2月，三星爆出將在美國德克薩斯州奧斯汀建設價值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。這似乎也預示著，三星將在3nm時代進一步拉近自己與臺積電的芯片代工技術差距。

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

　　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備，比如下一代極紫外（EUV）光刻機，還有新的沉積、蝕刻和檢驗/計量技術。

　　根據(jù)IBS數(shù)據(jù)，7nm器件的設計成本為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、晶圓廠設備、材料、光子學等方面都將迎來巨大的變化。事實上，并非所有設計都需要先進節(jié)點。不斷上升的成本也在促使許多人探索其他選擇，如先進封裝，力圖通過將先進芯片放入封裝中來擴展優(yōu)勢。

　　FinFET向GAA-FET轉(zhuǎn)型的選擇

　　晶體管是器件中提供開關功能的關鍵組件。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。

　　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。當翅片寬度達到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集成在同一結構中，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是在不同結構中。叉片F(xiàn)ET允許更緊密的n-to-p間距，減少了面增比（area scaling）。

　　互補場效應晶體管（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結構

　　專業(yè)人士認為，GAA技術，特別是堆疊CFET技術創(chuàng)造了一個向3nm、2nm和1nm邏輯擴展的拐點，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>

　　光刻技術水漲船高

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

　　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擴展到了10nm/7nm。但在5nm處，現(xiàn)有光刻技術已經(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行圖案化。單圖案化EUV正在擴展到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應用于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)的一些先進功能，以解決亞3nm的問題。

　　分析師認為，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備生產(chǎn)的，例如原子層沉積（ALD）技術，一次沉積一層材料。原子層蝕刻（ALE）是一項相關技術，它是在原子級去除目標材料。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的自對準圖案化技術。將新的化學方法與ALD或分子層沉積（MLD）工具相結合，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)的技術是分子層蝕刻（MLE）。它從上世紀90年代開始研究，是基于等離子體的方法。MLE是有機/無機材料雜化蝕刻技術的延伸。對于半導體工業(yè)來說，它提供了一種對材料進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)的異常現(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致額外的問題，比如掩模阻塞。

　　由于比有機材料更致密、更薄，過去幾乎所有的商業(yè)努力都集中在無機材料上。但隨著越來越多的有機材料進入制造過程，事情變得越來越復雜。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。

　　光學和電子束

　　計量學是測量結構的藝術，為的是使用各種系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)芯片中的缺陷。檢查分為光學和電子束兩類。光學檢測設備速度很快，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)來測量結構，如CD-SEM、光學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構。十年前，許多人認為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。CD-SAXS使用來自小光束尺寸的可變角度透射散射進行測量，X射線的波長小于0.1nm。

　　CD-SAXS是一種非破壞性技術，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構的樣本發(fā)射聚焦的X射線束，X射線相機拍攝散射的X射線圖像。然后對一系列入射角重復測量。之后反解散射圖樣，得到周期結構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)結構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）。與傳統(tǒng)OCD相比，CD-SAXS的主要優(yōu)點是光學常數(shù)與尺寸無關，波長小，分辨率高，避免了OCD的許多參數(shù)相關性問題，計算簡單。CD-SAXS還可以測量埋入式結構物和光學不透明層。

　　不過，CD-SAXS都是由研發(fā)機構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，但它是一種光學散射測量技術，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來表征硬掩模和高深寬比結構。

　　轉(zhuǎn)向先進封裝

　　除了依靠成本不菲的先進制程節(jié)點，IC功能的擴展還可以通過改變芯片架構，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用還是少數(shù)。在供應鏈上，從規(guī)模的角度看，先進制程與現(xiàn)有制程的鴻溝不斷加大。最前沿的應用需要7nm、5nm，也許是3nm，但其他應用還在原地踏步。

　　為了提升性能，不妨“王顧左右而言他”，借助先進封裝，如小芯片（Chiplet）、3D封裝等異構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，雖然面積至關重要，特別是人工智能（AI）應用，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變化和軟硬件協(xié)同設計。但是，信號通過細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，使用先進混合鍵合技術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技術。

　　硅中介層也可以用作光子學的波導，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器，最后到交換機所在的封裝。光子學的應用將帶來更多帶寬、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行校準以解決漂移的問題。

　　寫在最后

　　該來的總會來

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