Intel, TSMC, Samsung e IBM tendrán que cambiar la forma de cortar las obleas con la llegada de los transistores CFET
La estructura de las obleas es una parte determinante en el proceso de grabado de los transistores por medio de los escáneres de ASML. Al igual que el número de capas o las máscaras que se usan en dicho proceso, hay factores que ponen un límite físico a lo que se puede grabar, e incluso, a la disposición de elementos dentro de un chip. El transistor, como unidad mínima, tampoco escapa a esto, y curiosamente IBM con el paso a los CFET se ha dado cuenta de algo muy interesante que podría cambiarlo todo. Y es que tanto Intel, como TSMC, Samsung y la propia IBM podrían tener que cambiar la forma de cortar las obleas con este tipo de transistor CFET.
Siempre hablamos de las obleas en cuanto a su grabado, porque la mayor parte de las innovaciones están precisamente en los escáneres de luz ultravioleta extrema y en sus longitudes de onda. El sector de las obleas como tal sufre un parón que va camino de las dos décadas y donde los procesos se han depurado a unos límites increíbles. Pero ahora, con el cambio de transistores, puede que tengan que evolucionar una vez más para mejorar.
La orientación de las obleas de silicio, el cristal y cómo la estructura influye en los transistores
Si recordamos, a finales del mes pasado Intel, TSMC y Samsung presentaron sus primeros prototipos de transistores CFET, algo básico, es cierto, pero mostró quién iba por delante y quién había desarrollado más el concepto de cara al futuro más inmediato, ya que estamos en 2024 en estos momentos.
Pues bien, IBM habló también en el IEDM 2023, aunque no presentó modelo alguno de transistor, ahora sabemos que dejó caer algo que ya en 2024 ha desarrollado. Y no es más que el cambio de orientación del cristal para mejorar la velocidad de los transistores CFET. Pero claro, esto a priori suena a "chino", así que intentaremos simplificarlo todo para comprenderlo tirando de apuntes como se ha hecho toda la vida.
Una oblea no es más que una estructura cristalina compuesta de forma regular por una cantidad ultra pura de silicio. Obviaremos cómo se crea y lo daremos por sabido para saltar a su estructura.
Desde el punto de vista de la cristalografía como tal, el silicio se entiende como un cubo, es decir, los átomos se alinean formando esa forma estructural, donde en su interior por cómo están dispuestos esos átomos se le denomina "forma de diamante" o "cubo de diamante".
El corte de la oblea marca en gran medida la grabación de los transistores
Como la oblea será cortada varias veces desde el cilindro primigenio hasta el chip unitario como tal, cada corte que se haga tiene que ser tenido en cuenta. Estos cortes están definidos por la orientación del cristal que forma la oblea, que como sabemos, tendrá un grosor de algo más de 1 mm en la gran mayoría de casos.
Pues bien, aquí viene lo bueno, porque para elegir esa orientación tanto TSMC, como Intel, Samsung o IBM usan lo que se conoce como el "Índice de Miller". Este índice forma parte de la cristalografía y debe ser tenido en cuenta por los ingenieros en base a tres números enteros, que son dispuestos más tarde, con vectores, estos también llamados primitivas.
La imagen mental que debes hacer en tu cabeza es un cubo transparente donde tienes tres vectores tradicionales en las aristas empezando desde el vértice de uno de los lados. En matemática es una simple gráfica con el eje Y, X y Z tradicional, solo que aplicado a un cubo en 3D. Pues bien, el Índice de Miller desde el punto de vista de la cristalografía contempla planos en los cristales, en nuestro caso, de cristal de silicio.
Para cortar la oblea y conseguir el mejor paso de los electrones por los transistores, hasta ahora, se ha usado lo que se conoce como el modelo 001. Este modelo, siguiendo con el símil del cuadrado en 3D y ya hablando de planos (caras del cuadrado, para que se entienda, sin vectores de por medio) contempla el corte en la cara de arriba, es decir, visto el cuadrado desde arriba lo que se cortaría de forma horizontal es la cara superior para la oblea.
En definitiva, perpendicular al vector, la imagen varía según cómo giremos el cubo mentalmente. En la imagen superior para 110 el vector está en la parte trasera izquierda del cubo, por ejemplo.
Dependiendo del tipo de transistores (seguimos en FinFET en la gran mayoría de casos en pleno 2024, aunque entraremos en GAA con Intel este mismo año, Samsung ya está) se pueden usar otros modelos, como el 100 o el 111, pero no divagaremos y nos centraremos en el 001 que es el que hemos explicado.
¿Cuál es el problema con la orientación de la oblea de cristal de silicio en 001?
Pues el propio silicio y la forma que tiene un transistor CFET para poder cortar la oblea. Daremos por sabido cómo es un transistor FinFET actual, así que en ese cubo 3D imaginario, que un servidor os ha proyectado en vuestra mente, debéis de tener en cuenta que los átomos están en las cuatro esquinas del cubo, pero hay 4 átomos más en el interior del mismo (silicio ultra puro, seis átomos en el silicio normal como se ve en la imagen superior).
Eso complica el corte si tienes que grabar un transistor en él. La forma más efectiva dada la forma del FinFET es dicho modelo 001, puesto que es más fácil segmentar por capas, pero, ¿y en CFET?
Shogo Mochizuki, de IBM, ha comentado ahora que están probando con buenos resultados otro tipo de corte en las obleas para los transistores CFET. De hecho, con GAA (Nanosheet para la industria), ya ofrecen algunos resultados positivos con el corte de orientación 110. ¿Y cómo se cortaría una oblea con la orientación 110 entonces?
Pues visto el cubo 3D maravilloso en tu cabeza, sería como cortar verticalmente de esquina a esquina y desde arriba hacia abajo, un corte transversal limpio que tiene una particularidad. Dicho corte va desde la esquina izquierda más lejana y trasera al eje principal hasta la esquina derecha más cercana a nosotros (siguiendo el ejemplo anterior, el cubo se puede rotar mentalmente y el vector cambia de posición, lógico).
En otras palabras, desde la esquina trasera izquierda hasta la esquina delantera derecha si tenemos el cubo y lo estamos mirando de frente y con un poco de ángulo para verlo en 3D.
¿Por qué no un corte desde las otras dos esquinas? Porque según el Índice de Miller estamos haciendo el corte T10 y no el 110 como tal, todo tiene un orden y está perfectamente documentado para incidir según los átomos del cristal que estemos cortando, y en el silicio IBM dice que es mejor. Y claro, llega la pregunta del millón, ¿por qué es mejor el corte con orientación 110?
La velocidad entre pMOS y nMOS
Como sabemos, de GAA a Forksheet los transistores van a dividirse en nMOS y pMOS, también conocidos como nFET y pFET, para el caso es el mismo, son denominaciones de cada empresa, aunque la correcta es la primera. nMOS es el acrónimo de N-type Metal-Oxide-Semiconductor y pMOS es P-type Metal-Oxide-Semiconductor.
Las diferencias entre ellos y por lo que Forksheet (FS a partir de ahora) divide los FET como tal de uno a dos es porque el control es mucho mayor, y a la escala nanométrica en la que nos vamos a mover esto se hace necesario. FS en su centro tiene una Dielectric Wall, una (Gate) puerta dieléctrica (llamada también muro) que es la que hace de control para ambos y los separa justo por medio.
Pues bien, nMOS utiliza el movimiento de los electrones para controlar el paso del flujo de la corriente, mientras que pMOS controla los llamados "Holes". Simplificando todo mucho, nMOS lleva la carga negativa (electrones) y pMOS controla la carga positiva (Holes). Esto es importante para comprender la explicación de Shogo Mochizuki, no es baladí.
Además, pMOS tiene otra particularidad que es importante para entender el corte de la oblea: es más lento que nMOS, pero consume menos energía al hacer su función. pMOS funciona al contrario, es más rápido a costa de mayor consumo, nada es gratis, de ahí la necesidad de la Dielectric Wall.
En resumen, pMOS lleva voltaje positivo y es más rápido y "tragón", nMOS es su némesis, es todo lo contrario, lleva voltaje negativo, es lento y eficiente. Y ahora, ¿qué tiene que ver esto con la orientación 110 en el corte de la oblea?
Las pruebas de IBM y sus resultados para cortar obleas con transistores CFET
El equipo de Mochizuki se dio cuenta de que creando distintos transistores, unos con nanosheet más delgadas, otros más gruesas, unas más largas, y otras más cortas, el corte de la oblea influía decisivamente en el rendimiento del transistor. Empleó orientación tradicional 001 y la nombrada 110 con varias muestras y los resultados que comentó fueron claros.
La orientación 110 permitía a los pMOS (o pFET, como cada uno guste) superar al mismo transistor con orientación 001 de corte para la oblea. No han sacado en claro cuál es la mejor figura tridimensional en cuanto a longitud, altura, número de nanosheets o grosor para cada transistor, pero sí que han visto algo clave, donde los pMOS mejoran, los nMOS empeoran con la orientación 110.
Lógico, ¿no? Pues sí, en gran parte, pero la sorpresa es que el rendimiento de los pMOS era tan alto frente a los nMOS que Mochizuki afirma que compensa para ganar "rendimiento". Naoto Horiguchi, director del programa de tecnología de dispositivos CMOS en Imec (que es quien corta "el bacalao" a nivel mundial en transistores) afirma que es técnicamente posible hacerlo, y también confirma que hay un mayor rendimiento.
¿Cuál es el problema entonces y por qué no se está haciendo? Pues como todo, la cristalografía debe tener en cuenta el resto de materiales. Un chip actual tiene decenas de elementos en una oblea, y la orientación del corte, sea 001 o 110, debe de tenerlos presentes. Horiguchi afirma que hay muchas diferencias entre las capas de silicio y silicio germanio a la hora de hacerlas crecer (formación del cristal), así que se requiere una ingeniería muy cuidadosa que está siendo estudiada en estos momentos.
Como los transistores CFET van a ir apilados verticalmente (nMOS encima de pMOS, o viceversa, según el diseño del fabricante de chips y la orientación) IBM afirma que explorará el uso de la orientación 110 en estos transistores CFET. De hecho, Mochizuki va más allá, y ha deslizado que su equipo va a intentar construir la parte pMOS en orientación 110 y la nMOS en orientación tradicional 001.
Sin duda, sería algo increíble a una escala que ahora mismo ni siquiera concebimos cuando solo usamos 001 por norma general en chips de alto rendimiento. ¿Podrán cortar finalmente las obleas de esta manera para los transistores CFET? ¿Seguirán Intel, TSMC y Samsung esta disposición? Sin duda, quedan años apasionantes en todo lo que tienen que ver esta nueva generación de transistores.