7纳米会是最后的主节点吗?| 智慧产品圈

原创 韩继国 2017-10-11
标签 半导体

  随着技术问题不断增加,成本不断上升,并不是所有的市场都会从7纳米节点中受益。

  超越10/7纳米以后的等比例微缩会是什么样子?这个问题带来了越来越多设计和制造问题,有多少公司将被卷入其中?他们又会针对哪些市场呢?

  至少,在进行数值估算之前,节点迁移将水平进行。预计在7纳米节点会比以往任何节点有更显著的改善。在正式开始向7 / 5nm进军时,10/ 7nm版本可能会有至少两个或三个(或更多)迭代过程。

  在这种放缓的背后是前端设计和后端制造之间日益脱节,其中有几个关键的原因。首先,节点的等比例微缩已经变得如此昂贵,以至于它不再是一个自动决策行为,即使是最大的公司。无晶圆芯片制造商,对采用昂贵的新设备和工艺持谨慎态度,因为很少有这种大批量的市场机会用于领先的节点。像苹果和三星这样的系统供应商已经开始为手机开发自己的芯片,而谷歌、Facebook、Amazon和微软也已经开始为云设计自己的芯片。这带来的一个实际净效果是,很少有人能再发现一个能收回成本的大批量的市场。

  “对于某些应用程序,尤其是移动和云基础设施,它们必须驱动性能,”Cadence总裁兼CEO Lip-Bu Tan说。“他们正在往10nm走,或继续往下到7nm,甚至有可能到5nm。但性能和价格的下降正在放缓,而成本正在上升,不再有一个巨大的性能差异了。所以对于一些公司来说,没有一个令人信服的理由走到7纳米。这取决于产品、开发周期和细分市场的变量增量。

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图1、小于30nm的鳍片间距的7nm晶体管封装(来源:IBM)

幸运的是,在过去的18个月中出现了许多新市场。虽然这些市场中没有一个预计能像移动通讯市场上那样产生上10亿大单的需求,但总的来说,它们的市场机会更大。包括从汽车电子到医疗电子芯片、机器学习、人工智能、增强虚拟现实、物联网/IIoT,以及可以根据需要进行优化的更灵活的服务器架构。


  汽车电子市场有望在2020年达到2800亿美元,而医疗电子将在2024年达到2190亿美元,SEMI总裁兼CEO Ajit Manocha预计。更令人瞠目的是,2兆美元的电子供应链预计在未来五年内翻一番,达到4兆美元。与此同时,与过去十年的低位数增长相比,半导体行业的增长率可达12%。

  “这是新的消息,”Manocha说。“晶圆厂设备有23%增长。”

  但并不是所有新兴市场都需要应用最新进的工艺节点生产芯片。即使在汽车领域,其中复杂逻辑的ADAS正在7nm节点上开发,但其他被用于同一辆车的芯片还在使用老的节点进行设计。随着物联网/ IIoT的推进,许多芯片采用200mm芯片工艺建造,但使用的是更便宜的设计与制造。

  短期的不利因素是造成了巨大的产能短缺。中国有六座新的200mm工厂正在建设中,还有另两座在其他地方建设中,这些新工厂可以缓解产能短缺危机。根据SENI的报道。至少部分原因是由于在既定流程节点上增加了对机会的关注。这取决于其他市场的价格,以及它们迁移到新工艺的速度。这可能会影响到目前研发中的一些技术在市场上推出的速度。

  放缓的第二个原因是,在高级节点上设计、检查和测试芯片变得越来越困难。物理效应,如热、静电放电和电磁干扰,在7nm比在28nm更加明显。它还需要更多的电源通过更细导线来驱动信号,电路对测试和验证更加敏感,以及发生在芯片上的热迁移现象,等等。所有这些都需要用多物理模型来计算模拟、仿真和样机制造。

  这在智能手机中已经够糟糕的了,芯片可以在数亿或数十亿的设备上进行摊销。但随着先进节点生产的芯片进入自主车辆和医疗应用,它们将受到更严格的审查。在汽车中,芯片有望在严格的操作参数和苛刻的环境条件下工作十年或更长时间。

  “您最好的状况是检查所有的地方,但衡量起来这就是时间和金钱,还有大笔投资,”ASML应用产品总监Henk Niesing说。“对于随机缺陷,您仍然可以停留在那个区域,但这样您就不需要增加计量支出了,您可以在计算方面做更多的事情。”

  迁移放缓的第三个原因是,虽然大部分的焦点都在光刻问题上,诸如多重图案化,掩模对准,更好的抗蚀性,以及EUV-但这只是整个拼图的一件。高数值孔径光刻EUV可能将光刻推进到2nm,甚至1nm。但从10 / 7nm开始,如边缘位置误差等问题变得越来越严重,接触孔将需要新的材料,线边缘粗糙度,这原本是一个易于管理的问题,会变得越来越难解决。

  对材料和数字的新关注

  结果是蛮力缩小的方法不再有效。一个尺寸不适合所有的应用,甚至在同样的方法可以应用的地方,对于一个Fab的具体工艺,它们现在必须在终端市场,供应链,甚至是IP可用性的范围内进行权衡。简单地说,解决这些问题不再是过去所做的线性扩展,这在日益强调解决材料复杂化学问题时越来越明显,一些涉及自由基,不同的元素或元素的组合,一些开发使用的一系列的步骤,涉及热,冷,压力,或真空。

  例如,新的工具和材料类型可以解决边缘位移误差(EPE)问题。在IC版图的设计和印刷特征之间,EPE基本上是不同的。

  “您可以使用材料来解决边缘-布局问题,”Applied Meterials刻蚀与图形战略副总裁Uday Mitra说。“它更具成本效益,它允许更积极的微缩,这反过来又允许更宽松的设计规则。材料也比光刻便宜,所以您不必用EUV做任何事情。”

  随着这些材料的出现,行业正从原子层刻蚀(ALE)中受益。不像传统的蚀刻工具连续地去除材料,ALE承诺在原子尺度上有选择性地精确地去除目标材料。

  “获得晶体管改进成本的唯一途径是材料创新,”Mitra说。“因此,即使光罩没有对齐,您也可以选择性地蚀刻掉一些物质。这样,您就不必担心边缘布局问题,而且有布局问题的材料可以继续微缩而不会产生任何问题。”

  这是一个方法,计算建模是另一种,并且两者不是相互排斥的。如果前端的设计有任何迹象显示,芯片制造商和代工厂则需要比以前更多的工具才能完成工作。关于验证,例如为了提高可靠性,正在使用多种类型的加速硬件。然而,在制造业方面,先进设备的大部分是在尖端节点上。同时,预计销售将保持强劲,以应对日益增长的销量。半导体行业似乎更关注不同的方法,而不仅仅是缩小器件。

  材料是这个想法的重要延伸,Germany’s Merck商用半导体封装解决方案的头Benedikt Ernst说,在定向自组装技术作为EUV的辅助技术方面正在取得进展。这些都依赖于新材料。

  DSA一直感兴趣的是先进的节点微缩,以及作为一种减少线边缘粗糙度(LER)的方法。LER一直是一个问题,但在7nm时问题变得更糟,因为在7nm和5nm时图形的尺寸开始接近LER尺寸。Coventor首席技术官David Fried告诉我们。

  “您可以通过定向自组装获得图形修复,“Fried说。“也将有沉积、蚀刻和清洁技术,这些技术将在图形化流程和图形整合流程中修复图形粗糙度。”

  其他方法有使用所谓的平滑技术来处理LER。这是通过使用ALE平滑或固定图案上的粗糙边缘或孔来完成的。

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图2、线边缘粗糙度(来源:NIST)

  新结构和方法
  “我们的目标是占据可用空间并利用它,”Taklatech首席执行官Tobias Bjerregaard说。“我们必须使设计更容易工作,我们看到越来越多的问题,时间和可布线性功率密度在上升。可布线性和功率使定时很困难,而且在先进节点上更糟糕。”

  这就是原因之一为什么有那么多的研究机构在研发各种新型的晶体管结构,例如IMEC和Leti等,以及台积电、英特尔和三星。其中有纳米片和垂直或水平的纳米线结构,至今为止我们很难判断它们都能成功。

  但是对芯片制造商来说,任何未来的解决方案都需要从更全面的角度来考虑。随着新的市场开始活跃起来,整个半导体行业可能需要重新设置,从最初的概念和芯片结构一直到光刻、制造工装、材料和制造前后验证和验证。好消息是,在最先进的节点上开发的技术也可以用于老节点,这将有助于降低成本和时间,以获得良好的收益率。

  另一种选择是在不同节点上开发一些不同的计算元素来构建芯片。英特尔和三星正引领业界走向最先进的节点,但他们也开发了可用于扇出封装的桥接技术,被期望可应用于包括多个进程节点上开发的技术。所有主要的代工厂和封装厂也在致力于这种方法。同样,因为它允许最先进的节点被用于更规则的逻辑结构,这些逻辑结构可以与旧节点上开发的其他器件集成。

  “我们看到CoWoS(晶圆片的芯片)正在被应用于云服务器,为了得到更高的性能和宽带,您需要更多的芯片,更多的内存,和一个叫做硅内插器(silicon interposer)的东西,”TSMC的Tom Quan主任说。“集成扇出(InfO  Integrated Fan-Out)有足够的能力,以满足移动和物联网市场的任何需求。您可以创建更多的衍生物,并将它们并排或彼此顶部,并且您可以添加一个再分配层数在模塑料里。“即使在这一块,也正在开发新的材料。

  “关于抗蚀剂和导电浆料的研究很多,采用预包装代替铅,”Merck’s Ernst说。“其中一些方法使用非常厚(200微米)的抗蚀剂制造铜柱。DSA的进展很好,尽管它还没有商业化,但研究仍在继续,到目前还没有发现有基本的问题。同时,对于现有的节点,我们需要非常纯净的材料。你可以缩小结构,而不是光刻,这需要前端和后端的新材料。

  结论

  在过去的几十年里,主要从45nm开始,大多数半导体制造商一直痴迷于EUV进入市场。现在,它开始流行起来,有一个集体的宽慰,一个最复杂的技术发明似乎开始工作了。虽然这肯定有助于扩展到未来的节点,但市场力量正在向多个方向推进,而不仅仅是更小的特征尺寸。

  对有些人来说,微缩的关键一直在于成本。但对其他人来讲,它可能是功耗和性能。然而,在最先进的节点上,所有这三个因素都变得越来越难以实现,替代方案开始流行。这并不意味着等比例微缩处于危险之中。但它确实意味着并不是对每个人都起作用,而且即使在部署了一些最小特征尺寸的器件中,也可能不是唯一的方法。摩尔定律依然活得很好,但它不再是唯一的方式。根据市场或市场的不同,它也可能不再是最好的方法。

  *本文本文译自SEMICONDUCTOR ENGINEERING 作者Ed Sperling翻译:韩继国 
  

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