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埃米時代半導體先進工藝藍圖將更新

2017-05-26 17:41:53 未知

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隨著半導體發展腳步接近未來的14埃米，工程師們可能得開始在相同的芯片上混合FinFET和納米線或穿隧FET或自旋波晶體管，他們還必須嘗試更多類型的內存；另一方面，14埃米節點也暗示著原子極限不遠了…

在今年的Imec技術論壇(ITF2017)上，Imec半導體技術與系統執行副總裁An Steegen展示最新的半導體開發藍圖，預計在2025年后將出現新工藝節點——14埃米(14A；14-angstrom)。這一工藝相當于從2025年的2nm再微縮0.7倍；此外，新的占位符號出現，顯示工藝技術專家樂觀看待半導體進展的熱情不減。

Steegen指出：“我們仍試圖克服種種困難，但如何實現的途徑或許已經和以前所做的全然不同了。”

14埃米節點也暗示著原子極限不遠了。單個砷原子(半導體所使用的較大元素之一)大約為1.2埃。

隨著半導體發展腳步接近未來的14埃米，工程師們可能得開始在相同的芯片上混合鰭式場效晶體管(FinFET)和納米線或穿隧FET或自旋波晶體管。他們將會開始嘗試更多類型的內存，而且還可能為新型的非馮·諾依曼計算機(non-Von Neumann)提供芯片。

短期來看，Steegen認為業界將在7nm采用極紫外光(EUV)微影技術、FinFET則發生在5nm甚至3nm節點，而納米線晶體管也將在此過程中出現。

Steegen表示：“從事硬件開發工作的人員越來越有信心，相信EUV將在2020年初準備好投入商用化。經過這么多年的努力，這一切看來正穩定地發展中。”

Imec是率先安裝原型EUV系統的公司，至今仍在魯汶(Leuven)附近大學校園旁的研究實驗室中持續該系統的開發。

Steegen預計，EUV“將在最關鍵的層級導入工藝，”以便在線路終端處完成通道和區塊。使用今天的浸潤式步進器，這項任務必須通過3或4次的步驟，但透過EUV更精密的分辨率，只需一次即可完成。

工程師在這些先進節點上工作時，必須先檢查其設計能夠搭配使用浸潤式或EUV系統。當他們在將芯片發揮到極致時，將會使用EUV更進一步縮小其設計。

無論如何，還需要3或甚至4次的浸潤式圖案化過程，才能打造具有小于40nm間距的特征尺寸。工程師不要指望設計規則能很快地變得更簡單。

選擇抗蝕劑與晶體管

找到合適的抗蝕劑材料是讓EUV順利量產的幾項挑戰之一。到目前為止，如果研究人員能以20毫焦耳/平方公分的曝光能量進行，就能使EUV順利進展。

包括ASML、東京電子(Tokyo Electron)和ASM等幾家公司正在開發專有(意味著昂貴)的技術來解決問題。它們通常涉及了抗蝕劑處理以及多個工藝步驟，才能蝕刻或退火掉粗糙度。

“這項技術看起來非常有希望，所以我們有信心能夠克服線邊粗糙度(LER)的問題，”Steegen說。

此外，Imec現正開發保護EUV晶圓免于污染的防塵薄膜。它以碳納米管提供承受EUV曝光超過200W以上所需的強度，而非阻擋大部份光源穿透晶圓。

除了EUV以外，下一個重大障礙是基本晶體管的設計轉變——任何組件核心的電子開關。Steegen說：“FinFET的微縮是必須解決的關鍵問題。”

截至目前為止，研究顯示，FinFET可以在5nm時使用，而如果導入EUV的情況順利，甚至可沿用至3nm節點。Steegen說：“在3nm節點，FinFET和納米線的效果能幾乎一樣好，但納米線閘極間距帶來了更多的微縮，”他并展示一項堆棧8根納米線的研究。

http://app.semi.org.cn/data/resource/Image/1495683034075073764.jpg

詳細觀察阻抗劑的問題顯示，使用化學助劑和不使用化學助劑(CAR和NCAR)的研究結果。LWR/LCDU是指線邊粗糙度的測量值應不超過特征間距尺寸的十分之一，圖中的范圍約為3.2至2.6。

信道微縮與內存

如果EUV一再延遲，芯片制造商將會調整單元庫來縮小芯片。Imec正致力于開發一個3軌(3-track)的單元庫，這是將芯片制造商目前用于10nm先進工藝的7-track單元庫縮小了0.52倍。

其折衷之處在于它能實現3nm節點，但僅為每單元1個FinFET保留空間，較目前每單元3個FinFET減少了。此外，隨著單元軌縮小，除了從7nm節點開始的挑戰，預計工程師還將面對新的設計限制。

Imec正致力于開發幾種得以減輕這些困難的設計，包括所謂的超級通道(super-vias)，連接3層(而2層)金屬以及深埋于設計中的電源軌，以節省空間。

這項工作顯示，設計人員可能被迫在3nm時移至納米線晶體管，實現完全以浸潤式步進器為基礎的工藝。然而，透過EUV，3nm工藝仍可能有足夠的空間實現5-track的單元庫，因而使用基于FinFET的組件。

http://app.semi.org.cn/data/resource/Image/1495683034122077056.jpg

僅使用浸潤式步進器的工藝可縮小單元軌，但卻會隨著閘極(紅色)縮小而犧牲FinFET(綠色)數量。而在底部，Imec展示研究人員正開發的4個結構，用于減緩微縮。

無論如何，到了這些更先進的節點時，系統、芯片和工藝工程師都必須比以往更加密切地合作。他們必須確定哪些功能可以被整合于單一芯片上，或者是否需要單獨的芯片制作，如果是這樣的話，那么這些芯片又該如何進行鏈接等等。

同時，還有一大堆新的內存架構仍處于實驗室階段。Steegen說，磁阻式隨機存取內存(MRAM)目前是最有前景的替代技術，可用于取代SRAM快取，甚至是DRAM。然而，MRAM到了5nm以后可能還需要新晶體管結構。

此外，還有其他更多有趣的選擇，包括自旋軌道轉矩MRAM以及鐵電RAM，可用于取代DRAM。業界目前正專注于至少5種備選的儲存級內存技術，主要是交錯式(crossbar)和電阻式RAM結構的內存。

此外，Imec正開發新版OxRAM，將有助于物聯網(IoT)的設計。目前已經針對可承受汽車設計所需溫度條件的方法進行測試了。

面對諸多極其乏味的選擇與嚴苛挑戰，Steegen依然樂觀。在開始對1,800位與會者發表演講之前，她還快速地進行了一項調查，結果顯示有68%的人認為半導體產業將順利過渡到3nm節點。

她說：“謝謝所有對這個可能性回答‘是’的人，而對于那些認為‘不’的人，我會證明你錯了。”