2018你不能错过的观点:芯片技术的下一个5年

来源: 日期:2018-02-02 点击: 277

  以下内容来自《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》的2017岁末圆桌论坛:

  这是一次有关半导体制造技术的业界专家圆桌论坛。谈论的话题是下一个5年的芯片制造技术会如何演绎?包括:5nm之后的逻辑电路; DRAM的未来;3D NAND和新型储存器等等,为克服高成本带来的阻力,探讨了许许多多的高成本解决方案。

  论坛邀请了五位有代表性的半导体业界大咖,一起讨论了半导体工艺微缩的未来,各种演变的影响,以及半导体新材料和新技术的引进等,这些都是下一代半导体制造技术的热点问题。邀请的五位专家分别是: Rick Gottscho,Lam Research首席技术官; Mark Dougherty,格罗方德高级模块工程副总裁; David Shortt,科天公司(KLA-Tencor) 研究员; Gary Zhang ,ASML光刻产品副总裁;Shay Wolfling,Nova Measuring Instruments首席技术官。

  以下是讨论的摘要:

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左起:Shay Wolfling,Rick Gottscho,Mark Dougherty,Gary Zhang,David Shortt。图片来源:Coventor,Lam Research

《SEMICONDUCTOR ENGINEERING》(以下简称SE)

  SE:让我们看一下超越10 / 7nm以后的事情,它会沿着一条平坦的路径到达5nm和3nm节点吗,还是会比我们想象的更加困难?甚至我们想问它究竟是否可以实现吗?

  Dougherty:这是可能的,我们已经在历史上多次证明了这一点,尽管我们知道的还不是十分清楚,但达到总的目标是可能的。我们总是能找到一种合适的方法,通过各种各样的途径到达目标。我期待着能和我预料的一样往前走,我不认为这将是一条直线可以到达的,当然它也不会是一个双曲线或一个指数线。我们最终将到达那里,在这个过程中行业会发现各种各样的东西。

  Gottscho:我同意这个观点。到5nm的路径已经是很清楚的了,FinFET将至少延长到5nm,他们很有可能会扩展到3nm,之后还会有一些其他的解决方案。不管其环绕栅极(gate-all-around)是水平的还是垂直的,将会有新的材料出现。

  当然也会有很大的挑战。我们已经知道如何制造散热片以解决散热问题,可以利用5nm左右的设计规则设计一个150nm高度的散热片。但能够制造是一回事,防止他们崩溃又是一个不同的挑战。虽然有许许多多的挑战,但我毫不怀疑这个产业会达到目标,我认为这个目标不会被显著得推迟。

  Shortt:大约30年前,我第一次看到一篇文章,非常清楚地解释了为什么我们不能用光学成像原理来制造比光的波长更小的器件,我们今天都知道那是怎么一回事,那些打赌采用光学原理光刻不可能做到的人其实一直都是错的。似乎你总是不可能超过几代的目标,但我们今天似乎做到了这一点。作为一个光刻设备的检验者,我惊讶这些器件是可以可制造的。令人震惊的是,我们采用3D NAND技术,把那些芯片都做出来了。

  Zhang:在供应链的另一端我们听到我们客户的声音是微缩(scaling)还没有到尽头。从光刻角度而言,在新的节点上我们可以High-NA作为技术路线图上的扩展,虽然采用EUV技术走的很艰难。但从印刷和图形发生器而言,我们确实有解决方案在那里。另一方面是在如何管理复杂性和成本方面,还面临更多的挑战,但我坚信我们一定会达到目标。

  Wolfling:我同意这一点。这里的复杂性是关键,而解决这个问题的方法可能有不只一个,FinFET仍有继续拓展的空间,后面有可能是纳米片(nanosheets)技术。但交叉点在哪里,会是在3nm或2nm时候吗?在某些时候,产业会跨越性的发展,这也许将发生在EUV技术到来的时候,它会与FinFET技术一起发生。问题是它将发生在什么地方?

  SE:还有,我们必须提及的是有一些重大的演化问题需要解决,这里面有互连问题、RC延迟问题,以及一大堆没有人能够解决的问题。这是不是不同的,特别是对于逻辑电路芯片,无论我们是从制造方面还是从测量方面看?

  Dougherty:是的,但我看到的挑战实际上是选项的数量而已。我们使用的微缩技术已经大大拓展了好几代。如果你往回追溯几代产品,你或多或少知道你要使用的材料和基本结构是什么。现在,当你向前看7nm和7nm节点以下时,我们供应商的路线图说它可以是10件事里的任何1件。答案或许是它们的一些组合,但要在高级节点上筛选这些选项,还有许许多多的工作要做。我们已经认识到它可能不是一个单一的解决方案,而在这个行业过去的长时间里,每个人在同一天给出的解决方案上基本上都是一样的,在有些地方也可能会有一些分歧,如金属化的后端制程(back-end-of-line metallurgy)。

  Zhang:问题不在于你会不会碰壁,而是你有很多的路可以选择,和我们如何一条路一条路去探索它们。在开始的时候,他们总是有希望的,但很难说清哪一条路是划算的,哪一条路是可以走通制造的?这里是需要投资的,需要研究不同的材料和不同的方向。我不认为这个问题是我们面临的一个壁垒。

  SE:不是,但我们面临着很多的选择,是吗?

  Gottscho:对后端制程(back-end-of-line)来说,至少在短期内-还要发展若干代的技术-只有摆脱障碍,才能有真正的降低阻力的机会。俗话说,说起来容易做起来难。但是当你看到被占据的空间时,特别是通孔,它主要由高阻材料为主,作为扩散阻挡层。如果我们能解决材料问题,也许我们可以往前走好几代的技术。接触电阻也是一个大问题。但这是一个例子,人们在使用环绕式接触、高剂量表面掺杂、尤其在特别关注接口特性的体系结构方面非常富有创意。这些问题都不容易,我相信至少会有两种以上不同的解决方案。不过,我对计量学很好奇,因为这常常是工艺开发的大门。

  Zhang:我们之前谈论过计量小于1埃(Angstrom,1nm=10A)单位的东西,我们现在可以在3D工艺中做到这一点。所以只要有聪明的计量学,我们就有可用的解决方案。但我们是否有可以测量一切事物的解决方案,我并不敢保证。

  Shortt:多年来我所看到的是,从概念阶段到实际发布阶段的“端到端”(end-to-end)的循环时间所花费的时间越来越长,我们发现我们需要更早地动手。我们有多代技术相互跨越,一代一代在不断发展。我们有许多好主意,但我们必须更早地开始考虑这些问题,减少技术风险,找出哪些有效,哪些不可行,摆脱掉那些不起作用的东西,然后继续前进。因此,我们在检验和计量方面全面的“端到端”的成本正在增加。但是如果有正当的管理,你在开始时就可以减少技术风险,迅速扔掉那些不契实际的想法,保留那些可以做的事情。

  SE:这一切涉及的另一个逻辑是 3D NAND技术。我们已经扩展到48层了,是不是要一直这样扩展下去,还是有一定的物理限制?

  Gottscho:它已经持续上升了一段时间。我对未来很乐观,如果你不乐观也许你就不会从事半导体行业(呵呵!)。我们看到的一个路径是到256层,超越这一点将是非常具有挑战性的。但前面也会有很多阻力,例如到128层。薄膜中的应力是一个大问题,如果晶片生产出来像炸土豆片,那就不好了。当你试图把一层叠加在另一层上时,这个压力在变形和覆盖方面就变成了一个大问题,这也许是我蚀刻业务35年来遇到的最具挑战性的蚀刻:氧化物和氮化物层交替,氧化物和多晶硅交替,宽高比接近100:1。但不得不说的是,我们有一个解决方案的路线图,我们同时致力于三代技术,估计这要花10年左右的功夫。

  Shortt:你看到的3D NAND技术的未来,能够做到一次蚀刻100层吗?

  Gottscho:这将是一个混合步骤。我们的策略是将蚀刻技术推向最高的宽高比,因为我们相信一次刻蚀尽可能多的层是我们客户的兴趣所在。因为无论你叠加到48层或96层甚至128层,或迟或早你会把你想要堆叠的层数尽可能多地堆叠出来。

  Wolfling:一旦你开始堆叠,如果你有三代或四代以上的技术,你堆叠其中的四代,这是不划算的。你应该首先推动蚀刻,推动刻蚀就是为朝着这个方向节省更多的时间。

  SE:冯诺依曼体系结构的另一个关键部分是 DRAM。使用1x或1y技术我们可以往前再进一步,还是我们需要移动到其他一些技术,比如相变存储器或STT-RAM?

  Zhang:我们的客户正沿着1x、1y、1z的路径行进,希望努力再挤出一个纳米来。这也是过去几年一直这样做的,而且还将持续下去。至于我们能走多远,我们还似乎还没有在未来的平线上真正看到一个能够取代DRAM的东西。但我们确实看到Xpoint可以作为另一种可行的存储器解决方案。这将是十分有趣的,我们且拭目以待,看这个XPoint与DRAM相比如何发挥吧!

  Dougherty:但是你觉得用其他的替代方式是时间问题吗?尽管我们不知道交叉点在哪里,但在这些不同的存储器上确实有很多的工作要做。

  Zhang:这就是为什么人们正在研究XPoint和其他的存储器的原因,从成本、性能和耐用性的角度看他们能走多远,但如何才能达到DRAM的水平还有待观察。

  Shortt:在KLA-Tencor公司我们看到预测,3D NAND将接替以前的存储器,但3D NAND能够推动超前一代或两代存储技术确实超出很多人的预期。这延迟了3D的出现,同样的情况也会发生在DRAM上。

  Gottscho:我看到在DRAM和2D / 3D NAND之间有一个动态的区别,从某种意义上说,3D NAND技术在2D NAND技术即将告别市场之前已经做好了准备。现在,它似乎并没有替代DRAM。无论是STT-RAM或相变存储器、还是阻抗性RAM,他们还都没有可以匹配DRAM的速度或耐用性的能力。需求是发明之母,我们看到至少有两代后1x-我们正在听1a的消息,但DRAM仍然活着,而且正变得更加结实。MRAM可能会成为逻辑电路中的一个嵌入式内存元件,它看起来不像是高密度DRAM的可行替代品。

  Shortt:我们还没有看到许多对这些新结构进行检验的需求。但这些新的结构检验,你会认为我们早就看到了,其实我们已经看到了一点点儿,但还不多。

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