2月,，三星爆出將在美國德克薩斯州奧斯汀建設(shè)價值100億美元晶圓廠，發(fā)力追趕臺積電,。雖然三星在5nm制程上已趕上了臺積電的腳步,，于2020年實現(xiàn)了量產(chǎn)，但3nm似乎仍落后于臺積電,。此前,，臺積電已為其3nm制程晶圓廠投資200億美元，將于今年試產(chǎn),，預(yù)計2022年量產(chǎn),。為此，三星不惜跳過4nm制程節(jié)點,，直接上3nm,，不過2023年或難以量產(chǎn)。

　　在技術(shù)方面,，三星稱在3nm時代就會采用GAA全環(huán)繞柵極FET,，臺積電則要在2nm階段才開始使用。這似乎也預(yù)示著,，三星將在3nm時代進(jìn)一步拉近自己與臺積電的芯片代工技術(shù)差距,。

　　隨著器件規(guī)模的不斷擴(kuò)大，需要采用更精細(xì)的節(jié)點,，但由于3nm制程的難度極大,，出現(xiàn)了許多新技術(shù)、新問題和不確定性,，需要在遷移中去適應(yīng)和解決,。

　　亞3nm挑戰(zhàn)頗多

　　一些晶圓廠開始加大新的3nm的研發(fā)力度，2nm節(jié)點及其后的工作也在進(jìn)行,。從3nm開始,，業(yè)界希望從今天的FinFET晶體管過渡到全環(huán)繞柵極（GAA）FET。在亞3nm節(jié)點,，芯片制造商可能需要新的設(shè)備,，比如下一代極紫外（EUV）光刻機(jī),，還有新的沉積、蝕刻和檢驗/計量技術(shù),。

　　根據(jù)IBS數(shù)據(jù),，7nm器件的設(shè)計成本為2.223億美元，5nm為4.363億美元,，3nm為6.5億美元,。在從FinFET轉(zhuǎn)向GAA-FET的同時，晶體管,、晶圓廠設(shè)備,、材料、光子學(xué)等方面都將迎來巨大的變化,。事實上,，并非所有設(shè)計都需要先進(jìn)節(jié)點。不斷上升的成本也在促使許多人探索其他選擇,，如先進(jìn)封裝,，力圖通過將先進(jìn)芯片放入封裝中來擴(kuò)展優(yōu)勢。

　　FinFET向GAA-FET轉(zhuǎn)型的選擇

　　晶體管是器件中提供開關(guān)功能的關(guān)鍵組件,。幾十年來,，基于平面晶體管的芯片一直暢銷不衰。走到20nm時,，平面晶體管開始出現(xiàn)疲態(tài),。為此，英特爾在2011年推出了22nm的FinFET,，之后晶圓廠在16nm/14nm予以跟進(jìn),。

　　FinFET中的電流控制是通過翅片三個邊上每個邊一個柵極實現(xiàn)的。當(dāng)翅片寬度達(dá)到5nm時,，F(xiàn)inFET幾乎走到了盡頭,，3nm節(jié)點附近將停滯不前。因此,，2022年前后,，晶圓廠希望遷移到下一代納米片（nanosheet）FET，它屬于GAA-FET的范疇,，是FinFET的延伸,，其側(cè)面有柵極包圍。

　　三星的平面晶體管,、FinFET與納米片F(xiàn)ET

　　在GAA-FET中還有其他類型,，例如，Imec開發(fā)的2nm叉片（forksheet）FET。這種晶體管的nFET和pFET集成在同一結(jié)構(gòu)中,，由電介質(zhì)壁將nFET和pFET隔開,。這與現(xiàn)有的GAA-FET不同，后者nFET和pFET是在不同結(jié)構(gòu)中,。叉片F(xiàn)ET允許更緊密的n-to-p間距,，減少了面增比（area scaling）。

　　互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管（CFET）是另一種類型的GAA-FET器件,，也是2nm甚至以后的一種選擇,。CFET由兩個獨(dú)立的納米線FET（p型和n型）組成,?；旧希琾型納米線堆疊在n型納米線的頂部,。CFET是將nFET“折疊”在pFET器件上,，以消除n-to-p分離的瓶頸，并因此將單元有源區(qū)域的面積減少了2倍,。

CFET結(jié)構(gòu)

　　專業(yè)人士認(rèn)為,，GAA技術(shù)，特別是堆疊CFET技術(shù)創(chuàng)造了一個向3nm,、2nm和1nm邏輯擴(kuò)展的拐點,，很有前景。

　　不過,，CFET前景看好,，但發(fā)展需要時間。其挑戰(zhàn)包括：

　　在高溫工藝之前,，需要使用很多金屬,。因此，需要確定CFET觸點和互連之間所需阻擋金屬的最大熱極限,。

　　厚度小于5nm的旋壓覆蓋（spin-coat）沉積層很容易受到表面能（surface energy）微小變化的影響,，可能是襯底，也可能是材料,?！　?/p>

　　光刻技術(shù)水漲船高

　　光刻是在芯片上繪制微小特征的藝術(shù)，有助于實現(xiàn)芯片功能的擴(kuò)展,。在亞3nm,，芯片制造商可能需要一種新版本的EUV光刻技術(shù)，即高數(shù)值孔徑EUV（high-NA EUV）,。它是當(dāng)今EUV的延伸,，仍在研發(fā)當(dāng)中，預(yù)計2023年可在3nm制程中應(yīng)用,，這種體積龐大的設(shè)備既復(fù)雜又昂貴,。

　　EUV的重要性顯而易見,。多年來，芯片制造商在晶圓廠使用的都是基于光學(xué)193nm的光刻掃描儀,。在多重圖案化（patterning）的幫助下,，芯片制造商將光刻技術(shù)擴(kuò)展到了10nm/7nm。但在5nm處,，現(xiàn)有光刻技術(shù)已經(jīng)失去了動力,。這就是EUV的用武之地。它有助于芯片制造商在7nm及以后光刻出最難以實現(xiàn)的特性,。

光刻設(shè)備能力

　　開發(fā)EUV的難度一直都非常大,。隨著ASML使用13.5nm波長和0.33 NA透鏡的最新EUV掃描儀的推出，實現(xiàn)13nm分辨率已不成問題,，每小時可生產(chǎn)170片晶圓,。此前，在7nm處,，芯片制造商使用基于EUV的單圖案化方法對微小特征進(jìn)行圖案化,。單圖案化EUV正在擴(kuò)展到30nm到28nm間距。同時,，芯片制造商還需要EUV雙圖案化,，這是一個困難的過程。因為即使將多圖案化技術(shù)應(yīng)用于EUV,，對位控制（overlay）也是一個難題,。

　　在5nm/亞3nm，雙圖案化EUV仍然是一種選擇,，因為它具有一定的成本效益,。但為了對沖風(fēng)險，芯片制造商希望獲得高NA EUV,，以便能夠繼續(xù)采用更簡單的單圖案化方法,。不過，高NA-EUV掃描儀很復(fù)雜,，系統(tǒng)采用具有8nm分辨率的0.55 NA變形鏡頭,，而不是傳統(tǒng)的鏡頭設(shè)計。該鏡頭在掃描模式下支持8倍放大,，在另一個方向支持4倍放大,。這樣，照野大小減少了一半,。所以在某些情況下,，芯片制造商會在兩個不同的掩模上加工一個芯片。然后，將掩模合并在一起并印刷在晶圓上,，這是一個復(fù)雜的過程,。

Hi-NA EUV可以選擇半野或雙掩模

　　其他問題包括高NA EUV不能使用光刻膠。幸運(yùn)的是,，現(xiàn)有的EUV掩模工具可以用于亞3nm,。晶圓廠可能需要新材料的EUV掩模底版，反過來又需要更快的掩模底版離子束沉積（IBD）工具,。Veeco正積極與主要客戶合作,，開發(fā)IBD系統(tǒng)的一些先進(jìn)功能，以解決亞3nm的問題,。

　　分析師認(rèn)為,，高NA EUV距離實現(xiàn)大批量生產(chǎn)能力還有幾年的時間。ASML可能會在2021年開始提供測試系統(tǒng),，但這并不意味著大批量生產(chǎn)的到來,。

　　從原子層沉積到分子層蝕刻

　　現(xiàn)在,，芯片是使用各種原子級處理設(shè)備生產(chǎn)的,，例如原子層沉積（ALD）技術(shù)，一次沉積一層材料,。原子層蝕刻（ALE）是一項相關(guān)技術(shù),，它是在原子級去除目標(biāo)材料。ALD和ALE都用于邏輯和內(nèi)存,。

　　業(yè)界也在為亞3nm節(jié)點開發(fā)高級版本的ALD和ALE,。區(qū)域選擇性沉積是一種先進(jìn)的自對準(zhǔn)圖案化技術(shù)。將新的化學(xué)方法與ALD或分子層沉積（MLD）工具相結(jié)合,，選擇性沉積是在精確位置沉積材料和薄膜的過程,。理論上，選擇性沉積可以用來在金屬上沉積金屬,，在器件的電介質(zhì)上沉積電介質(zhì),。仍處于研發(fā)階段的技術(shù)可能會減少流程中光刻和蝕刻的步驟。

　　圖源 | digikey.com

　　另一項即將出現(xiàn)的技術(shù)是分子層蝕刻（MLE）,。它從上世紀(jì)90年代開始研究,，是基于等離子體的方法。MLE是有機(jī)/無機(jī)材料雜化蝕刻技術(shù)的延伸,。對于半導(dǎo)體工業(yè)來說,，它提供了一種對材料進(jìn)行各向同性還原的方法，可以用作光刻掩模,。

　　對于5nm以下節(jié)點的芯片來說,，最大的問題之一是器件的選擇性增加，以及去除特定的材料。因此,，芯片中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象可以通過某種蝕刻來消除。在這些節(jié)點,，晶圓上殘留的任何材料都可能導(dǎo)致額外的問題,，比如掩模阻塞。

　　由于比有機(jī)材料更致密,、更薄,，過去幾乎所有的商業(yè)努力都集中在無機(jī)材料上。但隨著越來越多的有機(jī)材料進(jìn)入制造過程,，事情變得越來越復(fù)雜,。在各向同性性質(zhì)和掩模釋放的飽和值之間需要一個折衷，在這個過程中,，即使材料密度較低,，掩模釋放的厚度也可以較高。這方面,，業(yè)界還在探索,。

　　光學(xué)和電子束

　　計量學(xué)是測量結(jié)構(gòu)的藝術(shù)，為的是使用各種系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)芯片中的缺陷,。檢查分為光學(xué)和電子束兩類,。光學(xué)檢測設(shè)備速度很快，但有一定的分辨率限制,。電子束檢測系統(tǒng)具有更好的分辨率,，但速度較慢。因此,，業(yè)界一直在開發(fā)多波束電子束檢測系統(tǒng),，以便以更高的速度發(fā)現(xiàn)最困難的缺陷。ASML開發(fā)的一種電子束檢查設(shè)備有九個電子束,，有助于芯片制造商加速檢測過程,。

　　目前，芯片制造商使用各種系統(tǒng)來測量結(jié)構(gòu),，如CD-SEM,、光學(xué)CD（OCD）等。前者采用自上而下的測量方法,；后者使用偏振光來表征結(jié)構(gòu),。十年前，許多人認(rèn)為CD-SEM和OCD會失去動力,。因此,，行業(yè)加快了幾種新計量類型的研發(fā),，包括稱為臨界尺寸小角度X射線散射（CD-SAXS）的X射線計量技術(shù)。CD-SAXS使用來自小光束尺寸的可變角度透射散射進(jìn)行測量,，X射線的波長小于0.1nm,。

　　CD-SAXS是一種非破壞性技術(shù)，也是一種非常簡單的度量方法,。X射線源通過具有周期性納米結(jié)構(gòu)的樣本發(fā)射聚焦的X射線束,，X射線相機(jī)拍攝散射的X射線圖像。然后對一系列入射角重復(fù)測量,。之后反解散射圖樣,，得到周期結(jié)構(gòu)的電子密度分布的平均形狀。散射計算是傅里葉變換,，所以對大多數(shù)結(jié)構(gòu)來說計算起來很容易,。

　　CD-SAXS可以解決CD、無序CD以及層間電子密度的差異（這可能與成分有關(guān)）,。與傳統(tǒng)OCD相比,，CD-SAXS的主要優(yōu)點是光學(xué)常數(shù)與尺寸無關(guān)，波長小,，分辨率高,，避免了OCD的許多參數(shù)相關(guān)性問題，計算簡單,。CD-SAXS還可以測量埋入式結(jié)構(gòu)物和光學(xué)不透明層,。

　　不過,，CD-SAXS都是由研發(fā)機(jī)構(gòu)的大型同步加速器儲存環(huán)實現(xiàn)的,。晶圓廠用的CD-SAXS的問題是X射線源有限且速度慢，這會影響吞吐量,。雖然CD-SAXS可以穿透襯底,，看到不同材料的層，但它是一種光學(xué)散射測量技術(shù),，速度很慢,。另外，數(shù)倍的成本也是一個問題,。不過,，存儲器制造商已在使用這項技術(shù)來表征硬掩模和高深寬比結(jié)構(gòu)。

　　轉(zhuǎn)向先進(jìn)封裝

　　除了依靠成本不菲的先進(jìn)制程節(jié)點,，IC功能的擴(kuò)展還可以通過改變芯片架構(gòu),，在其中集成更多的片芯來實現(xiàn)。

　　畢竟能用得起尖端芯片的公司和應(yīng)用還是少數(shù),。在供應(yīng)鏈上,，從規(guī)模的角度看,，先進(jìn)制程與現(xiàn)有制程的鴻溝不斷加大。最前沿的應(yīng)用需要7nm,、5nm,，也許是3nm，但其他應(yīng)用還在原地踏步,。

　　為了提升性能,，不妨“王顧左右而言他”，借助先進(jìn)封裝,，如小芯片（Chiplet）,、3D封裝等異構(gòu)集成形式來追趕摩爾定律。

　　小芯片3D堆疊

　　IC功能的一個重要方面是內(nèi)部傳輸速度,，因此,，雖然面積至關(guān)重要，特別是人工智能（AI）應(yīng)用,，但芯片的速度取決于處理元件和加速器的高度冗余陣列,，每個新節(jié)點的最大好處是利用架構(gòu)變化和軟硬件協(xié)同設(shè)計。但是,，信號通過細(xì)線從大芯片的一端傳輸?shù)搅硪欢怂璧臅r間比使用高速接口垂直傳輸?shù)搅硪粋€芯片所需的時間要長,。

　　為此，臺積電將小芯片嵌入生產(chǎn)線前端（FEOL）封裝,，使用先進(jìn)混合鍵合技術(shù)改善了器件之間的連接,，實現(xiàn)了所謂的系統(tǒng)集成芯片（SoIC），進(jìn)一步提高了封裝器件的速度,。這將比使用硅中介層（interposer）將芯片連接在一起更快,，而硅中介層是目前這種方法的最先進(jìn)技術(shù)。

　　硅中介層也可以用作光子學(xué)的波導(dǎo),，無論是封裝內(nèi)還是封裝間,，這又增加了另一種選擇。一個例子是,，現(xiàn)在服務(wù)器場中的光纖是東西向的流量,。通過新的背板，光纖不是通過模塊而是直接到服務(wù)器,，最后到交換機(jī)所在的封裝,。光子學(xué)的應(yīng)用將帶來更多帶寬、更多大容量的解決方案,。

　　光的優(yōu)點是比通過銅線發(fā)送電信號所需的功率更小,。因此，一些公司正在研發(fā)能夠傳輸光的中介層,，如果成功,，就可以用它連接芯片,，讓光信號直接來到封裝的旁邊。當(dāng)然,，這樣做也不是沒有挑戰(zhàn),。光信號會隨著溫度的升高而漂移，因此需要對濾波器進(jìn)行校準(zhǔn)以解決漂移的問題,。

　　寫在最后

　　該來的總會來

　　3nm即將發(fā)生,，2nm也是如此。由于沒有一種技術(shù)可以滿足所有的應(yīng)用,，在芯片縮小和功能擴(kuò)展的過程中,，制程的進(jìn)步、晶體管結(jié)構(gòu)的變化和其他方法會交替進(jìn)行,，不斷推動芯片性能向上攀升,，也不致被摩爾定律甩的太遠(yuǎn)。