向 7nm 前进

这是关于 IEDM 2016 上 IBM 特色论文的四部分系列中的第四部分。

一年一度的国际电子器件会议是“世界上报告半导体和电子器件技术、设计、制造、物理和建模领域技术突破的杰出论坛”。因此，IBM 研究人员带来了他们的扫描探针温度计、用于 10 纳米芯片和 7 纳米芯片的空气隔离器，为了不被硅超越，他们还带来了碳纳米管。 IBM 员工和许多合作伙伴的这些论文和演讲将参加本周在旧金山举行的会议。

IEDM 收录了四篇 IBM 论文，作为会议重新想象计算的最佳例子——扩展摩尔定律，构建新架构，并使用新材料超越它。以下是对这些论文以及这些工作背后的科学家的详细介绍。该系列的最后一部分重点介绍了 GlobalFoundries 技术人员高级成员兼 IBM 奥尔巴尼纳米技术中心团队成员谢锐龙撰写的论文“A 7nm FinFET Technology Features EUV Patterning and Dual-Strained High-Mobility Channels” .

去年 7 月，IBM 及其联盟合作伙伴宣布已开发出全球首款 7nm 节点测试芯片。这一突破来自于应用极紫外 (EUV) 光刻技术——一种利用光将图案蚀刻到其他材料中的技术——并使用硅锗 (SiGe) 作为晶体管中的通道材料。

从硅到硅锗

该团队的 IEDM 论文表明，“基于 SiGe 的 FinFET 技术通过 10nm 技术基本规则（行业标准）展示了性能增强，为可行的 CMOS 技术选项提供了优雅的解决方案。其中一个优雅的解决方案是允许在同一芯片上同时支持低功耗和高性能设备 - 不会损失一种设备的性能或可变性，”如材料创新到 7nm .

此外，SiGe 通过改变电流通过晶体管沟道的方式，突破了芯片缩放的界限。事实证明，通过将较大的锗原子添加到由较小的硅原子组成的晶体中，晶体会产生晶格失配，从而在晶体管沟道中产生应变。这种应变使得在较低电压下通过通道移动更多电流成为可能。因此，通过使用 SiGe 作为沟道材料，结合寄生电阻和电容降低方面的创新，该团队可以绘制出 7nm 芯片的路线图，同时保持功率和性能之间的平衡——恒定功率下的性能，正如在 IEDM 上展示的那样, 比 10 纳米芯片好 40%！

极小的光波长

所使用的光波长仅为 13.5 nm，比当今标准的 193 nm 波长光要短得多，使其能够在芯片上蚀刻 200 亿个 7 nm 晶体管。但在团队将这么多开关放在一个芯片上之前，他们需要让使用如此短波长的技术成为一个一致、可控和可重复的过程。

为了使用光刻技术制造芯片，将晶片暴露在光线模式下，就像所有非数字照片底片都印在接触纸上一样——它被固定在晶片上方，光线通过掩模（“负片”） .可以使用这种技术印刷的线条和电线的尺寸不仅反映了掩模上线条的尺寸，还反映了所用光的波长。今天，使用 193 nm 光，如果所需的图案小于 193 nm 本身可以提供的图案，则可以多次曝光晶片。

因此，就像日本木刻印刷一样，将图案一个接一个地层叠在晶片的顶部，以获得更复杂、更小的芯片。但是，这种多模式技术会导致性能下降。对于智能手机等大规模生产设备中的芯片来说，这可能不是一个关键问题，但对于需要非常高可靠性的超级计算机和专用系统来说，这是一个重大障碍。而且，虽然技术上可以通过这种方式制造 7 纳米芯片，但这也是 IBM 决定探索如何使用 EUV 技术制造 7 纳米芯片的一个重要原因。

左上： SRB 上双应力沟道材料的示意图，具有超陡逆行井 (SSRW)，以及 (a) 拉伸应变硅鳍片和 (b) 普通 SRB 上的压缩应变 SiGe 鳍片的 TEM 图像。 右上角： 48nm 接触式多晶硅间距器件的 TEM 图像，具有优化的自对准接触，接触开口为~10nm，Lmetal 为~15nm。 中下： 插图和图表表明，沟槽外延工艺同时满足基本规则和注入和退火优化后的接触电阻降低。

使用 13.5 nm EUV，只需一个高保真图案即可在 7 nm 芯片上打印单个图案。 EUV 面临的挑战是如何使技术成熟以准备投入生产。就像 1964 年制造的 IBM System 360 如何通过改进、扩展和工程努力导致今天更小、更快的机器一样，EUV 也必须以类似的方式成熟。

考虑一下：为了产生 13.5 nm 的光，EUV 设备将一滴熔融锡释放到真空中（以获得球形形状），然后用二氧化碳激光击中该液滴，使其变平并将其移动到特定角度。仍在下落的锡被另一个更强大的二氧化碳激光器击中并蒸发，以释放 13.5 nm 的光，然后使用专门的镜子捕获并聚焦到晶片上。

虽然使用这种 13.5 nm 光的过程很复杂，但团队的工作证明使用 EUV 制造 7 nm 芯片是可能的，并提供高质量的结果。这意味着可以制造用于未来高性能系统的专用高可靠性芯片，以满足下一代超级计算机和系统的需求。

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阅读第二部分：另一种碳纳米管芯片
阅读第三部分：10nm 芯片的空气间隔物