未来十年的逻辑工艺演进方向
来源:电子发烧友网发布时间:2023-02-011421浏览
询问 AI电子发烧友网报道（文/周凯扬）随着不少半导体公司纷纷公布财报，大家对去年尤其是第四季度的成绩都有所失望，唱衰整个产业的声音也常常传出。尽管如此，从ASML在去年投资者日上公布的预测来看，半导体终端市场从2022年到2030年，依然将实现9%的年复合增长率。只不过目前的预测下，没有给这一增长率拖后腿的，只有服务器、汽车以及工业电子市场，其中服务器市场更是有希望在2026年反超智能手机市场。
2022到2030年的半导体市场预测 / ASML然而支撑起这一市场继续增长，并贡献主要运算能力的逻辑工艺演进，已经处于了一个放缓的状态，光刻系统的能耗性能已经上去了，晶体管的能耗性能也上去了，但晶体管密度、时钟频率的增长都已经逐渐趋于平缓。为了让逻辑工艺再次突破，业界也想出了不少办法。
系统设备的进化
每代逻辑工艺的提升，最关键的还是硬件基础，从90年代的i线光刻机、到后来的KrF、ArF，以及现在逐渐成为主流的EUV光刻机。光刻机对于逻辑工艺的发展无疑是巨大的，而紧跟最新逻辑工艺的晶圆厂也为光刻机公司贡献了2/3以上的销售额。EUV，尤其是高NA EUV，已经被公认为我们实现下一轮逻辑工艺突破的最大驱动力。尽管这些光刻机的价格已经突破天际，但晶圆厂仍在不停地下单，这是因为前期巨大投入的短痛，会慢慢带来成本、良率和周期上的长期收益。当然了，越来越小的PP与MP间距与更高的数值孔径，在满载利用率下固然能带来更低的工序成本，但目前的问题还是在光刻胶等配套材料上。尽管研发时间不算短，但ASML还是规划好了到2032年的路线，2024年业界预计开始进入2nm时代，然后逐渐迈向A14、A10以及A7，届时借助的自然也是ASML第四代、第五代的高NA EUV光刻机。器件结构创新
如果我们坚持的仍是目前主流的FinFET结构，那别说挺进埃米时代了，就连做到2nm都无疑是一件难事。因此，在GAA晶体管架构进行演进就成了主流的研究方向，比如Nanosheet、Forksheet和CFET等。Nanosheet作为GAA架构的第一代，也是三星选择在3nm上采用的技术，由于对纳米片的垂直堆叠，最大化了晶体管单鳍标准单元的有效宽度，同时又因为GAA的包围结构带来了改善的短沟道控制。这一结构可谓是同Track数量和同功耗下，在更先进的工艺上进一步提升频率的优秀思路。而Forksheet由于在n型与p型晶体管之间加入了一个介电井减小了间距，降低了米勒电容。这样一来，在同样的功耗下，前中后三段工艺加起来，相较Nanosheet能有10%的性能提升。CFET则在堆叠上做到了极致，通过在单鳍上堆叠NPMOS和NS沟道，再一次提高了有效宽度，而且这种垂直堆叠的方式不会因为NP之间的距离带来面积的增加。但这毕竟是GAA架构下最先进的技术，还存在着不少集成上的挑战，离最终量产还比较久远。最后则是用来分配时钟和其他信号，同时也为多种器件供电的互联方案。根据IMEC的判断，从N5到N2的工艺节点内，双镶嵌结构依然会是主流，因为这是目前从成本来说最有效的方案。但双镶嵌结构并没有针对RC做出更好的优化，在用了低电阻TSV的方案后，最终还是得选择新的方案，比如半镶嵌结构。半镶嵌结构由于存在气隙，可以更好地控制电容。所以IMEC预计在进入埃米时代后，应该都会选择半镶嵌的互联集成方案，不过这类方案目前仍处于研发阶段，而且在成本上也只能堪称有一定竞争力，同时未来还是得继续探索新的导电材料。
DTCO与STCO
从台积电、三星和英特尔等晶圆厂的各种宣发中我们可以看出，DTCO（设计与工艺协同优化）对于工艺节点的性能增益是巨大的，比如台积电就声称DTCO为5nm工艺带来的提升高达40%。在EDA厂商、晶圆厂和IC设计公司的携手合作下，每个新工艺的出现都不再只有一个阶段，除了良率的稳步提升外，性能也还有继续增长的空间。与此同时，另一个概念，STCO（系统工艺协同优化）的概念也在这几年被抛出来，简单来说就是将多个芯片集成在单个封装上。从STCO这一定义也就不难看出，这与先进的2.5D/3D封装和Chiplet设计脱不了干系。西门子EDA也给出了应用STCO带来的诸多优势，比如芯片设计团队可以并行开发SoC上的不同部门，设计者也能为每个区域的设计选择最优的工艺方案。除此之外，也可以扩展机械应力、固晶等一系列物理效应的早期分析，及早避免设计错误，从而导致较长的重新设计时间。
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