IBM và Lam Research bắt tay phát triển chip dưới 1nm, tham vọng phá vỡ giới hạn công nghệ

IBM và Lam Research là hai tập đoàn lớn của Mỹ trong lĩnh vực bán dẫn, vừa công bố hợp tác phát triển vật liệu và quy trình sản xuất chip thế hệ mới có kích thước dưới 1nm, dựa trên công nghệ in khắc cực tím tiên tiến High NA EUV.

Theo thỏa thuận, hai bên sẽ kết hợp công nghệ in khắc cực tím xa có độ mở ống kính lớn (High NA EUV) với công nghệ chất quang dẫn khô Aether, nhằm vượt qua các giới hạn vật lý hiện nay trong sản xuất chip logic. Các hoạt động nghiên cứu sẽ được triển khai tại trung tâm công nghệ IBM Albany NanoTech Complex ở bang New York.

Trong ngành bán dẫn, đơn vị nanomet (nm) thường được dùng để chỉ chiều rộng cổng của bóng bán dẫn. Kích thước cổng càng nhỏ, càng có thể tích hợp nhiều bóng bán dẫn trên cùng một diện tích chip, từ đó nâng cao hiệu năng xử lý. Nếu như trước đây bóng bán dẫn có kích thước tính bằng centimet rồi đến milimet, thì hiện nay chúng đã được thu nhỏ xuống mức nanomet – tương đương đường kính của một sợi DNA người. Các dòng chip tiên tiến nhất hiện nay đã đạt tiến trình khoảng 2nm.

Trong hơn một thập kỷ qua, sự hợp tác giữa IBM và Lam Research đã đóng góp đáng kể cho việc phát triển tiến trình 7 nm cũng như kiến trúc bóng bán dẫn nanosheet. Năm 2021, IBM từng công bố mẫu chip 2nm đầu tiên trên thế giới, cũng được phát triển từ liên minh công nghệ này.

Ở giai đoạn tiếp theo, hai công ty sẽ tập trung xác thực toàn bộ quy trình sản xuất cho các kiến trúc bán dẫn mới như nanosheet – cấu trúc xếp chồng các tấm silicon mỏng – và nanostack, vốn sử dụng nhiều lớp nanosheet để gia tăng mật độ bóng bán dẫn và hiệu năng. Bên cạnh đó, công nghệ cấp nguồn từ mặt sau của tấm wafer cũng sẽ được nghiên cứu để tối ưu hệ thống kết nối.

Với các tiến trình siêu nhỏ, công nghệ in khắc EUV truyền thống dựa trên chất quang dẫn hóa học dạng ướt bắt đầu bộc lộ hạn chế về độ chính xác. Trong khi đó, công nghệ Aether dry photoresist technology do Lam Research phát triển sử dụng chất quang dẫn khô, được lắng đọng thông qua tiền chất dạng hơi thay vì phủ quay, sau đó xử lý bằng quy trình khô dựa trên plasma.

Theo Lam Research, các hợp chất hữu cơ và kim loại trong vật liệu Aether có khả năng hấp thụ ánh sáng EUV cao gấp 3-5 lần so với các vật liệu nền carbon truyền thống. Nhờ đó, lượng năng lượng cần thiết để chiếu lên mỗi tấm wafer được giảm xuống, giúp duy trì kỹ thuật tạo mẫu đơn bản ở các tiến trình tiên tiến mà không cần áp dụng phương pháp đa bản phức tạp và tốn kém. Hồi tháng 1, Lam Research cũng cho biết một nhà sản xuất bộ nhớ lớn đã lựa chọn Aether làm công nghệ chủ lực cho các tiến trình DRAM thế hệ mới.

Song song với đó, IBM và Lam Research sẽ tiếp tục phát triển kiến trúc bóng bán dẫn nanosheet, trong đó nhiều lớp silicon mỏng được xếp chồng để tăng khả năng dẫn dòng mà không làm tăng diện tích thiết bị. Các nhóm nghiên cứu sẽ xây dựng và kiểm chứng quy trình cho cả cấu trúc nanosheet và nanostack, đồng thời tích hợp công nghệ cấp nguồn từ mặt sau. Việc chuyển các đường cấp điện xuống mặt dưới tấm wafer giúp giải phóng không gian ở lớp kết nối phía trên, từ đó tối ưu hóa đường truyền tín hiệu.

Trong thông báo chung, hai công ty cho biết những công nghệ này sẽ giúp chuyển các mô hình in khắc High NA EUV thành các lớp thiết bị thực tế với hiệu suất cao, mở ra khả năng tiếp tục thu nhỏ kích thước chip và cải thiện hiệu năng cho các thiết bị logic trong tương lai.

Sự phát triển của ngành bán dẫn trong nhiều thập kỷ qua gắn liền với Moore's Law, do Gordon Moore – đồng sáng lập Intel – đưa ra vào năm 1965. Theo dự đoán này, số lượng bóng bán dẫn trên một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi theo chu kỳ ban đầu là một năm, sau đó được điều chỉnh thành khoảng 18 tháng, đồng nghĩa hiệu năng xử lý cũng tăng theo tốc độ tương tự.

Định luật Moore đã định hình sự phát triển của ngành công nghiệp chip, thúc đẩy các bước tiến trong máy tính cá nhân, điện thoại thông minh và gần đây là các bộ xử lý phục vụ trí tuệ nhân tạo. Cuộc đua thu nhỏ bóng bán dẫn cũng khiến nhiều hãng lớn như TSMC, Intel hay Samsung chi hàng tỷ USD mỗi năm để phát triển các tiến trình bán dẫn ngày càng nhỏ hơn.

Theo Chiang Shang-yi, cựu giám đốc nghiên cứu và phát triển của TSMC, nếu Định luật Moore thực sự chạm đến giới hạn vật lý, ngành bán dẫn có thể chịu tác động lớn. Ông cảnh báo rằng nếu không tìm ra hướng đi mới, trong khoảng hai thập kỷ tới, lĩnh vực chip có nguy cơ trở thành một ngành công nghiệp truyền thống thay vì giữ vai trò là ngành công nghệ mũi nhọn như hiện nay.