半導(dǎo)體材料與工藝：未來半導(dǎo)體架構(gòu)、晶體管、材料的巨大變化

在先進(jìn)工藝方面，finfet將在3nm(30埃)節(jié)點(diǎn)后某處耗盡動(dòng)力，仍在這些節(jié)點(diǎn)上工作的三家晶圓廠——臺積電、三星和英特爾，以及行業(yè)研究機(jī)構(gòu)imec——正尋求某種形式的柵全能晶體管作為下一種晶體管結(jié)構(gòu)，以獲得對柵漏的更嚴(yán)格控制。
在此之后，這種方法可能至少在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上有效，并可能進(jìn)一步推廣由imec開發(fā)的forksheet fet，這是一個(gè)中間步驟。(參見圖1)然而，這些公司都使用不同的命名約定、時(shí)間軸和技術(shù)組合，這使得很難確定在任何特定時(shí)刻哪個(gè)公司擁有技術(shù)領(lǐng)先地位。
圖1:N型和p型叉形片場效應(yīng)晶體管對(左)和堆疊的納米片場效應(yīng)晶體管(右)。來源:imec
臺積電業(yè)務(wù)發(fā)展高級副總裁Kevin Zhang說:“回顧過去，我們從雙極器件起步，然后轉(zhuǎn)向平面CMOS和3D finfet?！薄艾F(xiàn)在我們正在轉(zhuǎn)向納米片柵極全能晶體管。但是晶體管的結(jié)構(gòu)是會進(jìn)化的。它不會是每一代或每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，你必須引入一個(gè)新的架構(gòu)，因?yàn)樾碌木w管或架構(gòu)需要很長很長時(shí)間。10多年來，我們一直在投資納米薄片技術(shù)，以便有足夠的信心將其引入2納米節(jié)點(diǎn)?！?/span>
代工廠將盡可能延長現(xiàn)有技術(shù)，因?yàn)槊恳淮胃淖兌际前嘿F的。除了由代工廠開發(fā)新的制造工藝外，它還需要對涉及制造設(shè)備的數(shù)百個(gè)工藝步驟進(jìn)行微調(diào)。這里的關(guān)鍵指標(biāo)是制造每個(gè)晶圓所花費(fèi)的時(shí)間，這有助于成本和時(shí)間來獲得足夠的產(chǎn)量。每個(gè)步驟都需要改變從EDA工具(需要在每個(gè)代工廠的每個(gè)節(jié)點(diǎn)和半節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)證)到各種設(shè)備插入制造流程的精確時(shí)間。對于復(fù)雜的芯片，可以有多個(gè)插入點(diǎn)。這使得實(shí)際的時(shí)間表很難確定，而且晶圓代工廠可能不會推進(jìn)到下一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，直到他們用盡現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)。
臺積電(TSMC)是目前工藝的領(lǐng)導(dǎo)者，也是唯一一家處于領(lǐng)先地位的純代工企業(yè)，該公司計(jì)劃在2nm技術(shù)上轉(zhuǎn)向GAA fet。臺積電研發(fā)部高級副總裁Mii Yuh-jier在最近的一次展示會上表示，在相同功率的情況下，3nm的finfet將提供18%的速度提升，或在相同性能下降低34%的功率。使用納米薄片后，速度將提高10%至15%，功耗降低25%至30%，密度增加1.1倍。他還指出，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)則將在N2階段兼容，這將允許IP的重用。
英特爾將采用類似的方法，使用其版本的GAA FET，稱為RibbonFET。英特爾同樣表示，它在finFET技術(shù)上還有足夠的改進(jìn)，可以將finFET擴(kuò)展到更多的節(jié)點(diǎn)上。
英特爾副總裁兼產(chǎn)品和設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總經(jīng)理Rahul Goyal表示:“我們正在當(dāng)前的生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)上提供先進(jìn)的finFET?！拔覀円苍诳紤]下一代節(jié)點(diǎn)，它將在明年左右問世。然后，我們的最佳點(diǎn)——這是最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，我們相信我們可以有差異化——正在與幾個(gè)客戶進(jìn)行開發(fā)。這將使我們進(jìn)入2024年至2025年的時(shí)間框架，并更好地了解我們的客戶需要什么，以及如何實(shí)現(xiàn)它。我們面臨的挑戰(zhàn)是確保我們在早期階段與客戶合作，以盡可能加快我們的學(xué)習(xí)，然后讓我們的生態(tài)系統(tǒng)和合作伙伴為我們的客戶服務(wù)。這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)非常強(qiáng)大，多年來變得非常活躍。在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中有大量的研發(fā)工作?！?/span>
與此同時(shí)，三星電子將推出被稱為“多橋通道fet”的3nm GAA技術(shù)。該公司聲稱，與5納米finFET相比，該技術(shù)可以減少45%的功耗，提高23%的性能，并減少16%的面積。下一代將減少高達(dá)50%的電力消耗，提高30%的性能，減少35%的使用面積。三星所宣揚(yáng)的關(guān)鍵改進(jìn)之一是可調(diào)節(jié)的通道寬度，這可以減少驅(qū)動(dòng)信號所需的功率。
接下來是什么?
在GAA fet之后，技術(shù)的下一個(gè)革新可能會包括堆疊GAA fet，也被稱為互補(bǔ)fet (CFETs)，高達(dá)50%的縮放。這一改變至少將納米薄片擴(kuò)展了幾個(gè)節(jié)點(diǎn)?？梢辕B加多少層可能會決定這項(xiàng)技術(shù)的可擴(kuò)展性。
Lam Research的計(jì)算產(chǎn)品副總裁David Fried說:“我們正在研究橫向納米線、納米片，以及橫向納米線和納米片在一定程度上的疊加，以實(shí)現(xiàn)未來幾代技術(shù)的發(fā)展?！薄懊總€(gè)人都喜歡查看先進(jìn)設(shè)備的完整列表，查看垂直和橫向設(shè)備和堆棧，但做出任何這些改變所需的投資都是如此重要，所以制造商最好在進(jìn)行轉(zhuǎn)型之前，確保他們至少能從一個(gè)重大轉(zhuǎn)變中獲得幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。你盡量不要一次一個(gè)節(jié)點(diǎn)做出這些決定?！?/span>
CFETs預(yù)計(jì)將在14埃(1.4nm)左右開始出現(xiàn)，或者不管實(shí)際數(shù)字是多少——目前還沒有確定。CFETs已經(jīng)在繪圖板上超過十年了，被認(rèn)為是從納米片和叉片fet進(jìn)化的一步。在CFETs中，net和pet導(dǎo)線堆疊成單線或雙線結(jié)構(gòu)，在限制柵極電流泄漏的同時(shí)，提供了面積和密度優(yōu)勢。這種泄漏就是為什么即使在設(shè)備關(guān)閉的情況下，電池仍會耗電或電力繼續(xù)流動(dòng)的原因。圖2:cet結(jié)構(gòu)。資料來源:Coventor，Lam Research旗下公司
反思一些基礎(chǔ)知識
與過去不同的是，在過去，一個(gè)流程可以簡化為數(shù)十億個(gè)相同設(shè)計(jì)單元，而現(xiàn)在，終端用戶要求針對特定應(yīng)用程序提供更定制的解決方案。在某些情況下，這些是為內(nèi)部使用而設(shè)計(jì)的，比如超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。這就限制了行業(yè)對特定設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步減少了更小的體積。
更糟糕的是，其中一些設(shè)備被用于安全和關(guān)鍵任務(wù)的應(yīng)用。因此，除了生產(chǎn)有限的數(shù)量外，還需要在更長的壽命中增加可靠性。
為此，正在制定一些有趣的戰(zhàn)略來處理這些問題和有關(guān)問題。例如，與其期待設(shè)計(jì)中的每一個(gè)晶體管或互連線都能完美地工作——達(dá)到100%的成成率——這個(gè)想法是能夠在芯片生命周期的任何時(shí)刻識別出哪些是壞的，哪些是壞的。這里的重點(diǎn)是韌性。在過去，這是通過冗余來實(shí)現(xiàn)的，通常的態(tài)度是晶體管是免費(fèi)的。但是在異構(gòu)設(shè)計(jì)中，這種方法太昂貴了，其中一些計(jì)算元素和內(nèi)存是由不同的供應(yīng)商創(chuàng)建的。
“有兩個(gè)問題，”PDF Solutions的首席技術(shù)官Andrzej Strojwas說?！笆紫?，你如何在很早的時(shí)候就確定電路不能工作?第二，如何構(gòu)建可重構(gòu)的互連?你可以使用有源電路來重新配置互連。標(biāo)準(zhǔn)的做法是在制造過程結(jié)束后進(jìn)行測試然后燒保險(xiǎn)絲。但如果你有內(nèi)聯(lián)的信息，通過電子束流掃描在低水平的金屬層面，你可以更有效地做到這一點(diǎn)。粒度是不同的?！?/span>
當(dāng)索尼在2000年推出基于IBM Cell處理器的Playstation 2時(shí)，它設(shè)計(jì)了6個(gè)核心，而實(shí)際上只需要5個(gè)核心。這種方法在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是革命性的。但可重構(gòu)性讓人們對從設(shè)計(jì)到制造過程中發(fā)生的事情有了全新的理解，包括實(shí)時(shí)分析，根據(jù)需要重新布線信號的能力，以及更精確地劃分設(shè)計(jì)。
光刻技術(shù)也將經(jīng)歷一個(gè)重大而昂貴的轉(zhuǎn)變。EUV在大約10年的延遲后被用于5nm的大規(guī)模生產(chǎn)，已經(jīng)落后了。在3nm和2nm時(shí)，將再次需要多圖形化，除非ASML——前沿光刻設(shè)備的唯一來源——能夠推出高數(shù)值孔徑EUV(高na EUV)，并且價(jià)格合理。高na EUV的孔徑為0.55，而高na EUV的孔徑為0.33，它使用變形透鏡能夠正確地打印晶圓邊緣的特征。但并非所有金屬層都需要高NA EUV，這意味著它可能會作為一個(gè)點(diǎn)工具集成到制造流程中，而不是一刀切。
另一個(gè)獲得關(guān)注的戰(zhàn)略是設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化，它比過去更緊密地將前端設(shè)計(jì)與制造聯(lián)系在一起。DTCO已經(jīng)存在多年，但它只在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上得到使用。
“在平面CMOS時(shí)代，設(shè)計(jì)師和技術(shù)可以預(yù)測節(jié)點(diǎn)的規(guī)模，”Synopsys硅工程集團(tuán)產(chǎn)品營銷總監(jiān)Ricardo Borges說?！半S著finfet的引入，這種直覺變得不那么可信了，finfet在混合中引入了一些新東西，使預(yù)測節(jié)點(diǎn)的特征變得更加困難。今天，有更多的種類和更多的架構(gòu)需要探索。例如，在近期，我們將看到gate-全能技術(shù)的早期發(fā)布。除此之外，還有幾種類型的設(shè)備、更多的晶體管架構(gòu)、更多的材料和系統(tǒng)需要評估。在某種程度上，硅可能會被其他材料取代。我們已經(jīng)看到了新的金屬，比如未來的互聯(lián)設(shè)備用的釕和鉬，以及射頻設(shè)備用的鉍和銻，因?yàn)樗鼈兊碾娮杪矢汀Ｈ缓笥幸恍┨囟ǖ慕Y(jié)構(gòu)，imec稱之為縮放助推器，這可能是一種新的過程技術(shù)，以減少模式方法的可變性?！?/span>
另一種方法是根本不擴(kuò)展到最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)。UMC和GlobalFoundries等鑄造廠正在對成熟節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大量投資，這些節(jié)點(diǎn)正在使用替代方法來提高PPA。GlobalFoundries負(fù)責(zé)技術(shù)、工程和質(zhì)量的高級副總裁格雷格·巴特萊特(Gregg Bartlett)說，目前使用的芯片有80%是在成熟節(jié)點(diǎn)上制造的，他預(yù)計(jì)隨著先進(jìn)封裝、混合鍵合、芯片和更多領(lǐng)域特定設(shè)計(jì)的發(fā)展，這一數(shù)字將會增加。
不過，這并不會降低成熟節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。巴特利特說:“我們從材料開始，然后設(shè)計(jì)芯片，而不是從終端市場開始，弄清楚他們想用設(shè)計(jì)做什么，以及哪些材料可以融入其中?！?/span>SOITEC公司擁有27種不同的SOI(絕緣體上硅)材料，它們具有不同厚度的盒子，不同厚度的硅，以及不同的晶體取向。理解為什么一種基質(zhì)比另一種基質(zhì)好是一個(gè)非常重要的考慮事項(xiàng)。這并不是因?yàn)椴牧系男再|(zhì)。因?yàn)楫?dāng)它被整合到系統(tǒng)層面的性能中時(shí)，你就會明白這是如何轉(zhuǎn)化的?！?/span>
不同的選項(xiàng)
令人驚訝的是，在所有的過程節(jié)點(diǎn)上都發(fā)生了大量的研發(fā)，而不僅僅是在前沿。隨著美國《芯片與科學(xué)法案》(CHIPS and Science Act)和歐洲《芯片法案》(European CHIPS Act)的通過，這些研究很可能會爆發(fā)，這兩項(xiàng)法案將匯集超過1000億美元的資金，用于各種相關(guān)領(lǐng)域的研究。
這包括用于多芯片和多模塊/包通信的硅光子學(xué)，它已廣泛用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接服務(wù)器和存儲。它將越來越多地用于越來越短的距離。光非常快，傳輸信號所需的能量非常少，產(chǎn)生的熱量也非常少。但它也需要監(jiān)測熱波動(dòng)，這可能會把信號推到濾波器范圍之外，并檢查波導(dǎo)中的任何粗糙度，這會影響信號。與電子不同，光子不喜歡角落，這是在芯片中構(gòu)建光子技術(shù)的挑戰(zhàn)之一。
巴特利特說:“對我們來說，我們希望能夠模擬兩種設(shè)備以某種形狀或方式組合在一起，并能夠模擬這兩種設(shè)備的組合?！薄?/span>EDA的人在后臺做得很好。我們剛剛與一家EDA供應(yīng)商就我們的45CLO平臺(C、L和O是不同的波長波段，每一個(gè)損耗都不同)發(fā)布了公告，因?yàn)楝F(xiàn)在你們正在嘗試做電光。這些都是行業(yè)的前沿領(lǐng)域，我們正努力為客戶提供正確的設(shè)計(jì)工具?！?/span>
專業(yè)代工產(chǎn)品也在蓬勃發(fā)展。“強(qiáng)勁的晶圓需求使我們的晶圓廠滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，價(jià)格與整體營收的比例高于平均水平，”聯(lián)華電子總裁王建新(Jason Wang)在最近的財(cái)報(bào)電話會議上表示。非易失性存儲器、電源管理、RF-SOI和OLED顯示驅(qū)動(dòng)器等SoC技術(shù)是5G、AIoT和汽車領(lǐng)域的必要應(yīng)用。我們專注于專業(yè)技術(shù)的戰(zhàn)略是成功的，現(xiàn)在這為我們貢獻(xiàn)了超過一半的晶圓收入?！蓖踔赋?，汽車的持續(xù)電氣化也是未來增長的催化劑。
其他選項(xiàng)
也許最大的變化來自于封裝選擇和Chiplet方式。有許多方法可以將不同的部分組合在一起，包括在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)上開發(fā)的數(shù)字邏輯與其他邏輯、模擬以及在成熟節(jié)點(diǎn)上開發(fā)的各種類型的存儲器的混合。事實(shí)上，隨著設(shè)計(jì)變得越來越異構(gòu)，并為特定的應(yīng)用程序和用例定制，對它們添加更大的靈活性的需求也越來越大。
Flex Logix的銷售、營銷和解決方案架構(gòu)副總裁Andy Jaros說:“我們采訪的一個(gè)客戶有一個(gè)非常復(fù)雜的中斷控制器。“他們需要預(yù)測客戶在啟動(dòng)芯片時(shí)可能出現(xiàn)的所有不同排列，包括與外部世界連接或可用的外設(shè)，他們試圖在軟件控制下做到這一點(diǎn)。他們發(fā)現(xiàn)無論他們?nèi)绾闻渲盟蛘咧袛嗫刂破饔卸鄰?fù)雜，中斷控制器都不受支持。這就是嵌入式FPGA發(fā)揮作用的地方。您可以有一個(gè)更簡單的中斷控制器，并且該中斷控制器是針對每個(gè)客戶專門設(shè)計(jì)的。因此，現(xiàn)在您不必預(yù)測每一個(gè)潛在的啟動(dòng)情況或啟動(dòng)序列或組合變化。基本上，當(dāng)客戶需要它時(shí)，你生成一些新的RTL，并將其放入客戶的排序需求中?！?/span>
混合和匹配各種成分和過程也會產(chǎn)生一些意想不到的結(jié)果?？紤]混合焊接，它提供了一種比焊接更直接的方式來連接不同的組件。
Brewer Science的晶圓級加工事業(yè)部執(zhí)行董事Kim Yess說:“由于焊料的緩慢溫度過程，這限制了他們想要做的很多下游應(yīng)用?！薄拔覀円舶l(fā)現(xiàn)，有些客戶在進(jìn)行焊錫球集成時(shí)，遇到了非常嚴(yán)重的變形或斷裂問題，因此他們現(xiàn)在考慮采用混合焊接。這將比真正的異質(zhì)整合更快?！?/span>
銅到銅的混合鍵是最遠(yuǎn)的，但工作正在進(jìn)行中使用介質(zhì)的鍵合。布魯爾科學(xué)公司(Brewer Science)的科學(xué)家白東順(Dongshun Bai)表示:“我們正在與聚合物介電材料并行工作，以實(shí)現(xiàn)同樣的目的。”“它仍處于早期發(fā)展階段。”混合粘接的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它減少了粘接中的應(yīng)力點(diǎn)，這些應(yīng)力點(diǎn)會導(dǎo)致焊料球出現(xiàn)裂紋，特別是在邊角處。“我們已經(jīng)聽說了一些重大的挑戰(zhàn)，比如橫向?qū)R，”白說?！叭绻?zhǔn)小于2微米，他們可能會有一些問題。如果微凸連接變得更小，穩(wěn)定性將是一個(gè)問題。”
未來
與過去不同的是，當(dāng)整個(gè)芯片行業(yè)都步調(diào)一致地走向下一個(gè)進(jìn)程節(jié)點(diǎn)時(shí)，有許多可能的途徑在考慮之中?，F(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)可以使用曲線掩模形狀在掩模上更精確地打印特征。D2S首席執(zhí)行官藤村昭說:“今天，即使你畫一個(gè)圈，它在口罩上也會變形?！薄耙朊看味寄茏龅揭恢?，它必須要大得多，而那是沒有用的。所以你必須走到生存能力的邊緣，根據(jù)定義，它幾乎是變化的，因?yàn)橐煽?，它必須更大。但你的工作是讓它盡可能小?！?/span>
這就是曲線遮罩的位置。使用多波束電子束，掩模形狀可以更準(zhǔn)確地打印出來，基本上可以關(guān)閉為解釋這些不準(zhǔn)確性而創(chuàng)建的空白。如果操作正確，這些技術(shù)可以幫助擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。
如果這還不夠，目前正在進(jìn)行的有關(guān)碳納米管FET的2D材料的開發(fā)工作，已經(jīng)進(jìn)入了所有領(lǐng)先代工廠的雷達(dá)范圍。這些結(jié)構(gòu)是否真的會在主流應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)，在特殊芯片中實(shí)現(xiàn)，或者根本就不存在，還有待觀察。在繼續(xù)研究使用特殊材料的不同晶體管結(jié)構(gòu)的同時(shí)，領(lǐng)先的代工廠正在尋求架構(gòu)和先進(jìn)封裝作為可能的途徑，無論是否有OSAT的幫助。
可以肯定的是，競爭不是在減弱，而是在升溫，這場競賽正在以盡可能低的成本和最大的可靠性快速“大規(guī)模定制”半導(dǎo)體。現(xiàn)在的問題是，哪條道路是最好的，這還有待證明。