IBM franchit une nouvelle étape avec la technologie FinFET 7 nm utilisant la lithographie EUV

Quatrième volet de notre série en quatre parties explorant les articles révolutionnaires d'IBM présentés à l'IEDM 2016.

L'IEDM, premier forum mondial pour l'innovation en semi-conducteurs et dispositifs électroniques, a accueilli les dernières percées d'IBM : un thermomètre à sonde de balayage, un espaceur d'air pour puces 10 nm, un prototype FinFET 7 nm et des travaux pionniers sur les nanotubes de carbone. Les articles et exposés, présentés par des chercheurs IBM et partenaires, ont été mis en avant lors de la conférence de San Francisco cette année.

La conférence a mis en avant quatre articles IBM qui illustrent la prochaine génération de calcul — repoussant la loi de Moore, innovant dans les architectures et exploitant de nouveaux matériaux. Cet article final se concentre sur l'article FinFET 7 nm intitulé « A 7 nm FinFET Technology Featuring EUV Patterning and Dual‑Strained High‑Mobility Channels », rédigé par Ruilong Xie, membre senior du staff technique chez GlobalFoundries, et collaborateurs du centre Albany Nanotech d'IBM.

En juillet, IBM et ses partenaires d'Alliance ont dévoilé les premières puces test 7 nm au monde, réalisées grâce à la lithographie ultraviolette extrême (EUV) et l'adoption du germanium-silicium (SiGe) comme matériau de canal de transistor.

Du silicium au germanium-silicium

L'article de l'IEDM démontre que les FinFETs basés sur SiGe respectent les règles de base de la technologie 10 nm tout en offrant une performance supérieure. Cette approche permet à la fois des dispositifs basse consommation et haute performance sur une seule puce sans compromettre l'un ou l'autre, positionnant le SiGe comme une alternative CMOS convaincante.

Le SiGe prolonge le dimensionnement des puces en introduisant une contrainte via le désaccord de réseau — atomes de germanium plus grands dans une matrice de silicium — augmentant la mobilité des porteurs et permettant un courant plus élevé à tension réduite. Couplé à une résistance et une capacitivité parasitaires réduites, l'équipe a tracé une feuille de route 7 nm atteignant 40 % de meilleure performance à même puissance qu'un nœud 10 nm.

Longueurs d'onde de lumière extrêmement petites

L'EUV utilise une longueur d'onde de 13,5 nm — bien plus courte que la lumière de 193 nm traditionnellement utilisée — permettant de graver jusqu'à 20 milliards de transistors 7 nm par wafer. Cependant, pour réaliser cette densité, le processus doit devenir fiable, cohérent et évolutif.

La lithographie ressemble à l'impression photographique traditionnelle : un wafer est exposé à la lumière passant à travers un masque. Les largeurs de traits atteignables dépendent à la fois du motif du masque et de la longueur d'onde de la lumière. Avec la lumière de 193 nm, les motifs sous-caractéristiques nécessitent souvent plusieurs étapes d'exposition, limitant le débit.

Cette approche multi-pattern superpose des expositions successives — akin à la gravure sur bois japonaise — pour affiner les caractéristiques, mais elle introduit une dégradation de performance. Bien qu'acceptable pour les appareils grand public, elle entrave la fiabilité exigée par les supercalculateurs et systèmes critiques. Par conséquent, IBM poursuit la lithographie EUV pour les puces 7 nm.

En haut à gauche : Description schématique des matériaux de canal à double contrainte sur le SRB avec un puits rétrograde super-raide (SSRW), ainsi que des images MET de (a) l'aile de silicium sous contrainte de traction et (b) l'aile SiGe sous contrainte de compression sur un SRB commun. En haut à droite : Image MET d'un dispositif à pas de polysilice contacté de 48 nm avec un contact auto-aligné optimisé avec une ouverture de contact de ~10 nm et Lmetal de ~15 nm. Au centre bas : illustration et graphique montrent que le processus épitaxial de tranchée répond simultanément aux règles de base et à la réduction de la résistivité de contact après optimisation d'implantation et de recuit.

Avec l'EUV à 13,5 nm, une seule exposition à haute fidélité peut produire un motif 7 nm, éliminant le multi-patterning. L'obstacle restant est la transition de l'EUV de la démonstration à la production de masse — une évolution qui parallélise l'héritage du System 360 d'IBM, qui a évolué vers les processeurs avancés d'aujourd'hui par un raffinement rigoureux.

La production de lumière EUV commence avec une goutte d'étain fondu dans le vide, formant une cible sphérique. Un laser CO₂ façonne et dirige la goutte ; un second laser CO₂ plus puissant vaporise ensuite l'étain, émettant des photons de 13,5 nm. Ces photons sont collectés et focalisés sur le wafer par une série de miroirs hautement réfléchissants.

Bien que le processus EUV soit complexe, les résultats de l'équipe confirment que les puces 7 nm fabriquées avec l'EUV atteignent haute qualité et performance. Cela ouvre la voie à des composants fiables et haute performance pouvant répondre aux exigences strictes des supercalculateurs de prochaine génération.

Lire la partie 1 : Cartographie des points chauds
Lire la partie 2 : Un autre type de puce avec nanotubes de carbone
Lire la partie 3 : Espaceurs d'air pour puces 10 nm