三星將在3nm時(shí)代進(jìn)一步拉近自己與臺(tái)積電的芯片代工技術(shù)差距

2月，三星爆出將在美國(guó)德克薩斯州奧斯汀建設(shè)價(jià)值100億美元晶圓廠，發(fā)力追趕臺(tái)積電。雖然三星在5nm制程上已趕上了臺(tái)積電的腳步，于2020年實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，但3nm似乎仍落后于臺(tái)積電。此前，臺(tái)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(jì)2022年量產(chǎn)。為此，三星不惜跳過(guò)4nm制程節(jié)點(diǎn)，直接上3nm，不過(guò)2023年或難以量產(chǎn)。

在技術(shù)方面，三星稱在3nm時(shí)代就會(huì)采用GAA全環(huán)繞柵極FET，臺(tái)積電則要在2nm階段才開(kāi)始使用。這似乎也預(yù)示著，三星將在3nm時(shí)代進(jìn)一步拉近自己與臺(tái)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(diǎn)，但由于3nm制程的難度極大，出現(xiàn)了許多新技術(shù)、新問(wèn)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(kāi)始加大新的3nm的研發(fā)力度，2nm節(jié)點(diǎn)及其后的工作也在進(jìn)行。從3nm開(kāi)始，業(yè)界希望從今天的FinFET晶體管過(guò)渡到全環(huán)繞柵極（GAA）FET。在亞3nm節(jié)點(diǎn)，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(yàn)/計(jì)量技術(shù)。

根據(jù)IBS數(shù)據(jù)，7nm器件的設(shè)計(jì)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(shí)，晶體管、晶圓廠設(shè)備、材料、光子學(xué)等方面都將迎來(lái)巨大的變化。事實(shí)上，并非所有設(shè)計(jì)都需要先進(jìn)節(jié)點(diǎn)。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(guò)將先進(jìn)芯片放入封裝中來(lái)擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)。

FinFET向GAA-FET轉(zhuǎn)型的選擇

晶體管是器件中提供開(kāi)關(guān)功能的關(guān)鍵組件。幾十年來(lái)，基于平面晶體管的芯片一直暢銷不衰。走到20nm時(shí)，平面晶體管開(kāi)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(guò)翅片三個(gè)邊上每個(gè)邊一個(gè)柵極實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)翅片寬度達(dá)到5nm時(shí)，F(xiàn)inFET幾乎走到了盡頭，3nm節(jié)點(diǎn)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(kāi)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(kāi)。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(chǎng)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(gè)獨(dú)立的納米線FET（p型和n型）組成?；旧?，p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(gè)向3nm、2nm和1nm邏輯擴(kuò)展的拐點(diǎn)，很有前景。

不過(guò)，CFET前景看好，但發(fā)展需要時(shí)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(diǎn)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。

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(shí)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(jì)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(jiàn)。多年來(lái)，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(dòng)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(shí)現(xiàn)的特性。

光刻設(shè)備能力

開(kāi)發(fā)EUV的難度一直都非常大。隨著ASML使用13.5nm波長(zhǎng)和0.33 NA透鏡的最新EUV掃描儀的推出，實(shí)現(xiàn)13nm分辨率已不成問(wèn)題，每小時(shí)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(duì)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(shí)，芯片制造商還需要EUV雙圖案化，這是一個(gè)困難的過(guò)程。因?yàn)榧词箤⒍鄨D案化技術(shù)應(yīng)用于EUV，對(duì)位控制（overlay）也是一個(gè)難題。

在5nm/亞3nm，雙圖案化EUV仍然是一種選擇，因?yàn)樗哂幸欢ǖ某杀拘б?。但為了?duì)沖風(fēng)險(xiǎn)，芯片制造商希望獲得高NA EUV，以便能夠繼續(xù)采用更簡(jiǎn)單的單圖案化方法。不過(guò)，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(jì)。該鏡頭在掃描模式下支持8倍放大，在另一個(gè)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(huì)在兩個(gè)不同的掩模上加工一個(gè)芯片。然后，將掩模合并在一起并印刷在晶圓上，這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。

Hi-NA EUV可以選擇半野或雙掩模

其他問(wèn)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(guò)來(lái)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(kāi)發(fā)IBD系統(tǒng)的一些先進(jìn)功能，以解決亞3nm的問(wèn)題。

分析師認(rèn)為，高NA EUV距離實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)能力還有幾年的時(shí)間。ASML可能會(huì)在2021年開(kāi)始提供測(cè)試系統(tǒng)，但這并不意味著大批量生產(chǎn)的到來(lái)。

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(jí)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(xiàng)相關(guān)技術(shù)，它是在原子級(jí)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(diǎn)開(kāi)發(fā)高級(jí)版本的ALD和ALE。區(qū)域選擇性沉積是一種先進(jìn)的自對(duì)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(guò)程。理論上，選擇性沉積可以用來(lái)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(huì)減少流程中光刻和蝕刻的步驟。

另一項(xiàng)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(kāi)始研究，是基于等離子體的方法。MLE是有機(jī)/無(wú)機(jī)材料雜化蝕刻技術(shù)的延伸。對(duì)于半導(dǎo)體工業(yè)來(lái)說(shuō)，它提供了一種對(duì)材料進(jìn)行各向同性還原的方法，可以用作光刻掩模。

對(duì)于5nm以下節(jié)點(diǎn)的芯片來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)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(guò)某種蝕刻來(lái)消除。在這些節(jié)點(diǎn)，晶圓上殘留的任何材料都可能導(dǎo)致額外的問(wèn)題，比如掩模阻塞。

由于比有機(jī)材料更致密、更薄，過(guò)去幾乎所有的商業(yè)努力都集中在無(wú)機(jī)材料上。但隨著越來(lái)越多的有機(jī)材料進(jìn)入制造過(guò)程，事情變得越來(lái)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(gè)折衷，在這個(gè)過(guò)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(jì)量學(xué)是測(cè)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(cè)設(shè)備速度很快，但有一定的分辨率限制。電子束檢測(cè)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(kāi)發(fā)多波束電子束檢測(cè)系統(tǒng)，以便以更高的速度發(fā)現(xiàn)最困難的缺陷。ASML開(kāi)發(fā)的一種電子束檢查設(shè)備有九個(gè)電子束，有助于芯片制造商加速檢測(cè)過(guò)程。

目前，芯片制造商使用各種系統(tǒng)來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)，如CD-SEM、光學(xué)CD（OCD）等。前者采用自上而下的測(cè)量方法；后者使用偏振光來(lái)表征結(jié)構(gòu)。十年前，許多人認(rèn)為CD-SEM和OCD會(huì)失去動(dòng)力。因此，行業(yè)加快了幾種新計(jì)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(jì)量技術(shù)。CD-SAXS使用來(lái)自小光束尺寸的可變角度透射散射進(jìn)行測(cè)量，X射線的波長(zhǎng)小于0.1nm。

CD-SAXS是一種非破壞性技術(shù)，也是一種非常簡(jiǎn)單的度量方法。X射線源通過(guò)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(duì)一系列入射角重復(fù)測(cè)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(jì)算是傅里葉變換，所以對(duì)大多數(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)計(jì)算起來(lái)很容易。

CD-SAXS可以解決CD、無(wú)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(diǎn)是光學(xué)常數(shù)與尺寸無(wú)關(guān)，波長(zhǎng)小，分辨率高，避免了OCD的許多參數(shù)相關(guān)性問(wèn)題，計(jì)算簡(jiǎn)單。CD-SAXS還可以測(cè)量埋入式結(jié)構(gòu)物和光學(xué)不透明層。

不過(guò)，CD-SAXS都是由研發(fā)機(jī)構(gòu)的大型同步加速器儲(chǔ)存環(huán)實(shí)現(xiàn)的。晶圓廠用的CD-SAXS的問(wèn)題是X射線源有限且速度慢，這會(huì)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(cè)量技術(shù)，速度很慢。另外，數(shù)倍的成本也是一個(gè)問(wèn)題。不過(guò)，存儲(chǔ)器制造商已在使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)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(diǎn)，IC功能的擴(kuò)展還可以通過(guò)改變芯片架構(gòu)，在其中集成更多的片芯來(lái)實(shí)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(lái)追趕摩爾定律。

小芯片3D堆疊

IC功能的一個(gè)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(gè)新節(jié)點(diǎn)的最大好處是利用架構(gòu)變化和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。但是，信號(hào)通過(guò)細(xì)線從大芯片的一端傳輸?shù)搅硪欢怂璧臅r(shí)間比使用高速接口垂直傳輸?shù)搅硪粋€(gè)芯片所需的時(shí)間要長(zhǎng)。

為此，臺(tái)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(shí)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(wú)論是封裝內(nèi)還是封裝間，這又增加了另一種選擇。一個(gè)例子是，現(xiàn)在服務(wù)器場(chǎng)中的光纖是東西向的流量。通過(guò)新的背板，光纖不是通過(guò)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(lái)更多帶寬、更多大容量的解決方案。

光的優(yōu)點(diǎn)是比通過(guò)銅線發(fā)送電信號(hào)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(hào)直接來(lái)到封裝的旁邊。當(dāng)然，這樣做也不是沒(méi)有挑戰(zhàn)。光信號(hào)會(huì)隨著溫度的升高而漂移，因此需要對(duì)濾波器進(jìn)行校準(zhǔn)以解決漂移的問(wèn)題。

寫(xiě)在最后

該來(lái)的總會(huì)來(lái)

3nm即將發(fā)生，2nm也是如此。由于沒(méi)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(guò)程中，制程的進(jìn)步、晶體管結(jié)構(gòu)的變化和其他方法會(huì)交替進(jìn)行，不斷推動(dòng)芯片性能向上攀升，也不致被摩爾定律甩的太遠(yuǎn)。

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