芯片未来发展路线图是什么样的？

上个月中，SEMICON West 2022于旧金山的 Moscone 中心隆重举行。展会前，Imec 在Moscone 中心附近的Marriott Marquee 举办了一场技术论坛。近年来，Imec 论坛已经从我介绍的工艺技术转向更多的系统和应用论坛，但仍有一些工艺内容。

　　在 Luc Van den hove 的演讲中，他展示了如图 1 所示的路线图幻灯片。

图 1. Imec 路线图

　　对于某些圈子里关于摩尔定律死亡的所有讨论，Imec 路线图展示了十多年的持续逻辑扩展。

　　在 N2 节点上，Imec 展示了向 Gate-All-Around (GAA) 纳米片的过渡，三星正在为其 3nm 节点引入 GAA 纳米片，英特尔和台积电宣布用于 2nm（英特尔 20A）的 GAA 纳米片。经过两代纳米片后，Imec 过渡到了 Forksheets。这是纳米片的一种变体，可降低cell的轨道高度。目前，我不清楚 Imec 的 Forkseheet 提案在设备制造商中的吸引力有多大，因为我真的没有看到除Imec 之外的 供应商在Forksheets 上做任何的工作。在 Forksheet 的两代之后，Imec 开始引入 CFET。供应商们在 CFET 方面做了大量工作，尤其是英特尔和台积电。上一代 CFET 引入了原子级薄片。

　　在 Geert Van der Plas 的演讲中，关于潜在路线图的更多细节被提出。

图 2. Imec 路线图晶体管密度

　　从图 2 中可以看出，尽管密度继续增加，但速率下降到每个节点的 1.2 倍至 1.3 倍。

　　图 3 显示了标准单元、背面、生产线后端和 CMOS 2.0 创新的扩展路线图的一些额外细节。标准单元微缩越来越受到设计-技术-协同优化 (DTCO) 的推动，例如单扩散中断（single diffusion break）、有源栅极上的接触（contact over active gate）、叉板墙（forksheet wall）等。晶圆背面正成为通过背面功率传输进行微缩的关键部分。BEOL 将需要新的材料和图案化技术来支持更密集的设备。

图 3. 晶体管缩放创新

        图 4 展示了晶圆背面的一些选项，不仅提供背面功率传输，还可能包含有源器件。

图 4. 背面选项

　　之后，我参加了由 Linx Consulting 主持的“与制造 3D 设备和结构相关的独特挑战，包括 GAA、3D DRAM 和 3D NAND”技术讲座。

　　三星的演讲者 Nabil Mistkawi 表示，在 7nm 及以下的drying 可能需要五个步骤来防止图案塌陷（pattern collapse），这确实说明了前沿技术带来的制造困难.

　　Screen 的 Ian Brown 更详细地介绍了前沿的图案塌陷以及cleaning 和drying挑战。

　　对于逻辑器件，浅沟槽隔离/鳍的形成和多晶硅后蚀刻是关键步骤。纳米片增加了很多表面，其中一些是隐藏的，水平纳米片释放非常关键。3D NAND 氮化硅去除需要一个快速的过程，但您必须避免二氧化硅沉淀。DRAM 有源和电容器的形成非常关键。

　　拉普拉斯压力和表面张力会导致 3D 结构坍塌。Spin dryers已被 IPA dryers取代，但它们对表面状态很敏感。今天，在干燥前修改亲水表面使其具有疏水性是最先进的逻辑。

　　在工业早期，颗粒通过在其下方蚀刻去除，然后过渡到兆声波（megasonics），但在 65nm 以下存在损坏问题。今天使用spin cleaners ，但如果压力过高，它们会造成损坏。目前可用的最佳drying技术是超临界二氧化碳，但由于设备成本的原因，它速度慢且成本高。

　　最后，应用材料公司的 Aviram Tam 讨论了检测和计量挑战。3D 结构需要一种可以查看结构的技术。高能电子束能够观察结构并表征结构尺寸与深度的关系。随着 EUV 光学覆盖的出现不再足够准确，这里也正在研究 eBeam。

　　未来二十年，芯片要到这些墙

　　近日，在 SEMICON West 开始之前，imec 举办了年度国际技术论坛 (ITF)。会上，imec 总裁兼首席执行官 Luc Van den hove 介绍了他对 20 年技术路线图的看法，他表示，该路线图比该行业过去几十年取得的成就更加激进。而imec将利用我们的核心半导体专业知识，通过在半导体技术层面、系统和应用层面的共同创新。

　　Luc Van den hove首先表示，半导体行业长期以来一直遵循传统的Dennard 缩放推动行业发展，它希望以更低的功耗和更低的成本提供更高的性能和更高的密度。“但这个一维版本的路线图在未来可能已经不够用了，”Luc Van den hove说。“我们将不得不针对特定应用调整我们的设备。”

　　传统的扩展在功率、性能、扩展和成本方面遇到了多重障碍。而只是基于光刻的微缩也变得越来越难。“它并没有停止，而是变得越来越难。我们习惯于从节点到节点的单个晶体管的性能改进一直在放缓。这就是我们必须进行大规模并行化的原因。”Luc Van den hove强调。

　　系统性能越来越受到核心处理器和内存之间的数据路径限制的支配，这造成了数据处理限制，尤其是在 AI 应用程序中。“这就是我们所说的记忆墙。内存峰值带宽无法跟上处理器峰值吞吐量，”Van den hove 接着说。

　　另一面墙是电源墙。“将所有功率输入我们的芯片变得越来越难，而且从每个芯片中提取热量也变得越来越难。因此，我们需要新的冷却技术，”Van den hove 表示。

　　成本也在爆炸式增长，这是芯片未来面临的另一堵墙，这个问题则需要通过复杂性增加来弥补。

　　“传统的缩放显然正在击中许多这样的墙，我们将不得不开发技术解决方案来真正拆除这些墙，以使摩尔定律得以延续，”Van den hove 说。

　　对于这种墙壁拆除，需要多种方法，包括尺寸缩小、新开关/晶体管的开发、第三维度的增加使用以及设计优化的系统级方法。

　　而按照Van den hove的说法，我们3 年内需要High NA EUV光刻机

　　Imec 主持了一些关于 EUV 的最早工作，Van den hove 表示，随着 EUV 进入大批量制造，光刻路线图最近经历了“惊人的推动”。“这发生在5纳米节点。这比最初预期的要难得多。这要花更长的时间，但要感谢 ASML 和蔡司等公司的非凡奉献和承诺，”他说。“我们相信当前版本的 EUV 可以扩展到2纳米甚至更远的节点，但要超越这一点，我们将需要下一个版本的 EUV。” 这将需要开发更大的镜头和新的系统平台。光学器件必须符合惊人的规格，直径为 1 米的镜头，其精度将超过 20 皮米。“如果我们将其推断为地球的大小，这意味着我们必须以人类头发粗细的精度来打磨地球。这令人难以置信，令人难以置信，”Van den hove说。“我们预计第一台机器将在明年准备就绪。”

　　High NA EUV 的引入也将在工艺方面带来许多挑战。“为了以积极主动的方式解决这些问题，我们正在与 ASML 一起建立一个联合High NA 实验室，该实验室围绕第一台原型机建造，将与 TEL 轨道连接，并配备最先进的计量能力。我们这样做是因为及时引入High NA EUV 的挑战将是巨大的，”Van den hove 说。“从第一台 EUV 扫描仪到投入大批量生产，我们花了大约 10 年的时间。对于High NA，我们将有更少的时间，只有三年。为了避免在制造中引入这种情况，我们正在建立一个非常密集的计划，以开发所有关键的支持构建模块，例如掩模技术和使用湿式或干式紫外线抗蚀剂的材料。”

　　与此同时，Van den hove 还谈了一些设备的创新

　　Van den hove 描述了几项针对破坏性晶体管架构提出的创新，以实现进一步的扩展，包括由纳米片堆叠构成的环栅设计（gate-all-around），以及一种称为叉片（forksheet ）器件的新晶体管概念，其中 N 和 P沟道晶体管靠得更近。“这种forksheet 设备，我们将其视为标准纳米片概念的延伸，我们相信它将在相当于一纳米一代的情况下推出，”Van den hove 说。他还描述了一种将 N 和 P 沟道晶体管堆叠在彼此顶部的选项，称为互补 FET (CFET) 器件。

　　“很明显，您可以在缩小单元尺寸方面实现另一个非常重要的步骤，但显然是以更复杂的接触方案来接触源极和漏极区域为代价的。但我们相信，我们已经找到了开发的集成方案，可以通过优化外延工艺、图案化工艺以及利用非常复杂的沉积工艺来实现接触结构，从而实现这种晶体管，”Van den hove 说。

　　其他创新包括减少硅沟道的厚度以减少通道长度。这可以通过使用新材料来实现，如用二维材料、原子平坦的单层（例如，钨或钼的硫化物或硒化物）代替硅。“我们最近展示了使用 300 毫米设备制造的第一批设备，”他说。

　　Van den hove 表示，持续的尺寸缩放、新的晶体管架构、新材料的引入以及创新的互连架构（埋入式电源轨）相结合将是成功的秘诀。他说：“我们相信，我们可以为未来 8 到 10 代芯片提出路线图——以 2 到 2 年半的节奏推出——这将为我们带来未来 20 年的路线图。

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