Varför är 7-nanometer-wafertillverkningsprocessen så svår?

 

Vad är 7nm-processen?

Innan vi pratar om 7nm-processen, låt oss förstå vad "nano" betyder. En nanometer (nm) är en längdenhet och 1 nanometer är lika med 10 till minus nionde potens. När det gäller halvledarchips avser nanometer vanligtvis den minsta storleken på en transistor, eller den minsta strukturella storleken som utgör de individuella funktionella enheterna i ett chip. Därför hänvisar 7nm-processen till tillverkningen av en transistor med en minsta struktur på 7 nm på ett chip.

När transistorer fortsätter att krympa i storlek har chipintegration, datorhastighet och energieffektivitet ökat dramatiskt. Förverkligandet av dessa tekniska genombrott är dock inte smidigt, utan kräver att man löser en rad tekniska problem från design till material, processer till tillverkning.

0040-09963 PEDESTTAL,150MM FLAT,IS,NI LIFT2,HVCEN

0021-20572 PEDESTTAL, 6 ADV.101 FULL CVRG

 

Varför är det så svårt att bryta igenom 7nm-processen?

Att bryta igenom svårigheterna med 7nm-processen kan faktiskt demonteras i flera dimensioner. För att bättre förstå det, låt oss jämföra det med att bygga en allt mer sofistikerad, komplex och effektiv maskin. Föreställ dig att du försöker göra en klocka med hög precision, där varje växel och del måste vara så liten och exakt att även felet i varje detalj kan få den övergripande funktionen att misslyckas. För halvledartillverkningsprocessen är 7nm-processen just en sådan extrem utmaning.

1. Uppskattningen av fysiska gränser

När transistorstorlekarna fortsätter att minska har vissa fysiska gränser närmat sig. Så snart transistorns storlek är mindre än 10 nanometer börjar kvanteffekten manifesteras. Till exempel uppvisar elektroner kvanttunneling i dessa små transistorer, där elektroner kan passera genom transistorns "brunn", vilket gör att ström läcker, vilket påverkar chipets prestanda och strömförbrukning.

För att övervinna dessa problem måste chipdesigners förlita sig på innovativ teknik, såsom användning av material av högre kvalitet (t.ex. material med hög dielektricitetskonstant) eller mer avancerade transistorstrukturer (t.ex. FinFET). Införandet av dessa teknologier är dock inte en enkel uppgradering, utan står inför betydande utmaningar inom material, tillverkning och ingenjörskonst.

2. Litografins utmaningar

Litografi är en av de mest kritiska aspekterna av halvledartillverkningsprocessen. Fotolitografi är processen att projicera ett designmönster på ett ljuskänsligt material på en kiselskiva för att karakterisera ett chips struktur. Men eftersom transistorstorlekarna fortsätter att krympa, kan traditionella litografitekniker som djup ultraviolett litografi (DUV) inte möta sådana känsliga tillverkningsbehov.

För att lösa detta problem har extrem ultraviolett litografi (EUV)-teknik introducerats, vilket möjliggör användning av kortare ljusvåglängder, vilket resulterar i förbättrad litografinoggrannhet. EUV-tekniken står dock inför många problem: för det första är EUV-ljuskällor svåra att utveckla och kräver högre effekt för att uppnå tillräcklig exponering; För det andra ställer avbildningsnoggrannheten i EUV-exponeringsprocessen mycket höga krav på utrustningen, och forskning och utveckling av fotoresistmaterial pågår också kontinuerligt.

Därför kräver genombrott inom litografiteknik inte bara avancerad utrustningsstöd, utan också multidisciplinärt samarbete inom materialvetenskap, optik och andra områden.

3. Utmaningar inom material- och enhetsdesign

Med utvecklingen av 7nm-processen är det svårt att uppfylla kraven på hög effektivitet genom att enbart förlita sig på kiselmaterial. Materialvetenskapens begränsningar har tvingat oss att överväga alternativa material, såsom högk-material såväl som nya halvledarmaterial såsom galliumnitrid, kolnanorör, etc. Dessa nya material har potential att förbättra chipprestandan, men deras kompatibilitet, stabilitet och integration med befintliga produktionsprocesser förblir utmaningar.

Dessutom kräver 7nm-processen mycket korta gate-längder för transistorer, vilket ställer högre krav på enhetens design. Designers måste exakt kontrollera storleken och layouten för varje enhet för att undvika problem som strömläckage och överdrivna termiska effekter på grund av fel.

4. Tillverkningsprecision och kostnadskontroll

Att tillverka chips med 7nm-processer kräver utrustning och processer med ultrahög precision. Till exempel kräver processer som bearbetning av kiselwafers, deponering av tunna filmer, etsning extremt hög precision, vilket ställer extremt höga krav på produktionsutrustning. Dessutom, på grund av den extremt lilla storleken på transistorerna i 7nm-processen, kan även de minsta tillverkningsfel leda till en betydande försämring av prestanda för hela chippet, så varje steg i produktionsprocessen måste kontrolleras strikt.

De höga precisionskraven i tillverkningsprocessen och den komplexa processkedjan innebär en betydande kostnadsökning. Till exempel kräver användningen av EUV-litografi dyrare utrustning och har en låg produktionshastighet, vilket lätt kan leda till defekter under produktionen, vilket resulterar i skrotade spån.

5. Strömförbrukning och värmehanteringsfrågor

När chipsen blir mindre och mindre ökar antalet integrerade transistorer och varje transistor förbrukar fortfarande ström. När antalet transistorer ökar blir problemet med strömförbrukning gradvis uppenbart. Medan 7nm-processen är mer energieffektiv än den traditionella processen, har strömhanteringen för de olika delarna i chippet blivit mer komplex.

Dessutom är strömförbrukningen nära relaterad till värme, och när värmen inuti chippet inte kan avledas effektivt, kan det få chipet att överhettas, vilket kan påverka prestandan eller till och med bränna enheten. Därför är hur man designar ett effektivt värmeledningssystem för att undvika de termiska effekterna som orsakas av överdriven strömförbrukning också en av nyckelfrågorna för 7nm-processen.

Lösningar och framtida utveckling

Trots de många utmaningarna med att bryta igenom 7nm-processen har halvledarindustrin redan gjort inledande genombrott med flera innovativa lösningar:

Extrem ultraviolett litografi (EUV):EUV-litografi håller på att mogna och kommer att bli den primära tekniken för mindre processnoder som 5nm, 3nm och ännu mindre i framtiden.

Tredimensionella integrerade kretsar (3D IC):För att bryta igenom de fysiska gränserna för planlayouter har många halvledarföretag börjat forska i tredimensionell integrerad krets (3D IC)-teknik, som ytterligare förbättrar integrationen och prestanda hos chips genom att vertikalt stapla transistorer, minnen och andra komponenter.

Nya halvledarmaterial:Förutom kisel undersöker industrin också andra nya halvledarmaterial, såsom kolnanorör, grafen, etc., för att ta itu med de fysiska begränsningarna som traditionella kiselmaterial möter i processen för storleksminskning.

Kvantberäkning:Även om kvantdatorer fortfarande är en bit ifrån att bli allmänt accepterade, förväntas den bryta flaskhalsen för traditionell kiselbaserad datoranvändning som ett potentiellt alternativ till framtida datorarkitekturer.

Slutsats

Svårigheten att bryta igenom 7nm-processen är inte bara ett genombrott på teknisk nivå, utan involverar också en omfattande tillämpning av flera discipliner som materialvetenskap, fysik, kemi och teknik.