Ngành công nghiệp bán dẫn hiện nay đang chú trọng nghiên cứu việc thu nhỏ kích thước transistor; khi số lượng transistor có thể tích hợp trên cùng một vi mạch tăng lên, điều này sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng diện tích của chip, từ đó cải thiện hiệu năng xử lý và giảm mức tiêu thụ điện năng. Các kiến trúc như Planar MOSFET, FinFET và Gate-All-Around (GAA) ra đời đã đóng góp nhiều vào việc mở rộng khả năng khai thác các đặc tính của vật liệu bán dẫn, đồng thời góp phần vượt qua các giới hạn về kích thước vật lý của vật liệu.

Gần đây nhất, kiến trúc GAA với tiến trình công nghệ 3 nm đã được ra mắt, đánh dấu một bước phát triển quan trọng trong sản xuất vi xử lý hiện đại. Với ưu điểm đã nêu mà công nghệ này mang lại là khả năng nâng cao hiệu năng xử lý tính toán, giảm mức tiêu thụ năng lượng đáng kể và tăng mật độ tích hợp transistor trên chip. Vì lý do này, các ứng dụng như trí tuệ nhân tạo (AI), trung tâm dữ liệu và các thiết bị điện tử thế hệ mới xem công nghệ này là một trong những nền tảng quan trọng.

Với công nghệ 3 nm, hoạt động kiểm thử không còn đơn thuần là xác nhận chip có hoạt động hay không mà còn phải đánh giá được những biến thiên rất nhỏ trong quá trình chế tạo. Đây là lý do vì sao các đầu dò điện (probe) truyền thống đang đứng trước rất nhiều thách thức mới khi làm việc với kiến trúc GAA.

Vì sao đầu dò truyền thống không còn phù hợp với kiến trúc GAA?

Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp đo lường phù hợp là một trong những yếu tố mang tính quyết định đối với chất lượng và tỷ lệ hoàn thiện thành phẩm của các thế hệ chip tiên tiến, cho phép thực hiện các phép đo với độ chính xác cao hơn. Những thách thức mới trong việc chế tạo và quá trình kiểm thử, đánh giá chất lượng của chip là rất lớn khi mà kích thước vật liệu ngày càng giảm.

Khi transistor được trang bị công nghệ 3 nm, kích thước các cấu trúc ngày càng nhỏ, trong khi mật độ tích hợp liên tục tăng, dẫn đến việc giảm đáng kể sai số cho phép trong quá trình đo. Ở kích thước này, biến thiên của chỉ vài lớp nguyên tử cũng có thể thay đổi đặc tính điện của transistor, khiến phép đo trở nên nhạy cảm hơn với điện trở tiếp xúc và các sai số của đầu dò. Mức độ sai lệch, dù rất nhỏ, chỉ cỡ vài nguyên tử trong vật liệu, trong hình dạng kênh dẫn hoặc lớp điện môi, cũng có thể làm thay đổi đặc tính điện của transistor. Chính vì thế, các phương pháp kiểm thử quen thuộc, thường được lựa chọn sử dụng ở các thế hệ công nghệ trước, dần bộc lộ hạn chế về khả năng thực hiện các phép đo và độ chính xác của kết quả.

Lực tiếp xúc của đầu dò cũng là một trong những yếu tố cần được kiểm soát chặt chẽ bên cạnh kích thước đầu dò. Kết quả đo và các cấu trúc vật liệu sẽ bị tác động rất lớn chỉ với một sai lệch rất nhỏ. Điện trở tiếp xúc, nhiễu tín hiệu và các hiệu ứng ký sinh cũng tác động rõ rệt đến độ chính xác của phép đo.

Có thể thấy những yêu cầu khắt khe về độ chính xác trong quá trình kiểm thử, đánh giá chất lượng đã khiến đầu dò truyền thống không còn hiệu quả như khi được sử dụng để kiểm thử các công nghệ transistor trước đây.

Kiến trúc GAA đặt ra những yêu cầu kiểm thử mới

Với những yêu cầu chặt chẽ về tính chính xác trong các thông số dòng rò, ngưỡng điện áp hay sự biến thiên của từng transistor, các sai lệch ở bất kỳ đặc điểm nào, vật liệu hay kích thước, dù chỉ ở cấp độ nguyên tử, cũng có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu năng của toàn bộ con chip.

Khác với FinFET, transistor GAA sử dụng cấu trúc gate bao quanh hoàn toàn kênh dẫn nhằm cải thiện khả năng điều khiển dòng điện. Mặc dù mang lại nhiều ưu điểm về hiệu năng, cấu trúc ba chiều này cũng khiến việc đánh giá các đặc tính điện trở trở nên khó khăn hơn.

Chính vì thế, quá trình kiểm thử đã đặt ra những yêu cầu mới, trở nên phức tạp hơn bao giờ hết khi vừa phải kết hợp với các kỹ thuật giám sát ngay trong khâu sản xuất, vừa phải đánh giá linh kiện sau khi chế tạo.

Ngành kiểm thử đang thay đổi như thế nào?

Để bắt kịp những biến đổi của công nghệ và đáp ứng yêu cầu của công nghệ 3 nm, các hệ thống kiểm thử truyền thống quen thuộc đã được đầu tư nghiên cứu, không chỉ nâng cấp các đầu dò tiếp xúc mà còn chú trọng phát triển các kỹ thuật đo không tiếp xúc, kết hợp phân tích vật liệu và giám sát trực tuyến trong quá trình sản xuất.

Bên cạnh đó, trí tuệ nhân tạo và hệ thống phân tích dữ liệu cũng được ứng dụng một cách triệt để để có thể dự đoán sớm các bất thường, nhằm mục đích khắc phục ngay lập tức và giảm tối đa lỗi trong các công đoạn, qua đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Cơ hội cho ngành bán dẫn ASEAN

Sự phát triển của công nghệ 3 nm không những đã tạo ra nhu cầu về năng lực chế tạo mà còn mở rộng cơ hội trong lĩnh vực kiểm thử và đo lường bán dẫn đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao và đem lại giá trị lớn trong chuỗi cung ứng vật liệu toàn cầu.

Trong ngắn hạn, ASEAN không có lợi thế để cạnh tranh với các quốc gia dẫn đầu về công nghệ trong ngành bán dẫn với lý do các loại công nghệ này đòi hòi cần có sự chính xác rất cao, khả năng làm chủ công nghệ. Nhưng rõ ràng có thể thấy rằng kiểm thử và đo lường tiên tiến là một lĩnh vực màu mỡ và đầy tiềm năng phát triển đối với bất kỳ quốc gia nào. Đối với các quốc gia ASEAN, bên cạnh hoạt động đóng góp và lắp ráp, kiểm thử tiên tiến được đánh giá là hướng đi phù hợp hơn để từng bước tham gia sâu hơn vào chuỗi cung ứng công nghệ bán dẫn thế hệ mới.

Để nâng cao năng lực cạnh tranh hiện tại và tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ sau này, việc đầu tư vào hệ thống kiểm thử, thiết bị đo lường chính xác và đào tạo nguồn nhân lực sẽ là điều kiện bắt buộc.

Kết luận chung

Tương lai của ngành bán dẫn đã được chứng mình nhờ vào sự ra mắt tiến trình công nghệ 3 nm của kiến trúc GAA nhưng lại cũng tạo ra thách thức rất lớn đối với việc quy trình kiểm thử vật liệu. Các phương pháp kiểm thử dùng đầu dò truyền thống đã bộc lộ những hạn chế về độ chính xác, khả năng tiếp xúc và kiểm soát sai số khi làm việc với transistor có kích thước ngày càng nhỏ. Để đảm bảo chất lượng của các thế hệ chip mới trong tương lai thì sự kết hợp giữa thiết bị đo tiên tiến cùng các công nghệ phân tích hiện đại cộng với trí tuệ nhân tạo là nhân tố quan trọng. Sự phát triển của ngành bán dẫn sẽ phụ thuộc rất lớn vào công nghệ kiểm thử tiên tiến hơn và các quá trình đo lường chính xác hơn.