為了實現更小、更快、更節能,芯片制造經歷了什么?

EDA/PCB 時間:2022-05-10來源:電子產品世界


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每隔幾個月就會有更新換代的電子產品問世。它們通常更小、更智能,不僅擁有更快的運行速度與更多帶寬,還更加節能,這一切都要歸功于新一代先進的芯片和處理器。

跨入數字化時代,我們如同相信太陽明天一定會升起那樣,確信新設備會不斷地推陳出新。而在幕后,則是工程師們積極研究半導體技術路線圖,以確保新設備所需的下一代芯片能夠就緒。

很長一段時間以來,芯片的進步都是通過縮小晶體管的尺寸來實現的,這樣就可以在一片晶圓上制造更多晶體管,從而使晶體管的數量在每12-24個月翻一番——這就是眾所周知的“摩爾定律”。多年來,為了跟上時代的步伐,整個行業進行了諸多重大的創新,包括銅/低k互連、新型晶體管材料、多重圖形化方案和三維(3D)架構。

開發3D結構的轉變帶來了新的挑戰,隨著深寬比的增加,挑戰也在加劇。你可能已經想到,3D架構需要從器件設計上做根本性改變,需要新的材料、新的沉積和刻蝕方法來實現。在本文中,我們將帶大家一起回顧半導體行業在實現3D架構過程中的重要里程碑。

準備階段:平面工藝

創建集成電路最初是一個二維的問題:取一塊平坦的硅片,在表面放置各種結構,用導線將它們連接起來。這是通過沉積一層層的材料,利用光刻技術對其進行圖形化處理,并在暴露的區域刻蝕出必要的特征來完成的。這曾是電子工業的一個巨大突破。

隨著技術需求的不斷發展,需要在更緊湊的空間中構建更多的電路,以支持更小的結構。過去相對直接的過程變得越來越復雜。

隨著創建2D結構的成本不斷增加,以及在二維平面上進行微縮的可行方法逐漸枯竭,3D結構變得越來越有吸引力。半導體行業早在十多年前就開始開發早期的選擇性刻蝕應用以支持3D技術,并不斷擴展,從封裝到非易失性存儲器甚至晶體管本身。

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晶體管走向3D

許多電子系統的主力都是晶體管。在過去,晶體管一直是扁平結構,其特性由晶體管通道的寬度和長度決定。晶體管性能由放置在通道上的柵極控制,不過這只能提供有限的控制,因為通道的另一邊和底部不受控制。

從平面轉向3D的第一步是為通道設計一個鰭,它可以由三面的柵極控制。不過,為了實現最優控制,需要接觸到晶體管的所有四面,因而推動了全包圍柵極(GAA)晶體管的發展。在GAA結構中,多根導線或多個薄片相互堆棧在一起,柵極材料完全包圍著通道。

閃存提升

向3D的轉變早在10年前就被應用于NAND閃存,當時內存位的水平字符串是向上堆棧的。

垂直結構由交替的薄層材料和盡可能多的工藝層堆棧而成。在構建這樣的結構時,至少在兩方面需要特別小心:第一,每一層都必須厚度均勻,并且非常平整,使每層中的位都與其他位具有相同的尺寸;第二,各層必須相互連接——這需要先建構一層堆棧并通過刻蝕在堆棧中進行鉆孔,然后用適當的連接材料來填充這些孔,從而完成這樣的結構。這其中,無論是刻蝕還是沉積工藝都極具挑戰性,需要精確的執行。

這些挑戰限制了堆棧的層數,因此需要采用新的方法來增加層數。

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展望未來:3D DRAM

動態隨機存取存儲器(DRAM) 的物理機制與3D NAND完全不同,所用的方法也做了徹底的改變。

DRAM需要高容量的電容器,這對于在2D陣列中進行精確構建是一個挑戰。垂直堆棧的難度更大,還需要更多研發以找到經濟的方法來將電介質和活性硅堆棧在一起。光刻可能需要同時影響多層——目前還沒有可量產的工藝。

3D封裝越來越受歡迎

芯片經過封裝后被放置在印制電路板(PCB)上。在過去,封裝只是為了保護脆弱的硅芯片,并將其連接到電路板上。如今,封裝通常包含多個芯片,隨著縮小芯片占用空間的需求提升,封裝也開始轉向3D。

3D封裝要求芯片被堆棧起來,這涉及到芯片之間的密集連接——這種連接可以提高信號速度,因為它們短得多,又可以同時傳輸更多信號。然而,在兩個以上芯片的堆棧中,其中一些信號還需要通過傳導通道連接到堆棧更高的芯片,這些通道被稱為“硅通孔”(TSVs)。

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3D芯片堆棧重要的終端市場應用一直在內存領域——高帶寬內存 (HBM) 是最為常見的。內存芯片還可以被堆棧到CPU或其他邏輯芯片上,以加快從內存中獲取數據的速度。

如今,3D是微縮的必要條件

在解決半導體制造中的所有微縮限制時,考慮3D已成為標準做法。雖然3D可能不是解決所有問題的選擇,但它在上述應用中特別有用。

每一個新的應用都伴隨著如何構建的難題,這需要創新的思維和硅工藝領域的持續發展,半導體制造設備就是芯片行業不斷實現3D結構的主要推動者。

關鍵詞: 芯片 制造

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