Không dùng EUV, Trung Quốc vẫn tìm đường tới chip 3nm: Bí quyết nằm ở công nghệ này

Trong cuộc đua chip tiên tiến, EUV từ lâu được xem là công nghệ then chốt để tiến tới những tiến trình ngày càng nhỏ. Thế nhưng, khi khả năng tiếp cận EUV bị hạn chế, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đang thử một hướng đi khác: kết hợp máy quang khắc DUV với kiến trúc transistor GAA để phát triển công nghệ dưới 3 nm.

Tại sự kiện IC WORLD ở Bắc Kinh ngày 16/9, Ye Tianchun, kỹ sư trưởng của National Major Special Project 02, cho biết Viện Vi điện tử thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã hoàn thành giai đoạn tích hợp quy trình ban đầu cho transistor GAA sử dụng các kênh nanosheet xếp chồng, được chế tạo với DUV.

Đáng chú ý, các transistor thử nghiệm đạt tỷ lệ dòng bật/tắt (Ion/Ioff) lần lượt khoảng 9,7×10^5 và 7,6×10^5, vượt ngưỡng 5×10^5 mà nhóm nghiên cứu đặt ra. CAS mô tả đây là một hướng phát triển công nghệ transistor MOS mới cho quá trình chế tạo dưới 3 nm tại Trung Quốc.

Thay vì dựa vào công nghệ quang khắc mới, nghiên cứu mới của Trung Quốc tập trung vào việc dùng kiến trúc GAA và máy quang khắc DUV cũ hơn để tạo ra mật độ bóng bán dẫn cao hơn, tương đương với tiến trình 3nm

Điểm đáng chú ý nằm ở chỗ hướng đi này không lấy EUV làm công nghệ cốt lõi. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu đang tận dụng nền tảng DUV hiện có để kết hợp với GAA, kiến trúc transistor được xem là bước tiến tiếp theo sau FinFET.

GAA, viết tắt của Gate-All-Around, cho phép cổng điều khiển bao quanh kênh dẫn thay vì chỉ bao phủ ba mặt như FinFET. Trong hướng nghiên cứu của CAS, các kênh nanosheet được xếp chồng lên nhau, tạo thành cấu trúc transistor ba chiều phức tạp hơn.

Tuy nhiên, đây chưa phải một quy trình sản xuất chip 3nm hoàn chỉnh. Thành tựu được công bố mới dừng ở giai đoạn phát triển thiết bị và tích hợp quy trình ban đầu. Từ một transistor thử nghiệm đến một quy trình có thể sản xuất hàng loạt vẫn còn khoảng cách rất lớn.

Để đưa công nghệ vào sản xuất thực tế, các nhà nghiên cứu còn phải giải quyết đồng thời nhiều công đoạn như lắng đọng vật liệu, khắc, làm sạch, đo kiểm, tích hợp quy trình và kiểm soát tỷ lệ thành phẩm. Vì vậy, kết quả hiện tại mới xác nhận tính khả thi của một hướng công nghệ, chưa đồng nghĩa Trung Quốc đã có thể sản xuất hàng loạt chip 3 nm bằng DUV.

Dù vậy, đây lại là phần đáng chú ý nhất trong câu chuyện. Thay vì chỉ tìm cách tái tạo con đường phát triển chip tiên tiến đang được sử dụng rộng rãi, Trung Quốc đang nghiên cứu một lộ trình khác dựa trên những điều kiện công nghiệp mà nước này có sẵn.

Ye Tianchun gọi thách thức tiếp theo là “phá vỡ sự phụ thuộc vào lộ trình”. Thay vì tiếp tục phụ thuộc vào những con đường công nghệ đã được xác lập, các nhà nghiên cứu muốn phát triển những giải pháp phù hợp hơn với điều kiện công nghiệp và nhu cầu thị trường của Trung Quốc.

GAA (Gate-All-Around) là kiến trúc bán dẫn thế hệ mới tiếp sau FinFET đã phổ biến trong nhiều năm qua

Hướng đi này cũng được xây dựng trên nhiều năm nghiên cứu về FinFET và GAA. CAS cho biết Trung Quốc đã trải qua quá trình phát triển công nghệ mạch tích hợp từ 3 micron xuống 7 nm và 5 nm trong khoảng bốn thập kỷ. Viện Vi điện tử đã nghiên cứu 10 thế hệ công nghệ và tham gia phát triển 7 thế hệ trong số đó.

Từ năm 2008, viện này đã hoàn thành tích hợp CMOS 22 nm. Trong giai đoạn 2012-2015, các nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện FinFET từ 14 nm xuống 3 nm, trước khi chuyển sang nghiên cứu GAA dưới 3 nm từ năm 2020.

Việc tiến xuống những node nhỏ hơn cũng ngày càng trở nên khó khăn. Khi kích thước cổng giảm, điện trường mạnh hơn và khả năng vận chuyển của hạt tải có thể suy giảm. Khi kênh ngắn hơn, hiệu ứng kênh ngắn và dòng rò trở nên khó kiểm soát hơn. Trong khi đó, việc thu nhỏ cấu trúc ba chiều lại đặt ra yêu cầu cao hơn về cách ly, kích thước cấu trúc và công nghệ quang khắc.

Chính vì vậy, cuộc đua chip dưới 3 nm không chỉ là câu chuyện về một chiếc máy quang khắc. Nó đòi hỏi sự phối hợp của cả hệ thống công nghệ sản xuất.

Trong bối cảnh đó, DUV kết hợp GAA không phải là bằng chứng cho thấy EUV đã trở nên không cần thiết. Điều mà nghiên cứu của CAS cho thấy là Trung Quốc đang cố gắng mở thêm một con đường để tiến tới các công nghệ dưới 3 nm trong điều kiện khả năng tiếp cận EUV bị hạn chế.

Khoảng cách từ kết quả thử nghiệm hiện tại tới sản xuất thương mại vẫn còn đáng kể. Nhưng nếu tiếp tục được hoàn thiện, hướng DUV + GAA có thể trở thành một phần trong nỗ lực xây dựng lộ trình công nghệ chip tiên tiến mang tính độc lập hơn của Trung Quốc.

Theo Nguyễn Hải