金属功函数大于半导体功gōng 函数

为什么随着mosfet特征尺寸不断减小，cmos集成电路工艺中需要引入金属栅，h-k和l-k介？因为尺寸减小引起漏电流增大（栅极控制能力减弱），短沟道效应出现，严重影响器件开关特性。所以出现高K介质（

为什么随着mosfet特征尺寸不断减小，cmos集成电路工艺中需要引入金属栅，h-k和l-k介？

所以出现高K介《读：jiè》质（在薄的栅氧情况下，栅漏不会太大）

芯片行业中FinFET技术寿命已经将近终结，接班人是谁？

大（读：dà）热门:水平沟道栅极环绕技术

实际上芯片厂商们一直在研究5nm节点水平可用的各种新晶体管技术，不过目前为止只有三星对外公开了自己的（de）计划。今年5月份，三星展示了未来几年技术发展路线图，按该图显示，2020年以前三星《拼音：xīng》会在其4nm节点启用基于纳米片形状的鳍片结构(官方的称呼是MBCFET:Multi-Bridge-Channel MOSFET 多路桥接型沟道MOSFET).如我们下面将会介绍的那样，三星口中的MBCFET，其实属于水平沟道栅极环[繁体：環]绕技术(Horizontal gate-all-around，有些文献中又称为Lateral gate-all-around，以【读：yǐ】下简称水平GAA，栅极环绕则简称GAA)的一种.

尽管并没有{yǒu}公开对外宣布，但其它的芯片厂商其实也在同一个方向努力，所《拼音：suǒ》计划的启用时间点也是大同小异.大家都是采用水平GAA，只不过鳍片形状各有不同，三星是采用纳米板片形状的鳍片，有些厂商则倾向横截面为圆形纳米线形状的鳍片....这些都隶属于水平GAA，其它的变体还包括六角形鳍片，纳米环形鳍片等.

图一:水平GAA的(de)不同种类

各种不同沟道形状的设计都有自己的优缺点，但基本都是围绕如何《拼音：hé》减小电容，增加沟道的电流等等问题做文章.就{jiù}以三星MBCFET这种纳米板片形状沟道为例，Intel Bohr就曾经作出如此的（pinyin：de）评价:"...这种设计其实并没有他们吹嘘得那么惊天地泣鬼神，只不过是把传统的finfet平躺下来摆放而已，还不清楚这种设计是不是就比纳米线沟道更给力."

目前为止，看起来水平GAA结构是最有望现实化(练：huà)的Finfet接班人.之所以如此，主要有【读：yǒu】以下几个原因:

首先，同等尺寸结构下，沟道控制能力增强，因此给尺寸进一步微缩提供了可能传统Finfet的沟道【读：dào】仅三面被栅极包围，而GAA以纳米线沟道设计为例，沟道的整个外轮廓都被栅极完全包裹住{pinyin：zhù}，这就意味着栅极对沟道的控制性能就更好.应用材料公司的高管Mike Chudzik说:"正是这一点让我们得以继续微(pinyin：wēi)缩栅长尺寸."

第二，传统FinFET在尺寸微缩路线上已经难以为继(繁：繼)。fINFET晶体管一个主要的{练：de}微缩尺寸特性参数是栅极距.对Intel 10nm器(qì)件而言，栅极距数值是54nm，而其14nm器件的相应值则是70nm.

而根据IMEC的模拟测试结果，当栅极距进一步下降到40nm水平时，传统Finfet在42nm栅极距时会出现问题.IMEC的高管An Steegen表示:"采用纳米线沟道结构GAA则可以将栅极距《拼音：jù》进一步下降，同时还有更好的静电控制能力."按照IMEC的模拟，纳【繁体：納】米线沟道结构的Finfet可以在栅极距36nm时仍可满足要求，同时他们还给出了一种可以将纳米线直径降低到9nm的方案.

图二:IMEC的9nm直径纳米线Ge沟道实物及其制{练：zhì}作过程

第三，这项技术可以说是Finfet的改良版本，因此从制造工艺，工序，工具等角度与现用的Finfet都会有许多相似之处.这种技术从本质上讲仍属于Finfet的范畴，只是沟道的四周全部被栅极所包围，将过去的单一鳍片再细分为多个更小的鳍片并联起来而已.附带一提，我们所谓的"水平沟道"，是指沟道方向仍和传统finfet一样是(拼音：shì)沿芯片的水平方向，与之相xiāng 对的是后文略有提及的所谓"垂直沟道"(Vertical FET)，其区别如下图所示:

图三:沟道方向:水{读：shuǐ}平与垂直

第四，虽然除了GAA之外，还有许多其它选项，但这些其它选项相比GAA目前来看还不够成熟.以上我们所介绍的方案都是从改变沟道形状上做文章，自然还[繁体：還]有其它选项.比如改变沟道材料为III-V族元素，从而改善沟道迁移率的III-V族技术改【读：gǎi】变沟道控制机理，增加亚阀值斜率，因而能在很低的电压下工作的隧穿式FET(Tunnel FET).

难怪Intel高管Bohr在一次访谈时会表示:"虽然GAA是目前的热门，但各方的意见还是有所不同，我不好现在就给GAA下个定论，但它无疑是现在的热点技术.现在要给结论还为时过早，不过起码看起来面对未来的再多几个节点制程，我们还有足（读：zú）够多{pinyin：duō}的想法可以应对."

不过在分析师们眼里，至少到10/7nm节点，传统Finfet技{pinyin：jì}术的生命还将延续，按照IBS的高管Handel Jones的原话，"毕竟它具备高性能，低耗电，低(pinyin：dī)成本的组合特色."

新技术幸运飞艇的优势不在于成本，主要是[pinyin：shì]性能上的提升

10/7nm之后的下一步，当节点制程进步到5nm或更高级别时，成本会变的越发高昂，并且只适用于yú 特定的应用，如此GAA技术很有可能被采用，不过新技术{练：shù}的优势主要还是在于高性能"John表示.

根据IBS的估算，在5nm节点，设计一款主【zhǔ】流芯片的成本将高达4.76亿美元水平，而7nm节点的成本[练：běn]仅3.492亿，28nm则是0.629亿.

图四:芯片设(繁体：設)计成本的变迁

GAA:直播吧更[练：gèng]多实物细节

第一款GAA器件所拥有的并联线数量很可能会是三条.随着《读：zhe》时间的推移，这《繁体：這》个数量还会进一步增加以进一步提升性能."我们当然不想推出一种只能在某一个节点制程才能使用的技术，因此下一步要做的是增加纳米板片的堆叠数量，当然数量无法无限制地增加下去，因为还会遇到诸如寄生电阻，寄生电容这类问题，就像今天我们不断增加finfet的(拼音：de)鳍片高度时所遇到的一样（繁：樣）."

GlobalFoundries， IBM和三星{xīng}最近共同展示了一份《读：fèn》文件，文件中描述了一种为5/3nm节点准备的纳米板片结构，据称这种技术【练：shù】不仅性能优秀而且制作也较为简单.

图五 不同水平GAA沟道形状的器件截面图 (a) 传{pinyin：chuán}统finFET， (b) 纳米线沟道【读：dào】GAA (c) 纳米板片沟道GAA

文件中公开的这款GAA器件采用EUV光刻来制作【练：zuò】部分电路层，器件的沟道采用纳米板片沟道，沟道材料为Si，沟道厚度5nm，沟道条数为三，各条之间的间距为10nm.栅【pinyin：zhà】极长度12nm，多晶硅触点节距为44/48nm.按文件披露，该器件nFET的亚阀值斜率为75mV/dec(电压每上升75mv，电流值增加10倍)，pFET的亚阀值斜率则可达85mV/dec.

文件中给出了用GAA技术构造的该《繁体：該》器件反相器以及SRAM单元部分的图片，在{zài}这些部分中纳米板片沟道的宽度【pinyin：dù】从15-45nm不等

图六 纳米板片堆叠成型工艺（繁体：藝）顺序及TEM照片

图七 细节说明图《繁体：圖》

粗探(pinyin：tàn)GAA关键制作过程:

如上可知，总体上讲，制作GAA与传统FINFET具有相似之处，但GAA的制作显然更富挑战，成像控制，缺陷控制，制程变差控制只是其中的一部分挑战.

首先，GAA的主要目的是通过使用外延反应器在基体上制作出超晶格结构(两种或多种材料构成的周期性交替层结构).这种结构是由周期性变化组分的SiGe以及Si的薄层所组成的.理论上说，这样的结构至少需要由三层SiGe和三层Si堆叠而成.(为什么理论上说是三层?因为前面说过第一款GAA很可能有三条并（繁体：並）联沟道.SiGe作为RSB层，沟道材料采用Si制作，如果忽略SiGe牺牲层就是三层叠加，这就是【练：shì】"理论上说"和"三层"的来由.)

接[练：jiē]着，与finfet类似，需要形成STI浅槽隔离结构.应用材料公司的Chudzik表示:"这一步非常关键，因为(繁：爲)超晶格结构中SIGE与Si的结合面处能带变化（pinyin：huà）曲线非常陡峭."

来到下一个关键之处，栅极不仅仅包围着沟道，也会包裹[拼音：guǒ]一部分漏源极触点区域，这会导致电容的增加."因此我们需要{练：yào}形成一层中间隔离层（inner spacer），以便把栅极底部的高K绝缘层和漏源区隔开，这可以通过原子层淀积设备来实现."（这是因为如今普遍采用Gate last工艺来制作高K金属栅极，顺序是先制作出多晶伪栅（dummy gate，有些资料里也称为牺牲栅等等），此后生成漏源极结构，最后去掉伪栅制作金属栅极结构，故最后生成高K金属栅极前如果不用中间隔离层提前包住漏源区，高K金属栅最下层的高K绝缘层会“污染”漏源区。）

接着，通过采用替换工艺，去除多{pinyin：duō}余的SiGe层，空出来部分用Si填补形成沟道

最后淀积高K金属栅（繁体：柵）结构，这样就形成环绕着纳米线沟道的栅极.

GAA:光《读：guāng》罩/光刻层面的挑战

在制作GAA的过{练：guò}程中，当然需要经历一系列的光刻工序.在目前的16/14nm节点乃至10/7nm节点，制造商还在使用193液浸光刻机和多重成像技术.到7/5nm节点，业{pinyin：yè}界希望EUV光刻也能够参《繁体：蔘》与到器件的制作中来，EUV光刻由于使用的是13.5nm的波长，因此能够形成更为精细的图像.

芯片厂商希望能将EUV应用到最困难的《练：de》光刻工序即金属1层以及过孔生成工序.而其它大部分工序则还会使用193液浸 多重成像来制zhì 作.

按ASML的说法，相比基于液浸光刻的三重成像技术，EUV技术的使用能够将金属层的制作成本降低（dī）9%，过孔的制作成本则可降低28%. ASML的高管Michael Lercel表示:"EUV能为制造商省《shěng》去很多复杂的工序.想一想多重成像工序的成本，再加上与之相关的清洗等工序的成本，我们相信EUV的成本相比三重乃【读：nǎi】至四重成像要更低."

尽管相比前几年，EUV技术实用化的进程最近可谓[繁：謂]突飞猛进，不过EUV目前还没有发展成熟到厂商可以即插即用的地步.目前ASML还在准备其NXE:3400B EUV机型，这种机型的初期型[拼音：xíng]号将配用140W光源，产能可达100片晶圆每小时.

而芯片厂商真正需要的是250w光源，产能125片晶圆每小时的机型.最近(拼音：jìn)ASML已经(繁体：經)开发出了这种机型，明年早些时候会开始交付.

EUV光刻胶[繁：膠]则是另外一只拦路（pinyin：lù）虎.EUV产能要想达标，光刻《拼音：kè》胶的照射反应剂量水平必须不高于20mJ/cm².可是按Lam Research的高管Richard Wise介绍:"目前要想得到完美的成像，EUV光刻胶的照射剂量普遍需要达到30-40mJ/cm²."

在[读：zài]30mJ/cm²剂量水平，250w光源的EUV光刻机每小时(繁：時)产能只能做到90片，显然低于理想的125片{piàn}.

要开发理想的光刻胶同样充满着挑战.Wise解释说:"由于EUV光刻产生的de 一些随(繁体：隨)机效应，光刻胶的照射剂量水平要想降低需要解决很多物理方面的挑战."

挑战之一是所谓的de 光子发射噪声现象.光子是光的基本粒子，成像过程中照射光光子数量的变化会影响EUV光刻胶的性能.因此产生一些不希望有的缺陷，比如线边缘粗糙(line-edg亚博体育e roughness:LER)，所谓LER指的是图像边缘的实际形状偏离了理想的形状.

就在业界还在与光刻胶角力的同时，光罩厂商也在开发EUV用光罩.目前我们所用的光罩主要《拼音：yào》是由不透明的铬层覆盖在（pinyin：zài）玻璃基体上制成，相比之下，EUV光刻使用镜面反射光而不是用透镜折射光，因此光罩也需要改成反射型，光罩改用覆盖在基体上的硅和钼层来制作.而且光罩的准确度，精密度都比以往要求更高.

这样，EUV光罩厂商就澳门新葡京需要使用新的设备来《繁体：來》制作这些光罩.例如由于光罩复杂性增加，导致光罩的制作时间变长，那么目前大家使用的可变形状电子束设备(VSB)制作光罩的速度就会跟不上.

解决方案是启用多束{shù}电子《读：zi》束设备.IMS公司已经开始发售这种多电子束产品，可用于制作传统光罩和EUV光罩，而NuFlare公司(拼音：sī)也在研发类似的多束产品.

多束装备能够提高光罩的加工速度，降低成（读：chéng）本，还有助于提高光罩的良率.D2S的Fujimura解释说:"大部分光罩仍可以使用VSB可变形状电子（zi）束设《繁体：設》备来制作，但是对少数复杂芯片而言，要想保持加工速度，必须使用多束设备."

"EUV在5nm节点时会彻底成熟（shú），届时多束写入设备会得到很多订单.举例而言（yán），假如光罩图案上有许多彼此不成直角或者45度角的图形（pinyin：xíng），那么肯定要使用多束设备来制作.以往光罩图形上的一些小扰动不会影响到193i光刻机的成像，但是现在EUV的分辨率提高了很多，这就对光罩提出了更高要求，特别是关键层用光罩上的图形数量会暴增.不过《繁体：過》也许改良后的VSB电子束设备还是可以在大多数的EUV光罩制作时使用."

检验/测量方面[繁：麪]的挑战

到5nm节点以后，芯片产品的检验和测量技术也将遇到挑战."将来发展到垂直型结构，很多原来比较容易检测到的缺陷由于工艺原因会被埋藏起来，而器件结构形状上的复杂化则会给测量带来(繁：來)麻烦."KLA-Tencor的高管Neeraj Khanna介绍说:"EUV在这些节点大量使用以{读：yǐ}后，会带来新的随机或系统性的缺陷产生方式，由于随机因素增加，厂商将不得不增[练：zēng]加采样测试的频率和数量."

更远的未来：摆在面前的三(sān)条路

目光再放远一些(练：xiē)，目前来看，将来主要会有三条路可(读：kě)供选择:一是继续微缩节点尺寸二是停止微缩，停留在工艺成熟的制程节点三是封装技术升级.

那些开发预算丰厚的厂家很有可能会在10/7nm及以后继续传统的尺寸微缩路线.至少目前来看，这方面GAA无疑将是Finfet的最(练：zuì)有力接班者.如果将眼光再放得【pinyin：dé】长远一点，当然还会有(拼音：yǒu)其它选项，比如III-V族沟道材料的Finfet，隧穿效应TFET，互补式CFET，垂直纳米线结构(VFET)等等.

其中CFET是一种更为复杂的栅极环绕技术，这种技术将nFET和pFET的沟道上下堆叠，而我们{pinyin：men}上面所说的栅极环绕技术中，上下堆叠在一起的沟道则（繁体：則）只能是基于(繁体：於)pFET或者是nFET其中的一种.

CFET，TFET以及垂直纳（繁体：納）米线结构【练：gòu】VFET技术都是更具革命性的技术，难以在{zài}短期内开发完成，它们要想发展都需要有所突破.

图八（bā）:未来的下一代晶体管结构技术

GlobalFoundries的《读：de》技术高管Gary Patton表示"7nm会是一个相对"长寿"的节点，到时候Finfet所拥有的鳍片数量会很多，我们仍有很大的空间来拓展现(繁：現)有的Finfet."

对各大芯片制造商的研{读：yán}发部门来说，Finfet之后需要研究的项目很多.以GlobalFoundries为例，他们目前就正在研{pinyin：yán}究纳米片，纳米线沟道结构以及垂直形纳米线技术.

最终的抉择和实现xiàn 的时间点则有赖于技术和经济因素.Gary Patton表示:"我们所要开发的是可制造性良好，而且有利于成本降低的制程.这项任务的实现方法现在不再像过去那{练：nà}样那么直接，现在我们需要反复（繁：覆）审查我们的制程技术发展方向."

实际上，一项技术停留在研发阶段的时间可能达到数十年，最后，业界标准（读：zhǔn）的制定优势就会被最佳技术开发者赢得，而其它同样也在开发类似技术的（de）就得靠边站.

并非人人都需要阳yáng 春白雪

所幸的是，并非所有的公司(练：sī)都需要finfet和纳米线这类技术，大部分公司仍停留在22nm平面形晶体管制程水平.很多公司无法负担finfet的费用（读：yòng），况且对模拟，射频以及其它许多器件行业而言，finfet则完全没有存在的意义.

UMC联《繁体：聯》电公司高管Walter Ng表示:"10/7/5nm听（读：tīng）起来很吸引人，不过又有几家公司有能力支付相关的开(繁：開)发，验证，生产的一连串高额费用?推动这些尖端技术发展的只不过是极少数的那一小撮几个公司而已."

不过即使对这些停留在22nm平面型技术的公司而言，挑战依然存在《zài》.Walter表示:"大家都需要增加竞争力，因《读：yīn》此产品差异化和成本降低就成了大家努力的方向."

这《繁：這》就是为什么许多厂家都对封装技术的发展非常热衷的原因.所有的芯片产品都需要封装工艺.举例而言，顾客极速赛车/北京赛车可能采用传统的倒装式BGA封装.而新封装技术则在此基础上又向前一步，能够将多个核心封装在同一个封装内部，由此制造出更高性能的产品，这方面最近比较热门的2.5D/3D以及扇出型封装(fan-outs)都是很典型的例子.

那么市场上到底哪种【繁体：種】技术会是最终的胜者呢?Coventor的高管David Fried表示:"这个问题没有固定的正确答案.人们需要根据实际的应用来选择不同的物理解决方案."他认为目前并没(繁体：沒)有一套所谓一招吃遍天下的解决方案.比如，finfet及其后续技术对高端微处理而言适合，"但是对IOT物联网设备而言，可能是错误的发展方向.没有哪项应用能具备推动整个市场需求的能力，我们应当停止寻找一种万金油式新技术的企图.各种新技术可能会形成一（读：yī）种多赢的局面，不过当然会是在各种不同的应《繁体：應》用领域."

他认为:"在我（pinyin：wǒ）猜测，7nm节点会是变革的前奏点，7nm节点仍将基于finfet技术，而到5nm节点，finfet技术会进行进化.不过请[繁：請]记住基于纳米线的水平环绕栅极结构与现有的finfet非常类似.我们希望能够在5nm节点开始能实现纳米线式GAA，再以后就看不太清了."

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