Chiplet和晶体管何去何从？

来源：本文由半导体行业观察编译自semiengineering，谢谢。

近来，Imec CMOS 技术高级副总裁 Sri Samavedam 与semiengineering坐下来讨论 finFET 缩放、环栅晶体管、互连、封装、小芯片和 3D SoC。以下是该讨论的摘录。

SE：半导体技术路线图正朝着几个不同的方向发展。我们有传统的逻辑扩展，但封装发挥了重要作用。这里发生了什么事？

Sri Samavedam ：作为摩尔定律基础的密度缩放将继续存在。如果你看看芯片中晶体管的数量多年来是如何演变的，它非常接近摩尔定律。密度缩放正在按预期发生。但是我们看到的是，您没有从我们过去使用的通用计算 CPU 中获得性能。节点到节点的逻辑器件性能已经放缓。因此，您将不得不提出新的材料和设备架构，以在系统级别为您提供额外的性能提升。

在 Imec，我们还专注于 STCO，即系统技术协同优化。对此有两种方法。我们有自下而上和自上而下的方法。通过自下而上，我的意思是您着眼于技术，而不仅仅是扩展以在系统级别为您提供性能。例如，您可能需要一种新的冷却技术，使您能够突破电源壁垒并为您提供系统级性能。

SE：您还看到了哪些其他趋势？

Samavedam：我们观察到的另一个趋势是，多年来一直是通用计算的主力的 CPU 正在放缓。我们发现出现了更多特定领域的架构。GPU 就是一个很好的例子。您可以将 GPU 性能视为每单位面积的操作数或每单位瓦特的操作数的函数。例如，只需看看 Nvidia 和 AMD 的 GPU。他们继续做得很好。它们利用可扩展性，可以为可并行化的工作负载（如图形处理或机器学习）封装更紧凑、更高效的内核。它们并没有表现出我们在 CPU 中看到的同样的性能下降。因此，我们希望看到更多特定领域的计算机体系结构向前发展。

SE：在晶体管方面，finFET 一直是高端的主力器件。FinFET 已缩小至 3nm。这里发生了什么事？

Samavedam：从 14nm 开始， FinFET 已经成为五代的主力器件。我们已经看到它在 14nm、10nm、7nm 和 5nm 作为代工产品。英特尔确实推出了 22nm 的 finFET。3nm 也将成为 finFET 节点，至少对台积电来说是这样。如果你想要逻辑缩放，你必须缩放标准单元库。当您将标准单元库从 7.5 轨（track）扩展到 6 轨或 5 轨时，可用于构建 finFET 的有源器件宽度正在减少。因此，您可以从 7.5 轨的三个鳍片到 6 轨的两个鳍片，再到 5 轨的单个鳍片装置。单翅片器件的可变性更大。这是 finFET 将停止扩展的原因之一。

SE：3nm 似乎是 finFET 的最后一个节点。我们开始看到向纳米片 FET 的转变，这是一种环栅 (GAA) 架构。这有什么好处？

图 1：晶体管（上图）和互连技术（下图）路线图。资料来源：IMEC

Samavedam：如果你用一堆纳米片代替单个鳍片，你可以获得更大的每个封装宽度，并且每个封装可以获得更多的驱动电流。这就是您看到从 finFET 向纳米片过渡的原因。使用纳米片，您可以构建高性能的 5 轨库。纳米片也是GAA设备。

如果您用栅极围绕沟道，您将获得更好的栅极控制，与 finFET 相比，您可以将栅极长度缩放得更多。FinFET 是三栅极器件。他们在沟道的三个侧面都有一个栅极，而不是四个侧面。通过缩小鳍片间距，FinFET 一直在缩小，从 14nm 缩小到 3nm。您可以通过缩放鳍片间距获得更多的鳍片，您还可以缩放鳍片高度以获得更大的器件宽度。

达到3nm之后，您将达到鳍片高度的极限。随着鳍变高，您可以增加驱动电流，但也存在电容损失。如果驱动电流增加不能抵消电容损失，那么继续缩放鳍片高度是没有意义的。当您使 finFET 结构更高并且鳍之间的空间由于鳍间距缩放而缩小时，将栅极电介质和金属层包裹在鳍周围更具挑战性，因为您可以在宽松的尺寸下做到这一点。因此 finFET 微缩变得更具挑战性，而纳米片为您提供了一种在相同占位面积内获得更多驱动电流的方法。

SE：纳米片 FET 的其他好处是什么？

Samavedam：让我们看看 finFET。如果要增加器件宽度，则必须从一个Fin到两个fin再到三个Fin。它是离散的。在纳米片中，您将纳米片堆叠在活动区域中。您可以改变纳米片的宽度并获得不同的器件宽度。这为您提供了设计的灵活性。如果您想要具有更高和更好驱动电流的晶体管或标准单元库，您可以选择更宽的表。如果您想优化电容和功率，您可以使用窄板。这是纳米片为设计提供的额外灵活性。

SE：纳米片的制造挑战是什么？

Samavedam：形成这些纳米片的方式是首先使用外延法沉积多层硅和硅锗。然后，蚀刻出硅锗层以获得硅纳米片。生长外延层是相当好的理解，但释放这些纳米片是一个挑战。您必须确保硅锗蚀刻对硅具有选择性。它不能使留下的硅通道变得粗糙。你要确保它们不会粘在一起。当您蚀刻掉硅锗时，尤其是在使用湿法蚀刻时，您需要确保薄片之间没有静摩擦。

SE：其他挑战是什么？

Samavedam: 另一个挑战更多的是性能挑战。在 finFET 中，大部分电流传导发生在 (110) 表面。fin的侧壁是(110)。这是 PMOS 移动性的好平面。纳米片是平的。它们遵循与基板相同的方向，因此是（100）方向。PMOS 在 (100) 方向上的驱动电流性能受到影响。为了恢复 PMOS 的性能，您必须在纳米片中强调这些通道。将应力纳入纳米片是一项挑战。形成多 Vt 器件是另一个挑战。设置阈值电压的方式是改变栅极功函数。因此，您可以在纳米片之间加入不同的金属层以获得不同的阈值电压。纳米片之间的间距很紧。您需要蚀刻掉一层并沉积第二层以获得不同阈值电压的第二功函数材料。这很有挑战性。

SE：晶圆厂工具准备好用于纳米片了吗？

Samavedam: 几年来，人们一直在研究环绕式门结构。这些工具在支持纳米片的单元工艺方面取得了长足的进步。计量学存在一些挑战。在纳米片器件的形成中，您有一个称为内部隔离层的模块，您试图在其中将栅极与源极/漏极分开。您必须选择性地蚀刻硅锗层，然后用电介质填充它并形成间隔物。从计量学的角度来看，这是一个具有挑战性的模块。控制横向硅锗凹槽并形成内部间隔物，然后确保一切正常，具有挑战性。人们使用散射仪或光学 CD 来测量这些结构。有时，您可能需要结合计量技术来很好地处理过程控制。但总的来说，工具可用。硅锗相对于硅的选择性蚀刻是一个重要的模块。该工具在开始时不可用。现在，如何做到这一点已经众所周知。

SE：在纳米片中，EUV 光刻将图案化片。这里有什么挑战吗？

Samavedam：您将不得不使用单打印EUV，具体取决于您图案的间距。单纯从光刻的角度来看，现在EUV光刻已经成熟，可能不会有太多的挑战。纳米片蚀刻可能仍然是一个挑战，因为要图案化多个层。

SE：在先进的晶体管中，生产线的后端 (BEOL) 存在一些重大挑战，即在哪里制造互连，对吗？

Samavedam：我们的观点是铜双镶嵌将缩小到约 21nm 间距。但该行业面临的挑战在于阻力。当您缩小间距时，通孔电阻会起飞。我们一直在寻找减轻通孔阻力的方法。你可以通过几种不同的方式来做到这一点。您可以选择性地沉积不同的材料，例如钌、钼或钨，这样您就可以使用不同的铜线通孔材料。

另一种方法是缩放衬垫/阻挡材料，以便在通孔中有更多的铜空间。你可以这样做到 21nm 间距。如果你想缩小到 21nm 以下，我们相信你必须去直接金属蚀刻。这就是我们所说的半镶嵌集成。有些人也将其称为减材金属化。您通过直接金属蚀刻来定义线条。你可以形成高纵横比的线条，这样你就可以获得低阻力的线条。

但是当你走高纵横比的线路时，电容是个问题，因为两条线路之间有很多重叠区域。为了缓解这种情况，我们计划引入气隙以降低电容。如果要在半镶嵌集成中进行直接金属蚀刻，则必须使用易于蚀刻的金属。铜不是其中之一。这就是我们选择钌的原因。与铜相比，钌更容易蚀刻，而且随着线宽的缩放，它的电阻也很低。

SE：我们能够将纳米片缩放到多远？Imec 的forksheet FET 技术在哪里发挥作用？

Samavedam：forksheet FET是 Imec 的一项创新。随着您继续缩放轨道高度，您正在减少设备可用的有效宽度和标准单元的驱动强度。这就是为什么随着轨道高度的缩放，纳米片优于 finFET 的原因。但是，当您尝试进一步扩展轨道高度时，即使是纳米片也会失去动力。您可以缩放标准单元中 NMOS 器件和 PMOS 器件之间的 n 到 p 空间，以创建更多的有源器件宽度。您可以通过蚀刻和形成狭窄的介电壁来缩放该空间。这就是forksheet设备的由来。

与纳米片相比，它在相同的占位面积内为您提供了更大的有效宽度，并且它还具有更低的寄生电容，与纳米片相比，它具有约 10% 的性能优势。它使用了我们已经用纳米片建立的许多集成基础设施。这是一种将纳米片延长一代的方法。在纳米片和叉片之间，我们相信还会有大约三代。所以我们将有 2nm 和 14 埃的节点，并且可能有 10 埃的节点，带有纳米片和forksheet。

图 2：Imec 的forksheet FET

SE：封装和小芯片在哪里适合？

Samavedam：当今有许多使用 2.5D 或 3D 集成的高性能系统。在某些情况下，公司采用 SoC 并将其划分为不同的功能，例如逻辑、内存和 I/O。这些功能中的每一个都是使用不同的小芯片构建的。有时，它们使用不同的 CMOS 技术。他们使用不同的 3D 互连技术将它们组合在一起，例如中介层、芯片到晶圆微凸块键合或芯片到晶圆混合键合。我们将此称为小芯片方法。这发生在高性能领域，最终会渗透到移动应用程序中。

SE：所有这些都将走向何方？

Samavedam：当今业界采用的方法是小芯片方法。每个芯片单独设计并封装在一起。我们设想的是真正的 3D SoC，其中逻辑和内存芯片是共同设计的。为此，您需要新的 EDA 工具功能。在真正的 3D SoC 设计中，布局布线和时序收敛可以在两个芯片中同时发生。今天，在小芯片方法中，您需要一条总线来连接小芯片。这增加了块之间的延迟，而且效率不高。如果您能够共同设计小芯片，并且能够作为单个 SoC 进行布局布线和时序收敛，那么您将获得更高效的紧凑型设计。您可以避免冗余缓冲区，并且不必像在当前小芯片方法中那样担心这两个块之间的延迟。我们一直在与 Cadence 合作。他们提出了一个工具流程，使您能够在小芯片之间进行真正的 SoC 3D 协同设计。我们将看到更多这种方法的例子。3D SoC 方法需要时间，因为 EDA 工具才刚刚启用。

SE：3D 封装和 3D SoC 的另一个推动因素是缩放凸块间距，对吗？

Samavedam：我们已经在研究中证明了微凸块的间距低至 10 微米，甚至 7 微米。但是，如果您查看生产中的微凸块，它们会在大约 30 微米间距处饱和。如果系统公司有足够的推动力来扩展互连密度，那么您将看到来自OSAT的更多产品。为了实现这些紧密的微凸点间距，设备生态系统需要成熟一点。我们正在与设备供应商合作来做到这一点。一旦启用了 EDA 工具，系统公司将开始推动更密集的互连。然后，您将开始看到更多来自 OSAT 的密集互连产品。

SE：混合键合怎么样？

Samavedam：今天，有几个混合键合的例子在生产中。图像传感器产品使用它。YMTC 使用混合键合来连接 3D NAND 中的外围逻辑和内存。这是当今的晶圆级技术。您需要干净的 CMP 表面才能获得良好的混合键。如果您在晶圆级进行，则顶部裸片和底部裸片的尺寸需要匹配。这是制约因素之一。如果是晶圆级工艺，晶圆厂比 OSAT 更有可能提供这种技术。有芯片到晶圆混合键合的例子。AMD和台积电最近公布了一个例子。这就是芯片到晶圆级混合键合的一个例子。

SE：混合键合的挑战是什么？

Samavedam：你需要极端的平面性。这是一个约束。为确保良好的混合键合，您需要与铜兼容的电介质。我们使用铜和碳化硅作为电介质。SiCN 是一种低温沉积电介质。这给了我们最好的粘合性能。准备用于混合键合的铜 SiCN 表面仍然是一门艺术。CMP 中需要许多工艺优化。您必须使用多个 CMP 步骤。您需要非常好的局部平面度以及全局平面度，尤其是在晶圆级进行时。CMP 控制和具有适合混合键合的电介质是两个关键要求。

SE：您如何定义 3D SoC？

Samavedam：您可以在 2D SoC 中划分不同的功能，如内存和逻辑，并分别设计它们。这就是小芯片方法。我所说的 3D SoC 是指您将内存和逻辑芯片共同设计为单个 SoC。连接可以在更密集的级别，您不必担心两个芯片之间的额外通信开销。是直接通信。您不需要额外的 IP、PHY 或两个小芯片之间的通信总线。您可以在 3D SoC 中实现更细粒度的分区。为此，您需要更密集的互连。您还需要 EDA 工具来支持这种协同设计。

SE：我们会看到具有2D材料的 CFET 或器件吗？

Samavedam：2D 材料很有前景，因为它们具有高迁移率。它们可以形成非常薄的原子通道，因此您可以更积极地缩放栅极长度。但是，您还必须解决几个基本的材料问题。你必须提高源漏区的沟道迁移率和接触电阻。我们不知道如何在这些 2D 材料上很好地缩放栅极电介质厚度。我们构建这些设备的方式可能完全不同。未来几年有很多问题需要回答，以了解这些材料是否足够真实以使其成为路线图。

SE：CFET 呢？

Samavedam : 使用CFET，代表互补 FET，N 和 P 器件构建在彼此之上。在过去的几年里，Imec 已经展示了 CFET 的概念。英特尔在 2019 年和 2020 年也有几篇论文。CFET 的挑战在于集成。集成很复杂，形成 CFET 的方式也不同。您可以以单片方式进行，在同一步骤中形成顶部有源区和底部有源区，并使用通用自对准栅极连接两个器件。这里的挑战是需要许多新的复杂单元工艺，如高纵横比图案化、高纵横比沉积等。或者您可以按顺序进行。在这种方法中，您构建一个设备并结合不同的晶圆来处理下一个设备。您可以为顶部设备使用不同的基板方向或不同的通道材料，其挑战是将顶栅连接到底栅，因为它们不是自对准的。还需要担心顶部设备的热预算对底部设备的影响。顶部和底部晶圆之间的无空隙键合以及其间的薄电介质也非常具有挑战性，因为没有好的工具来检测这些微空隙。这就是顺序 CFET 集成的复杂性。我们正在制定这两个计划。从设备性能的角度来看，我们相信它们可能非常相似。我们可以优化架构以使它们具有相似的性能，但它们各自的集成复杂度不同。所以这就是我们现在正在努力解决的问题。

图 3：CFET 运行。资料来源：IMEC

SE：传统的逻辑扩展和封装/小芯片或多或少是并行路径，对吗？

Samavedam：它们将同时发生。SoC 的某些组件的扩展性不是很好。例如，I/O 或 SRAM 不能与逻辑节点一起扩展。因此，它们可以使用更成熟的节点制造，并使用小芯片方法以具有成本效益的方式进行分区。将 SoC 划分为逻辑和内存是增加内存带宽以提高整体系统性能的另一种方法。小芯片方法和 3D SoC 方法是传统逻辑缩放的并行路径。

SE：这一切都将走向何方？

Samavedam：我没有看到设备和材料或密度缩放方面的创新放缓。我们知道高 NA (0.55) EUV 即将到来。与当今 0.33 NA 的 EUV 相比，这将以更具成本效益的方式实现更密集的图案。扩展以及设备架构创新将继续进行。小芯片方法或 3D SoC 方法将并行发生，以支持未来的系统扩展。它们都将共存。

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