IBM、EUVリソグラフィ採用の7nm FinFET技術で新境地を開く

この4部構成シリーズの第4弾では、IEDM 2016で発表されたIBMの画期的論文を探ります。

半導体・電子デバイス革新の世界最高峰フォーラムであるIEDMで、IBMは最新ブレイクスルーを披露：走査プローブ温度計、10nmチップ用エアスペーサー、7nm FinFETプロトタイプ、先駆的カーボンナノチューブ研究。これらの論文と講演は、IBM研究者とパートナーによって発表され、今年のサンフランシスコ会議でハイライトされました。

会議では、ムーアの法則を押し進め、アーキテクチャを革新し、新材料を活用する次世代コンピューティングを体現する4つのIBM論文が紹介されました。最終回の本稿では、「EUVパターニングとデュアルストレイン高移動度チャネルを特徴とする7nm FinFET技術」と題された7nm FinFET論文に焦点を当てます。著者はGlobalFoundriesのシニアテクニカルスタッフRuilong Xie氏と、IBMオールバニナノテックセンターの共同研究者たちです。

2015年7月、IBMとアライアンスパートナーは、極端紫外線（EUV）リソグラフィとトランジスタチャネル材料としてのシリコンゲルマニウム（SiGe）採用により、世界初の7nmテストチップを発表しました。

シリコンからシリコンゲルマニウムへ

IEDM論文は、SiGeベースのFinFETが10nm技術グランドルールを満たしながら優れた性能を発揮することを実証。このアプローチにより、低消費電力と高性能デバイスを単一チップ上で両立でき、SiGeを魅力的なCMOS代替として位置づけています。

SiGeは、シリコンマトリックス中のより大きなゲルマニウム原子による格子ミスマッチで歪みを導入し、キャリア移動度を向上させ、低電圧でより多くの電流を流せるようにします。寄生抵抗と容量の低減と相まって、チームは10nmノードと同電力で40%優れた性能を達成する7nmロードマップを提示しました。

極めて短い波長の光

EUVは13.5nm波長を採用し、従来の193nm光より遥かに短いため、ウェーハあたり最大200億個の7nmトランジスタのエッチングを可能にします。しかし、この密度を実現するにはプロセスが信頼性、一貫性、拡張性を備える必要があります。

リソグラフィは伝統的な写真印刷に似ています：ウェーハをマスクを通過した光に露光します。達成可能なライン幅はマスクパターンと光の波長の両方に依存します。193nm光では、サブフィーチャーパターンに多重露光ステップが必要で、スループットが制限されます。

この多重パターンアプローチは連続露光を重ねる（日本の木版画に類似）ことでフィーチャーを精緻化しますが、性能劣化を招きます。コンシューマーデバイスでは許容されても、スーパーコンピュータやミッションクリティカルシステムが要求する信頼性を損ないます。したがってIBMは7nmチップにEUVリソグラフィを追求しています。

13.5nm EUVでは、単一の高忠実度露光で7nmパターンを生成でき、多重パターニングを排除します。残るハードルは、EUVをデモから量産へ移行させることです。これはIBM System 360の遺産が厳格な改良を経て今日の先進プロセッサへ進化した過程と並行します。

EUV光生成は、真空中の溶融スズ液滴から始まり、球状ターゲットを形成。CO₂レーザーで液滴を成形・操向し、より強力な第2のCO₂レーザーでスズを気化、13.5nm光子を放出。これらの光子は高反射ミラー群で集光されウェーハに照射されます。

EUVプロセスは複雑ですが、チームの成果はEUVで製造された7nmチップが高品質と高性能を達成することを確認しています。これにより、次世代スーパーコンピュータの厳格な要件を満たす信頼性の高い高性能コンポーネントへの道が開かれます。

パート1：ホットスポットマッピング
パート2：カーボンナノチューブという別種のチップ
パート3：10nmチップ用エアスペーサー