise à l'échelle plane du CMOS en silicium. Ensuite, de 2000 à 2010, l’attention s’est tournée vers de nouveaux matériaux; à présent, l'accent est mis principalement sur les transistors 3D (les FinFET utilisés dans la plupart des processus de pointe) et sur l'empilement 3D.

D'ici 2020, a-t-il dit, nous atteindrons les limites de la dimension atomique, nous devrons donc nous concentrer sur d'autres moyens d'innover, notamment de nouveaux moyens de concevoir des transistors (tels que les nanofils remplaçant des FinFET), de nouveaux types de substrats (tels que le Technologie de silicium sur isolant épuisé (que GlobalFoundries est en train de développer); ou de nouveaux niveaux d'intégration au niveau du système (tels que le conditionnement avancé, la photonique sur silicium et la mémoire intégrée).

GlobalFoundries a deux feuilles de route sur lesquelles il travaille, a déclaré Patton. Le premier est basé sur la technologie FinFET actuelle et est conçu pour les périphériques hautes performances. Chez GlobalFoundries, cela signifie passer du processus actuel de 14 nm à une révision du processus appelé 12 nm, puis plus tard cette année à ce qu’il appelle 7 nm. Patton a déclaré que cela devrait mieux convenir aux processeurs d'applications mobiles et aux processeurs et GPUS hautes performances, GlobalFoundries promettant d'améliorer de 40% les performances des périphériques et de réduire de 60% la puissance totale par rapport au procédé 14 nm. Tout aussi convaincant, il devrait réduire les coûts de revient d’environ 30%, jusqu’à 45% par rapport à la génération précédente.

Dans cette partie de la feuille de route, GlobalFoundries suit le même chemin par rapport aux feuilles de route des usines concurrentes, telles que TSMC ou Samsung.

Mais pour d'autres applications, la société se concentre sur ce qu'elle appelle FDX, sa marque pour la technologie de silicium sur isolant totalement épuisée. Il s’agit d’une technologie planaire, ce qui signifie qu’elle n’utilise pas de transistors 3D. Patton a expliqué qu’elle offrait une solution plus économique pour les processeurs mobiles bas et moyens, ainsi que pour l’Internet des objets et de nombreux produits automobiles. applications. Si certaines recherches sont en cours à Malte, le processus FDX est principalement organisé à Dresde, en Allemagne. Les travaux en cours sur ce processus portent sur ce que GlobalFoundries appelle son nœud FDX 22 nm; ceci est prévu pour passer à un processus de 12nm l'année prochaine.

Caulfield a noté qu’une réduction ne suffisait pas et que pour passer au nœud suivant, GlobalFoundries devait également offrir plus de performances et apporter une réelle valeur ajoutée à ses clients. Il a noté que la société avait sauté 20 nm et ce que d’autres appellent 10 nm pour se concentrer sur 7 nm et a déclaré que ce nœud offre une réduction des coûts directs de 30 à 45% par rapport à 14 nm, quelque peu compensé par la nécessité de masquer davantage les étapes supplémentaires requises par la technologie multi- la structuration.

Caulfield a noté que plus de la moitié des revenus de l'entreprise reste sur des nœuds de processus plus anciens, tels que des nœuds de 28 et 40 nm. L'usine de la société à Singapour est axée sur les procédés de 40 nm et plus, et Dresde fabrique sur 22 nm et plus. Pendant ce temps, tout à Malte se concentre sur les processus de 14 nm et plus récents.

Caulfield a déclaré que la société souhaitait être un "suiveur rapide" à 7 nm, tandis que sur FDX, elle souhaitait être un facteur "perturbateur" sur le marché.

Patton a noté que GlobalFoundries avait présenté une puce de test de 7 nm en 2015, qu'elle avait développée avec les partenaires IBM et le complexe Albany NanoTech. À 5 nm, la société a parlé de nanofeuilles ou de transistors à grille, ainsi que de la communication intra-module utilisant des boîtiers de puce 2.5D et 3D sur des interposeurs en silicium pour connecter différents cubes de mémoire hybride et à puce. Avec ses partenaires, il a présenté une puce de test à 5 nm l’an dernier.

Pendant des années, j'ai été impressionné par les progrès réalisés par l'industrie de la fabrication de puces. Il est difficile de penser à une autre industrie qui a évolué jusqu'à présent et aussi rapidement - et le travail des fabricants d'outils tels que ASML et des fabricants tels que GlobalFoundries est tout simplement incroyable. Les défis auxquels ils sont confrontés pour réaliser des puces encore plus rapides et des conceptions plus denses sont de plus en plus difficiles, mais ma visite m'a rappelé la complexité des processus de pointe impliqués et les progrès que nous continuons de voir.

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