El procesador Kirin 9000S que incorpora el Huawei Mate 60 Pro ha centrado la atención del público en la fabricación de chips nacionales.
Los datos leídos por el software de benchmarking, los informes de desmontaje de terceros y muchas otras pistas muestran que el Kirin 9000S es un chip de proceso de 7 nm. Su lugar de producción está claramente marcado como China continental, sin embargo, la EUV, que se utiliza para producir chips de 7 nm, se prohibió a China para la exportación en 2019. Las empresas chinas de fundición de chips solo pueden obtener máquinas de litografía DUV con una fuente de luz de 193 nm, y esta restricción de exportación sigue siendo cada vez más estricta. Recientemente, el fabricante holandés de máquinas de litografía ASML confirmó que no podrá entregar máquinas de litografía DUV a los clientes chinos para 2024.
La pregunta es, ¿cómo se produjo este chip de 7 nm? La aparición del Kirin 9000S con tecnología de 7 nm tiene dos posibilidades principales: una es que la máquina de litografía EUV nacional haya logrado un avance, y la otra es que el fabricante de chips haya utilizado una «magia» especial en DUV para producir indirectamente chips de tecnología de 7 nm.
Desde una perspectiva objetiva, la posibilidad de la última conjetura es mucho mayor que la primera. También mencioné esto en el artículo «¿China carece solo de máquinas de litografía para chips?», no solo carecemos de máquinas de litografía, sino también de su apoyo, investigación básica y otros avances, e incluso si la máquina de litografía EUV completa la investigación y el desarrollo, el proceso de producción a gran escala para chips comerciales no se puede completar en uno o dos años.
Por lo tanto, en este artículo, nos centraremos en explicar por qué la máquina de litografía DUV, que se utiliza para producir chips de 28 nm, puede producir chips de 7 nm, y también hablaremos de por qué se dice que los nombres de estos nodos de tecnología de 7 nm y 28 nm son un juego de palabras. Para ayudar a todos a comprender, primero sentaremos las bases de los conocimientos relacionados con la fabricación de chips, incluidos los principios de la litografía y el proceso de litografía.
01 Re-reconocimiento de la litografía
La máquina de litografía DUV (ultravioleta profundo) de 193 nm cubre nodos de tecnología de 28 nm y superiores. El uso de DUV para fabricar chips de tecnología de 7 nm suena como una tarea imposible, porque la longitud de onda más corta de la fuente de luz de la máquina de litografía DUV comercial es de 193 nm, que está 28 veces por detrás de 7 nm. Parece imposible de romper, pero la industria realmente ha fabricado chips de 7 nm con DUV. ¿Cómo se logró esto?
El principio básico de la litografía, el rojo es la fotorresistencia, el amarillo es la capa metálica y el gris es la oblea (sustrato), la parte superior de la Figura 3 es la máscara
Primero, presentemos brevemente el principio de la máquina de litografía y el proceso de litografía para la producción de chips. El principio de la litografía es similar a la proyección de películas de cine tradicionales. La proyección de películas es para transmitir patrones de la película de cine a la pantalla, mientras que la litografía es para transmitir patrones de la máscara a la superficie de la oblea, de modo que se procesen patrones y líneas específicos en la superficie de la oblea (como se muestra arriba).
Específicamente, primero se produce la máscara necesaria para la litografía, que es equivalente a la película. Esto requiere que el diseño del chip se grabe con cromo metálico en un vidrio especial para hacer una máscara. Luego, la luz ultravioleta se transmite a la oblea inferior a través de la máscara.
El patrón en la máscara (es decir, la parte cromada) bloquea parte de la luz, mientras que el patrón que no está bloqueado puede transmitir la luz, de modo que el patrón del circuito se transfiere a la superficie de la oblea. La superficie de la oblea está pre-recubierta con fotorresistencia, y la fotorresistencia irradiada sufre una reacción química, que es corroída y lavada por una solución química, exponiendo la oblea subyacente, que puede ser grabada por procesos posteriores, de modo que se procesen los patrones y líneas correspondientes en la oblea.
De esta manera, los transistores, las interconexiones metálicas y otras estructuras de chips se pueden procesar capa por capa.
Para procesar transistores de menor tamaño, es necesario acortar la longitud de onda de la luz ultravioleta, de modo que las líneas procesadas en la fotorresistencia sean más finas.
La longitud de onda de la luz ultravioleta temprana era de 436 nm, la línea g, que podía procesar transistores con un tamaño de tecnología de más de 500 nm. A medida que el tamaño de los transistores continuó disminuyendo, la longitud de onda de la fuente de luz ultravioleta en la máquina de litografía se acortó a 405 nm, la línea g y 365 nm, la línea i. Cuando el tamaño de la tecnología de los transistores se redujo a menos de 250 nm, la longitud de onda correspondiente de la fuente de luz ultravioleta se acortó a 248 nm y 193 nm, que es el rango de ultravioleta profundo (DUV).
02 El juego de palabras de «7 nm»
En segundo lugar, debemos enfatizar a todos que el concepto de nodo de tecnología de los fabricantes de chips, es decir, 7 nm, 14 nm, 28 nm, etc., es un nombre o especificación que la fábrica de fabricación de obleas utiliza para identificar la tecnología de procesamiento de chips.
A finales de la década de 1990, el nodo de tecnología era la longitud mínima de la puerta del transistor (ancho de línea) que la fábrica de chips podía lograr, abreviado como longitud de la puerta. Pero el nodo de tecnología de 7 nm actual no es realmente igual a 7 nm matemáticos. El tamaño de cada transistor en los chips de tecnología de 7 nm es mucho mayor que 7 nm, «7 nm» es solo una «etiqueta».
La razón por la que 7 nm se ha convertido en una etiqueta está inseparable de las normas de nomenclatura establecidas por los fabricantes de semiconductores desde la década de 1990.
De acuerdo con la ley de Moore y la regla de reducción de Dennard, la longitud de la puerta se reduce al 70% de la generación anterior en cada generación. Si la longitud de la puerta del transistor de la generación anterior es de 1 micrómetro, entonces la siguiente generación es de 0,7 micrómetros, de modo que el área de cada transistor se reduce a la mitad, o el número de componentes se duplica.
En 2005, los fabricantes de semiconductores descubrieron que la longitud de la puerta no podía seguir reduciéndose a un ritmo del 70% por generación, porque cuanto más corta es la longitud de la puerta, mayor es la corriente de fuga y más grave es el problema del sobrecalentamiento del chip. Pero la industria ya está acostumbrada a multiplicar por 0,7 en cada actualización, por lo que los fabricantes de semiconductores, independientemente de si la longitud de la puerta de la siguiente generación puede reducirse al 70%, multiplicaron directamente el nodo de tecnología de la generación anterior por 0,7 como el nuevo nodo de tecnología, por lo que tenemos nombres de nodos de tecnología como 32 nm, 22 nm, 14 nm, 10 nm y 7 nm.
Tecnología de 7 nanómetros de TSMC: CPP = 57 nm, MMP = 40 nm
Dado que el nodo de tecnología no puede reflejar con precisión el tamaño del transistor, ¿qué tamaño utiliza la industria para representar el tamaño del transistor? De hecho, la industria utilizará el espaciamiento de la puerta de la tecnología (CPP) y el espaciamiento metálico (MMP) para representar conjuntamente dos tamaños (como se muestra arriba), que son equivalentes a la longitud y el ancho de un rectángulo, y su producto determina el área del transistor. Por ejemplo, el espaciamiento de la puerta de la tecnología de 7 nm de TSMC (CPP) es igual a 57 nm, y el espaciamiento metálico (MMP) es de 40 nm. Samsung es similar, estos dos datos son 54 nm y 36 nm, que están mucho más allá de los 7 nm que los fabricantes de semiconductores afirman.
Los principales fabricantes de chips en diferentes nodos, la densidad de transistores correspondiente, los nodos de 10 nm de Intel, TSMC y Samsung, el número de transistores correspondientes por milímetro cuadrado es de 1,06 millones, 530.000 y 520.000, respectivamente.
En el pasado, Intel era más realista y solía usar la longitud del canal (más pequeña que la longitud de la puerta) para definir el nodo. Se dice que es para adherirse a la ley de Moore. Independientemente de la razón, la nomenclatura siempre es más desventajosa que la de sus competidores.
Por ejemplo, los 10 nm de Intel tienen una densidad de transistores mayor que los 7 nm de TSMC y Samsung (como se muestra arriba), pero desde la lógica del marketing, todos los demás dicen 7 nm, e Intel dice que son 10 nm, lo que sufrió una pérdida de «falta de cultura», por lo que más tarde Intel también siguió a sus competidores y cambió a la nomenclatura de nodos como intel 4 e intel 3.
Lo anterior solo quiere decirte que la nomenclatura de los nodos es un juego de palabras. El espaciamiento metálico mínimo correspondiente a la tecnología de 7 nm es de aproximadamente 36 nm-40 nm.
Con este conocimiento, podemos hablar sobre la máquina de litografía DUV de 193 nm mencionada anteriormente y la relación entre los chips de 7 nm que se van a fabricar. O, por decirlo de otra manera, DUV produce chips de 7 nm, que en realidad es el uso de una máquina de litografía con una fuente de luz de 193 nm para producir chips con un espaciamiento metálico de 36 nm-40 nm.
La fuente de luz de 193 nm y el espaciamiento metálico de 36 nm tienen una diferencia de aproximadamente 5 veces. ¿Cómo superar esta brecha? Aquí, debemos mencionar la iteración de la máquina de litografía DUV seca a la máquina de litografía DUV de inmersión.
Aunque la longitud de onda de la fuente de luz de la máquina de litografía DUV es de 193 nm, la luz se refractará en el agua y la longitud de onda se acortará. El índice de refracción de la luz ultravioleta de 193 nm en el agua es de 1,44 y la longitud de onda es de 134 nm. De acuerdo con este principio, Lin Benjian propuso la litografía de inmersión en 1987, es decir, agregando una capa de agua ultrapura entre la superficie de la oblea y la lente para refractar la luz ultravioleta, reduciendo así la longitud de onda a 134 nm. En 2003, ASML de los Países Bajos implementó la máquina de litografía de inmersión por primera vez basada en esta investigación.
De la máquina de litografía DUV seca a la máquina de litografía DUV de inmersión, de la longitud de onda de la fuente de luz de 193 nm a la luz ultravioleta de longitud de onda de 134 nm, esta diferencia con el espaciamiento metálico de 36 nm se reduce nuevamente a 4 veces.
03 La «última milla» resuelta por la exposición múltiple
La aparición de la máquina de litografía de inmersión redujo nuevamente la brecha con la tecnología de «7 nm», pero la industria aún no puede usar directamente este tipo de máquina de litografía para procesar los chips de «7 nm» que todos dicen. Si el fabricante de chips realmente quiere fabricar el rumoreado Kirin 9000S de 7 nm, la doble exposición y la exposición múltiple son esenciales.
Para explicar la tecnología de doble exposición, tomemos un ejemplo de fotografía. Supongamos que eres un fotógrafo y quieres tomar una foto de una fila de los Juegos Olímpicos. Esta fila solo tiene 20 personas, y están de pie a una distancia de 2 metros, lo que parece muy escaso. ¿Cómo puedes tomar una foto de 40 personas? Tienes una solución, primero toma la primera foto, luego deja que cada persona se mueva 1 metro y toma otra foto, y luego combina las dos fotos a través del software.
La tecnología de doble exposición también se puede hacer de la misma manera. Use un conjunto de máscaras para procesar líneas con un espaciamiento de 134 nm, luego use otro conjunto de máscaras, mueva una cierta distancia para procesar otro conjunto de líneas con un espaciamiento de 134 nm, y combínelas, entonces tendrá líneas con un espaciamiento de 67 nm, lo que está un paso más cerca de 36 nm. A partir de 22/20 nm, la industria comenzó a introducir la tecnología de doble exposición.
Para lograr la tecnología de doble exposición, la industria desarrolló el método LELE (litografía-grabado-litografía-grabado), que requiere aplicar fotorresistencia dos veces y exponer dos veces. La primera exposición replica el patrón en la máscara dura, y la segunda exposición replica el patrón de ancho de línea mínimo en la fotorresistencia. Pero debido al uso de equipos de doble exposición, el costo de fabricación se ha disparado y el tiempo requerido es más largo. Debemos saber que la litografía representa aproximadamente el 50% del tiempo total de fabricación, y duplicar la exposición prolongará en gran medida el tiempo total de fabricación.
Para ello, la industria también desarrolló el método de doble patrón autoalineado (SAPD), que es más eficiente. Este método reduce la aplicación de fotorresistencia dos veces a una vez. Utiliza la tecnología de deposición química de vapor (CVD) para depositar óxido de silicio alrededor de la fotorresistencia aplicada por primera vez, formando naturalmente una posición de procesamiento alineada, de modo que se pueda lograr el procesamiento del segundo patrón.
Con estas tecnologías, la doble exposición puede procesar un espaciamiento metálico de 67 nm, pero todavía está dos veces por detrás de 36 nm. ¿Cómo romper la última brecha de dos veces?
Hay un método simple y grosero, que es hacer otra doble exposición, hacer un total de cuatro exposiciones, y luego reducir a la mitad los 67 nm nuevamente, procesando líneas mínimas de 34 nm, que coinciden con el espaciamiento metálico de 36 nm requerido para el procesamiento de 7 nm.
Pero el precio que hay que pagar por este método es realmente demasiado alto. El tiempo de exposición es 4 veces el de la exposición única, se necesitan más máscaras, y se necesitan más procesos de apoyo (aplicación de fotorresistencia, horneado suave, alineación, revelado, secado por centrifugación, horneado duro, detección de patrones, etc.) para cada exposición. Todos los procesos de fabricación requeridos aumentan de unos pocos cientos a más de mil, lo que aumenta en gran medida el costo de tiempo y el costo material de fabricación. Además, el aumento del tiempo de exposición aumentará el calor de la lente, y el aumento de la temperatura conducirá a la deformación de la trayectoria óptica de la lente, y la precisión de superposición es aún más difícil de controlar. La dificultad de la película y el proceso de grabado correspondientes también aumenta en gran medida. Además, los cálculos anteriores no consideran la influencia de la apertura numérica (NA) en la precisión de la litografía (esta parte no involucra la comprensión de la exposición múltiple, por lo que este artículo no se expande en detalle sobre la precisión de superposición y la apertura numérica). Para mejorar la apertura numérica, también es necesario hacer la lente más grande.
Basado en la tecnología de exposición múltiple, TSMC comenzó a usar DUV para producir chips de 7 nm (N7) en junio de 2016, y Samsung comenzó a producir en masa chips de 7 nm (7LPP) con DUV en 2018. Hasta ahora, el uso de DUV para lograr la tecnología de 7 nm se ha convertido en una realidad.
En resumen, aunque se puede utilizar la exposición múltiple para utilizar DUV con una fuente de luz de 193 nm para producir chips de 7 nm, el tiempo, los materiales y los costos de mano de obra aumentarán en gran medida, y debido al aumento extremo de los procesos, el rendimiento también se verá afectado.
Como contraste, la longitud de onda de EUV es de solo 13,5 nm, y se pueden hacer chips de 7 nm con una sola exposición, pero EUV ha despertado el apetito de la fábrica de obleas, y no se utilizó oficialmente en la tecnología de 5 nm hasta 2020. Antes de eso, GlobalFoundry perdió la paciencia y anunció que detendría el desarrollo de la tecnología de 7 nm debido a los altos costos.
04 ¿Puede DUV romper la tecnología de 5 nm?
Sin embargo, esta no es toda la historia.
Además de la tecnología de exposición múltiple, el uso de DUV para procesar la tecnología de 7 nm también requiere la cooperación de muchas tecnologías para lograrlo, incluyendo plantillas de cambio de fase (PSM), iluminación fuera del eje, corrección de proximidad óptica (OPC), optimización de apertura y patrones de litografía (SMO), estas tecnologías han dado lugar a una nueva subdisciplina: litografía computacional. Los enormes datos que requiere hacen que los chips de GPU de NVIDIA también se conviertan en las herramientas necesarias para el cálculo, y lanzó la biblioteca de aceleración de software cuLitho, que afirma que puede acelerar el tiempo de litografía computacional en 40 veces.
La razón por la que se necesita la litografía computacional es que cuando las líneas de la máscara se vuelven muy pequeñas, la luz ultravioleta producirá desviaciones al pasar a través de la máscara, lo que hará que el patrón de litografía se distorsione. Para ello, los investigadores idearon un método para calcular de antemano la posible distorsión en la máscara, de modo que diseñaran inversamente la forma óptima de la máscara requerida para la litografía, para compensar estas distorsiones con anticipación, esto se llama cálculo de litografía inversa, y esto requiere una gran cantidad de cálculos, las computadoras ordinarias son completamente incapaces de soportarlo, los investigadores tienen que usar supercomputadoras y computación en la nube.
Al mismo tiempo, los investigadores también aplicaron el algoritmo de aprendizaje automático de la inteligencia artificial a la litografía computacional. La nueva generación de redes neuronales artificiales convolucionales se aplica a modelos de proceso de litografía, optimización de máscaras, procesamiento de datos SEM, etc., y los datos de entrenamiento también requieren un gran conjunto de chips de GPU. Además de la optimización a nivel de dispositivo, los investigadores incluso integraron los factores que deben considerarse en el diseño del circuito en la fabricación del dispositivo, considerando la influencia de la fabricación y la litografía en la etapa de diseño del circuito, esto se llama DTCO (diseño y optimización de tecnología de proceso), y esto requiere que los proveedores de EDA actualicen los algoritmos y el software.
Se puede decir que para que DUV pueda fabricar chips de tecnología de 7 nm, la industria ha hecho todo lo posible. Si se continúa utilizando DUV para fabricar chips de tecnología de 5 nm, la exposición cuádruple no será suficiente, se requerirán de 6 a 8 exposiciones, así como más máscaras, tiempos de litografía más largos y mayores costos materiales, lo que se ha convertido en una carga insoportable. Por lo tanto, cuando salieron los chips de 5 nm, la máquina de litografía EUV también estaba lista, lo que liberó a la industria de la tediosa exposición múltiple, y la tecnología de 7 nm también se convirtió en la última generación de tecnología fabricada por DUV en la actualidad.
Acerca del autor:
Autor de «Breve historia de los chips»: Wang Bo, publicado en 2023, * El Dr. Wang Bo es un experto en investigación de chips, escritor de divulgación científica, con más de veinte años de experiencia en investigación y enseñanza en Huawei, el Laboratorio Nacional de Nanotecnología de Lyon, Francia, y la Escuela de Graduados de Shenzhen de la Universidad de Pekín. Ha escrito «Breve historia de los chips», «La pregunta del tiempo» y «La pregunta del tiempo · Edición juvenil», entre los cuales «Breve historia de los chips» fue seleccionado como uno de los diez mejores libros de la «Feria del Libro del Sur» en 2023, el libro de faro, el tercer «Nuevo descubrimiento · Lista de libros de divulgación científica», el libro de influencia de la primera mitad de 2023 de Baidao.com, y la lista de libros de influencia del segundo trimestre de 2023 de China Media Publishing Business Daily.
Descubre más desde 自由档案馆
Suscríbete y recibe las últimas entradas en tu correo electrónico.