繼續(xù)微縮晶體管 晶圓代工廠仍在開發(fā)新工藝

一些晶圓代工廠仍在基于下一代全能柵極晶體管開發(fā)新工藝，包括更先進(jìn)的高遷移率版本，但是將這些技術(shù)投入生產(chǎn)將是困難且昂貴的。

英特爾、三星、臺(tái)積電和其他公司正在為從今天的 FinFET 晶體管向 3nm 和 2nm 節(jié)點(diǎn)的新型全柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GAA FET)過渡奠定基礎(chǔ)，這種過渡將從明年或 2023 年開始。

GAA FET 將被用于 3nm 以下，擁有更好的性能，更低的功耗和更低的漏電壓。雖然 GAA FET 晶體管被認(rèn)為是 FinFET 的演進(jìn)，并且已經(jīng)進(jìn)行了多年研發(fā)，但任何新型晶體管或材料對(duì)于芯片行業(yè)來說都是巨大的工程。芯片制造商一直在盡可能長地推遲這一行動(dòng)，但是為了繼續(xù)微縮晶體管，需要 GAA FET。

需要指出的是，雖然同為納米片 FET，但 GAA 架構(gòu)有幾種類型?；旧希{米片 FET 的側(cè)面是 FinFET，柵極包裹著它，能夠以較低的功率實(shí)現(xiàn)更高的性能。

“GAA 技術(shù)對(duì)于晶體管的持續(xù)微縮至關(guān)重要。3nm GAA 的關(guān)鍵特性是閾值電壓可以為 0.3V。與 3nm FinFET 相比，這能夠以更低的待機(jī)功耗實(shí)現(xiàn)更好的開關(guān)效果，” IBS 首席執(zhí)行官 Handel Jones 說。“ 3nm GAA 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本與 3nm FinFET 不會(huì)有顯著差異。但 GAA 的 IP 認(rèn)證將是 3nm FinFET 成本的 1.5 倍。”

轉(zhuǎn)向任何新的晶體管技術(shù)都具有挑戰(zhàn)性，納米片 FET 的推出時(shí)間表因晶圓廠而異。例如，三星正在量產(chǎn)基于 FinFET 的 7nm 和 5nm 工藝，并計(jì)劃在 2022 到 2023 年間推出 3nm 的納米片。同時(shí)，臺(tái)積電將把 FinFET 擴(kuò)展到 3nm，同時(shí)將在 2024/2025 年遷移到 2nm 的納米片 FET。英特爾和其他公司也在研究納米片。

納米片 FET 包含多個(gè)組件，包括一個(gè)溝道，該溝道允許電子流過晶體管。首款納米片 FET 采用傳統(tǒng)的基于硅的溝道材料，但下一代版本將可能包含高遷移率溝道材料，使電子能夠在溝道中更快地移動(dòng)，提高器件的性能。

高遷移率溝道并不是新事物，已經(jīng)在晶體管中使用了多年。但是這些材料給納米片帶來了集成方面的挑戰(zhàn)，供應(yīng)商正在采取不同的方法解決：

在 IEDM(國際電子元件會(huì)議)上，英特爾發(fā)表了一篇有關(guān)應(yīng)變硅鍺(SiGe)溝道材料的納米片 pMOS 器件的論文。英特爾使用所謂的 “溝道優(yōu)先”流程開發(fā)該器件。

IBM 正在使用不同的后溝道工藝開發(fā)類似的 SiGe 納米片。

其他溝道材料正在研發(fā)中。

芯片微縮的挑戰(zhàn)

隨著工藝的發(fā)展，有能力制造先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片的公司數(shù)量在不斷減少。其中一個(gè)關(guān)鍵的原因是新節(jié)點(diǎn)的成本卻越來越高，臺(tái)積電最先進(jìn)的 300mm 晶圓廠耗資 200 億美元。

幾十年來，IC 行業(yè)一直遵循摩爾定律，也就是每 18 至 24 個(gè)月將晶體管密度翻倍，以便在芯片上增加更多功能。但是，隨著新節(jié)點(diǎn)成本的增加，節(jié)奏已經(jīng)放慢。最初是在 20nm 節(jié)點(diǎn)，當(dāng)時(shí)平面晶體管的性能已經(jīng)發(fā)揮到極致，需要用 FinFET 代替，隨著 GAA FET 的引入，摩爾定律可能會(huì)進(jìn)一步放慢速度。

FinFET 極大地幫助了 22nm 和 16/14nm 節(jié)點(diǎn)改善漏電流。“與平面晶體管相比，鰭片通過柵極在三側(cè)接觸，可以更好地控制鰭片中形成的溝道，”Lam Research 大學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Nerissa Draeger 說。

在 7nm 以下，靜態(tài)功耗再次成為嚴(yán)重的問題，功耗和性能優(yōu)勢(shì)也開始減少。過去，芯片制造商可以預(yù)期晶體管規(guī)格微縮為 70%，在相同功率下性能提高 40%，面積減少 50%?，F(xiàn)在，性能的提升在 15- 20% 的范圍，就需要更復(fù)雜的流程，新材料和不一樣的制造設(shè)備。

為了降低成本，芯片制造商已經(jīng)開始部署比過去更加異構(gòu)的新架構(gòu)，并且他們對(duì)于在最新的工藝節(jié)點(diǎn)上制造的芯片變得越來越挑剔。并非所有芯片都需要 FinFET，模擬、RF 和其它器件只需要更成熟的工藝，并且仍然有很旺盛的需求。

但數(shù)字邏輯芯片仍在繼續(xù)演進(jìn)，3nm 及以下的晶體管結(jié)構(gòu)仍在研發(fā)。最大的問題是，有多少公司將繼續(xù)為不斷縮小的晶體管研發(fā)提供資金，以及如何將這些先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片與更成熟的工藝集成到同一封裝或系統(tǒng)中，以及最終效果如何。

UMC 業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Walter Ng 表示：“這實(shí)際上是晶圓經(jīng)濟(jì)。在尖端節(jié)點(diǎn)，晶圓成本是天文數(shù)字，因此，很少有客戶和應(yīng)用能夠負(fù)擔(dān)得起昂貴的成本。即使對(duì)于負(fù)擔(dān)得起成本的客戶，他們的某些晶圓尺寸已經(jīng)超過掩模版最大尺寸，這顯然會(huì)帶來產(chǎn)量挑戰(zhàn)。”

成熟節(jié)點(diǎn)和先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的需求都很大。D2S 首席執(zhí)行官 Aki Fujimura 表示：“芯片行業(yè)出現(xiàn)了分歧，超級(jí)計(jì)算需求(包括深度學(xué)習(xí)和其他應(yīng)用)需要 3nm，2nm 等先進(jìn)制程。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)和其他量大、低成本的應(yīng)用將繼續(xù)使用成熟工藝。”

為什么使用納米片?

最前沿的工藝有幾個(gè)障礙需要克服。當(dāng)鰭片寬度達(dá)到 5nm(也就是 3nm 節(jié)點(diǎn))時(shí)，F(xiàn)inFET 也就接近其物理極限。FinFET 的接觸間距(CPP)達(dá)到了約 45nm 的極限，金屬節(jié)距為 22nm。CPP 是從一個(gè)晶體管的柵極觸點(diǎn)到相鄰晶體管柵極觸點(diǎn)間的距離。

一旦 FinFET 達(dá)到極限，芯片制造商將遷移到 3nm / 2nm 甚至更高的納米片 FET。當(dāng)然，F(xiàn)inFET 仍然適用于 16nm / 14nm 至 3nm 的芯片，平面晶體管仍然是 22nm 及以上的主流技術(shù)。

全方位柵極不同于 FinFET。Lam 的 Draeger 解釋說：“全能門或 GAA 晶體管是一種經(jīng)過改進(jìn)的晶體管結(jié)構(gòu)，其中柵極從各個(gè)側(cè)面接觸溝道并實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步微縮。早期的 GAA 設(shè)備將使用垂直堆疊的納米片。它們由單獨(dú)的水平板構(gòu)成，四周均由門材料包圍。相對(duì)于 FinFET，提供了改進(jìn)的溝道控制。”

在納米片 FET 中，每個(gè)小片都構(gòu)成一個(gè)溝道。第一代納米片 FET 的 pFET 和 nFET 器件都將是硅基溝道材料。第二代納米片很可能將使用高遷移率的材料用于 pFET，而 nFET 將繼續(xù)使用硅。

納米片 FET 由兩片或更多片組成。最近，Letti 展示了具有 7 片的納米 FET。Leti 的高級(jí)集成工程師 Sylvain Barraud 在論文中說，7 片的 GAA 與通常的 2 級(jí)堆疊納米板 GAA 晶體管相比，具有 3 倍的性能改進(jìn)。

從表面上看，3nm FinFET 和納米片相比的微縮優(yōu)勢(shì)似乎很小。最初，納米片 FET 可能具有 44nm CPP，柵極長度為 12nm。

但是，納米片相比 FinFET 具有許多優(yōu)勢(shì)。使用 FinFET，器件的寬度是確定的。但是，使用納米片，IC 供應(yīng)商有能力改變晶體管中片的寬度。例如，具有更寬的片的納米片提供更高的驅(qū)動(dòng)電流和性能。窄的納米片具有較小的驅(qū)動(dòng)電流，占用的面積也較小。

Imec CMOS 技術(shù)高級(jí)副總裁 Sri Samavedam 說：“ GAA 架構(gòu)進(jìn)一步改善了縮小柵極長度的短溝道控制，而堆疊的納米片則提高了單位面積的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。”

除了技術(shù)優(yōu)勢(shì)外，代工廠也在開發(fā)納米片 FET，這讓客戶選擇面臨困難。

按照現(xiàn)在的情況，三星計(jì)劃在 2022/2023 年間推出全球首個(gè) 3nm 的納米片。“風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)有 50% 的概率在 2022 年第四季度。大批量生產(chǎn)的時(shí)間有 60% 的概率在 2023 年 Q2 至 Q3。” IBS 的瓊斯說。

使用新晶體管會(huì)帶來一些成本和上市時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到這一點(diǎn)，客戶還有其他選擇。例如，臺(tái)積電計(jì)劃將 FinFET 擴(kuò)展到 3nm，然后再使用納米片。

瓊斯說：“三星顯然是 3nm GAA 的領(lǐng)先者，但臺(tái)積電也在開發(fā) 2024 至 2025 年投產(chǎn)的的 2nm GAA。TSMC 有出色的營銷技巧，吸引了許多大型客戶使用其 3nm FinFET 技術(shù)。”

無論如何，開發(fā) 5nm / 3nm 及更先進(jìn)制程芯片的成本是天文數(shù)字。因此，客戶正在尋找替代方案，例如先進(jìn)封裝。

“隨著芯片尺寸的縮小，越來越難以在新節(jié)點(diǎn)上使用更小的晶體管，重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移，比如先進(jìn)封裝可以獲得更低的功耗，更高速度。”CyberOptics 總裁兼首席執(zhí)行官 Subodh Kulkarni。

納米片的制造

未來，領(lǐng)先的 IC 供應(yīng)商將遷移到諸如納米片之類的 GAA 架構(gòu)，這將面臨諸多挑戰(zhàn)。

“就像從平面到 FinFET 的過渡一樣，從 FinFET 到 GAA 的過渡也將是艱難的。” Lam Research 計(jì)算產(chǎn)品副總裁 David Fried 說。“轉(zhuǎn)向 FinFET 時(shí)，最大的挑戰(zhàn)是優(yōu)化垂直側(cè)壁上的器件，因此出現(xiàn)了許多表面處理和沉積挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，使用 GAA 必須在結(jié)構(gòu)底層優(yōu)化設(shè)備。表面處理和沉?xí)兊酶咛魬?zhàn)性。”

蝕刻，一種去除晶體管結(jié)構(gòu)中材料的工藝，如今也更具有挑戰(zhàn)性。Fried 說：“使用平面結(jié)構(gòu)時(shí)，通常很清楚何時(shí)需要各向同性(共形)的過程而不是各向異性(定向)的過程。使用 FinFET 時(shí)變得有些棘手。使用 GAA 時(shí)，這個(gè)問題變得非常棘手。一些過程在某些地方需要各向同性，例如在納米線 / 片材下方進(jìn)行蝕刻以及各向異性，這個(gè)過程極具挑戰(zhàn)。”

在工藝流程中，納米片 FET 開始于在基板上形成超晶格結(jié)構(gòu)。外延工具在襯底上沉積交替的 SiGe 和硅層。至少堆疊三層 SiGe 和三層硅組成。

下一步是在超晶格結(jié)構(gòu)中制造微小的垂直鰭片。每個(gè)納米片彼此分開，并且在它們之間留有空間。在晶圓廠流程中，使用極紫外(EUV)光刻技術(shù)對(duì)鰭片進(jìn)行構(gòu)圖，然后進(jìn)行蝕刻工藝。

Onto Innovation 戰(zhàn)略產(chǎn)品營銷高級(jí)總監(jiān) Scott Hoover 表示：“ GAA 晶體管的性能僅好于其最弱的溝道，因此需要單獨(dú)的納米片尺寸控制度量。通過超晶格形成鰭需要對(duì)厚度，成分和硅片 CD 進(jìn)行單獨(dú)的層控制。”

然后是更困難的步驟之一——內(nèi)部間隔物的形成。首先，使用橫向蝕刻工藝使超晶格結(jié)構(gòu)中的 SiGe 層的外部凹陷。這樣會(huì)產(chǎn)生小空間，并充滿電介質(zhì)材料。

TEL 的技術(shù)人員羅伯特 · 克拉克(Robert Clark)表示：“由于不能停止蝕刻，控制內(nèi)部間隔物凹槽蝕刻的工藝變化非常困難。理想情況下，只想在金屬的外延層穿過側(cè)壁間隔物的地方凹進(jìn)去，然后用電介質(zhì)內(nèi)部間隔層替換該外延層。這是非常關(guān)鍵的 5nm 凹陷蝕刻，因?yàn)檫@是非線性且無法停止，難度相當(dāng)于無網(wǎng)走鋼絲的過程。”

還有其他挑戰(zhàn)。“內(nèi)部間隔模塊對(duì)于定義最終晶體管功能至關(guān)重要，對(duì)該模塊的控制對(duì)于最大程度地減少晶體管可變性至關(guān)重要。內(nèi)部隔離模塊可控制有效柵極長度，并將柵極與源極 / 漏極 epi 隔離開。”KLA 工藝控制解決方案總監(jiān) Andrew Cross 說道，“在該模塊中，SiGe 會(huì)凹進(jìn)去，然后內(nèi)部隔離層會(huì)沉積并凹陷。在內(nèi)部隔離物形成的每個(gè)步驟中，精確控制凹口和最終隔離物凹槽的形狀和 CD 對(duì)確保晶體管性能至關(guān)重要。而且，需要控制堆棧中每個(gè)單獨(dú)的溝道。”

接下來，形成源極 / 漏極，然后是溝道。這需要使用蝕刻工藝去除超晶格結(jié)構(gòu)中的 SiGe 層，剩下的是構(gòu)成溝道的硅基層或片。

“此步驟是 GAA 結(jié)構(gòu)彼此分離，這可能導(dǎo)致具有挑戰(zhàn)性的缺陷，例如納米片之間的殘留物，納米片的損壞或與納米片本身相鄰的源 / 漏極的選擇性損壞。”Cross 說。

挑戰(zhàn)不止如此。Onto's Hoover 說：“形成溝道需要對(duì)板高、拐角腐蝕和溝道彎曲進(jìn)行單獨(dú)控制。”

高 k / 金屬柵材料沉積在結(jié)構(gòu)中，最后形成銅互連，從而形成納米片 FET。“其他可能改變的模塊是設(shè)備的底部隔離和用于容納納米片的功能性金屬 / 層，但是這些模塊主要依賴于行業(yè)中已知 / 開發(fā)的工藝。

當(dāng)然，即便不是全新的模塊，實(shí)現(xiàn)也變得越來越困難。

高遷移率器件

第一代納米片 FET 將是基于硅的溝道。這些納米片理論上優(yōu)于 FinFET，但并非總是如此。

“從 FinFET 到納米片，我們已經(jīng)觀察到電子遷移率(對(duì)于 nFET)有顯著的提高。問題將是 pFET 空穴遷移率下降。這就是我們需要解決的問題，” IBM 設(shè)備與單元流程研發(fā)經(jīng)理 Nicolas Loubet 在演講中說。

換句話說，芯片制造商需要提高納米片中的 pFET 性能。因此，供應(yīng)商正在開發(fā)有改進(jìn)的 pFET 第二代納米片 FET。第二代納米片材將繼續(xù)提供基于硅的溝道用于 nFET，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁┳銐虻男阅堋?/p>

為了提高 pFET，芯片制造商正在研究高遷移率溝道材料。更具優(yōu)勢(shì)的材料是 SiGe，而 III-V 族材料，鍺和其他材料也正在研發(fā)中。

英特爾設(shè)備工程師 Ashish Agrawal 在論文中說：“由于其優(yōu)異的空穴遷移率，以及考慮到批量生產(chǎn)的成熟工藝，Strained SiGe 最近成為有希望的 pFET 溝道來替代硅。”

為了加入這些材料，芯片制造商在晶圓廠中實(shí)施了所謂的應(yīng)變工程工藝。應(yīng)變是一種施加到硅上以改善電子遷移率的應(yīng)力。

應(yīng)變工程工藝并不新鮮，多年來，芯片制造商一直在溝道中使用 SiGe 合金應(yīng)力以提高載流子遷移率。IBM 高級(jí)研究員 Shogo Mochizuki 表示：“應(yīng)變工程已成為 CMOS 技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。從 90nm 節(jié)點(diǎn)開始，源極 - 漏極外延生長會(huì)在溝道中應(yīng)變，有助于電子遷移。而且，在 FinFET 中仍然被使用。”

因此，芯片制造商自然會(huì)在下一代 GAA 晶體管中引入應(yīng)變 SiGe 溝道材料，但有一些新的挑戰(zhàn)。

“我們建議用溝道 SiGe 代替溝道硅，這可以幫助增加移動(dòng)性。此外，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)還幫助超低閾值器件獲得了卓越的可靠性，這是源漏外延基本應(yīng)變技術(shù)無法提供的。” Mochizuki 說。“使用新型溝道材料的納米片所面臨的最大挑戰(zhàn)是確保材料的均勻性和結(jié)構(gòu)完整性，以及確保新型溝道材料與工藝兼容。”

最重要的是，有幾種方法可以開發(fā) SiGe pFET 溝道，包括先形成溝道后形成溝道。

在 IEDM 上，英特爾發(fā)表了一篇關(guān)于在應(yīng)變松弛緩沖器(SRB)上的 SiGe 納米片 pMOS 器件的論文。納米片溝道基于壓縮應(yīng)變的 SiGe 和 Si0.4Ge0.6 的混合物。pMOS 器件由 5nm 的片厚和 25nm 長的柵極組成。

溝道形成發(fā)生在常規(guī)納米片工藝的早期階段。從許多方面來說，這是 SiGe 溝道優(yōu)先處理。

英特爾的工藝始于 300mm 基板，在基板上生長基于 SiGe 的 SRB 層。然后，在 SRB 層上生長壓縮 Si0.4Ge0.6 和拉伸硅的交替層。

這將創(chuàng)建一個(gè)超晶格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)成 pFET 的 SiGe 溝道的基礎(chǔ)。英特爾公司的 Agrawal 說：“在這項(xiàng)工作中，我們展示了一個(gè)埋入式 Si0.7Ge0.3 SRB 整體應(yīng)力源，可在 Si0.4Ge0.6 pFET 納米片中引起壓縮應(yīng)變，從而增強(qiáng)了空穴傳輸。”

SRB 的另一個(gè)術(shù)語是虛擬襯底。傳統(tǒng)上，硅襯底決定了沉積或生長在其頂部的所有外延層的晶格常數(shù)。

溝道和源極 / 漏極中應(yīng)變的性質(zhì)取決于該層相對(duì)于硅襯底之間的晶格常數(shù)的相對(duì)差異。Agrawal 說，“對(duì)于 SRB 或虛擬襯底，我們通過在硅襯底頂部生長松弛的 Si0.7Ge0.3 緩沖層來改變襯底本身的晶格常數(shù)。沉積在該緩沖層頂部的所有后續(xù)層將相對(duì)于 Si0.7Ge0.3 應(yīng)變。通過改變松弛 Si0.7 形式的襯底晶格常數(shù) Ge0.3 緩沖液，我們可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變納米片 CMOS。”

其他公司則采取不同的方法。例如，在 IEDM 上，IBM 發(fā)表了一篇用后形成溝道工藝在帶有應(yīng)變 SiGe 溝道的納米片 pFET 的論文。

使用這種方法，IBM 的 pFET 納米片峰值空穴遷移率提高了 100%，相應(yīng)的溝道電阻降低了 40%，同時(shí)將使臨界電壓值斜率保持在 70mV / dec 以下。

IBM 在流程的后半部分而不是在一開始就形成 SiGe 溝道。“我們意識(shí)到，在此過程的早期就開始進(jìn)行 SiGe 生長外延對(duì)應(yīng)變是無效的。這也給制造過程帶來了復(fù)雜性和成本。” IBM 的 Mochizuki 說。“通過我們的新技術(shù)，SiGe 層中的應(yīng)變得以保留。發(fā)生這種情況的原因是此過程基于 SiGe 外延后向方案，對(duì)于提高性能至關(guān)重要。

更具體地說，IBM 在溝道釋放過程之后開發(fā) SiGe 溝道。溝道釋放后，水平和垂直修整硅納米片。然后，在修整后的硅納米片周圍選擇性包裹一個(gè) SiGe 層，稱為 SiGe 覆層。Mochizuki 說，“最終的結(jié)構(gòu)是帶有薄硅納米片芯的 SiGe 覆層。通過將載流子限制在 SiGe 覆蓋層內(nèi)，可以在應(yīng)變的 SiGe 溝道層中提高載流子遷移率。”

結(jié)論

GAA FET 面臨幾個(gè)制造挑戰(zhàn)，而且成本非常高昂，以至于尚不清楚有多少芯片制造商能夠負(fù)擔(dān)得起。幸運(yùn)的是，它不是唯一選擇。先進(jìn)的封裝和新的架構(gòu)肯定會(huì)在當(dāng)前和未來的設(shè)備中發(fā)揮更大的作用。

沒有一種技術(shù)可以滿足所有需求。因此，至少就目前而言，這些都是選擇。