到 2030 年,半導(dǎo)體在更多市場的大規(guī)模擴(kuò)散以及這些市場中的更多應(yīng)用預(yù)計將推動該行業(yè)的價值超過 1 萬億美元。但在接下來的 17 年里,半導(dǎo)體的影響力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個數(shù)字,改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞?、溝通方式以及衡量和監(jiān)測健康和福祉的方式。
芯片將成為賦能引擎,這需要對新技術(shù)、材料和制造工藝進(jìn)行大量投資,從領(lǐng)先節(jié)點(diǎn)到可以以新方式利用的成熟工藝。但是如何繼續(xù)構(gòu)建它們將需要對每個制造和包裝過程進(jìn)行實(shí)質(zhì)性改變。總的來說,這些創(chuàng)新分為四個不同的領(lǐng)域:
使圖案化更具成本效益;
通過新材料和混合鍵合實(shí)現(xiàn)更快的互連;
在運(yùn)行測試晶圓之前更好地建模以模擬流程和系統(tǒng);
為更小、更便宜、更快的電子產(chǎn)品有效集成不同的芯片功能。
縮放只是這個難題的一部分,但卻是一個關(guān)鍵問題?!叭绻憧匆幌屡_積電、英特爾、IBM 支持的三星和 imec 的路線圖,他們都是摩爾定律的超級擁護(hù)者,從 5nm 到 3nm 再到 2nm 有兩年的進(jìn)展。從每單位體積而不是單位面積的角度來看,你可以說,是的,我們?nèi)匀蛔裱柖?,”行業(yè)分析師迪恩·弗里曼 (Dean Freeman) 說。但是還有別的路子。
人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)出現(xiàn)在從智能門鎖到汽車輔助駕駛的各個領(lǐng)域中,這對計算能力產(chǎn)生了永無止境的需求。imec CMOS 技術(shù)高級副總裁 Sri Samavedam 表示:“隨著訓(xùn)練模型越來越復(fù)雜,參數(shù)達(dá)到數(shù)十億到數(shù)萬億,計算需求每 3.5 個月翻一番,這可比摩爾定律快得多?!?/span>
處理所有這些數(shù)據(jù)只是計算的一部分。還需要更密集和更緊密集成的存儲器、邏輯芯片、射頻、功率半導(dǎo)體以及用于汽車、計算和數(shù)據(jù)存儲以及無線的傳感器。據(jù)麥肯錫稱,到 2030 年,這些技術(shù)將占所有行業(yè)增長的 70%。
所有這些都需要更多的數(shù)據(jù)吞吐量,這反過來又需要芯片之間更快的吞吐量?;旌湘I合已經(jīng)在生產(chǎn)中使用圖像傳感器的晶圓對晶圓鍵合,并且很快將在閃存和HBM中實(shí)施,這對于實(shí)現(xiàn)這些異質(zhì)組合至關(guān)重要。它還可能產(chǎn)生新的選擇,以獲得更強(qiáng)大但更具成本效益的解決方案。“隨著 SRAM 擴(kuò)展速度急劇放緩,在最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)中構(gòu)建大型緩存沒有意義,”Samavedam 說。在這種情況下,在已建立的節(jié)點(diǎn)制造 SRAM,并使用芯片到晶圓混合鍵合將其鍵合到前沿處理器,可能被證明是最具成本效益的。
這種更智能、更高效計算的趨勢也正在改變晶圓廠和工藝工具的運(yùn)作方式。實(shí)際上,制造機(jī)器的機(jī)器需要變得更智能。Lam Research產(chǎn)品營銷高級總監(jiān) Barrett Finch 表示:“數(shù)據(jù)也越來越成為制造過程中的關(guān)鍵資產(chǎn)?!薄耙粋€例子是我們的數(shù)據(jù)分析平臺,它將數(shù)據(jù)智能與先進(jìn)的等離子蝕刻功能結(jié)合在一起,以提供先進(jìn)的均勻性和蝕刻輪廓控制,從而最大限度地提高產(chǎn)量并降低晶圓成本?!?/span>
設(shè)備公司也在針對特定的細(xì)分市場進(jìn)行創(chuàng)新。例如,在 3D NAND 閃存中,層數(shù)不斷增加,未來需要采用多個堆疊層,最終創(chuàng)建堆疊設(shè)備的垂直串。這些需求需要不斷改進(jìn),從蝕刻工藝到具有更小尺寸和更高縱橫比的工藝結(jié)構(gòu)。
“當(dāng)然,由于多層堆疊產(chǎn)生的應(yīng)力和高階失真,圖案化也變得越來越困難,特別是在層與層之間以及線與線之間的對齊方面,” TEL技術(shù)兼技術(shù)總監(jiān)Robert Clark說。
此外,該行業(yè)的運(yùn)作方式也發(fā)生了變化。芯片制造商曾經(jīng)在一系列節(jié)點(diǎn)上制造不同的芯片并進(jìn)行營銷,而現(xiàn)在整個電子生態(tài)系統(tǒng)需要協(xié)同工作?!盀榱藢悩?gòu)小芯片集成到一個通用封裝中,我們確保從材料選擇到設(shè)計到設(shè)備架構(gòu)、集成和封裝的一切都針對最終終端應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化——我們稱之為全堆棧方法。這意味著生態(tài)系統(tǒng)中的多個參與者必須共同努力,” MITRE Engenuity首席技術(shù)專家兼半導(dǎo)體聯(lián)盟執(zhí)行董事 Raj Jammy 說。
但最大的轉(zhuǎn)變是由于先進(jìn)封裝方法作為設(shè)備性能的主要驅(qū)動力而發(fā)生的。盡管這種趨勢在幾十年前隨著 TSV 和倒裝芯片封裝的突破而開始,但多小芯片封裝正開始從高端應(yīng)用轉(zhuǎn)向更主流的應(yīng)用。
在臺積電、三星和英特爾繼續(xù)追求 3nm、2nm 和 1.x nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)的同時,主流晶圓廠和裝配線的晶體管和封裝級別將發(fā)生幾項技術(shù)轉(zhuǎn)變,并結(jié)合新的材料、工藝和數(shù)據(jù)分析以滿足所有路線圖。
UMC技術(shù)開發(fā)副總裁 Steven Hsu 表示:“對于未來需要高電壓和高溫的應(yīng)用,我們需要超越硅,轉(zhuǎn)向?qū)拵对O(shè)備,這些設(shè)備已經(jīng)在電動汽車、工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用中取得了進(jìn)展?!?/span>
大量新材料正在研究中,其中一些已開始投入生產(chǎn)。董事兼高級市場分析師 Dan Tracy 表示:“看看一些領(lǐng)先的邏輯和內(nèi)存制造商,我們預(yù)計在未來五年左右的時間里,新材料將進(jìn)入大批量生產(chǎn),例如用于互連的鉬。需要對前體進(jìn)行研究以沉積釕,工具公司需要為這些新化學(xué)物質(zhì)開發(fā) CMP 和清潔工藝?!?/span>
Amkor高級SiP產(chǎn)品開發(fā)副總裁Curt Zwenger表示,由于數(shù)據(jù)服務(wù)器的功率預(yù)算,組裝和測試平臺的關(guān)鍵驅(qū)動因素是消費(fèi)品和移動產(chǎn)品的射頻前端模塊、電動汽車的電源包和共封裝光學(xué)器件?!肮餐庋b的光學(xué)器件將光學(xué)引擎和 ASIC 開關(guān)之間的電氣接口長度減少到只有幾毫米。此外,這解決了節(jié)能需求,并減少了與從電信號中提取時鐘和數(shù)據(jù)相關(guān)的延遲?!?/span>
光刻單元及其支持的光刻膠軌道和計量工具基礎(chǔ)設(shè)施是晶圓廠的焦點(diǎn)。一旦晶圓被圖案化,它們就會進(jìn)入下一步(沉積、蝕刻、離子注入等),但隨后返回光刻以對下一個掩模級進(jìn)行圖案化,這個過程會重復(fù),直到晶圓離開晶圓廠。
使用極紫外(EUV) 掃描儀進(jìn)行圖案化才剛剛開始投入生產(chǎn)。Brewer Science產(chǎn)品服務(wù)多元化總監(jiān) Brian Wilbur 說:“光刻的成本變得更加昂貴了,因此每個人都必須變得更有創(chuàng)意,以及他們要好好想想如何定義和設(shè)計他們的產(chǎn)品??蛻羰褂眠@些工具的時間有限,因此他們依賴于在 ASML 或 imec 進(jìn)行的初步評估,而他們現(xiàn)在才開始使用EUV流程來確定故障模式在哪里,以及下一版本的材料應(yīng)該是什么樣子?!?/span>
關(guān)鍵故障模式之一是隨機(jī)缺陷?!叭藗兘?jīng)常談?wù)摰碾S機(jī)指標(biāo)正變得越來越成為產(chǎn)量驅(qū)動因素,因此必須在按層、按客戶或兩者的過程目標(biāo)方面做好其他一切。對于客戶和供應(yīng)商而言,流程集成都更具挑戰(zhàn)性,因為要擁有一種實(shí)際上可以在該特定層提供絕對最佳結(jié)果的產(chǎn)品?!?/span>
Fractilia 最近推出了一種與CD-SEM一起運(yùn)行的工具,以幫助量化和控制大批量生產(chǎn)中的隨機(jī)性?!皳?jù)我們了解,隨機(jī)變化是 3 和 2 納米節(jié)點(diǎn)產(chǎn)量損失的主要原因,”Fractilia 的首席技術(shù)官 Chris Mack 說。隨機(jī)變化表現(xiàn)為特征粗糙度、局部 CD 錯誤、全局 CD 錯誤(跨晶圓)或覆蓋錯誤。該工具提供對這些變化的實(shí)時檢測,以向圖案化過程提供反饋。
像 Brewer Science 這樣的供應(yīng)商正在預(yù)先執(zhí)行更多的表征工作,以實(shí)現(xiàn)越來越多的解決方案,但他們也參與了 imec 的開發(fā),以評估不同的材料組合和工藝場景?!巴ㄟ^ imec 獲得 EUV 至關(guān)重要,因為客戶必須同時采用多種方法解決一些難題,因為他們不一定確定最終的最佳解決方案是什么,”Wilbur 補(bǔ)充道。
在談到擴(kuò)展 193 納米光刻工藝時,Wilbur 指出了業(yè)界對 CVD 硬掩模的使用,這需要一個底層,一旦圖案被蝕刻,就可以通過濕法清洗輕松去除?!皩τ?CVD 硬掩?;蚨嘀貓D案化方案,客戶需要一種材料能夠承受多次光刻和蝕刻工藝,”Wilbur 說。
一旦 EUV 功能啟動并運(yùn)行,它將采用雙重圖案化和四重圖案化方法,以將特征分辨率進(jìn)一步擴(kuò)展到 20nm 以下。之后是高 NA EUV,在 2025 年到 2027 年的某個時間段內(nèi),數(shù)值孔徑從 0.33 躍升至 0.55。
“高 NA EUV 使用 8X x 4X 放大掩模。這意味著你需要兩個高 NA 掩模來暴露一層。掩模上的正方形在晶圓上會變成 1:2 長寬比的矩形?!?D2S的首席執(zhí)行官 Aki Fujimura 解釋說。
制造方法和技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步對于實(shí)現(xiàn)和進(jìn)一步擴(kuò)展下一代環(huán)柵 (GAA) 晶體管、DRAM 架構(gòu)和如今包含 200 多個層的 3D NAND 器件至關(guān)重要。
雖然邏輯推動了最先進(jìn)的晶體管結(jié)構(gòu),但3D NAND是許多蝕刻和填充工藝的技術(shù)驅(qū)動力?!霸谶@些蝕刻應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體行業(yè)中一些最深刻的挑戰(zhàn),而縮放意味著它們將變得更加困難。在生產(chǎn)中,這意味著將特征蝕刻到數(shù)微米的深度,同時在數(shù)十億個這些特征上完美匹配晶圓上的結(jié)果,”Lam 的 Finch 說?!瓣P(guān)鍵的蝕刻能力需要先進(jìn)的均勻性和蝕刻輪廓控制,這由公司的數(shù)據(jù)智能平臺管理。蝕刻機(jī)可以自適應(yīng)以最大限度地減少工藝變化并最大限度地提高晶圓產(chǎn)量。
雖然這是一個進(jìn)化步驟,但它并非微不足道。“我們可以繼續(xù)在與用于 finFET 的工藝流程非常相似的工藝流程中使用自對準(zhǔn)源極/漏極和柵極觸點(diǎn),盡管硬掩模和覆蓋層可能需要變得更加堅固以適應(yīng)額外的蝕刻需要內(nèi)墊片和其他工藝,” Clark說。“納米片結(jié)構(gòu)還需要一些新的工藝模塊,包括通道釋放、內(nèi)部間隔蝕刻和形成、底部隔離,以及更具挑戰(zhàn)性的源/漏和通道選擇性外延生長?!?/span>
但這些改進(jìn)并不是全部。與所有技術(shù)轉(zhuǎn)型一樣,縮放方面使過程工程師的工作變得更加困難。“我們還需要縮放接觸柵極間距,因此將面臨將柵極堆疊安裝在 RMG(替代金屬柵極)結(jié)構(gòu)中并獲得多種功函數(shù)的挑戰(zhàn)。目前的研究包括使用偶極子層代替功函數(shù)金屬,或在功函數(shù)金屬之外使用偶極子層,以便將柵極堆疊安裝到 RMG 納米片體積中,”Clark 說。
一旦形成晶體管結(jié)構(gòu),以低電阻為重點(diǎn)的接觸金屬必須連接到較小的源極和漏極表面?!靶枰刂圃礃O和漏極硅化物的體積,同時降低肖特基勢壘高度,以進(jìn)一步降低接觸電阻,”他說。
下一步在技術(shù)上仍然是一個環(huán)柵器件,稱為forksheet FET,因為 N 和 P 片之間有一個介電壁,看起來像突出的叉子。根據(jù) Clark 的說法,介電壁需要致密,因為它將用于自對準(zhǔn)并充當(dāng)硬掩模?!霸搶訋砹嗽S多挑戰(zhàn),因為它需要無空隙,并且需要經(jīng)得起圖案化所需的蝕刻、CMP 等。選擇性沉積可以在未來提供一些巨大的優(yōu)勢,無論是在實(shí)現(xiàn)更多自下而上的自對準(zhǔn)方法方面,還是通過使功能層僅在需要的地方沉積從而節(jié)省體積?!?/span>
在 forksheet 晶體管之后,行業(yè)將過渡到CFET,此時 n 和 pFET 一個堆疊在另一個之上。一些領(lǐng)先的芯片制造商已經(jīng)開始研究這些結(jié)構(gòu)。
雖然摩爾定律的擴(kuò)展仍然具有相關(guān)性和必要性,但它只是整個行業(yè)范圍內(nèi)大規(guī)模創(chuàng)新的一部分,這種創(chuàng)新正在通過制造進(jìn)入芯片設(shè)計的各個方面,甚至滲透進(jìn)了該領(lǐng)域。芯片變得越來越必要、越來越多樣化、越來越可靠。
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