金属功《拼音：gōng》函数大于半导体功函数

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介质（在薄的栅氧情况下，栅漏不会太大【读：dà】）

芯片行业中FinFET技术寿命已经将近终结，接班人是谁？

大热门:水平沟道栅极环(繁：環)绕技术

实际上芯片厂商们一直在研究5nm节【繁：節】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（练：gōng）开（繁体：開）了自己的计划。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年以前三星会在其4nm节点启用基于纳米片形状的鳍片结构(官《pinyin：guān》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绕技术(Horizontal gate-all-around，有些文献中又称为Lateral gate-all-around，以下简称水平GAA，栅极环绕则简称GAA)的一种.

尽管并没有公开对外宣布，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（繁：採）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（繁体：隸）属于水平GAA，其它的变体（繁体：體）还包括六角形鳍片，纳米环形鳍片等.

图一:澳门银河水平GAA的【练：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减小电容，增加沟道的电流等等问题做文章.就以三星MBCFET这种纳米板片形状沟道为{pinyin：wèi}例，Intel Bohr就曾经作出如此的评价:"...这种设计其实并没有他们（繁体：們）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(繁：線)沟道更给力."

目前为止，看起来水平GAA结构是最有望现实化（拼音：huà）的Finfet接班人.之所以(读：yǐ)如此，主要有以下《xià》几个原因:

首先，同等尺寸结构下，沟道控制能力增{练：zēng}强，因此[cǐ]给尺寸进一步微缩提供了可能传统Finfet的沟道仅三面被栅极包围，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，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【zhèng】是这一点让我们得以继续微缩栅长尺寸."

第二，传统FinFET在尺寸微缩路线上已经难以为继。fINFET晶体管一个主要的微缩尺寸特性参数是栅极距.对Intel 10nm器件而言，栅极距[拼音：jù]数值是54nm，而其14nm器件的相应[繁体：應]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[繁体：柵]极距时会出现问题（繁体：題）.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{繁体：線}Ge沟道实物及其制作过程

第三，这项技术shù 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一样是沿芯片的水平方向，与之相对的是后文略有提及的所谓"垂chuí 直沟道"(Vertical FET)，其区别如下图所示:

图三:沟道方向:水平与垂{pinyin：chuí}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[拼音：jì]术改变沟道控制机理，增加亚阀值斜率，因而能在很低的电压下工作zuò 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【pinyin：rè】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（拼音：shì）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，我们还有足够多的想法可以应对."

不过在分析师们眼(pinyin：yǎn)里，至少到10/7nm节点，传统Finfet技[读：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，低成本的组合特色."

新技[读：jì]术的优势不在于成本，主要是性能上的提升

10/7nm之后的下一步，当节点制程进步到5nm或更高[拼音：gāo]级别时，成本会变的越发高昂，并且只适用于特定的应《繁体：應》用，如此GAA技术很hěn 有可能被采用，不过新技术的优势主要还是在于高性能"John表示.

根据IBS的【读：de】估算，在5nm节点，设（繁体：設）计一款主流芯片的成本将高达4.76亿美元水平，而7nm节点的成本仅《繁体：僅》3.492亿，28nm则是0.629亿.

图四:芯片设计成（练：chéng）本的变迁

GAA:更多duō 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.随着时间的推移，这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《拼音：liàng》，当然数量无法无限制地增加下去世界杯，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的鳍片高度时所遇到的一样."

GlobalFoundries， IBM和三星最近共同展示了一份文件，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[繁：術]不仅性能优秀而且【拼音：qiě】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) 传统finFET， (b) 纳米线沟道GAA (c) 纳(繁：納)米板【bǎn】片沟道GAA

文件中公开的这款GAA器件采用EUV光刻来制作部分电路层，器件的沟道采用纳米板片沟道《pinyin：dào》，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.栅极长度12nm，多晶硅触点节距为44/48nm.按文件《jiàn》披露，该《繁：該》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技术构造的该器件反相器以及SRAM单元部分（读：fēn）的图片，在《pinyin：zài》这些部分中纳米板片沟道的宽度从15-45nm不等

图六 纳米板片堆叠成型工[拼音：gōng]艺顺序及TEM照片

图七 细节说[拼音：shuō]明图

粗探GAA关键制作过[guò]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【练：zhì】，缺陷控制，制程变差控制只是其中的一部分挑战(拼音：zhàn).

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"理论上说"和"三层"的来由.)

接着，与finfet类似，需{xū}要形成STI浅槽隔离结构.应用【练：yòng】材料公司的Chudzik表示:"这一步非常关键，因为超晶格结构中SIGE与Si的结合面处能带变化曲线非常陡峭."

来到下一个关键之处，栅极不仅仅包围着沟道，也会包裹一部分漏源极触点区域，这[zhè]会导致电容的增加."因此我们需要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【bèi】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【拼音：tōng】过采用替换工艺，去除多余的SiGe层，空出来部分用Si填补形成沟道

最后淀积高K金属栅结构，这样就形成环绕着(pinyin：zhe)纳米线沟道的栅极.

GAA:光罩/光《pinyin：guāng》刻层面的挑战

在制作GAA的过程中，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[拼音：diǎn]，制造商还在使用193液浸光刻机和多重成像技术.到《拼音：dào》7/5nm节点，业界希望EUV光刻也能够参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【pinyin：de】图像.

芯片厂商希望能将EUV应用到最困难[繁：難]的光刻工序即金属1层以及过孔生成工序.而其它大部分工序【pinyin：xù】则还会使用193液浸 多重成像来制作.

按ASML的说法，相比基于(拼音：yú)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能为制造商省去很多复杂的工序.想一想多重（读：zhòng）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（读：zuì）近可谓突飞猛进，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{练：chū}期型号将配用140W光源，产能可达100片晶圆每小（拼音：xiǎo）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de 机型.最近ASML已经开发出了这种机型，明年早些{拼音：xiē}时候会开始交付.

EUV光刻胶则是另外一只拦路虎.EUV产能要想达标，光刻胶的照射反应剂量水平必须不高于20mJ/cm².可【读：kě】是按Lam Research的高管Richard Wise介绍:"目前《练：qián》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30mJ/cm²剂量水平，250w光源的EUV光刻机（读：jī）每小时产能只【练：zhǐ】能做到90片，显然低于理想的125片.

要开发理想的光刻胶同样充满着挑战.Wise解(拼音：jiě)释说:"由于EUV光刻产生的一些随机效应，光刻胶的照射剂量水shuǐ 平要想降低需xū 要解决很多物理方面的挑战."

挑战之一是所谓的光子发射噪声现象.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{rú}线边缘粗糙(line-edge roughness:LER)，所谓LER指的是图像边缘的实际形状偏离【繁体：離】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是由不透明的铬层覆《读：fù》盖在玻璃基体上制成，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澳门新葡京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光罩厂商就需要使用新的设备来制作这些光罩.例如由于光罩复杂性增加，导致光罩的制作时间变长，幸运飞艇那么目前大家使用的可变形状电子束设备(繁：備)(VSB)制作光罩的速度就会跟不上.

解决方案是启用多束电子束设（繁体：設）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公司也（练：yě）在研发类似的多束产品[读：pǐn].

多束装备能够提高光罩的加工速度，降低成本，还有助于提高光罩的良率.D2S的Fujimura解释说:"大部分光罩仍可《pinyin：kě》以使用VSB可变形状电子束设备来制作，但《拼音：dàn》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，届时多束shù 写入设备会得到很多订单.举例而言，假如光罩图案上有许多彼此不成直角（jiǎo）或者45度角的图形，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{lǜ}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【shàng】的图形数量会暴增.不过也许改良后的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5极速赛车/北京赛车nm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(繁：會)给测量带来麻烦."KLA-Tencor的高管Neeraj Khanna介绍说:"EUV在这些节点大量使用以后，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，厂商将不得不增加采样测试的频率和数量."

更远的未来：摆在面前的三条(繁：條)路

目光再放远一些，目前来看，将来主要会有三条路可供选择:一是继续（繁：續）微缩节点尺寸二是停止微缩，停留在工艺成熟的制程节【繁：節】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的最有力接班者.如果将眼光再放[读：fàng]得长远一点，当然还会有《pinyin：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(繁：種)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，而我们上面所说的栅极环绕技术中，上下堆叠在一起的沟道(拼音：dào)则只能是基于pFET或者是nFET其中的一种.

CFET，TFET以及垂直纳米线结构VFET技术都是更具革命性的技术，难《繁：難》以在短期内开发完成，它们要想{练：xiǎng}发[fā]展都需要有所突破.

图八:未来的下一代晶体[繁：體]管结构技术

GlobalFoundries的技术高【读：gāo】管Gary Patton表示"7nm会是一个相【练：xiāng】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（读：jiān）来拓展现有的Finfet."

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

最终的抉择和实现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(拼音：wù)的实现方法现在不再像过【练：guò】去那nà 样那么直接，现在我们需要反复审查我们的制程技术发展方向."

实际上，一项技术停留{liú}在研发阶段的时间可能达到数十年，最zuì 后，业界标准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就得靠边站.

并非人人都需要（练：yào）阳春白雪

所幸的是，并非所有的公司都需要finfet和纳米线这类技术【shù】，大部分公司仍停留在22nm平面形晶体管制程水【拼音：shuǐ】平.很多公司无法负担finfet的费《繁体：費》用，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联电公司高管Walter Ng表示:"10/7/5nm听起来很吸引人，不过又有几(繁：幾)家公司有能力支付相关的开发，验证，生产的一连[繁：連]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(拼音：zài)22nm平面型技术的公司而言，挑战依然存在.Walter表示:"大《练：dà》家都需要增加竞争【zhēng】力，因此产品差异化和成本降低就成了大家努力的方向."

这就是为什么许多厂家都《dōu》对封装技术的发（繁：發）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，顾客可能采用传统的倒装式BGA封装.而新封装[繁：裝]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【zhèng】确答案.人们需要根据实际的应（读：yīng）用来选择不同的物理解决方案."他{tā}认为目前并没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《繁：對》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种多赢的局面，不过当然会是在各种不同的应用领域."

他认为:"在我[拼音：wǒ]猜测，7nm节点会是变革的前奏点，7nm节点仍将基于finfet技《pinyin：jì》术，而到5nm节点，finfet技术会进行进化.不过请记住基（拼音：jī）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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