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窥视5纳米

窥视5纳米

  • 分类:行业资讯
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  • 发布时间:2016-01-06 17:34
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窥视5纳米

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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。

 

  让我们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,我们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。接下来我们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,通过前面我们可以知道,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,那么我们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

  我们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,有机会我们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

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