三星在CSTIC 上解讀7nm芯片解決方案

　　近幾年，由于材料和設備的限制，電子產(chǎn)業(yè)的金科玉律摩爾定律似乎逐漸走向了瓶頸。尤其是到了14nm之后，以往隨著(zhù)節點(diǎn)往前推進(jìn)，Die Cost下降而Perforrmance提升的定律被打破，集成電路產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了大挑戰。但三星作為一個(gè)全球數一數二的IDM，為了繼續延續摩爾定律，在由SEMI主辦的中國國際半導體技術(shù)大會(huì )(CSTIC2017)上，三星給出了獨到的見(jiàn)解。

　　因此廠(chǎng)商們需要針對不同的應用，在相同節點(diǎn)上開(kāi)發(fā)出不同的方案：

　　在14nm/10nm的情況下，開(kāi)發(fā)者們還可以在現有的體系下做改進(jìn)，但是進(jìn)入到了7nm，則對技術(shù)創(chuàng )新有了新的選擇。三星需要從兩方面創(chuàng )新：一是技術(shù)創(chuàng )新，也就是3D結構加patterning;另一種則是系統創(chuàng )新的ememory加packaging。

　　三星認為，移動(dòng)處理器雖然推動(dòng)產(chǎn)業(yè)界向7nm進(jìn)展，但是由于物聯(lián)網(wǎng)的存在和即將爆發(fā)，且這些產(chǎn)品對成本很敏感，因此28nm這個(gè)甜蜜節點(diǎn)將會(huì )存在很長(cháng)一段時(shí)間。

　　除了傳統的28nm，三星認為28nmFD-SOI工藝因為其優(yōu)勢，會(huì )成為三星關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。FD-SOI最大的亮點(diǎn)在于超低功耗，尤其是對比HKMG(后閘極，約50%+)，如今物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、汽車(chē)等嵌入開(kāi)發(fā)對芯片的這一特性非常敏感，ST、飛思卡爾等都明確表態(tài)支持且等待排片。

　　7nm之后的架構和材料的創(chuàng )新

　　回到現在產(chǎn)業(yè)界正在緊盯的7nm工藝，三星認為它會(huì )在2018年到來(lái)，因為溝道變窄了，那就要求在在設計制備的時(shí)候需要從架構、溝道材料和工藝制備上進(jìn)行創(chuàng )新，而GAA、三五族溝道材料和EUV光刻是對應的最好答案。

　　在這里我們詳細介紹一下GAA和三五族溝道材料：

　　(1) Gate-all-around (GAA)

　　GAA有時(shí)候被稱(chēng)作橫向納米線(xiàn)場(chǎng)效應管。這是一個(gè)周邊環(huán)繞著(zhù) gate 的 FinFet 。GAA 晶體管能夠提供比 FinFet 更好的靜電特性，這個(gè)可滿(mǎn)足某些柵極寬度的需求。

　　從表面上看， GAA 和柵極夾雜在源極和漏極之間的 MOSFET 很類(lèi)似。另外， GAA 同樣包含了 Finfet ，但和目前 fin 是垂直使用的 Finfet 不同， GAA 的 Finfet 是在旁邊。GAA Fet 包含了三個(gè)或者更多的納米線(xiàn)，形成溝道的納米線(xiàn)懸空且從源極跨到漏極。其尺寸是驚人的。 IMEC 最近介紹的一個(gè) GAA fet 的納米線(xiàn)只有 8nm 直徑。

　　控制電流流動(dòng)的 HKMG 架構能夠填補源極和漏極之間的差距。

　　但是從 FinFet 向 GAA 的轉變并不會(huì )有很大的優(yōu)勢，當中你只是獲得了對晶體管靜電性能控制的提升。GAA 最大的提升在于縮小了柵極寬度。這樣你就可以得到一個(gè)全環(huán)繞和一點(diǎn)的靜電性能的控制。當然， gate 的縮小是必不可少的。

　　在GAA上，也分為兩種方案，一種是水平的，它能夠打破FinFET的限制。

　　另一種是垂直的，能突破更多的物理限制。

　　(2)三五族溝道材料

　　溝道材料這一段時(shí)間以來(lái)一直是個(gè)熱門(mén)的話(huà)題。溝道是一個(gè)連接MOS器件源與漏之間的一個(gè)導電區域。當一個(gè)MOSFET晶體管在導通時(shí)柵電容器加在溝道上的電壓會(huì )產(chǎn)生一個(gè)反型層，使少數載流子在源與漏之間很快通過(guò)。反之則晶體管關(guān)閉。

　　溝道材料中發(fā)生大的改變是在90納米工藝，那時(shí)全球工業(yè)界開(kāi)始引入應變硅材料。芯片制造商采用外延工藝在PMOS晶體管形成中集成了SiGe的應變硅，或者稱(chēng)讓晶格結構發(fā)生畸變。這樣可以通過(guò)增加空穴的遷移率來(lái)達到增大驅動(dòng)電流。

　　芯片制造商在10nm或者7nm工藝時(shí)溝道材料必須要作改變。在一段時(shí)間中曾認為首選是在PMOS中采用Ge,以及NMOS中采用InGaAs材料。因為Ge的電子遷移率可達3,900cm平方/Vs，而相比硅材料的為1,500cm，InGaAs的電子遷移率可達40,000cm平方/Vs。但是三五族溝道材料受到了廠(chǎng)商的更多關(guān)注。

　　與硅相比，由于III-V化合物半導體擁有更大的能隙和更高的電子遷移率，因此新材料可以承受更高的工作溫度和運行在更高的頻率下。且沒(méi)有明顯的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工藝相似，很多現有的技術(shù)都可以應用到新材料上，因此也被視為在10nm之后繼續取代硅的理想材料。目前需要解決的最大問(wèn)題，恐怕就是如何提高晶圓產(chǎn)量并降低工藝成本了。

　　三星認為到了7nm，EUV光刻是勢在必行，但EUV光刻生產(chǎn)中仍有一些設備上的難題亟待攻克。其中就包括對空白檢驗工具和光刻膠光化學(xué)性質(zhì)的研究。

　　7nm之后的系統創(chuàng )新

　　根據三星介紹，7nm之后除了在架構和材料商創(chuàng )新，還可以在系統上創(chuàng )新。其中包括了MRAM創(chuàng )新方案和集成封裝。

　　三星認為，MRAM是最有希望替代Flash的存儲技術(shù)，因為需要更少的mask，所以其稱(chēng)為會(huì )變得更低，再加上功耗優(yōu)勢，這讓mram稱(chēng)為他們關(guān)注的方向。

　　MRAM的全稱(chēng)是Magnetoresistance Random Access Memory，磁致電阻隨機存儲器。目前，MRAM的諸多研究中，已經(jīng)可以開(kāi)始生產(chǎn)的產(chǎn)品結構被稱(chēng)為STT-MRAM(Spin Transfer Torque Magnetoresistance Random Access Memory，自旋注入磁化反轉磁致電阻隨機存儲器)。MRAM的結構并不復雜，原理也不難。它采用了類(lèi)似三明治的結構。

　　另外，集成封裝也是三星看好的另一個(gè)系統解決方案。三星認為，借助2.5D/3D的封裝技術(shù)，最終做出來(lái)的芯片擁有更高的帶寬，進(jìn)而帶來(lái)更強的系統性能。