未來 75 年的半導(dǎo)體器件和晶體管

芯片行業(yè)正在進(jìn)入一個(gè)前所未有的創(chuàng)新和增長時(shí)代。

在 IEDM 上，晶體管發(fā)明 75 周年的里程碑引發(fā)了關(guān)于 CMOS 的未來、III-V和二維材料在未來晶體管中的作用以及下一個(gè)偉大的存儲(chǔ)器架構(gòu)的討論。來自內(nèi)存、邏輯電路和研究社區(qū)的行業(yè)資深人士將High-NA EUV 生產(chǎn)、具有 1,000 層的 NAND 閃存和混合鍵合視為推動(dòng)因素。混合鍵合將用于組合器件以及堆疊互補(bǔ) FET (CFET) 中的不同材料。

關(guān)于 DRAM 技術(shù)的擴(kuò)展，SK 海力士 Solidigm 部門技術(shù)顧問、SK 海力士前首席執(zhí)行官 Seok-Hee Lee 表示：“下一代 DRAM 可能會(huì)采用新配置，即電容器橫向延伸的 3D 設(shè)計(jì)。現(xiàn)在很多人都在研究它，因?yàn)榭梢苑潘呻娙萜鞯南拗疲梢栽谒椒较蛏仙伤Ｈ匀淮嬖诤芏嗵魬?zhàn)，但通過在未來五年非常努力地工作，你會(huì)看到某種形式的 3D DRAM。”

本次討論的成員還包括：Lam Research 全球新興存儲(chǔ)器總經(jīng)理 Gosia Jurczak；英特爾高級(jí)研究員 Tahir Ghani；TEL 研發(fā)副總裁兼光刻圖案研究員 Anton DeVilliers；imec半導(dǎo)體研發(fā)高級(jí)副總裁Serge Biesemans；NIST 納米級(jí)器件表征部門負(fù)責(zé)人 David Gundlach；美光高級(jí)和新興存儲(chǔ)器副總裁 Nirmal Ramaswamy；和 IBM 研究員 Heike Riel。（小組成員是以行業(yè)資深人士的身份發(fā)言，不代表他們各自的公司，以下是該討論的摘錄。）

 硅仍然占主導(dǎo)地位

半導(dǎo)體行業(yè)正在不斷探索新材料，但在可預(yù)見的未來，硅 CMOS 可能會(huì)保持強(qiáng)勢。“硅通道是我們在晶體管中擁有的完善的材料系統(tǒng)，實(shí)際上很難替代它，”Lam 的 Jurczak 說。“回到 20 年前，當(dāng)時(shí)硅鍺溝道首次發(fā)布，在長溝道晶體管中具有非常明顯的遷移率優(yōu)勢。然而，我們不得不等到 20 年才能在產(chǎn)品中看到硅鍺通道。另一個(gè)例子是 III-V 族材料。同樣，我們已經(jīng)看到了電子遷移率的巨大優(yōu)勢，它實(shí)際上是 NMOS 晶體管的一個(gè)非常好的候選者。五年后，在發(fā)表了大量關(guān)于 III-V 材料研究的論文后，盡管存在一些局限性，但硅 CMOS 仍然是最容易理解和最成熟的材料。Jurczak 說：“有了這段歷史，當(dāng)我審視 2D 材料的候選者時(shí)，我懷疑我們將如何在未來 10 到 20 年內(nèi)做到這一點(diǎn)。” “我們今天在移動(dòng)性方面看到的是，它實(shí)際上沒有達(dá)到硅材料的水平。”

盡管如此，人們對堆疊 2D 材料和機(jī)動(dòng)性可能會(huì)增加持樂觀態(tài)度。“這確實(shí)是一個(gè)很好的選擇，”IBM 的 Riel 說。“使用納米片，你會(huì)看到堆疊的效果，并且它在環(huán)柵方面取得了根本性的進(jìn)步。半導(dǎo)體行業(yè)擅長識(shí)別挑戰(zhàn)，然后應(yīng)對挑戰(zhàn)。20 多年前，我們就開始使用環(huán)繞式門，現(xiàn)在它就在這里。”

“用于通道的二維材料制成的設(shè)備需要堆疊，”imec 的 Biesemans 說。“很難想象像我們在平面或 finFET 技術(shù)中那樣并排放置 nMOS-pMOS-nMOS-pMOS-…二維材料器件應(yīng)該出現(xiàn)在堆疊的 nMOS 和 pMOS 層中。要?jiǎng)?chuàng)建該路徑，首先應(yīng)該使用堆疊硅，然后更換通道材料。”他補(bǔ)充說，隨著混合鍵合工藝的成熟，它們將變得更加商品化，最終允許在晶體管級(jí)別實(shí)施。

“與非堆疊選項(xiàng)相比，堆疊將能夠組合具有不同原子長度和不同基板的材料，”英特爾的Ghani說。

 DRAM、NAND的局限性

TEL的 DeVilliers 指出，堆疊和混合鍵合遠(yuǎn)非微不足道。“存儲(chǔ)行業(yè)向我們展示了如何堆疊，堆疊起來并不難，難的是用它來堆疊和賺錢。從工具方面可以學(xué)到很多關(guān)于 3D NAND 堆疊的知識(shí)。”

從設(shè)備需求轉(zhuǎn)向互連需求，Jurczak 指出需要更低的熱預(yù)算和替代材料。小組成員討論了背面電源的最新趨勢。隨著尺寸接近幾納米，互連前端過孔變得越來越困難，特別是圖案化、覆蓋和打開所有過孔。

與此同時(shí)，NIST 的 Gundlach 談到了保持計(jì)量學(xué)精度和準(zhǔn)確性的必要性。“我們在更大范圍內(nèi)更好地解決問題的能力變得非常重要，”他說。“雖然材料的 ppm 純度在某一時(shí)刻可能就足夠了，但也許我們正在轉(zhuǎn)向 ppb，這需要在整個(gè)供應(yīng)鏈和產(chǎn)品生命周期中對標(biāo)準(zhǔn)測量服務(wù)進(jìn)行創(chuàng)新。”

美光的 Ramaswamy 專注于 DRAM 設(shè)備的可擴(kuò)展性。“DRAM縮放由幾塊組成，我們可以選擇有基本限制的那一塊。許多功能都在 10 納米以下，觸點(diǎn)甚至更小。我們可以談?wù)撌种畮准{米，或幾個(gè)摻雜原子。但通常情況下，DRAM 總是與電容器有關(guān)，縱橫比約為 50:1 并不斷增加，介電常數(shù)為 40 以上。我們可以在不泄漏太多的情況下達(dá)到 50 嗎？如果我必須選擇，我會(huì)說是電容器。”

SK 海力士的 Lee 對此表示贊同。“對于具有幾何縮放的 1T-1C 結(jié)構(gòu)，電容器始終是一個(gè)挑戰(zhàn)。如果您查看介電材料，您會(huì)記得導(dǎo)帶偏移與介電常數(shù)的關(guān)系。你有這種關(guān)系。所以是的，您可以找到一種不同于氧化鋯的材料，但這樣您的導(dǎo)帶偏移就會(huì)減少，因此漏電流就不再是一個(gè)問題。但這總是一個(gè)變化，從根本上說，如果我必須選擇一個(gè)，電容器就是限制器。”

IEDM 總是有涵蓋各種替代內(nèi)存架構(gòu)的特色論文。高速緩存是一個(gè)特別熱門的領(lǐng)域。但專家們被問及是否有任何技術(shù)可以取代根深蒂固的 NAND 和 DRAM 設(shè)備。“DRAM 和NAND 非常強(qiáng)大，很難被擊敗，”Jurczak 說。“所以 DRAM 的未來仍是 DRAM，但新興內(nèi)存可能會(huì)填補(bǔ)一些空白。”

混合鍵合的堆疊能力可能為 DRAM 提供新的用途。“憑借先進(jìn)的封裝技術(shù)，一些公司已經(jīng)在 CPU 上堆疊 SRAM，”Lee 說。“但是在3層之后，我們可以有4層，一個(gè)額外的緩存層嗎？根據(jù)工作負(fù)載，您可能會(huì)從這個(gè)額外的緩存層中獲益。”

DRAM 可以滿足這種需求。“新興存儲(chǔ)器存在耐久性問題，但不一定是非易失性存儲(chǔ)器，業(yè)界已經(jīng)具備大規(guī)模生產(chǎn)DRAM并使用先進(jìn)封裝連接它的能力，”Lee說。英特爾的代表表示同意，他說，“這無疑開辟了一系列以前沒有的可能性，盡管是片外的，但先進(jìn)的封裝可實(shí)現(xiàn)低片外延遲和高帶寬。”

另一個(gè)討論主題是轉(zhuǎn)向近內(nèi)存或內(nèi)存計(jì)算，特別是縮短內(nèi)存和處理之間距離的投資回報(bào)。“如果我們看看移動(dòng)計(jì)算，我們平均會(huì)丟失大約 15% 的能量移動(dòng)數(shù)據(jù)，”美光的 Ramaswamy 說。“因此，對于可持續(xù)性而言，能效非常重要。這是一個(gè)自然的過程。它會(huì)發(fā)生的。”但什么時(shí)候是另一回事。Ramaswamy 指出，架構(gòu)師和程序員需要聚在一起展示近內(nèi)存/內(nèi)存計(jì)算將如何工作。他說這需要時(shí)間來解決。

 EUV 可擴(kuò)展性

EUV 光刻在 16/14nm 是可選的，但在 7nm 及以下被認(rèn)為是必不可少的。領(lǐng)先的代工廠商，三星、英特爾、臺(tái)積電，正在展望High-NA (0.55) EUV 及更高版本。最大的問題是之后會(huì)發(fā)生什么？是無掩模圖案化還是某種形式的自組裝？

“2025年，High-NA EUV 將投入生產(chǎn)，”英特爾的Ghani說。“即使在未來使用更高 NA 的 EUV 工具，我們也可能不得不采用間距加倍或四重圖案化方案，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的尺寸縮放。但我認(rèn)為在未來六到八年內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)根本性的阻礙。”

計(jì)量學(xué)看起來更像是推進(jìn)到 1nm 節(jié)點(diǎn)及以下節(jié)點(diǎn)的障礙，尤其是隨著 3D 結(jié)構(gòu)數(shù)量的增加。“計(jì)量科學(xué)沒有跟上 EUV 的步伐，”NIST 的 Gundlach 說。“您能否在使用 EUV 的大容量環(huán)境中進(jìn)行測量，或者我們是否處于無法看到我們正在制作的東西的極限？那里有很多機(jī)會(huì)。”自組裝似乎不會(huì)與現(xiàn)有的圖案化方法競爭，并且多種方法可以一起使用并用于不同的金屬層。

 1,000 層 NAND

從 200+ 層到 1,000 層 NAND 的過渡正在進(jìn)行中，但這將需要新材料、NAND 架構(gòu)和改進(jìn)的資本設(shè)備來提高吞吐量。

美光的 Ramaswamy 說：“我們現(xiàn)在有 232 層，我們可能會(huì)在本世紀(jì)末達(dá)到 1,000 層。” “我們有很多非常關(guān)鍵的蝕刻、沉積和填充工藝。我們需要一個(gè)設(shè)備路線圖來跟上技術(shù)擴(kuò)展的步伐。現(xiàn)在我們沒有能力制造 1,000 層。所有流程都需要具有成本效益，并具有適當(dāng)?shù)墓睢！盠ee同意這一觀點(diǎn)。“我們必須擴(kuò)大堆棧，因?yàn)槟悴荒芤恢痹黾訉訑?shù)。”

 量子計(jì)算增強(qiáng)HPC

未來如何使用量子計(jì)算是另一個(gè)很大的未知數(shù)。

IBM 的 Riel 說：“量子計(jì)算并不是要取代一般的 CMOS 晶體管。”這不是量子計(jì)算的本意。但量子在這里是為了解決經(jīng)典數(shù)字計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)無法解決的數(shù)學(xué)問題。有很多例子，但我們幾乎忘記了它們，因?yàn)槲覀円呀?jīng)學(xué)到了很多近似值。經(jīng)典計(jì)算機(jī)在某些情況下它們運(yùn)作良好，但在其他情況下則不太好。當(dāng)我們仔細(xì)觀察時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)量子計(jì)算將有助于解決這些問題。”

量子比特的生成和相干性一直在穩(wěn)步提高。“大約三周前，第一款 433 量子位的處理器發(fā)布了，我們有明確的目標(biāo)來提高速度、規(guī)模和質(zhì)量方面的性能，”Riel 說。“我們從硅行業(yè)了解到，你需要一個(gè)清晰的路線圖，所以我非常樂觀。我們正處于新事物的開端，它不是要取代晶體管，而是要增強(qiáng)它。”

對于量子計(jì)算，這是一個(gè)漫長的過程。NIST 的 Gundlach 指出，Julius Edgar Lilienfeld 早在 1925 年就構(gòu)想出了固態(tài)放大器，為量子設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。“回想一下 Lilienfeld 的專利是幾十年前的事了，所以這個(gè)行業(yè)非常擅長擁有長遠(yuǎn)的眼光并能夠?qū)崿F(xiàn)。”

 可持續(xù)發(fā)展與人才齊頭并進(jìn)

芯片行業(yè)的兩個(gè)熱門話題是吸引人才和提高可持續(xù)發(fā)展能力，并且兩者相互交織。小組成員一致認(rèn)為，年輕人非常關(guān)心地球的健康，因此招聘工作需要更好地宣傳他們在全球半導(dǎo)體領(lǐng)域工作可以產(chǎn)生的環(huán)境影響。

“我們正在進(jìn)行一項(xiàng)有趣的實(shí)驗(yàn)，韓國的大型工具公司制定了一項(xiàng)特殊計(jì)劃來保證大學(xué)畢業(yè)生的就業(yè)，”SK 海力士的 Lee 表示，并指出需要采用新穎的方法。“如果你是一個(gè)教授，你就會(huì)有強(qiáng)烈的意見，因?yàn)槟闶姑粌H僅是找工作。可持續(xù)性是一個(gè)巨大的話題，零排放。作為一家半制造公司，我們有很多事情要做。關(guān)于化學(xué)品和氣體，我們?nèi)栽谑褂脺厥覛怏w，并與材料供應(yīng)商合作以替代它們。半導(dǎo)體設(shè)備消耗大量電力，我們不得不使用可再生能源。為此，一家公司如果不與很多不同的各方合作就無法做到這一點(diǎn)，而且許多公司已經(jīng)簽約，所以它將會(huì)發(fā)生。”

盡管如此，這仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，尤其是對于晶圓廠中使用的某些化學(xué)品和氣體而言。“問題是，如果我們不能替代氣體，我們能否提高減排系統(tǒng)的效率？不幸的是，這通常意味著更多的電力，我們必須優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。”Jurczak 說。

美光的 Ramaswamy 談到了 ESG（環(huán)境、社會(huì)和治理）中圍繞用水、危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生和處置的三大支柱。“我們在可持續(xù)性方面設(shè)定了非常強(qiáng)大的目標(biāo)，尤其是廢水回收，再利用高達(dá) 75% 至 90%，并將危險(xiǎn)廢物填埋至零。獲得完全可再生能源也是一件大事。”

在某些方面，這變得越來越容易。“隨著時(shí)間的推移，意識(shí)一直在提高，但我們需要以最有效的方式采取行動(dòng)，”IBM 的 Riel 說。“但是有些事情，比如節(jié)約能源，可以馬上完成。對于半導(dǎo)體勞動(dòng)力，Jurczak 強(qiáng)調(diào)了半導(dǎo)體所激發(fā)的技術(shù)熱情。“當(dāng)我問我的同事們?yōu)槭裁催€在這個(gè)行業(yè)時(shí)，他們給出的最重要的原因是熱情。”

 結(jié)論

芯片行業(yè)正在進(jìn)入一個(gè)前所未有的創(chuàng)新和增長時(shí)代，從設(shè)備研發(fā)到新材料和更緊密的集成。向先進(jìn)封裝的轉(zhuǎn)變以及隨之而來的所有挑戰(zhàn)將需要新的合作水平，以抵消摩爾定律的逐漸減弱以及芯片設(shè)計(jì)和制造成本的上升。

一項(xiàng)調(diào)查顯示，人才壁壘和成本壁壘是半導(dǎo)體持續(xù)進(jìn)步的最大障礙，遠(yuǎn)高于感知的性能、功率和內(nèi)存墻。但這些門檻只是暫時(shí)的，配備了大量新的使能技術(shù)和材料的聰明人可能會(huì)打破所有這些門檻，圍繞它們設(shè)計(jì)新的方法。

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