Китайський прорив у виробництві чипів: нові транзистори GAA відкривають шлях до 3-нм техпроцесу, але стикаються з виробничими викликами

Дослідники з Китайської академії наук (CAS) досягли значного прогресу у розробці транзисторів з круговим затвором (GAA), які демонструють потенціал для досягнення продуктивності, порівнянної з передовим 3-нанометровим техпроцесом. Цей крок може наблизити Китай до подолання технологічних бар’єрів у виробництві напівпровідників, дозволяючи використовувати існуюче застаріле обладнання DUV-літографії для досягнення нових стандартів. Однак, попри цей науковий успіх, реальне масштабування виробництва стикається з суттєвими перешкодами, пов’язаними із середнім та кінцевим етапами виробничого процесу.

Технологія GAA: нова ера в управлінні струмом

Транзистори, які є основою будь-якої сучасної електроніки, функціонують як мікроскопічні перемикачі, що контролюють потік електричного струму. У нових розробках CAS застосовано архітектуру GAA, яка кардинально відрізняється від попереднього стандарту FinFET. Якщо FinFET-транзистори мають вертикальну структуру, що нагадує плавці, то GAA-транзистори охоплюють електричний сигнал з усіх боків. Це забезпечує значно точніший контроль над струмом, мінімізуючи його витоки та підвищуючи ефективність.

Фахівці CAS повідомляють про вражаючі показники своїх нових транзисторів: коефіцієнт вмикання-вимикання перевищує 500 000. Це означає, що різниця між струмом у ввімкненому та вимкненому стані є колосальною, що свідчить про майже ідеальне керування і, як наслідок, зменшення споживання енергії та підвищення швидкодії.

DUV-літографія та виклик 3-нм техпроцесу

Одним із ключових аспектів розробки CAS є можливість їх виготовлення за допомогою установок DUV-літографії. Ця технологія, хоч і вважається застарілою для найсучасніших техпроцесів, має значну перевагу у вигляді широкої доступності та меншої вартості порівняно з EUV-літографією, яка використовується для виробництва найпередовіших чіпів. Традиційно, довжина хвилі світла, що використовується в DUV-літографії, є недостатньою для досягнення необхідної точності для 3-нм техпроцесу.

Однак, дослідники CAS, ймовірно, застосували комбінацію технік, таких як багатошарове травлення для зменшення товщини шарів та імерсійна DUV-літографія з використанням надчистої води. Ці методи дозволяють покращити роздільну здатність лазера, що, в свою чергу, дає змогу досягти параметрів, близьких до 3-нм норми, яка раніше була доступна лише за допомогою EUV-технологій. Успішне впровадження GAA-транзисторів дозволяє значно зменшити щільність їх розміщення, зберігаючи при цьому високу продуктивність, яка раніше вимагала щільнішої архітектури FinFET.

Виробничі обмеження: MEOL та BEOL як “вузьке горло”

Попри значний прогрес у створенні самих транзисторів (етап Front-End-Of-The-Line, FEOL), справжнім викликом для китайських виробників, зокрема для компанії SMIC, є подальші етапи виробництва: Middle-End-Of-The-Line (MEOL) та Back-End-Of-The-Line (BEOL).

MEOL відповідає за створення металевих з’єднань, які зв’язують кожен транзистор із загальною схемою. Цей процес вимагає витравлення надзвичайно точних канавок, які потім заповнюються металом. BEOL охоплює всі зовнішні шари металевої проводки, що з’єднують компоненти мікросхеми. Особливо складним є виготовлення найнижчого металевого шару M0, який є найтоншим і найближчим до транзисторів.

Саме ці етапи, за словами експертів, представляють найбільшу проблему. Вдосконалені GAA-транзистори, хоча й покращують ефективність на рівні індивідуальних компонентів, практично не спрощують складні процеси MEOL та BEOL. Відстань між затворами транзисторів, яка визначається можливостями MEOL, залишається критичним фактором.

Перспективи та реальні досягнення

Незважаючи на ці виробничі обмеження, інженерам SMIC вдалося знайти шлях до підвищення щільності компонування. Зменшення кроку розміщення ребер (fin pitch) у GAA-архітектурі дозволяє скоротити висоту логічних комірок. Це, у свою чергу, відкриває можливість переходу від 5-доріжкової до 4-доріжкової конфігурації шару M0.

Завдяки цим оптимізаціям, SMIC може почати використовувати логічні комірки “G57H198” або “G54H198”. Ці комірки мають щільність 137,8 МТр/мм², що наближається до показників 5-нм техпроцесу, який використовується провідними світовими виробниками, такими як TSMC. Таким чином, навіть зі складними процесами формування середніх і нижніх шарів металевих з’єднань, SMIC потенційно може досягти рівня продуктивності, еквівалентного 5-нанометровим технологіям. Це значний стрибок для китайської промисловості, який дозволить скоротити розрив із світовими лідерами, використовуючи при цьому власні виробничі можливості. Однак, досягнення справжнього 3-нм техпроцесу, що вимагає доступу до EUV-літографії, залишається для Китаю довгостроковою і складною задачею.