Китайский прорыв в производстве чипов: новые транзисторы GAA открывают путь к 3-нм техпроцессу, но сталкиваются с производственными вызовами

Исследователи из Китайской академии наук (CAS) достигли значительного прогресса в разработке транзисторов с круговым затвором (GAA), которые демонстрируют потенциал для достижения производительности, сопоставимой с передовым 3-нанометровым техпроцессом. Этот шаг может приблизить Китай к преодолению технологических барьеров в производстве полупроводников, позволяя использовать существующее устаревшее оборудование DUV-литографии для достижения новых стандартов. Однако, несмотря на этот научный успех, реальное масштабирование производства сталкивается с существенными препятствиями, связанными со средним и конечным этапами производственного процесса.

Технология GAA: новая эра в управлении током

Транзисторы, которые являются основой любой современной электроники, функционируют как микроскопические переключатели, контролирующие поток электрического тока. В новых разработках CAS применена архитектура GAA, которая кардинально отличается от предыдущего стандарта FinFET. Если FinFET-транзисторы имеют вертикальную структуру, напоминающую плавники, то GAA-транзисторы охватывают электрический сигнал со всех сторон. Это обеспечивает значительно более точный контроль над током, минимизируя его утечки и повышая эффективность.

Специалисты CAS сообщают о впечатляющих показателях своих новых транзисторов: коэффициент включения-выключения превышает 500 000. Это означает, что разница между током во включенном и выключенном состоянии колоссальна, что свидетельствует о почти идеальном управлении и, как следствие, снижении энергопотребления и повышении быстродействия.

DUV-литография и вызов 3-нм техпроцесса

Одним из ключевых аспектов разработки CAS является возможность их изготовления с помощью установок DUV-литографии. Эта технология, хотя и считается устаревшей для самых современных техпроцессов, имеет значительное преимущество в виде широкой доступности и меньшей стоимости по сравнению с EUV-литографией, которая используется для производства самых передовых чипов. Традиционно длина волны света, используемого в DUV-литографии, недостаточна для достижения необходимой точности для 3-нм техпроцесса.

Однако исследователи CAS, вероятно, применили комбинацию техник, таких как многослойное травление для уменьшения толщины слоёв и иммерсионная DUV-литография с использованием сверхчистой воды. Эти методы позволяют улучшить разрешающую способность лазера, что, в свою очередь, даёт возможность достичь параметров, близких к 3-нм норме, которая ранее была доступна только с помощью EUV-технологий. Успешное внедрение GAA-транзисторов позволяет значительно уменьшить плотность их размещения, сохраняя при этом высокую производительность, которая ранее требовала более плотной архитектуры FinFET.

Производственные ограничения: MEOL и BEOL как “узкое горло”

Несмотря на значительный прогресс в создании самих транзисторов (этап Front-End-Of-The-Line, FEOL), настоящим вызовом для китайских производителей, в частности для компании SMIC, являются последующие этапы производства: Middle-End-Of-The-Line (MEOL) и Back-End-Of-The-Line (BEOL).

MEOL отвечает за создание металлических соединений, которые связывают каждый транзистор с общей схемой. Этот процесс требует травления чрезвычайно точных канавок, которые затем заполняются металлом. BEOL охватывает все внешние слои металлической проводки, соединяющие компоненты микросхемы. Особенно сложным является изготовление нижнего металлического слоя M0, который является самым тонким и наиболее близким к транзисторам.

Именно эти этапы, по словам экспертов, представляют наибольшую проблему. Совершенствованные GAA-транзисторы, хотя и улучшают эффективность на уровне отдельных компонентов, практически не упрощают сложные процессы MEOL и BEOL. Расстояние между затворами транзисторов, которое определяется возможностями MEOL, остаётся критическим фактором.

Перспективы и реальные достижения

Несмотря на эти производственные ограничения, инженерам SMIC удалось найти путь к повышению плотности компоновки. Уменьшение шага размещения рёбер (fin pitch) в GAA-архитектуре позволяет сократить высоту логических ячеек. Это, в свою очередь, открывает возможность перехода от 5-дорожечной к 4-дорожечной конфигурации слоя M0.

Благодаря этим оптимизациям SMIC может начать использовать логические ячейки “G57H198” или “G54H198”. Эти ячейки имеют плотность 137,8 МТр/мм², что приближается к показателям 5-нм техпроцесса, используемого ведущими мировыми производителями, такими как TSMC. Таким образом, даже при сложных процессах формирования средних и нижних слоёв металлических соединений SMIC потенциально может достичь уровня производительности, эквивалентного 5-нанометровым технологиям. Это значительный скачок для китайской промышленности, который позволит сократить разрыв с мировыми лидерами, используя при этом собственные производственные возможности. Однако достижение настоящего 3-нм техпроцесса, требующего доступа к EUV-литографии, остаётся для Китая долгосрочной и сложной задачей.