Huawei không cần đến công nghệ EUV để chế tạo chip 2nm, và điều này không hề là điều không thể.

Một điều tưởng như chỉ có thể là giấc mơ, nhưng với lý thuyết mà Huawei trình bày trong bằng sáng chế mới của mình, họ hoàn toàn có thể sản xuất chip 2nm mà không cần đến công nghệ EUV từ các quốc gia phương Tây.

Việc không tiếp cận được máy quang khắc EUV đã khiến nhiều người nghĩ rằng các công ty Trung Quốc sẽ không thể sản xuất chip cao cấp dưới 7nm. Tuy nhiên, Huawei đã chứng minh khả năng chế tạo chip 2nm mà không cần EUV trong bằng sáng chế CN119301758A, sử dụng công nghệ quang khắc DUV cũ.

Thông thường, điều này bị coi là không thể khi các nhà sản xuất chip sử dụng máy DUV, vì họ sẽ gặp phải vấn đề lỗi đặt cạnh (EPE), một lỗi xuất hiện khi máy quang khắc không thể căn chỉnh chính xác các lớp chồng lên nhau do giới hạn vật lý của bước sóng ánh sáng, khiến khoảng cách giữa các dây dẫn kim loại không thể thu nhỏ xuống dưới 21nm.

Đổi mới quy trình sản xuất cũ để tạo ra những bước tiến mới

Thay vì cố gắng cải thiện độ chính xác của máy DUV, điều mà về lý thuyết gần như không thể, Huawei đã chọn một hướng đi khác biệt. Bằng sáng chế của họ giới thiệu một bước đột phá đầu tiên với kỹ thuật tích hợp kim loại chia tách, tách riêng quy trình làm dây dẫn kim loại thành hai giai đoạn độc lập, khác biệt so với phương pháp truyền thống.

Để hiểu sự khác biệt này, ta cần quay lại quy trình SAQP tiêu chuẩn trước đây, trong đó các kỹ sư tạo ra các khung xương và lớp đệm để nhân bản mật độ đường mạch, sau đó thực hiện việc khắc rãnh và phủ kim loại trong một chu trình đồng nhất.

Điểm yếu lớn nhất của phương pháp truyền thống khi áp dụng cho các node 2nm chính là bước "cắt" đường mạch (Block Mask). Mật độ cực kỳ dày đặc khiến cho bất kỳ sự rung lắc hay sai lệch nhỏ nào từ máy quang khắc DUV khi định vị điểm cắt đều có thể gây ra sự chạm nhầm vào dây dẫn bên cạnh, dẫn đến lỗi đặt cạnh (EPE) không thể khắc phục.

Để khắc phục nhược điểm này, Huawei đã thay đổi quy trình bằng cách chia các dây dẫn thành hai nhóm riêng biệt xen kẽ, gọi là nhóm Kim loại A và nhóm Kim loại B, thay vì xử lý tất cả cùng một lúc, thông qua một cơ chế "khuôn đúc thế thân" cực kỳ phức tạp.

Trong giai đoạn đầu, quy trình vẫn giữ cách thức SAQP truyền thống, tạo ra các lớp đệm chồng lên nhau tương tự như hình ảnh minh họa, sau đó bỏ một số lớp đệm để tạo thành khe hở. Tuy nhiên, ở bước (j) trong hình, thay vì để trống và chiếu tia khắc sâu xuống như thường lệ, Huawei sẽ đổ Kim loại A vào các khoảng trống giữa các vách ngăn sọc trắng.

Tiếp theo, các vách ngăn sọc trắng này sẽ được loại bỏ để tạo ra các khe hở mới, qua đó đổ kim loại dẫn điện thứ hai (Kim loại B), có thể là một loại oxide. Do lớp vách sọc trắng ôm sát khối màu xanh, việc thay thế chúng bằng kim loại dẫn điện A và B sẽ khiến chúng trùng khớp một cách hoàn hảo mà không cần sự căn chỉnh từ máy quang khắc.

Trước đó, ở bước (h) hoặc (i) trong quy trình SAQP, Huawei đã thêm một lớp đệm thứ 5 vào khoảng trống giữa vách ngăn sọc chéo. Lớp đệm này sẽ hoạt động như chất cách điện, giữ cho Kim loại A và B cách biệt nhau sau khi các bước sau được thực hiện.

Kết quả là, hai nhóm dây dẫn kim loại được xen kẽ với mật độ cực kỳ cao, nhưng chúng được hình thành tại hai thời điểm khác nhau và bảo vệ bởi hai loại vật liệu hóa học riêng biệt. Sự khác biệt về vật liệu này tạo ra một cơ chế tự căn chỉnh thông minh, ví dụ, khi khoan lỗ vào dây kim loại thứ hai (khoan tạo Via), kỹ sư sẽ sử dụng hóa chất chỉ tác động đến oxide mà không làm ảnh hưởng đến nitride.

Nếu máy quang khắc DUV bị lệch và mũi khoan plasma bắt đầu nghiêng sang dây kim loại thứ nhất bên cạnh, nó sẽ gặp phải lớp nitride và bị chặn lại ngay lập tức. Hóa chất không thể tác động đến nitride, vì vậy mũi khoan sẽ tự động trượt về vị trí chính xác. Chính vì thế, Huawei gọi đây là cơ chế tự căn chỉnh hoàn toàn (Fully Self-Aligned Via – FSAV).

Huawei đã chuyển bài toán từ quang học sang hóa học. Thay vì dựa vào độ sắc nét của tia sáng như phương pháp truyền thống, độ chính xác của chip giờ đây phụ thuộc vào khả năng chọn lọc của các phản ứng hóa học. Các kỹ thuật lắng đọng hóa học như CVD hay ALD có thể điều chỉnh độ dày của các lớp màng mỏng với độ chính xác đến từng nguyên tử, điều mà quang khắc không thể làm được.

Nhờ sự chuyển hướng này, Huawei có thể chế tạo các sợi dây dẫn kim loại siêu nhỏ với khoảng cách giữa chúng (metal pitch) dưới 21nm (tương đương quy trình chip 2nm của TSMC), mà vẫn chỉ cần máy DUV.

Những nhược điểm cố hữu không thể vượt qua

Dù vậy, giải pháp của Huawei không phải là không có nhược điểm. Trong khi kỹ thuật cũ chỉ cần 4 đến 6 bước quang khắc, quy trình mới của Huawei phức tạp hơn nhiều, với hơn 10 bước xử lý và sử dụng 5 lớp đệm khác nhau, khiến thời gian sản xuất mỗi con chip kéo dài đáng kể.

Các chuyên gia chỉ ra ba rủi ro chính từ góc độ kỹ thuật. Đầu tiên là sự tích lũy sai số kích thước qua nhiều bước tạo lớp đệm. Mỗi lần phủ lớp đệm mới, sai số về độ dày hoặc đồng đều sẽ nhỏ, nhưng khi chúng tích tụ qua năm lớp khác nhau, sai số có thể tạo ra độ lệch lớn, khiến chip không hoạt động như mong muốn.

Thách thức thứ hai là duy trì độ chọn lọc ăn mòn giữa các vật liệu mặt nạ cứng khác nhau. Mặc dù lý thuyết cho rằng hóa chất chỉ ăn mòn oxide mà không ảnh hưởng đến nitride, thực tế lại luôn có một chút phản ứng chéo xảy ra. Sau nhiều bước xử lý, những phản ứng không mong muốn này có thể làm suy yếu lớp bảo vệ hoặc gây ra các khuyết tật vi mô.

Vấn đề thứ ba liên quan đến quá trình đánh bóng cơ học hóa học khi phải xử lý qua hai lớp kim loại khác nhau trong cùng một mức. Nếu một vùng bị đánh bóng nhiều hơn vùng khác dù chỉ vài nm, nó có thể tác động đến các lớp sau và gây ra lỗi tích lũy.

Sự kết hợp của ba rủi ro này dẫn đến hậu quả nghiêm trọng nhất: tỷ lệ chip hoạt động tốt có thể giảm xuống đáng kể. Các chuyên gia ước tính rằng các phương pháp tương tự trong quá khứ chỉ đạt yield dưới 50%, trong khi quy trình EUV có thể đạt 70% trở lên. Điều này có nghĩa là chi phí thực tế cho mỗi con chip chất lượng sẽ tăng mạnh, làm giảm bớt lợi ích của việc không phải mua máy EUV đắt đỏ.

Liệu Huawei có thể áp dụng công nghệ này vào sản xuất thương mại hay không vẫn là một câu hỏi lớn, nhưng ít nhất bằng sáng chế đã chứng minh rằng việc phát triển chip tiên tiến mà không cần EUV không còn là điều viễn tưởng. Đây là khả năng hoàn toàn khả thi, dựa trên nền tảng khoa học vững chắc và những cải tiến kỹ thuật thông minh.