7nm之后 半導(dǎo)體行業(yè)的榮光將由誰守護？

　　越來越多的設(shè)計和制造難題帶來了越來越多的問題：10/7nm之后還將怎樣延展?有多少公司將參與進來?它們將要應(yīng)對哪些市場?

　　至少，節(jié)點遷移將在數(shù)值繼續(xù)下降之前往水平方向擴展。在7nm節(jié)點，預(yù)計將會出現(xiàn)比之前任何節(jié)點都更重要更顯著的改進，所以10/7nm不會只有一個版本，而很可能在前進到7/5nm之前至少會有兩三次(或更多)迭代。

　　在這種減速背后，前端設(shè)計和后端制造的隔離也越來越大，造成這種情況的關(guān)鍵原因有幾個。首先，節(jié)點尺寸縮小的成本已經(jīng)變得非常高昂，已經(jīng)不再是一個自然而然的決策了，即使對于最大的公司來說也是這樣。尤其是無晶圓廠芯片制造商也正小心謹(jǐn)慎地采用昂貴的新工具和新方法，因為在領(lǐng)先節(jié)點上的高容量市場機會更少了。蘋果和三星等系統(tǒng)供應(yīng)商已經(jīng)開始為移動手機開發(fā)自己的芯片，而谷歌、Facebook、亞馬遜和微軟也已經(jīng)開始為云設(shè)計自己的芯片了。這種情況所帶來的凈影響是高容量市場變少了，使得其它企業(yè)難以收回投資成本。

　　“對于一些應(yīng)用而言，尤其是移動和云基礎(chǔ)設(shè)施，它們必須驅(qū)動性能增長。”Cadence總裁兼CEO陳立武說，“它們正在下降到10nm，而且它們還將繼續(xù)下降到7nm甚至5nm。但性能和價格延展的速度已經(jīng)放緩，而成本正在上揚?，F(xiàn)在已經(jīng)沒有非常大的性能差異了。所以對于一些公司來說，已經(jīng)沒有什么讓人信服的理由去下降到7nm了。這取決于產(chǎn)品、開發(fā)周期和差異化三角(deltaofdifferentiation)?！?/p>

　　幸運的是，過去18個月出現(xiàn)了一些新市場。盡管這些市場沒有任何一個有希望帶來十億以上單位的需求(而在移動手機市場這是有可能的)，但它們合在一起形成了一個更大的市場機會，其中包括汽車和醫(yī)療電子，用于機器學(xué)習(xí)、人工智能、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實、IoT/IIoT的芯片，以及可以按需優(yōu)化的更靈活的服務(wù)器架構(gòu)。

　　作為參考，SEMI曾表示汽車電子市場預(yù)計將在2020年達到2800億美元，而據(jù)SEMI的CEOAjitManocha表示，醫(yī)療電子市場則將在2024年達到2190億美元。甚至還有更亮眼的數(shù)據(jù)，預(yù)計2萬億美元的電子產(chǎn)品供應(yīng)鏈將在未來五年內(nèi)翻番，達到4萬億美元。與此同時，相比于過去十年里個位數(shù)的低增長，半導(dǎo)體行業(yè)正表現(xiàn)出健康的12%的增長。

　　Manocha說：“這是個新情況。晶圓廠設(shè)備增長高達23%。”

　　并不是所有這些新興市場都需要用最新工藝節(jié)點生產(chǎn)的芯片。即使是在汽車領(lǐng)域，雖然目前有正在7nm節(jié)點開發(fā)的復(fù)雜ADAS邏輯，但同一款汽車的其它芯片則是在更老的節(jié)點上開發(fā)設(shè)計。而對于IoT/IIoT，許多芯片都是用200mm晶圓工藝制造的，這使得它們的設(shè)計和制造要便宜得多。

　　這個情況的短期缺點是會造成巨大的產(chǎn)能短缺。為了緩解這一產(chǎn)能危機，據(jù)SEMI報道，中國已有6家新的200mm晶圓廠正在建造中，其它地方還有另外2家。這其中至少有一部分原因是源于對已有工藝節(jié)點的發(fā)展機遇的關(guān)注。根據(jù)這些其它市場的進展情況以及它們遷移到更新工藝的方式的不同，一些目前仍在研發(fā)之中的技術(shù)推廣到整個市場的速度也會受到影響。

　　造成減速的第二個原因是在先進節(jié)點上，設(shè)計、檢查和測試芯片的難度更大了。熱、靜電放電和電磁干擾等物理效應(yīng)在7nm節(jié)點比在28nm節(jié)點更加顯著。另外要讓信號穿過更細(xì)的線也需要更多電力，電路對測試和檢查以及芯片上的熱遷移也更加敏感。所有這些需求都要被考慮進來，并且使用多種物理模擬、仿真和原型設(shè)計方法進行模擬。

　　這在智能手機領(lǐng)域已經(jīng)非常糟糕了，而智能手機芯片可以在數(shù)億乃至數(shù)十億的設(shè)備中銷售而得到補償。但隨著先進節(jié)點芯片進入汽車和醫(yī)療應(yīng)用中，它們還將在安全性方面受到更大的制約。在汽車中，芯片需要在惡劣的環(huán)境條件中以嚴(yán)格的運行參數(shù)工作十年以上。

　　“理想情況下，你需要檢查所有東西，但這需要時間和金錢以及對計量技術(shù)的大量投資?！盇SML應(yīng)用產(chǎn)品管理總監(jiān)HenkNiesing說，“對于隨機缺陷，你仍然在這一領(lǐng)域。但這樣的話，你就不需要增加更多計量。你可以在計算方面做到更多?！?/p>

　　遷移變慢的第三個原因是盡管人們對光刻問題(多重圖案、掩模對準(zhǔn)、更好的抗蝕劑和EUV)有很大的關(guān)注，但這只是冰山一角。高數(shù)值孔徑EUV將很有可能將光刻推進至至少2nm，甚至可能達到1nm。但從10/7nm開始，邊緣放置誤差等問題的影響就變得越來越大了。接觸也將需要新的材料。還有一直以來都是一個可控問題的線邊緣粗糙度(line-edgeroughness)也正變得越來越棘手。

　重點關(guān)注新材料和數(shù)量

　　因此，簡單地降低尺寸已經(jīng)不再有效了。一種方法不能解決所有問題，即使在一些可以應(yīng)用同樣方法的地方，企業(yè)也必須根據(jù)終端市場、供應(yīng)鏈甚至特定代工廠工藝的IP可用性進行權(quán)衡。簡單來說，解決這些問題不再是對過去方法的線性擴展，而且顯然越來越強調(diào)使用新的材料來解決問題，即新的化學(xué)方法，有些涉及到自由基、不同的元素或元素組合，有些需要使用熱、冷、壓力或真空等一系列步驟來開發(fā)。

　　比如說，新的工具和材料類型可以解決邊緣放置錯誤(EPE)問題。EPE基本上就是指想要得到的IC布局和實際印刷結(jié)果之間的差異。

　　“你可以使用材料來解決邊緣放置問題，”AppliedMaterials蝕刻和圖案化策略副總裁UdayMitra說，“它成本效益更好，且允許更激進的擴展，這反過來又能帶來更寬松的設(shè)計規(guī)則。材料也比光刻便宜，所以你不必為所有一切都使用EUV?！?/p>

　　除了材料之外，該行業(yè)也正受益于原子層蝕刻(ALE)的興起。和通過連續(xù)的方式移除材料的傳統(tǒng)蝕刻工具不同，ALE有望在原子尺度上選擇性地和準(zhǔn)確地移除目標(biāo)材料。

　　“改善單位晶體管成本的唯一方法是與材料創(chuàng)新一起，”Mitra說，“所以即使當(dāng)掩模沒有對準(zhǔn)時，你也可以選擇性地蝕刻掉僅僅一部分材料。這樣你就不必?fù)?dān)心邊緣放置，用于放置問題的材料可以繼續(xù)擴展，而不會造成產(chǎn)出問題?！?/p>

　　這是一種方法。另一種方法是計算建模(computationalmodeling)，而且這兩種方法并不相互排斥。從設(shè)計的前端的跡象來看，芯片制造商和代工廠的工作需要比過去遠(yuǎn)遠(yuǎn)更多的工具。比如，在驗證方面，需要使用多種類型的加速硬件來提升可靠性。而在制造方面，大部分先進設(shè)備都在前沿節(jié)點上。為了應(yīng)對世界各地日益增長的數(shù)量，銷量預(yù)計將保持穩(wěn)健，半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)該會更加嚴(yán)肅地對待不同的方法，而不只是縮小器件尺寸。

　　材料是這一思想的一個重要延展。德國Merck的業(yè)務(wù)領(lǐng)域半導(dǎo)體封裝解決方案負(fù)責(zé)人BenediktErnst說定向自組裝(DSA)技術(shù)正在取得進展，可作為EUV的輔助技術(shù)。這兩種技術(shù)都嚴(yán)重依賴于新材料。

　　DSA也已經(jīng)得到了先進節(jié)點擴展領(lǐng)域從業(yè)者的興趣，可被用作一種減少線邊緣粗糙度(LER)的方法。Coventor首席技術(shù)官DavidFried說，LER一直以來都是一個問題，但在7nm和5nm節(jié)點，這個問題變得更加糟糕，因為圖案的尺寸正開始接近LER的尺寸。

　　“你實際上可以通過定向自組裝改善圖案，”Fried說，“還將有沉積、蝕刻和清潔技術(shù)，可以用于在圖案化流程和整體集成流程中改善圖案粗糙度?！?/p>

　　其他人則在使用所謂的平滑化(smoothing)技術(shù)來解決LER。這是通過使用ALE對圖案的粗糙邊緣或孔進行平滑或修補來完成的。

　　新結(jié)構(gòu)和新方法

　　“目標(biāo)是獲得可用的增長空間并加以利用，”TeklatechCEOTobiasBjerregaard說，“我們必須使設(shè)計工作更簡單輕松。隨著功率密度上升，我們看到時序和可布線性的問題也越來越多?？刹季€性和功率使得我們難以修復(fù)時序，而在最先進的節(jié)點上，這個情況更糟糕?！?/p>

　　這也是Imec和Leti等研究機構(gòu)以及臺積電、英特爾CustomFoundry和三星Foundry等的繪圖板上有如此之多的新型晶體管的原因之一。其中有的是納米片(nanosheet)，有的是垂直和水平的納米線(nanowire)。到目前為止，我們還不能確定哪些會取得成功。

　　但芯片制造商表示任何未來的解決方案現(xiàn)在都需要得到更全面的考量。隨著新興市場開始得勢，整個半導(dǎo)體行業(yè)可能需要一次重置，從初始概念和芯片架構(gòu)一直到光刻、制造工具、材料以及生產(chǎn)前后的檢驗與驗證。好在為最先進節(jié)點開發(fā)的技術(shù)也可用于更老的節(jié)點，這有助于降低實現(xiàn)好產(chǎn)量的成本和時間。

　　另一種選擇是將不同節(jié)點開發(fā)的不同計算元素放到一起來開發(fā)芯片。英特爾和三星正在領(lǐng)導(dǎo)半導(dǎo)體行業(yè)向最先進的節(jié)點沖鋒，但它們也在為fan-out封裝開發(fā)過渡技術(shù)，有望包括那些在不同工藝節(jié)點開發(fā)的技術(shù)。所有主要的代工廠和封裝廠也都在這個方向上努力，因為其可以讓最先進的節(jié)點用于更一般的邏輯結(jié)構(gòu)，從而可與在更老節(jié)點開發(fā)的其它組件集成起來。

　　“我們正看到CoWoS(chiponwaferonsubstrate)被用于云服務(wù)器，在這里你需要更多芯片、更多內(nèi)存和一個用于高性能和高帶寬但成本不會太高的siliconinterposer?！迸_積電的一位總監(jiān)TomQuan說，“而InFO(IntegratedFan-Out)足以滿足移動和物聯(lián)網(wǎng)市場的需求。你可以創(chuàng)造更多衍生，并將它們并排或重疊放置，而且你可以在模塑料中增加幾個重新分配層(redistributionlayers)?！?/p>

　　即使在這里，也有新材料在開發(fā)中。

　　“在抗蝕劑和導(dǎo)電膠方面，有大量研究項目。導(dǎo)電膠是使用預(yù)封裝來替代鉛。”Merck的Ernst說，“其中一些方法要使用非常厚的抗蝕劑來產(chǎn)生銅柱，可厚達200微米。DSA也進展良好。即使目前還沒有實現(xiàn)商業(yè)化，但研究一直在持續(xù)。但現(xiàn)在已經(jīng)沒有根本性問題了。與此同時，對于已有的節(jié)點，我們需要非常純凈的材料。你可以縮小結(jié)構(gòu)的尺寸，但不能縮小光刻的，而那需要在前端和后端的新材料。”

　　結(jié)論

　　過去幾十年來，肯定是自45nm節(jié)點以來，半導(dǎo)體行業(yè)制造方面的大多數(shù)公司都執(zhí)著于將EUV推向市場?，F(xiàn)在，它開始實際生產(chǎn)了，大家都在欣慰地感嘆我們發(fā)明的一種最為復(fù)雜的技術(shù)終于開始工作了。盡管這無疑將有助于擴展到未來的節(jié)點，但市場正在往許多方向發(fā)力，而不只是縮減到更小的特征尺寸。

　　對于一些企業(yè)來說，縮減尺寸的關(guān)鍵總是與成本相關(guān)。對于另一些企業(yè)，則是重在功率和性能。然而在最先進的節(jié)點上，這三個因素的實現(xiàn)都在變得更加困難，且替代方法也越來越受歡迎。這并不意味著尺寸縮減陷入了困境。但這卻實實在在意味著這個方法并不是對每個人都有用，而且它可能并不是唯一的方法的，即使是在那些使用了最小特征尺寸的設(shè)備中也是如此。摩爾定律現(xiàn)在還好好活著，但它已經(jīng)不再是唯一的發(fā)展道路了。取決于市場和市場份額的不同，它可能也不再是最好的方法了。