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  • 發布時間:2020-10-26 11:29 原文鏈接: 漫談半導體工藝節點(二)

      可能的選擇

      短期內,芯片制造商們明確地會在FinFet和二維的FD-SOI技術上將節點推進到10nm。到了7nm之后,溝道上的的“門”就會上去控制,這就亟待一種全新的晶體管架構。

      7nm上的一個領先競爭者就是高電子遷移率的FinFet,也就是在溝道上使用III-V 材料的FinFet。III-V族 FinFET則可能會在PFET時采用鍺(Ge)作為溝道材料,在NFET時采用InGaAs作為溝道材料。

      GlobalFoundries欲跳級7nm 漫談半導體工藝節點

      鍺無疑會是一個好選擇。由于III-V族本身的特性,我們還需要在上面花費更多功夫。

      實際上,III-V族材料已經受到了很多的關注,且可能會在5nm的時候推出。而在7nm的時候,鍺和III-V族材料會是最有可能的競爭者。但是這些材料的窄能帶隙也會給低漏電的晶體管帶來麻煩。為此,對III-V族材料的期待從7nm遷移到5nm。但這并不排除近期會在源極和漏極上使用這種材料。

      因此,由于III-V族 FinFET的可能延期,7nm還會采取什么樣的方式去實現呢?IMEC考量了幾個晶體管選擇,得出了環繞柵極場效應晶體管、量子阱FinFET和SOI FinFET(應該是指UTB-SOI)三個答案。考慮到基本的CMOS器件遵從靜電學,而環形柵極則是一種把柵極放置在溝道四面的結構。從某種意義上來看,在環形柵極的制程里,你需要從底部切斷Fin。這樣的話,在制作柵極到電介質時,溝道的下部會被填滿。而現在這個位置只是納米線,IMEC表示。

      當然,SOI也是可取的,量子阱也是個不錯的選擇,你可以搭建一個有效的能量區域去關閉漏電通道。

      關于7nm時候的溝道材料的選擇,IMEC將其范圍縮窄到兩個:一個是由80%鍺組成的PFET;一種是25%到50%混合鍺的FET和0到25%混合鍺且帶有strain relaxed buffers(這里怎么翻譯,應變弛豫緩沖層?)的NFET。最完美的選擇材料是鍺無疑。

      硅器件的運行電壓是0.8和0.75V,而鍺器件的工作電壓是0.5V,因此從靜電學的角度看,你的確找到了你所需要的材料。毫無疑問,使用鍺讓你降低了Vdd,進而降低了功耗。

      而在7nm之后,業界也給出了幾種晶體管選擇,如上面提到的環形柵極、量子阱、SOI FinFET,還有III-V族FinFET和垂直納米線。IMEC表示他們正在考量垂直納米線的方方面面。同時他們也在探索如何生長溝道,在集成方案的時候也在衡量是先使用溝道還是后使用溝通。

      存在的挑戰

      在10nm之后,半導體工業面臨很大的挑戰,首當其沖的是光刻技術。為了降低曝光的花費,IMEC的CMOS合作伙伴希望在7nm的時候用上EUV光刻。但由于電源功率多種原因的影響,EUV已經錯過了很多個市場窗口,并且數次延期。根據媒體報道,截止今年八月:

      GlobalFoundries欲跳級7nm 漫談半導體工藝節點

      半導體顧問公司的分析師RobertMaire認為EUV真能應用于量產應該是大約在2020年,在5nm時。近期TSMC公布它的計劃也是在5nm節點。

      Maire說英特爾可能會有不同的觀點,它采用EUV設備在7nm,因為今年下半年它有可能進入10nm(Intel的10nm接近于代工廠的7nm,7nm接近于代工廠的5nm)。

      因為現在16/14nm節點時通常采用兩次圖形曝光技術,如果EUV成功量產,可以避免在10nm及以下時要采用三次或者四次圖形曝光技術,成本上可大幅的節省(原則上應該是由于EUV分辨率高,不需要拆分Mask成為幾張子Mask,從而節省了Mask成本,同時節省了制造時間)。

      從20nm節點開始要采用兩次圖形曝光技術,芯片制造商人為的把工藝節點分成兩類,如20nm及10nm都是過渡節點,相對工藝壽命短,而28nm,16/14nm及7nm可能是長壽命節點。

      ASML的市場部總監Micheal Lercel說EUV系統量產需要安裝250瓦光源,保證每小時125片,而現在的光源是125瓦,只能每小時85片,ASML正在實驗室中研發210瓦光源。

      目前大于200瓦的EUV光源有兩家供應商,分別是ASML的Cymer及Gigaphoton。兩家供應商都認為未來500瓦光源有可能性。

      目前用于EUV掩膜保護的Pellicle只能承受125瓦的熱負荷,離開250瓦的目標尚有一段距離。

      由于EUV光刻膠它的工作模式是采用反射的二次電子,不同于通常的193nm光刻膠,因此尚需要突破。

      目前EUV光刻的成本非常接近于三次圖形曝光技術。

      ASML希望它的EUV系統能有大於90%的uptime,但是目前在4周工作周期中它的uptine大於80%。而ASML計劃2018年時它的EUV設備的產能再擴大一倍達到年產24臺,每臺售價約1億美元,目前芯片制造商己經安裝了8臺,正在作各種測試。(uptime不懂)

      設備從研發到量產有很大的差別。光源系統的可靠性要求十分高,即便系統工作在真空環境下要求每秒能擊中50,000次融化的錫珠(這句話讀不懂。。。。)。因此新的光源體積很大,相比之前的準分子激光源更為復雜,它的尺寸如同電冰箱一樣大,工作在潔凈廠房中。

      業界都希望在7nm的時候有EUV和多重曝光加持。并將圖層的pitch降到21nm,這其實比EUV本身能夠分辨的最小pitch還低,要將如Fin等的圖層做到21nm,那就需要EUV加上雙重曝光去實現。毫無疑問,在未來,業界會將推動這些技術的全部全方位發展。

      如果EUV折戟,那么業界就會將目光轉向193nm沉浸和多重曝光。有業界人士表示,如果EUV沒準備好,那么Fin就會使用spacer patterning(側墻轉移技術)。我們也很清楚的知道,spacer patterning需要沉積和刻蝕,如果你想重復這個過程,那么你就需要經過兩次浸沒式光刻,但這樣做的話,成本會顯著提升。有時候你還需要做第三次,這樣的話成本就更高了。

      Patterning只是眾多難點中的一個,到了7nm之后,你就有了22nm, 14/16nm, 和10nm FinFET,那就是擁有了三代的FinFET 技術。隨著你縮小FinFET的尺寸,你會在溝道的柵極耦合上面臨與平面型器件相同的問題。

      因此到了7nm,業界需要尋求一種能降低柵極長度和維持高性能的新晶體管技術。應用材料晶體管技術部門的高級總監Brand認為環形柵極場效應管是最有效的選擇。他表示未來他將押重注在環形柵極場效應管上。


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