IBM, EUV 리소그래피로 7nm 핀펫 기술 새 지평 열다

이 4부작 시리즈의 네 번째 기사로 IEDM 2016에서 발표된 IBM의 획기적 논문들을 탐구합니다.

반도체 및 전자 소자 혁신의 세계 최고 포럼인 IEDM에서 IBM은 주사 프로브 온도계, 10nm 칩용 에어 스페이서, 7nm 핀펫 프로토타입, 선구적 카본 나노튜브 연구 등 최신 돌파구를 선보였습니다. IBM 연구자들과 파트너들이 발표한 논문과 강연은 올해 샌프란시스코 컨퍼런스에서 하이라이트되었습니다.

이 컨퍼런스는 무어의 법칙을 밀어붙이고, 아키텍처를 혁신하며, 신소재를 활용하는 차세대 컴퓨팅을 보여주는 4편의 IBM 논문을 선보였습니다. 이 마지막 기사는 "EUV 패터닝과 듀얼 스트레인 고이동도 채널을 특징으로 하는 7nm 핀펫 기술"이라는 제목의 7nm 핀펫 논문에 초점을 맞춥니다. 글로벌파운드리의 수석 기술 직원 루이롱 시에와 IBM 올버니 나노테크 센터 협력자들이 저술했습니다.

7월, IBM과 얼라이언스 파트너들은 극자외선(EUV) 리소그래피와 트랜지스터 채널 소재로 실리콘 저마늄(SiGe) 채택을 통해 세계 최초 7nm 테스트 칩을 공개했습니다.

실리콘에서 실리콘 저마늄으로

IEDM 논문은 SiGe 기반 핀펫이 10nm 기술 그라운드 룰을 충족하면서 우수한 성능을 제공함을 입증합니다. 이 접근법은 저전력과 고성능 소자를 단일 칩에서 어느 쪽도 타협 없이 구현하게 하여 SiGe를 매력적인 CMOS 대안으로 위치시킵니다.

SiGe는 격자 불일치를 통해 변형을 도입합니다(실리콘 매트릭스 내 더 큰 저마늄 원자). 이는 캐리어 이동도를 높여 더 낮은 전압에서 더 높은 전류를 가능하게 합니다. 감소된 기생 저항 및 커패시턴스와 결합되어, 팀은 10nm 노드와 동일한 전력에서 40% 더 나은 성능을 달성하는 7nm 로드맵을 제시했습니다.

극도로 짧은 파장의 빛

EUV는 기존 193nm 빛보다 훨씬 짧은 13.5nm 파장을 사용하여 웨이퍼당 최대 200억 개의 7nm 트랜지스터 에칭을 가능하게 합니다. 그러나 이 밀도를 실현하려면 공정이 신뢰성, 일관성, 확장 가능해야 합니다.

리소그래피는 전통적 사진 인쇄와 유사합니다: 웨이퍼를 마스크를 통과한 빛에 노출시킵니다. 달성 가능한 선폭은 마스크 패턴과 빛의 파장에 모두 의존합니다. 193nm 빛으로는 서브 피처 패턴에 다중 노광 단계가 필요해 처리량이 제한됩니다.

이 다중 패터닝 접근법은 연속 노광을 레이어링합니다(일본 목판화처럼). 피처를 정제하지만 성능 저하를 유발합니다. 소비자 기기에는 허용되지만 슈퍼컴퓨터와 미션 크리티컬 시스템이 요구하는 신뢰성을 해칩니다. 결과적으로 IBM은 7nm 칩에 EUV 리소그래피를 추구합니다.

왼쪽 상단: 초급경 웰(SSRW) 상의 듀얼 스트레스 채널 소재 개략도와 (a) 인장 스트레인 실리콘 핀, (b) 압축 스트레인 SiGe 핀의 TEM 이미지. 오른쪽 상단: 최적화된 셀프얼라인드 컨택트(컨택트 개구 ~10nm, Lmetal ~15nm)를 가진 48nm 컨택트 폴리실리콘 피치 장치의 TEM 이미지. 하단 중앙: 트렌치 에피택셜 공정이 이온주입과 어닐 최적화 후 그라운드 룰과 컨택트 저항률 감소를 동시에 충족함을 보여주는 그림과 그래프.

13.5nm EUV로 단일 고충실도 노광이 7nm 패턴을 생성하여 다중 패터닝을 제거합니다. 남은 과제는 EUV를 데모에서 양산으로 전환하는 것인데, 이는 IBM 시스템 360 유산이 엄격한 개선을 통해 오늘날의 첨단 프로세서로 진화한 것과 유사합니다.

EUV 광원 생산은 진공 속 녹은 주석 방울로 시작해 구형 타겟을 형성합니다. CO₂ 레이저가 방울을 형성하고 조향하며, 두 번째 더 강력한 CO₂ 레이저가 주석을 기화시켜 13.5nm 광자를 방출합니다. 이 광자들은 고반사율 미러 시리즈로 수집되어 웨이퍼에 초점됩니다.

EUV 공정은 복잡하지만, 팀의 결과는 EUV로 제작된 7nm 칩이 높은 품질과 성능을 달성함을 확인합니다. 이는 차세대 슈퍼컴퓨터의 엄격한 요건을 충족할 신뢰할 수 있는 고성능 부품의 길을 엽니다.

1부: 핫스팟 매핑
2부: 카본 나노튜브라는 또 다른 종류의 칩
3부: 10nm 칩용 에어 스페이서