מירוץ מכשולים בשלושה מימדים

ההכרזה של אינטל על טכנולוגיית הייצור החדשה הטילה אור על אחת מההתפתחויות המרתקות ביותר בתעשיית השבבים: המעבר לרכיבים תלת-מימדיים

 רוני ליפשיץ

ההכרזה האחרונה של אינטל על השלמת הפיתוח של טכנולוגיית Tri-Gate יצרה מסלול מירוצים חדש בתעשיית השבבים: הפעם הוא לא על ההובלה בתחום המיזעור – אלא על ההובלה בתחום הייצור התלת-מימדי.
בעקבות ההכרזה של אינטל בתחילת חודש מאי השנה, הודיעה גם חברת TSMC שהיא נמצאת בתחום, אולם תשיק את טכנולוגיית הייצור התלת-מימדית שלה ביחד עם השקת תהליך הייצור בגיאומטריה של 20 ננומטר. כבר לפני שנה היא הכריזה על פיתוח תהליך יייצור של חצאי מוליכים הבנויים מטרנזיסטורי CMOS FinFET (הטרנזיסטורים שאינטל העניקה להם את הכינוי Tri-Gate). היא ביצעה פרוייקט הדגמה שבמהלכו ייצרה תא זיכרון SRAM הפועל במתח של 0.45V בלבד.

אפלייד מטיריאלס נערכה מראש
לפני כשנתיים הודיעו יבמ, אפלייד מטיריאלס ומכון המחקר CNSE באוניברסיטת אלבני, על הסכם לפיתוח טכנולוגיה תלת-מימדית בגיאומטריה של 22 ננומטר, המבוססת גם היא על טרנזיסטורי FinFET. בחברת אפלייד מטיריאלס החלו להיערך למגמה החדשה כבר לפני יותר משנה. כאשר הוא ביקר בארץ לפני כשנה, סיפר מנהל קבוצת מערכות הסיליקון בחברת אפלייד מטיריאלס, ד”ר ראנדיר טאקהור, שהחברה נערכת לפיתוח מערכות ייצור לשבבים תלת-מימדיים.
טאקהור: “צריך לזכור שכיום רוב הרכיבים הם דו-מימדיים, כלומר שטוחים. ארכיטקטורה תלת-מימדית תוכל לספק יכולות חדשות, ואנחנו כבר רואים את היתרונות הראשונים שלה בחלק מרכיבי
ה-Flash NAND. המימד השלישי המשולב בהם, מספק יכולות מיוחדות לשבבי הסיליקון ומצריך שימוש במתודות ייצור חדשות”.
כיצד המגמה תשפיע על טכנולוגיות הבדיקה, שבו עוסקת אפלייד מטיריאלס ישראל?
“טכנולוגיות הבדיקה (Inspection) נמצאות בלבו של המעבר לייצור שבבים תלת-מימדיים, וחלק מההתפתחות בתחום תלויה במה שאנחנו נוכל לעשות בתחום ה-Inspection. אלא שקיימות היום מספר אפשרויות, ועדיין לא ברור עד כמה טכנולוגיות הבדיקה יהיו אופטיות ועד כמה הן יתבססו על עקרונות אחרים”.

גבולות הטכנולוגיה
מנכ”ל חברת אפלייד מטיריאלס ישראל רונן בן-ציון, הרחיב את ההסבר: “מבנים תלת-מימדיים דורשים יכולות איפיון תלת-מימדיות והדבר הזה עדיין לא קיים. הטכנולוגיות ברמה הדו-מימדית קיימות היום כאשר האתגר העיקרי הוא בתחום המיזעור, כלומר הגדלת הרזולוציה. ברמה התלת-מימדית יש צורך במערכות אשר מסוגלות לספק יכולת משולבת גם של הדמייה וגם של ביצוע מדידות – והיכולת הזו עדיין לא קיימת”.
“אנחנו מצויים כמעט בגבולות של הטכנולוגיה האופטית המסורתית, אולם מתבצעת עבודה רבה כדי להתמודד עם התלת-מימד. חלק מהלקוחות שלנו כבר עובדים על מבנים תלת-מימדיים והם מספקים לנו את המאפיינים ואת הצרכים שלהם”.
החברה גם החלה לפתח ציוד עבור תהליכים אלה. לפני כשנה היא הכריזה על מערכת Applied Producer InVia, המאפשרת לבצע תהליך (CVD (Chemical Vapor Depositionבמיוחד בתהליכי ייצור תלת-מימדיים.

עיסקה של 4.9 מיליארד דולר
המירוץ התלת-מימדי מצוי ברקע עסקת הרכישה הגדולה ביותר של אפלייד מטיריאלס מהשנים האחרונות. בחודש מרץ השנה הודיעה אפלייד על רכישת חברת Varian Semiconductor בסכום עצום של 4.9 מיליארד דולר.
חברת Varian נחשבת לחברה מובילה בתחום השתלת היונים (Ion Implantation), והציוד שלה משלים את קו מוצרי קבוצת הסיליקון של החברה, המיועדים לייצור טרנזיסטורים, מוליכים-מקשרים ומארזי שבבים. בעקבות העיסקה, הסביר טאקהור שההתפתחות בתחום הייצור התלת-מימדי מגבירה את חשיבותו של תחום השתלת היונים בייצור חצאי-מוליכים: “היכולות המשותפות של אפלייד ושל Varian יאפשרו לנו לעבוד יותר מקרוב עם הלקוחות, ולספק פתרונות ייצור ברמת הטרנזיסטור לתהליכים החדשים שלהם”.
ערב העיסקה, באמצע חודש מרץ השנה, הכריזה החברה על מערכת Applied Centura Conforma, המספקת ליצרניות השבבים טכנולוגיית אילוח חדשה באמצעות פלסמה (Conformal Plasma Doping), עבור ייצור טרנזיסטורים תלת-מימדיים. במערכת החדשה, אפלייד תיכננה מחדש את תאי גידול השכבות, על מנת לאפשר פעולה איטית ומדודה, המאפשרת לייצר שכבות אחידות יותר במבנים תלת-מימדיים. המערכת הותאמה במיוחד לייצור מעגלים לוגיים הכוללים טרנזיסטורים מסוג finFET וזיכרונות NAND flash ו-DRAM הבנויים במבנה אנכי.

אירופה מצטרפת למירוץ
גם במכון המחקר האירופי IMEC, הנחשב לגוף המוביל באירופה בתחום פיתוח טכנולוגיות חצאי-מוליכים, מאמינים כי העתיד הוא תלת-מימדי. לפני כשנה אמר מנהל המכון, שבסדרי גודל של 20 ננומטר, התעשייה תשקול את השימוש בטרנזיסטורים תלת-מימדיים כמו FinFET, “אולם ברמת ה-15 ננומטר, הם יהיו בשימוש ודאי”.
חברת המחקר IMEC שמרכזה בבלגיה, עוסקת בפיתוח תהליכי ייצור לחצאי-מוליכים, ומעסיקה כ-1,800 חוקרים בתחום. היא נהנית מתקציבי פיתוח נדיבים של האיחוד האירופי ומשיתופי פעולה עם גורמים מרכזיים בתעשייה.  בשנה האחרונה היא מגבירה את מאמציה בתחום הייצור התלת-מימדי, ושואפת לפתח סדרה של תקנים בינלאומיים לייצור שבבים תלת-מימדיים (3D IC). לפני כחודשיים היא חתמה על הסכם שיתוף פעולה עם חברת Cascade Microtech האמריקאית לאיפיון ובדיקת מבנים תלת-מימדיים מסוג  (3D (Through-Silicon-Via.
בחודש אפריל האחרון היא חתמה על הסכם עם חברת Globalfoundries על הסכם לשיתוף פעולה ארוך טווח בפיתוח טכנולוגיות ייצור קטנות מ-22 ננומטר, הממוקדות בין השאר באינטר-קישוריות תלת-מימדית בתוך השבב.
החברה יזמה את תוכנית 3D integration IIAP  המבוססת על שיתוף פעולה תעשייתי לפיתוח תהליכי ייצור ובדיקה של שבבים תלת-מימדיים. בחודש מאי האחרון, במקביל להכרזה של אינטל, היא הכריזה על השלמת הפיתוח של תהליך תכנון אלקטרוני חדש של רכיבים תלת-מימדיים, שנעשה בשיתוף עם חברת Atrenta מקליפורניה.
המודל החדש מיועד לסייע למתכננים להתמודד עם בעיות מיוחדות בתחום הייצור התלת-מימדי, כמו בעיות פיזור חום בתוך מבנים אנכיים ומאמצים מכניים המופעלים על השבבים הבודדים, בעקבות שימוש בתהליכי ייצור אנכיים. מטרת המודל היא לאפשר למהנדסים לבצע איפיון מהיר של מאפייני פיזור החום והלחצים המכניים בשבבי זיכרון תלת-מימדיים מסוג 3D DRAM המוצבים על-גבי מצע של רכיבים לוגיים.

אינפיניאון מאמינה בהספק גבוה
גם חברת Infineon פעילה מאוד בתחום התלת-מימדי. כבר בשנת 2006 היא הכריזה על פיתוח תהליך ייצור לטרנזיסטורי finFET אנכיים, ומאז שילבה את הטכנולוגיה במספר מוצרים. אומנם הטרנזיסטורים הראשונים יוצרו בגיאומטריה של 65 ננומטר, אולם בזכות השימוש בטכנולוגיית ריבוי שערים (Multi-gate), המימדים הממשיים שלהם היו קטנים ב-30% בהשוואה לטרנזיסטורי CMOS משטחיים רגילים.
בנוסף, הם השיגו הקטנה של פי 10 בזרמי הזליגה. ממש כמו בטכנולוגיה של אינטל, הייצור התלת-מימדי מתברר כחסכוני באנרגיה, ומתאים במיוחד למערכות דלות-הספק הפועלות באמצעות סוללה. באמצע מאי השנה, מייד לאחר ההכרזה העולמית של אינטל, פירסמה אינפיניאון הודעה מיוחדת ובה היא מפרטת רשימה של רכיבי הספק המיוצרים בטכנולוגיית Multi-gate.
בניגוד לאינטל, אינפיניאון מנצלת את הטכנולוגיה לא למיזעור הייצור או ליצירת מעבדים חסכוניים – אלא בעיקר למתן פתרונות חסכוניים באנרגיה עבור השווקים האסטרטגיים שלה עצמה: תעשיית ייצור האנרגיה האלטרנטיבית ותעשיית הרכב.
באוגוסט 2010 היא הקימה את קונסורציום ESiP הכולל 40 חברות ומכוני מחקר אקדמיים באירופה המתמחים בתחום המיקרואלקטרוניקה. הקונסורציום מיועד לפתח טכנולוגיות ייצור מערכות על-שבב תלת-מימדיות במארזי SIP. הוא יפעל עד סוף 2013 בתקציב כולל של 35 מיליון אירו שרובו (שני שלישים) ממומן על-ידי מדינות אירופה והאיחוד האירופי.

יבמ מרבדת שבבים
האתגר הגדול ביותר להובלה בתחום התלת-מימדי עשוי להגיע מכיוונה של חברת יבמ. למרות שהיא לא עוסקת ישירות בייצור שבבים, לחברת יבמ תוכנית פיתוח מאוד עניפה בתחומי המיקרואלקטרוניקה. אולם המאמצים המרכזיים של יבמ לא מתמקדים בייצור טרנזיסטורים אנכיים, אלא בייצור מבנים תלת-מימדיים המאפשרים לפתח שבבים הכוללים שכבתיות המאפשרת להניח טרנזיסטורים שטוחים אחד על גבי השני, במטרה להשיג שבב תלת מימדי.
לפני שנה חנכה מעבדת המחקר של יבמ בציריך את פרוייקט המחקר ה-10 שנתי CMOSAIC. מטרת הפרוייקט היא ללמוד את תופעות החימום ולפתח אמצעי קירור לשבבים עתידיים אשר יתבססו על ארגון אנכי של מעבדי מחשב. להערכת יבמ, התוכנית צריכה לספק פתרונות לארכיטקטורת הנחה אנכית, אשר תגיע לצפיפות של 100-10,000 מוליכים במ”מ מרובע.
בין השאר, המחקר יבדוק את האפשרות להשתמש בממצאי פרוייקט אחר של יבמ: בניית מערכת קירור מים בתוך השבב, אשר מאפשרת לשמור על טמפרטורה קבועה של 65 מעלות צלסיוס. להערכת יבמ, פרוייקט CMOSAIC “יצליח לשבור את מגבלות חוק מור”.
מדובר בהצהרה של גורדון מור, ממייסדי חברת אינטל, אשר העריך שצפיפות הטרנזסיטורים בשבב תוכפל בכל 18 חודשים. מאז שמור ניסח את העקרון בשנות ה-60, התעשייה לא הצליחה להפריך אותו. ההנחה האנכית של שבבים אחד על השני, להערכת יבמ, עשוייה להוציא את חוק מור לגמלאות.