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來(lái)源：semiengineering 越來(lái)越多的設計和制造難題帶來(lái)了越來(lái)越多的問(wèn)題：10/7nm 之后還將怎樣延展？有多少公司將參與進(jìn)來(lái)？它們將要應對哪些市場(chǎng)？ 至少，節點(diǎn)遷移將在數值繼續下降之前往水平方向擴展。在 7nm 節點(diǎn)，預計將會(huì )出現比之前任何節點(diǎn)都更重要更顯著(zhù)的改進(jìn)，所以 10/7nm 不會(huì )只有一個(gè)版本，而很可能在前進(jìn)到 7/5nm 之前至少會(huì )有兩三次（或更多）迭代。 在這種減速背后，前端設計和后端制造的隔離也越來(lái)越大，造成這種情況的關(guān)鍵原因有幾個(gè)。首先，節點(diǎn)尺寸縮小的成本已經(jīng)變得非常高昂，已經(jīng)不再是一個(gè)自然而然的決策了，即使對于最大的公司來(lái)說(shuō)也是這樣。尤其是無(wú)晶圓廠(chǎng)芯片制造商也正小心謹慎地采用昂貴的新工具和新方法，因為在領(lǐng)先節點(diǎn)上的高容量市場(chǎng)機會(huì )更少了。蘋(píng)果和三星等系統供應商已經(jīng)開(kāi)始為移動(dòng)手機開(kāi)發(fā)自己的芯片，而谷歌、Facebook、亞馬遜和微軟也已經(jīng)開(kāi)始為云設計自己的芯片了。這種情況所帶來(lái)的凈影響是高容量市場(chǎng)變少了，使得其它企業(yè)難以收回投資成本。 “對于一些應用而言，尤其是移動(dòng)和云基礎設施，它們必須驅動(dòng)性能增長(cháng)�！�Cadence 總裁兼 CEO 陳立武說(shuō)，“它們正在下降到 10nm，而且它們還將繼續下降到 7nm 甚至 5nm。但性能和價(jià)格延展的速度已經(jīng)放緩，而成本正在上揚�，F在已經(jīng)沒(méi)有非常大的性能差異了。所以對于一些公司來(lái)說(shuō)，已經(jīng)沒(méi)有什么讓人信服的理由去下降到 7nm 了。這取決于產(chǎn)品、開(kāi)發(fā)周期和差異化三角（delta of differentiation）�！� 幸運的是，過(guò)去 18 個(gè)月出現了一些新市場(chǎng)。盡管這些市場(chǎng)沒(méi)有任何一個(gè)有希望帶來(lái)十億以上單位的需求（而在移動(dòng)手機市場(chǎng)這是有可能的），但它們合在一起形成了一個(gè)更大的市場(chǎng)機會(huì )，其中包括汽車(chē)和醫療電子，用于機器學(xué)習、人工智能、增強現實(shí)/虛擬現實(shí)、IoT/IIoT 的芯片，以及可以按需優(yōu)化的更靈活的服務(wù)器架構。 作為參考，SEMI 曾表示汽車(chē)電子市場(chǎng)預計將在 2020 年達到 2800 億美元，而據 SEMI 的 CEO Ajit Manocha 表示，醫療電子市場(chǎng)則將在 2024 年達到 2190 億美元。甚至還有更亮眼的數據，預計 2 萬(wàn)億美元的電子產(chǎn)品供應鏈將在未來(lái)五年內翻番，達到 4 萬(wàn)億美元。與此同時(shí)，相比于過(guò)去十年里個(gè)位數的低增長(cháng)，半導體行業(yè)正表現出健康的 12% 的增長(cháng)。 Manocha 說(shuō)：“這是個(gè)新情況。晶圓廠(chǎng)設備增長(cháng)高達 23%�！� 并不是所有這些新興市場(chǎng)都需要用最新工藝節點(diǎn)生產(chǎn)的芯片。即使是在汽車(chē)領(lǐng)域，雖然目前有正在 7nm 節點(diǎn)開(kāi)發(fā)的復雜 ADAS 邏輯，但同一款汽車(chē)的其它芯片則是在更老的節點(diǎn)上開(kāi)發(fā)設計。而對于 IoT/IIoT，許多芯片都是用 200mm 晶圓工藝制造的，這使得它們的設計和制造要便宜得多。 這個(gè)情況的短期缺點(diǎn)是會(huì )造成巨大的產(chǎn)能短缺。為了緩解這一產(chǎn)能危機，據 SEMI報道，中國已有 6 家新的 200mm 晶圓廠(chǎng)正在建造中，其它地方還有另外 2 家。這其中至少有一部分原因是源于對已有工藝節點(diǎn)的發(fā)展機遇的關(guān)注。根據這些其它市場(chǎng)的進(jìn)展情況以及它們遷移到更新工藝的方式的不同，一些目前仍在研發(fā)之中的技術(shù)推廣到整個(gè)市場(chǎng)的速度也會(huì )受到影響。 造成減速的第二個(gè)原因是在先進(jìn)節點(diǎn)上，設計、檢查和測試芯片的難度更大了。熱、靜電放電和電磁干擾等物理效應在 7nm 節點(diǎn)比在 28nm 節點(diǎn)更加顯著(zhù)。另外要讓信號穿過(guò)更細的線(xiàn)也需要更多電力，電路對測試和檢查以及芯片上的熱遷移也更加敏感。所有這些需求都要被考慮進(jìn)來(lái)，并且使用多種物理模擬、仿真和原型設計方法進(jìn)行模擬。 這在智能手機領(lǐng)域已經(jīng)非常糟糕了，而智能手機芯片可以在數億乃至數十億的設備中銷(xiāo)售而得到補償。但隨著(zhù)先進(jìn)節點(diǎn)芯片進(jìn)入汽車(chē)和醫療應用中，它們還將在安全性方面受到更大的制約。在汽車(chē)中，芯片需要在惡劣的環(huán)境條件中以嚴格的運行參數工作十年以上。 “理想情況下，你需要檢查所有東西，但這需要時(shí)間和金錢(qián)以及對計量技術(shù)的大量投資�！盇SML 應用產(chǎn)品管理總監 Henk Niesing 說(shuō)，“對于隨機缺陷，你仍然在這一領(lǐng)域。但這樣的話(huà)，你就不需要增加更多計量。你可以在計算方面做到更多�！� 遷移變慢的第三個(gè)原因是盡管人們對光刻問(wèn)題（多重圖案、掩模對準、更好的抗蝕劑和 EUV）有很大的關(guān)注，但這只是冰山一角。高數值孔徑 EUV 將很有可能將光刻推進(jìn)至至少 2nm，甚至可能達到 1nm。但從 10/7nm 開(kāi)始，邊緣放置誤差等問(wèn)題的影響就變得越來(lái)越大了。接觸也將需要新的材料。還有一直以來(lái)都是一個(gè)可控問(wèn)題的線(xiàn)邊緣粗糙度（ line-edge roughness）也正變得越來(lái)越棘手。 重點(diǎn)關(guān)注新材料和數量 因此，簡(jiǎn)單地降低尺寸已經(jīng)不再有效了。一種方法不能解決所有問(wèn)題，即使在一些可以應用同樣方法的地方，企業(yè)也必須根據終端市場(chǎng)、供應鏈甚至特定代工廠(chǎng)工藝的 IP 可用性進(jìn)行權衡。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，解決這些問(wèn)題不再是對過(guò)去方法的線(xiàn)性擴展，而且顯然越來(lái)越強調使用新的材料來(lái)解決問(wèn)題，即新的化學(xué)方法，有些涉及到自由基、不同的元素或元素組合，有些需要使用熱、冷、壓力或真空等一系列步驟來(lái)開(kāi)發(fā)。 比如說(shuō)，新的工具和材料類(lèi)型可以解決邊緣放置錯誤（EPE）問(wèn)題。EPE 基本上就是指想要得到的 IC 布局和實(shí)際印刷結果之間的差異。 “你可以使用材料來(lái)解決邊緣放置問(wèn)題，”Applied Materials 蝕刻和圖案化策略副總裁 Uday Mitra 說(shuō)，“它成本效益更好，且允許更激進(jìn)的擴展，這反過(guò)來(lái)又能帶來(lái)更寬松的設計規則。材料也比光刻便宜，所以你不必為所有一切都使用 EUV�！� 除了材料之外，該行業(yè)也正受益于原子層蝕刻（ALE）的興起。和通過(guò)連續的方式移除材料的傳統蝕刻工具不同，ALE 有望在原子尺度上選擇性地和準確地移除目標材料。 “改善單位晶體管成本的唯一方法是與材料創(chuàng )新一起，”Mitra 說(shuō)，“所以即使當掩模沒(méi)有對準時(shí)，你也可以選擇性地蝕刻掉僅僅一部分材料。這樣你就不必擔心邊緣放置，用于放置問(wèn)題的材料可以繼續擴展，而不會(huì )造成產(chǎn)出問(wèn)題�！� 這是一種方法。另一種方法是計算建模（computational modeling），而且這兩種方法并不相互排斥。從設計的前端的跡象來(lái)看，芯片制造商和代工廠(chǎng)的工作需要比過(guò)去遠遠更多的工具。比如，在驗證方面，需要使用多種類(lèi)型的加速硬件來(lái)提升可靠性。而在制造方面，大部分先進(jìn)設備都在前沿節點(diǎn)上。為了應對世界各地日益增長(cháng)的數量，銷(xiāo)量預計將保持穩健，半導體行業(yè)應該會(huì )更加嚴肅地對待不同的方法，而不只是縮小器件尺寸。 材料是這一思想的一個(gè)重要延展。德國 Merck 的業(yè)務(wù)領(lǐng)域半導體封裝解決方案負責人 Benedikt Ernst 說(shuō)定向自組裝（DSA）技術(shù)正在取得進(jìn)展，可作為 EUV 的輔助技術(shù)。這兩種技術(shù)都嚴重依賴(lài)于新材料。 DSA 也已經(jīng)得到了先進(jìn)節點(diǎn)擴展領(lǐng)域從業(yè)者的興趣，可被用作一種減少線(xiàn)邊緣粗糙度（LER）的方法。Coventor 首席技術(shù)官 David Fried 說(shuō)，LER 一直以來(lái)都是一個(gè)問(wèn)題，但在 7nm 和 5nm 節點(diǎn)，這個(gè)問(wèn)題變得更加糟糕，因為圖案的尺寸正開(kāi)始接近 LER 的尺寸。 “你實(shí)際上可以通過(guò)定向自組裝改善圖案，”Fried 說(shuō)，“還將有沉積、蝕刻和清潔技術(shù)，可以用于在圖案化流程和整體集成流程中改善圖案粗糙度�！� 其他人則在使用所謂的平滑化（smoothing）技術(shù)來(lái)解決 LER。這是通過(guò)使用 ALE 對圖案的粗糙邊緣或孔進(jìn)行平滑或修補來(lái)完成的。 新結構和新方法 “目標是獲得可用的增長(cháng)空間并加以利用，”Teklatech CEO Tobias Bjerregaard 說(shuō)，“我們必須使設計工作更簡(jiǎn)單輕松。隨著(zhù)功率密度上升，我們看到時(shí)序和可布線(xiàn)性的問(wèn)題也越來(lái)越多�？刹季�(xiàn)性和功率使得我們難以修復時(shí)序，而在最先進(jìn)的節點(diǎn)上，這個(gè)情況更糟糕�！� 這也是 Imec 和 Leti 等研究機構以及臺積電、英特爾 Custom Foundry和三星 Foundry 等的繪圖板上有如此之多的新型晶體管的原因之一。其中有的是納米片（nanosheet），有的是垂直和水平的納米線(xiàn)（nanowire）。到目前為止，我們還不能確定哪些會(huì )取得成功。 但芯片制造商表示任何未來(lái)的解決方案現在都需要得到更全面的考量。隨著(zhù)新興市場(chǎng)開(kāi)始得勢，整個(gè)半導體行業(yè)可能需要一次重置，從初始概念和芯片架構一直到光刻、制造工具、材料以及生產(chǎn)前后的檢驗與驗證。好在為最先進(jìn)節點(diǎn)開(kāi)發(fā)的技術(shù)也可用于更老的節點(diǎn)，這有助于降低實(shí)現好產(chǎn)量的成本和時(shí)間。 另一種選擇是將不同節點(diǎn)開(kāi)發(fā)的不同計算元素放到一起來(lái)開(kāi)發(fā)芯片。英特爾和三星正在領(lǐng)導半導體行業(yè)向最先進(jìn)的節點(diǎn)沖鋒，但它們也在為 fan-out 封裝開(kāi)發(fā)過(guò)渡技術(shù)，有望包括那些在不同工藝節點(diǎn)開(kāi)發(fā)的技術(shù)。所有主要的代工廠(chǎng)和封裝廠(chǎng)也都在這個(gè)方向上努力，因為其可以讓最先進(jìn)的節點(diǎn)用于更一般的邏輯結構，從而可與在更老節點(diǎn)開(kāi)發(fā)的其它組件集成起來(lái)。 “我們正看到 CoWoS（chip on wafer on substrate）被用于云服務(wù)器，在這里你需要更多芯片、更多內存和一個(gè)用于高性能和高帶寬但成本不會(huì )太高的 silicon interposer�！迸_積電的一位總監 Tom Quan 說(shuō)，“而 InFO（Integrated Fan-Out）足以滿(mǎn)足移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的需求。你可以創(chuàng )造更多衍生，并將它們并排或重疊放置，而且你可以在模塑料中增加幾個(gè)重新分配層（redistribution layers）�！� 即使在這里，也有新材料在開(kāi)發(fā)中。 “在抗蝕劑和導電膠方面，有大量研究項目。導電膠是使用預封裝來(lái)替代鉛�！� Merck 的 Ernst 說(shuō)，“其中一些方法要使用非常厚的抗蝕劑來(lái)產(chǎn)生銅柱，可厚達 200 微米。DSA 也進(jìn)展良好。即使目前還沒(méi)有實(shí)現商業(yè)化，但研究一直在持續。但現在已經(jīng)沒(méi)有根本性問(wèn)題了。與此同時(shí)，對于已有的節點(diǎn)，我們需要非常純凈的材料。你可以縮小結構的尺寸，但不能縮小光刻的，而那需要在前端和后端的新材料�！� 結論 過(guò)去幾十年來(lái)，肯定是自 45nm 節點(diǎn)以來(lái)，半導體行業(yè)制造方面的大多數公司都執著(zhù)于將 EUV 推向市場(chǎng)�，F在，它開(kāi)始實(shí)際生產(chǎn)了，大家都在欣慰地感嘆我們發(fā)明的一種最為復雜的技術(shù)終于開(kāi)始工作了。盡管這無(wú)疑將有助于擴展到未來(lái)的節點(diǎn)，但市場(chǎng)正在往許多方向發(fā)力，而不只是縮減到更小的特征尺寸。 對于一些企業(yè)來(lái)說(shuō)，縮減尺寸的關(guān)鍵總是與成本相關(guān)。對于另一些企業(yè)，則是重在功率和性能。然而在最先進(jìn)的節點(diǎn)上，這三個(gè)因素的實(shí)現都在變得更加困難，且替代方法也越來(lái)越受歡迎。這并不意味著(zhù)尺寸縮減陷入了困境。但這卻實(shí)實(shí)在在意味著(zhù)這個(gè)方法并不是對每個(gè)人都有用，而且它可能并不是唯一的方法的，即使是在那些使用了最小特征尺寸的設備中也是如此。摩爾定律現在還好好活著(zhù)，但它已經(jīng)不再是唯一的發(fā)展道路了。取決于市場(chǎng)和市場(chǎng)份額的不同，它可能也不再是最好的方法了。 |
