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          全新微縮之旅:延續摩爾定律的方法和DTCO的應用

          來源:廠商供稿 ? 作者:應用材料公司 ? 2022-05-17 18:03 ? 次閱讀

          美國時間4月21日,應用材料公司舉辦了“全新微縮之旅”大師課。期間,我們重點討論了要在未來若干年內提升晶體管密度,芯片制造商正在尋求互補的兩條道路。其一是延續傳統的摩爾定律二維微縮,也就是使用EUV光刻和材料工程打造出更小的特征。另一條則是使用設計技術協同優化(DTCO)和三維技巧,對邏輯單元布局進行巧妙優化,這樣無需對光刻柵距進行任何更改即可增加密度。這篇博客我們將英文博客原文摘選,一起回顧下該堂大師課程的技術精髓。

          回顧二維微縮的發展

          眾所周知,傳統的摩爾定律二維微縮定義了半個多世紀以來芯片行業的技術發展路線圖。在2000年前后的丹納德微縮時代,我們每兩年將晶體管尺寸縮減50%。我們縮小了用于控制晶體管開關狀態的柵極,其長度定義了節點:90納米、65納米等等。我們成比例縮小了氧化柵極,芯片制造商由此享受到了性能、功率和面積成本(或稱“PPAC”)的同步改善?;厥走^往,這些進步來得如此容易!


          2000年到2010年間,柵極長度和氧化柵極微縮達到了極限:我們可以對更小的特征進行圖形化,但這并非沒有物理問題,例如柵極泄漏和接觸電阻,這會抵消面積成本降低所帶來的性能和功率效益。于是我們過渡到了“等效微縮”,柵極長度仍為30納米左右,物理氧化柵極的微縮陷入停滯。節點名稱不再與實際尺寸掛鉤。我們轉而使用應變硅和高K值金屬柵極等材料工程工藝。如此一來,即使“面積和成本(AC)”改善有所放緩,我們仍可以維持“性能和功率(PP)”效益。2010年往后,三維FinFET架構誕生,使得PP和AC都更上一層樓。


          當光刻技術停留在193納米浸沒時,材料工程也同樣發揮了作用——將單程圖形化限制在約80納米柵距。雙重圖形化和四重圖形化分別使微縮能力進一步達到40納米和20納米柵距。

          了解EUV(極紫外光)——使圖形化更簡單,卻令布線更加復雜

          當發展至5納米節點時,EUV技術應運而生,并成就了25納米柵間距圖形化。然而,要想讓EUV更具實用性,則需要新的材料工程技術。舉例而言,在EUV分辨率極限水平上,晶體管接觸通孔很難使用傳統的阻擋層加填充方法來填充金屬。因為留給金屬布線的面積實在太小,并且還導致了接觸電阻呈指數增加。與此同時,“集成材料解決方案”(Integrated Materials Solutions)則可實現選擇性觸點沉積,幫助取消阻擋層的同時,還產生了更寬的低電阻接觸點。

          微縮新方法及其挑戰

          1.進一步EUV微縮的方法

          有沒有新的方法可以進一步縮小尺寸?答案是肯定的,有如下兩條道路:

          ?持續的內在微縮——即延用傳統的二維摩爾定律。也就是使用EUV光刻和材料工程打造出更小的特征。摩爾定律造就了3納米節點約一半的邏輯密度提高。

          ?使用技術協同優化(DTCO)和三維技巧,對邏輯單元布局進行巧妙優化,實現3納米節點另外一半的邏輯密度提高。

          2.EUV微縮面臨的材料工程新挑戰

          使用EUV技術生成光子難度極大且成本高昂。因此,我們要讓EUV光刻使用的光子數量僅為深紫外刻蝕的十分之一。此外,我們用EUV刻蝕的圖形(比如交替的線條和間隔)就會細很多。這樣一來,EUV光刻膠的厚度也會大大縮減,我們便能用更少的光子開發光掩模圖形,而且這還有助于防止細圖形坍塌黏連。


          在4月21日的大師課上,我們探討了使用EUV進而延續芯片的微縮。前提是我們能同時解決材料工程和量測方法的六大關鍵問題,如下所示:

          ?問題一:糾正EUV光刻膠的隨機誤差

          ?問題二:降低EUV圖形化成本

          ?問題三:提高EUV圖形鍍膜的精度

          ?問題四:在刻蝕晶圓之前確保光刻膠圖形的保真度

          ?問題五:解決“邊緣布局錯誤”

          ?問題六:使用大數據和人工智能加快進展

          深入了解以上6個問題請查看應用材料公司4月14日的博客內容https://blog.appliedmaterials.com/

          使用技術協同優化(DTCO)和環繞柵極(GAA)晶體管

          如上所言,在3納米節點,50%的邏輯密度改進來自“內在微縮”,即傳統的二維微縮。而另外50%則來自“DTCO”,即設計技術協同優化?!皟仍谖⒖s”已經為行業服務了50多年,而最近出現的DTCO則有助于彌補傳統摩爾定律微縮的放緩。DTCO為我們帶來了縮小邏輯單元、增加密度和改善面積成本的最新方法。

          1.認識DTCO

          DTCO 指的是巧妙改變邏輯單元元件的布局,從而在不更改光刻柵距的情況下實現晶體管的進一步微縮。如今已有數種DTCO技巧用于芯片設計。例如,在隔離單個邏輯單元時,設計人員用單擴散替代了雙擴散,從而實現了明顯的微縮效果。設計師們還將每個晶體管的鰭片數量從三個減至兩個,這稱為“減鰭”(fin depopulation)處理。同樣,設計人員也在努力實現“柵極上觸點”(contact over gate),也就是將晶體管的電接觸從側面移到頂部。


          在4月21日的大師課上,我們介紹了一項新涌現的創新成果——環繞柵極晶體管(詳情請點擊此處)。它利用了DTCO概念提升邏輯密度,同時改善芯片性能和功率。

          2.認識環繞柵極晶體管

          2010年,FinFET的問世標志著芯片設計從平面二維晶體管轉向三維晶體管。而環繞柵極(GAA)晶體管則將成為繼FinFET之后芯片業最重大的設計轉變之一。

          將GAA描述成“DTCO的一種形式”可能顯得不合常情,但它的確符合DTCO的定義:GAA是通過巧妙重排晶體管元件,在同等光刻柵距下實現高于FinFET的邏輯密度。值得慶幸的是,伴隨GAA而來的還有材料工程創新,這些創新成果將大大改善功率和性能。如下我們將逐一介紹GAA的面積節約效果、探討外延生長和選擇性刻蝕的更多用處,并解釋“集成材料解決方案(Integrated Materials Solutions)”如何令GAA晶體管占用更小的空間、發揮更大的作用。


          概念上講,GAA就像是把FinFET晶體管旋轉90度。柵極環繞在各溝道的全部四周——與只能從三面包圍溝道的FinFET相比又更上一個臺階。DTCO的優點是邏輯單元在X和Y方向上都會縮小。設計師可以在保持性能不變的情況下大幅降低面積成本。不過,他們也許更有可能采取另一種做法:加寬納米片,以增加驅動電流,從而將性能提高多達25%,同時將密度增加25%左右。

          外延生長和選擇性刻蝕對GAA功率和性能有至關重要的影響

          從制造角度來看,GAA借用了許多成熟的FinFET制造工藝。然而,關鍵區別在于如何確定并控制溝道的寬度和均勻性。對于FinFET,溝道寬度由光刻和刻蝕決定,且往往存在易變性,這會降低晶體管性能。對于GAA,溝道寬度由更精確的外延生長和選擇性刻蝕來定義,這能實現更高的溝道均勻性和晶體管性能。


          GAA采用兩種外延生長??焖俚摹叭庋由L”(blanket epitaxy)用于沉積交替的硅層和硅鍺層,以形成納米片形結構。隨后,慢速的“選擇性外延生長”(selective epitaxy)用來將應力工程設計應用于納米片形結構,以優化晶體管性能。最后,選擇性刻蝕用于去除硅鍺層——這些硅鍺層是“犧牲層”,僅用于輔助形成晶體管電子導通的溝道。


          集成材料解決方案:縮小氧化柵極和高K值金屬柵極新方法

          溝道需要經過進一步設計,以提升晶體管性能。我們需要沉積一個柵極氧化層,從全部四周包圍溝道。氧化柵極越薄,驅動電流就越高(這能優化開關性能),漏電流也越低,從而減少功率浪費和發熱。事實上,氧化柵極微縮已停滯多年,這方面的突破對芯片制造商來說無疑是好消息。

          接下來還要以高K值金屬柵極堆疊來包圍氧化柵極,高K值金屬柵極堆疊負責控制晶體管開關狀態。設計這種柵極極其困難,因為GAA溝道之間的間距通常只有10納米,遠小于FinFET的溝道間距。金屬柵極堆疊的寬度需要經過專門設計,以針對具體的終端市場,從電池供電移動設備到高性能服務器等等,優化芯片功率和性能。業界需要一種能在極小的空間內實現閾值調諧的解決方案。

          應用材料公司已經準備好了覆蓋范圍最廣泛的GAA制造產品線,包含涉及外延生長、原子層沉積和選擇性刻蝕的全新生產步驟,以及兩項全新的用于制造理想GAA氧化柵極和金屬柵極的集成材料解決方案(Integrated Materials Solutions?)。

          更多思考:我們還能把晶體管和芯片縮小到什么程度?

          回顧4月21日的“全新微縮之旅”大師課詳細介紹了兩種微縮方法:用EUV推進傳統的摩爾定律二維微縮,以及采用DTCO技巧(如“GAA晶體管”)。有了EUV,微縮面臨的挑戰已不在于圖形化,而是在于電阻隨晶體管觸點和布線的不斷縮小而呈指數增長。在美國時間5月26日的“大師課”上,我們還將繼續探討這些挑戰,并一起了解背面配電網絡和異構集成。

          相關閱讀:
          1.博客1——New Ways to Shrink: Further EUV Scaling Depends on Materials Engineering and Metrology Breakthroughs:https://blog.appliedmaterials.com/new-ways-shrink-further-euv-scaling-depends-materials-engineering-and-metrology-breakthroughs

          2.博客2——Newer Ways to Shrink:https://blog.appliedmaterials.com/newer-ways-shrink

          3.“全新微縮之旅”大師課鏈接:https://investor.appliedmaterials.com/events/event-details/new-ways-shrink-master-class

          4.應用材料公司微信公眾號文章:https://mp.weixin.qq.com/s/LHyt9J6VWGwmM1f4c2AI2g

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            全球經濟的數字化轉型正在催生對DRAM創紀錄的需求。物聯網創造了數千億臺新的邊緣計算設備,推動著數據....
            發表于 05-07 10:13 ? 2289次 閱讀

            最小尺寸的全介質微納激光器

            隨著信息技術的發展,以晶體管尺寸縮減為核心的摩爾定律將難以持續,光電集成甚至是用光子替代電子形成“片....
            的頭像 MEMS 發表于 05-06 14:46 ? 1748次 閱讀

            應用材料公司展現加速創新、驅動長期盈利增長的獨特能力

            應用材料公司同時概述了在長期戰略下驅動成長力道和創新需求的五個主要拐點。在宏觀層面,全球經濟數字化轉....
            的頭像 西西 發表于 04-08 16:23 ? 1418次 閱讀

            從摩爾定律說起,半導體是夕陽產業嗎?

            從市場需求和半導體本身的發展來看,目前還不能稱之為夕陽產業,尤其在國內。這個提問是14年1月,到現在....
            的頭像 city_prolove 發表于 04-08 14:30 ? 1829次 閱讀
            從摩爾定律說起,半導體是夕陽產業嗎?

            應用材料公司AIx平臺依托大數據和人工智能的力量,加速半導體技術從實驗室到晶圓廠的突破

            應用材料公司今天宣布推出旨在加速新芯片技術發現、開發和商業部署的創新平臺AIx TM。
            發表于 04-06 17:51 ? 532次 閱讀

            Deca攜手日月光和西門子推出APDK?設計解決方案

            Deca與全球領先的先進封裝供應商ASE和西門子的Calibre?平臺(業界設計驗證的金牌標準)緊密....
            發表于 04-01 10:50 ? 426次 閱讀

            應用材料公司榮獲英特爾2020年供應商持續質量改進獎

            應用材料公司憑借其2020年度在供應商多元化方面的突出表現,榮獲英特爾供應商持續質量改進獎(SCQI....
            的頭像 西西 發表于 03-31 11:45 ? 1505次 閱讀

            當ToF像素遇到摩爾定律如何發展?

            將此規律運用到ToF像素領域進行綜合思考,與RGB圖像傳感器不同,ToF像素值需要計量等級。這是因為....
            的頭像 MEMS 發表于 03-26 09:39 ? 1276次 閱讀
            當ToF像素遇到摩爾定律如何發展?

            應用材料公司推出基于大數據和人工智能的工藝控制“新戰略”

            應用材料公司正憑借工藝控制的“新戰略”,將大數據和人工智能技術的優勢融入到芯片制造技術的核心,以應對....
            發表于 03-17 11:27 ? 776次 閱讀

            應用材料公司發布2021財年第一季度財務報告

            第一季度GAAP業績包含1.52億美元的離職補償金,以及向某些符合條件的員工提供一次性自愿退休計劃的....
            的頭像 西西 發表于 02-19 14:45 ? 731次 閱讀
            應用材料公司發布2021財年第一季度財務報告

            為什么是功率半導體領域會率先產生突破呢?

            與手機、電腦上使用的數字集成電路不同,功率半導體并不是一個大眾熟知的概念。數字集成電路主要處理的是信....
            的頭像 旺材芯片 發表于 02-01 10:43 ? 1980次 閱讀
            為什么是功率半導體領域會率先產生突破呢?

            摩爾定律還能走多遠看了就知道

            摩爾定律還能走多遠?—— CPU 的內存瓶頸
            發表于 02-01 07:27 ? 936次 閱讀

            先進工藝的提升能否延續摩爾定律?

            從蘋果在2020年9月的iPad Pro上率先采用5nm工藝的A14 Bionic,隨后華為、高通、....
            的頭像 如意 發表于 01-27 11:02 ? 1319次 閱讀
            先進工藝的提升能否延續摩爾定律?

            詳解 SiP 技術體系中的三駕創新馬車

            目前從技術發展的趨勢來看,雙面塑模成型技術、電磁干擾屏蔽技術、激光輔助鍵合技術可以并稱為拉動系統級封....
            發表于 01-27 10:57 ? 1375次 閱讀
            詳解 SiP 技術體系中的三駕創新馬車

            英特爾的最新技術:堆疊納米晶體管

            Image: IntelNMOS and PMOS devices usually sit side....
            的頭像 IEEE電氣電子工程師 發表于 01-26 14:32 ? 1275次 閱讀

            中芯國際蔣尚義:應提前布局先進工藝和先進封裝

            近日,蔣尚義在回歸中芯國際之后首次公開亮相,出席了第二屆中國芯創年會,并發表演講。 據科創板日報報道....
            的頭像 Les 發表于 01-19 10:25 ? 2235次 閱讀

            賀利氏攜手復旦大學,開展第三代半導體關鍵封裝技術科研項目合作

            雙方將聚焦先進封裝、電力電子封裝和器件、材料表征測試等領域,開展多個科研項目,內容豐富,希望在功率器....
            發表于 01-11 15:14 ? 999次 閱讀

            后摩爾時代集成電路產業特性及發展趨勢

            摘要:摩爾時代集成電路產業追尋更小、更密、更快的方向發展,導致費用、人才、技術門檻極高,形成壟斷。集....
            的頭像 求是緣半導體聯盟 發表于 01-10 10:52 ? 7529次 閱讀
            后摩爾時代集成電路產業特性及發展趨勢

            深度解讀新一代高性能計算整體解決方案

            當前,摩爾定律幾近失效,傳統計算體系架構提升空間有限,顛覆性的新技術方興未艾。面對業務轉型對算力需求....
            的頭像 city_prolove 發表于 01-08 17:44 ? 4138次 閱讀

            英特爾積極支持構建以小芯片為核心的行業生態系統

            作為一名電子人,咱們都知道隨著摩爾定律的提出,為半導體產業指明了之后幾十年的發展之路。然而許多人不知....
            的頭像 FPGA之家 發表于 01-07 10:04 ? 1364次 閱讀

            應用材料增價59%收購國際電氣 為獲得薄膜沉積技術

            美國半導體設備制造商應用材料本周一表示,計劃以35億美元價格(較先前報價增加59%),從私募股權公司....
            的頭像 21克888 發表于 01-06 10:04 ? 2041次 閱讀

            chiplet是什么意思?chiplet和SoC區別在哪里?一文讀懂chiplet

            從 DARPA 的 CHIPS 項目到 Intel 的 Foveros,都把 chiplet 看成是....
            發表于 01-04 15:58 ? 25796次 閱讀

            續命摩爾定律!英特爾提出晶體管密度翻倍新工藝

            芯東西12月30日消息,英特爾在本周的IEEE國際電子設備會議上展示了一項新的研究,或為續命摩爾定律....
            的頭像 工程師鄧生 發表于 01-02 09:03 ? 1270次 閱讀

            嵌入式微處理器未來的發展方向是什么?

            從上世紀70年代微處理器誕生以來,性能、功能和功耗表現一直按照摩爾定律在提高。但是從大型機時代一直到現在的移動互聯網時代,...
            發表于 11-08 07:45 ? 2924次 閱讀

            為什么說寬帶隙半導體的表現已經超越了硅?

            50多年前硅(Si)集成電路的發明意義重大,為我們當前所享受的現代計算機和電子產品時代鋪平了道路。但是正如俗話所說,天下沒...
            發表于 07-30 07:27 ? 2881次 閱讀

            摩爾定律推動了整個半導體行業的變革

            1965年4月19日,36歲的戈登·摩爾在《電子雜志》中預言:集成電路中的晶體管數量大約每年就會增加一倍。十年過后,摩爾根據實際情...
            發表于 07-01 07:57 ? 1748次 閱讀

            利用有機材料將摩爾定律擴展到7nm以下節點

              透明的軟性電子產品是今年歐洲半導體展(SEMICON Europa 2015)的重要主題之一,同時也是近郊德國德勒斯登工業大學(T...
            發表于 11-12 16:15 ? 1315次 閱讀

            GOMAC Tech 2016:超越摩爾

            第41屆年度GOMAC技術大會正在全面展開。 每年都有數百名***和行業專業人士參加此次會議,討論***電子產品的內容,內容和內...
            發表于 10-18 09:16 ? 2092次 閱讀

            【AD新聞】不追隨摩爾定律,老晶圓廠們該如何尋求新生?

            如果不追隨摩爾定律朝更先進制程節點邁進,一個老晶圓廠能如何尋求新生? 在美國有一個位于明尼蘇達州布盧明頓(Bloomingto...
            發表于 03-23 14:49 ? 3115次 閱讀

            根據“后摩爾時代”芯片行業如何發展?

            根據摩爾定律,集成電路上可以容納的元器件數目約每隔兩年便會增加近一倍,性能也將提升一倍。當前,隨著集成電路研發逐步逼近...
            發表于 06-27 16:59 ? 4033次 閱讀

            原創:充電樁行業的亂象,來自當年一個決定

            最近有一個朋友告訴老代,現在的南瑞和開普實驗室做過充電樁測試的廠家,已經突破了300家,而且目前還在排隊做充電樁測試的廠家,...
            發表于 09-14 09:49 ? 4167次 閱讀
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