XPJ(中国)

06

2016

-

01

窥视5纳米

作者：

作者：莫大康

 

近20年来总在讨论摩尔定律的终止话题，但是不可否认传统的尺寸缩小己经在半导体业发展的50年中立下*的功勋。历史上尺寸缩小，功能增加，泄漏电流减少及成本下降是推动产业进步的驱动力，然而实际上从130纳米节点开始，这种自由驾驭状态似乎己到了尽头。自此之后的每个工艺节点的进步都需综合平衡各种参数，跟随着不同的栅氧化层厚度及互连材料，以及需要更先进设备的配合。

 

尽管业界非常明白，未来定律的生存基础很大程度上取决于经济因素，采用新的工艺制程节点能否带来市场获利能力的提升。因此产业的前景必然会依以下三个方向前进，1），继续尺寸缩小；2），成熟制程工艺新的突破，如2.5D，3D的异质集成；3），器件采用新的材料与架构。

 

10纳米己准备起飞

 

尽管全球半导体业增长的步伐减缓，但是在先进制程方面没有停步，反而加快。英特尔，三星及台积电三足鼎立，并先进于全球的态势越来越突出。

 

它们在突破16nm/14nm制程的同时，英特尔，三星与台积电同样分别开发10nm finFET制程。并期望在2016年底能开始10nm的试产。

 

英特尔，三星及台积电三家在先进工艺制程方面，都在暗中使全力较劲。由于都是基于finFET工艺，买的几乎是同样的设备,分析它们几乎处于同一水平上。客观上英特尔的启步早与它人，但是台积电的“夜莺团队”式的研发追赶，以及三星永不服输的精神，导致三家可能难分伯仲。

 

尽管各家在10nm量产报道的时间点不同,有快有慢,其中台积电较为积极，列于2016 Q3,三星为2016 Q4及英特尔的10nm Canonlake处理器为2017下半年。显然不能依此太当回事,因为谁家也没有讲清所谓”量产”时的成品率指标。有关10nm的客户,除了英特尔自用的处理器之外,其它的都是fabless大客户,包括苹果,高通,联发科,海思,以及FPGA的Xilinx等。

 

据ASML的消息,它的较新193nmi浸液式光刻机NXT;1980,它的套准精度1.2nm,聚焦的均匀性<10nm及产出能力己达每小时275片。

 

在缺乏EUV光刻机的情况下,半导体业界从22/20nm一路向16nm/14nm进展,以及到10nm时,似乎并未遇到太多的阻碍，仅是193纳米浸液式光刻技术从28nm的单次图形曝光技术,逐步增加到10nm时的四次图形曝光技术。显然从芯片设计，工艺复杂性以及产品的循环周期等显著上升，今天之所以仍受到fabless等追捧，理由十分*，每一代新的制程技术约有20%的性能提升。

 

7纳米？还是5纳米？

 

半导体业界清楚地知道尽管产业的进步己*的趋缓，但是迈向先进制程的步伐丝毫没有减缓，反而有加速的趋势,这是市场竞争的结果，那个大家都不干落后，要推行差异化的策略。

 

但是不可迴避的现实是193nm浸液式光刻技术几乎已走到尽头,在10nm工艺节点时要采用四次图形曝光技术,制造成本己大幅的上升。

 

据IBM 于2015年7月的报道，它己推出全球一款7纳米制程的测试芯片,采用的EUV与193nm的混合光刻模式。非常*由于技术的不成熟性,IBM也不敢描述芯片制造的细节。

 

由此表明,到目前为止尽管英特尔，三星及台积电都信心满满地看好未来的7纳米技术，如台积电己明确列出时间表,将于2017年Q2开始试产,显然它的宣传成分可能多于实际。因为较关键的EUV光刻机,连ASML自己说,目前的问题己不是技术层面，更主要的是Avaliability,实用性,可能较快于2016年才能准备好。

 

至于5纳米技术更是一个未知数，也可能真的是半导体硅制程的极限。

 

好消息是2015年11月由欧洲IMEC和EDA的设备供应商Cadence两方合作,利用EUV与193nm浸液式光刻和自对准的四次图形光刻技术(SAQP)的混合光刻模式己做出全球*个5纳米的测试芯片。

 

5纳米的产品商品化仍有点遥远。如互连金属导线之间的间距(pitch)要多大尚不清楚,目前英特尔在它的起首进芯片中pitch约为50nm。而在测试芯片中的间距采用混合的,从36nm的间距,一直到24nm间距,它们都接近于四次图形光刻的理论极限。从理论上，间距有可能做到20nm ,但是实际上有把握的可能是24nm。

 

为了实现混合式光刻，将测试芯片分成三组。*组是纯的EUV方案，那里连线,通孔和metal3都用EUV光刻,所有这些是单向的,采用24nm 间距。

 

第二组方案是metal2,metal3和金属连线的mesh啮合用SAQP,四次图形曝光,而金属线的分割及通孔采用单次的EUV技术，包括较后的metal3也是采用同样的方案。

 

第三种方案是采用纯193i浸液式光刻,而单元之间的连线及通孔一定要分解成三种颜色。

 

按目前的ITRS路线图在2020至2021年时实现5纳米量产，按现有工业的创造力与创新能力不该感到意外。然而尚有多个可供选择的方向，包括2.5D，3D堆叠技术，和FDSOI技术的不断进步，它们也能逐渐进入更先进工艺制程，一切之中关键在于成本，功能和功耗的比较。

 

 

 

 

5nm就到极限了吗？谈芯片工艺发展路向

 

Intel曾表示摩尔定律即使到达7nm这个节点，仍然会继续有效，但是为了追上摩尔定律的脚步，7nm之后Intel很可能将会放弃传统的硅芯片工艺，而引入新的材料作为替代品。现在看来，10nm有可能将会成为硅芯片工艺的较后一站。事实上，随着硅芯片极限的逐渐逼近，这几年人们也越来越担心摩尔定律是否会较终失效，因为一旦半导体行业停滞不前，对于IT业界来说同样会产生极大的影响。本文就跟大家来谈一下目前半导体工艺的进展情况，以及一旦硅芯片工艺走到尽头，又有什么新的技术方向能够维系半导体工艺的持续发展。

 

　　让XPJ(中国)先来大致了解一下芯片是如何工作的。


Source：源极 Gate：栅极 Drain：漏极

　　一个芯片上整合了数以百万计的晶体管，而晶体管实际上就是一个开关，晶体管能通过影响相互的状态来处理信息。晶体管的栅极控制着电流能否由源极流向漏极。电子流过晶体管在逻辑上为“1”，不流过晶体管为“0”，“1”、“0”分别代表开、关两种状态。在目前的芯片中，连接晶体管源极和漏极的是硅元素。硅之所以被称作半导体，是因为它可以是导体，也可以是绝缘体。晶体管栅极上的电压控制着电流能否通过晶体管。


现有半导体工艺还能走多远？

　　而为了跟上摩尔定律的节奏，工程师必须不断缩小晶体管的尺寸。但是随着晶体管尺寸的缩小，源极和栅极间的沟道也在不断缩短，当沟道缩短到一定程度的时候，量子隧穿效应就会变得极为容易，换言之，就算是没有加电压，源极和漏极都可以认为是互通的，那么晶体管就失去了本身开关的作用，因此也没法实现逻辑电路。从现在来看，10nm工艺是能够实现的，7nm也有了一定的技术支撑，而5nm则是现有半导体工艺的物理极限。

　　硅芯片工艺自问世以来，一直遵循摩尔定律迅速发展。但摩尔定律毕竟不是真正的物理定律，而更多是对现象的一种推测或解释，XPJ(中国)也不可能期望半导体工艺可以永远跟随着摩尔定律所说发展下去。但是为了尽可能地延续摩尔定律，科研人员也在想尽办法，比如寻求硅的替代材料，以继续提高芯片的集成度和性能。接下来XPJ(中国)来谈一下几种未来有可能取代硅，成为新的半导体材料方案。

 

 

III-V族化合物半导体


III-V族化合物成为FinFET上的鳍片

　　前文提到Intel可能将会在7nm节点放弃传统的硅芯片工艺，并在未来的几年中启用全新的半导体材料来作为继任者，目前看来，这种新材料很可能会是III-V族化合物半导体。该半导体材料是以III-V化合物取代FinFET上的硅鳍片，与硅相比，由于III-V化合物半导体拥有更大的能隙和更高的电子迁移率，因此新材料可以承受更高的工作温度和运行在更高的频率下。Intel在很早之前已经尝试III-V族化合物（磷化铟和砷化铟镓）与传统晶圆整合的化合物半导体。而在一年多前，IMEC（微电子研究中心，成员包括Intel、IBM、台积电、三星等半导体业界巨头）已经宣布成功在300mm 22nm晶圆上整合磷化铟和砷化铟镓，开发出FinFET化合物半导体。

　　比起其他替代材料，III-V族化合物半导体没有*的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工艺相似，很多现有的技术都可以应用到新材料上，因此也被视为在10nm之后继续取代硅的理想材料。目前需要解决的较大问题，恐怕就是如何提高晶圆产量并降低工艺成本了。

 

石墨烯


电镜下的石墨烯，呈六边形结构

　　石墨烯被视为是一种梦幻材料，它具有很强的导电性、可弯折、强度高，这些特性可以被应用于各个领域中，甚至具有改变未来世界的潜力，也有不少人把它当成是取代硅，成为未来的半导体材料。但是真正把它应用于半导体领域，还需要克服不少的困难。

　　首先，通过前面XPJ(中国)可以知道，逻辑电路有“0”和“1”，也就是开和关两种状态，而这就需要有“能隙”——电子携带电流之前必须跃过的能量跨栏。但是因为石墨烯本身的导电性能太好，它没有能隙，也就是只能开，而不能关，这样是不能实现逻辑电路的。如果要利用石墨烯来制造半导体器件，那么XPJ(中国)还需要通过其他手段，在不破坏石墨烯本身特有的属性下，在石墨烯上面植入一个能隙。目前已经有不少针对这方面的研究，但要真正解决这个问题还需要相当长的时间。

　　而另外一个主要问题就是，要大批量和高质量地获得石墨烯，仍然是一件非常困难的事。目前增加石墨烯产量的手段其实并不少，但石墨烯边缘的六元环并不稳定，容易形成五元环或七元环，通过这些手段获取的石墨烯，往往会是多个畸形环所连成的多晶，从而影响本身的特性，这样生产出来的石墨烯就丧失了作为材料的意义了。

 

硅烯


具有相似结构的硅烯，可能是比石墨烯更好的方案

　　XPJ(中国)知道硅和碳具有相似的化学性质，研究人推测硅原子也可以像石墨烯那样，原子呈蜂窝状排列，形成硅烯这种物质。而硅烯相比于石墨烯的重要不同，就是硅烯拥有上述所说，可以实现逻辑电路所必要的能隙。

　　不过这种结构的硅单质，也只是在2010年才正式观察到，而事实上，在空气中，硅烯具有极强的不稳定性，即使在实验室中，硅烯的保存时间也很短。如果要制作硅烯晶体管，还需要尝试通过添加保护涂层等手段，保证硅烯不会变性，才可能应用于实际当中。虽然硅烯的应用面临着重重困难，但它仍然有希望赶超老大哥石墨烯，成为理想的半导体材料。

 

结语：

　　即使硅工艺快将走到尽头，未来仍可能有多种替代方案来接替硅的位置，并使摩尔定律继续延续下去。事实上，硅的替代材料还有多种，如IBM致力研究的碳纳米管等，此外也可以另辟蹊径，在使用现有工艺的情况下来提高单位面积下晶体管的集成数量（比如2.5D、3D堆叠等方案，目前在NAND、DRAM等存储产品中已有不少应用，不过对于IC芯片来说，发热问题不好解决），在未来甚至还可能有光子计算、量子计算等颠覆摩尔定律的超级计算机出现，有机会XPJ(中国)可以再继续展开讨论。但就目前而言，哪种技术能够较终成为计算的未来，谁也无法知晓。

 

来源：pconline