上個月中，SEMICON West 2022于舊金山的 Moscone 中心隆重舉行。展會前，Imec 在Moscone 中心附近的Marriott Marquee 舉辦了一場技術論壇。近年來，Imec 論壇已經從我介紹的工藝技術轉向更多的系統和應用論壇，但仍有一些工藝內容。
在 Luc Van den hove 的演講中，他展示了如圖 1 所示的路線圖幻燈片。
圖 1. Imec 路線圖
對于某些圈子里關于摩爾定律死亡的所有討論，Imec 路線圖展示了十多年的持續邏輯擴展。
在 N2 節點上，Imec 展示了向 Gate-All-Around (GAA) 納米片的過渡，三星正在為其 3nm 節點引入 GAA 納米片，英特爾和臺積電宣布用于 2nm（英特爾 20A）的 GAA 納米片。經過兩代納米片后，Imec 過渡到了 Forksheets。這是納米片的一種變體，可降低cell的軌道高度。目前，我不清楚 Imec 的 Forkseheet 提案在設備制造商中的吸引力有多大，因為我真的沒有看到除Imec 之外的 供應商在Forksheets 上做任何的工作。在 Forksheet 的兩代之后，Imec 開始引入 CFET。供應商們在 CFET 方面做了大量工作，尤其是英特爾和臺積電。上一代 CFET 引入了原子級薄片。
在 Geert Van der Plas 的演講中，關于潛在路線圖的更多細節被提出。
圖 2. Imec 路線圖晶體管密度
從圖 2 中可以看出，盡管密度繼續增加，但速率下降到每個節點的 1.2 倍至 1.3 倍。
圖 3 顯示了標準單元、背面、生產線后端和 CMOS 2.0 創新的擴展路線圖的一些額外細節。標準單元微縮越來越受到設計-技術-協同優化 (DTCO) 的推動，例如單擴散中斷（single diffusion break）、有源柵極上的接觸（contact over active gate）、叉板墻（forksheet wall）等。晶圓背面正成為通過背面功率傳輸進行微縮的關鍵部分。BEOL 將需要新的材料和圖案化技術來支持更密集的設備。
圖 3. 晶體管縮放創新
圖 4 展示了晶圓背面的一些選項，不僅提供背面功率傳輸，還可能包含有源器件。
圖 4. 背面選項
之后，我參加了由 Linx Consulting 主持的“與制造 3D 設備和結構相關的獨特挑戰，包括 GAA、3D DRAM 和 3D NAND”技術講座。
三星的演講者 Nabil Mistkawi 表示，在 7nm 及以下的drying 可能需要五個步驟來防止圖案塌陷（pattern collapse），這確實說明了前沿技術帶來的制造困難.
Screen 的 Ian Brown 更詳細地介紹了前沿的圖案塌陷以及cleaning 和drying挑戰。
對于邏輯器件，淺溝槽隔離/鰭的形成和多晶硅后蝕刻是關鍵步驟。納米片增加了很多表面，其中一些是隱藏的，水平納米片釋放非常關鍵。3D NAND 氮化硅去除需要一個快速的過程，但您必須避免二氧化硅沉淀。DRAM 有源和電容器的形成非常關鍵。
拉普拉斯壓力和表面張力會導致 3D 結構坍塌。Spin dryers已被 IPA dryers取代，但它們對表面狀態很敏感。今天，在干燥前修改親水表面使其具有疏水性是最先進的邏輯。
在工業早期，顆粒通過在其下方蝕刻去除，然后過渡到兆聲波（megasonics），但在 65nm 以下存在損壞問題。今天使用spin cleaners ，但如果壓力過高，它們會造成損壞。目前可用的最佳drying技術是超臨界二氧化碳，但由于設備成本的原因，它速度慢且成本高。
最后，應用材料公司的 Aviram Tam 討論了檢測和計量挑戰。3D 結構需要一種可以查看結構的技術。高能電子束能夠觀察結構并表征結構尺寸與深度的關系。隨著 EUV 光學覆蓋的出現不再足夠準確，這里也正在研究 eBeam。
未來二十年，芯片要到這些墻
近日，在 SEMICON West 開始之前，imec 舉辦了年度國際技術論壇 (ITF)。會上，imec 總裁兼首席執行官 Luc Van den hove 介紹了他對 20 年技術路線圖的看法，他表示，該路線圖比該行業過去幾十年取得的成就更加激進。而imec將利用我們的核心半導體專業知識，通過在半導體技術層面、系統和應用層面的共同創新。
Luc Van den hove首先表示，半導體行業長期以來一直遵循傳統的Dennard 縮放推動行業發展，它希望以更低的功耗和更低的成本提供更高的性能和更高的密度。“但這個一維版本的路線圖在未來可能已經不夠用了，”Luc Van den hove說。“我們將不得不針對特定應用調整我們的設備。”
傳統的擴展在功率、性能、擴展和成本方面遇到了多重障礙。而只是基于光刻的微縮也變得越來越難。“它并沒有停止，而是變得越來越難。我們習慣于從節點到節點的單個晶體管的性能改進一直在放緩。這就是我們必須進行大規模并行化的原因。”Luc Van den hove強調。
系統性能越來越受到核心處理器和內存之間的數據路徑限制的支配，這造成了數據處理限制，尤其是在 AI 應用程序中。“這就是我們所說的記憶墻。內存峰值帶寬無法跟上處理器峰值吞吐量，”Van den hove 接著說。
另一面墻是電源墻。“將所有功率輸入我們的芯片變得越來越難，而且從每個芯片中提取熱量也變得越來越難。因此，我們需要新的冷卻技術，”Van den hove 表示。
成本也在爆炸式增長，這是芯片未來面臨的另一堵墻，這個問題則需要通過復雜性增加來彌補。
“傳統的縮放顯然正在擊中許多這樣的墻，我們將不得不開發技術解決方案來真正拆除這些墻，以使摩爾定律得以延續，”Van den hove 說。
對于這種墻壁拆除，需要多種方法，包括尺寸縮小、新開關/晶體管的開發、第三維度的增加使用以及設計優化的系統級方法。
而按照Van den hove的說法，我們3 年內需要High NA EUV光刻機
Imec 主持了一些關于 EUV 的最早工作，Van den hove 表示，隨著 EUV 進入大批量制造，光刻路線圖最近經歷了“驚人的推動”。“這發生在5納米節點。這比最初預期的要難得多。這要花更長的時間，但要感謝 ASML 和蔡司等公司的非凡奉獻和承諾，”他說。“我們相信當前版本的 EUV 可以擴展到2納米甚至更遠的節點，但要超越這一點，我們將需要下一個版本的 EUV。” 這將需要開發更大的鏡頭和新的系統平臺。光學器件必須符合驚人的規格，直徑為 1 米的鏡頭，其精度將超過 20 皮米。“如果我們將其推斷為地球的大小，這意味著我們必須以人類頭發粗細的精度來打磨地球。這令人難以置信，令人難以置信，”Van den hove說。“我們預計第一臺機器將在明年準備就緒。”
High NA EUV 的引入也將在工藝方面帶來許多挑戰。“為了以積極主動的方式解決這些問題，我們正在與 ASML 一起建立一個聯合High NA 實驗室，該實驗室圍繞第一臺原型機建造，將與 TEL 軌道連接，并配備最先進的計量能力。我們這樣做是因為及時引入High NA EUV 的挑戰將是巨大的，”Van den hove 說。“從第一臺 EUV 掃描儀到投入大批量生產，我們花了大約 10 年的時間。對于High NA，我們將有更少的時間，只有三年。為了避免在制造中引入這種情況，我們正在建立一個非常密集的計劃，以開發所有關鍵的支持構建模塊，例如掩模技術和使用濕式或干式紫外線抗蝕劑的材料。”
與此同時，Van den hove 還談了一些設備的創新
Van den hove 描述了幾項針對破壞性晶體管架構提出的創新，以實現進一步的擴展，包括由納米片堆疊構成的環柵設計（gate-all-around），以及一種稱為叉片（forksheet ）器件的新晶體管概念，其中 N 和 P溝道晶體管靠得更近。“這種forksheet 設備，我們將其視為標準納米片概念的延伸，我們相信它將在相當于一納米一代的情況下推出，”Van den hove 說。他還描述了一種將 N 和 P 溝道晶體管堆疊在彼此頂部的選項，稱為互補 FET (CFET) 器件。
“很明顯，您可以在縮小單元尺寸方面實現另一個非常重要的步驟，但顯然是以更復雜的接觸方案來接觸源極和漏極區域為代價的。但我們相信，我們已經找到了開發的集成方案，可以通過優化外延工藝、圖案化工藝以及利用非常復雜的沉積工藝來實現接觸結構，從而實現這種晶體管，”Van den hove 說。
其他創新包括減少硅溝道的厚度以減少通道長度。這可以通過使用新材料來實現，如用二維材料、原子平坦的單層（例如，鎢或鉬的硫化物或硒化物）代替硅。“我們最近展示了使用 300 毫米設備制造的第一批設備，”他說。
Van den hove 表示，持續的尺寸縮放、新的晶體管架構、新材料的引入以及創新的互連架構（埋入式電源軌）相結合將是成功的秘訣。他說：“我們相信，我們可以為未來 8 到 10 代芯片提出路線圖——以 2 到 2 年半的節奏推出——這將為我們帶來未來 20 年的路線圖。
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