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7nm和5nm的样子会是什么样的?

10nm延迟提出关于下一个内容的问题。

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今年7月,英特尔以一系列未披露的制造问题为由,将其10nm芯片和工艺技术的推出推迟到了2017年下半年。这比预期的时间晚了大约6个月或更久。

随着10nm的延迟,英特尔也将其过程节奏从2年延长到2.5年。与此同时,其他晶圆代工厂也在努力跟上传统的2年制程节奏,这也引发了更多关于芯片缩放和封装的未来的问题摩尔定律

实际上,鉴于节点过渡正在减速,并且芯片缩放成本继续飙升,大问题是将发生在7nm和5nm的情况下。或者,对于这件事来说,会发生7nm和5nm?

7nm和5nm的推出时间和总体确定性仍不清楚。但是,如果7nm和/或5nm真的实现了,技术将是昂贵的,而且仅限于少数有钱的人。而且,大量的应用程序将永远不会使用它。

不过,7nm及以上的芯片还是有市场的。服务器和网络设备等高端系统将继续消耗尖端芯片,但目前尚不清楚这些过程是否会迁移到这些应用之外。

Semico Research制造部门董事总经理Joanne Itow表示:“7nm技术终将实现。“开发将按计划进行。我不认为有必要那么迫切地发布7nm。目前还没有特定的产品或公司在推动在10nm制程之后的24个月内发布7nm制程的需求。5nm也将被开发并投入生产。它会是什么样子仍然是个问号。”

在幕后,研发界仍然坚定地致力于这些技术。“人们仍然在推动7nm和5nm,”Aaron Thean说,他是工艺技术副总裁和逻辑器件研发项目的主管IMEC.。“对我们来说,我们不会放慢速度。研究不能放慢速度。我们的合作伙伴继续希望我们找到启用缩放的解决方案。但是如何在行业中采用以及如何转化为产品是一个非常复杂的问题,与业务有关。成本是该决定中的大部件。“

在许多方面,Imec提供了对未来的一瞥。在CMOS程序中,研发机构与不同的成员公司合作,例如GlobalFoundries,英特尔,三星台长

基于来自IMEC及其成员的路线图,ChipMakers希望在2017年到2017年将7纳进入早期产量,其中批量生产大约2019年至2020年。5NM节点仍然是正在进行的工作。

虽然生产计划可能会随着时间的推移而改变,但技术路线图和选择也仍在不断变化。看看Imec的路线图就知道,芯片制造商面临着一些艰难的技术决策。

例如,在Imec一年前的路线图中,7nm晶体管有三种候选晶体管:栅全能纳米线场效应晶体管;量子阱finFETs;和SOI finFETs。今天,在Imec最新的路线图中,7nm有两个基本的选择——finFET和横向栅极-全方位纳米线FET。两种选择都可以使用块状CMOS或绝缘体上硅(SOI)衬底。

目前业界倾向于7nm的finFET。纳米线fet比finfet提供更好的静电特性,但它们更难制造。基本上,横向纳米线场效应晶体管是一个围绕着栅极的finFET。

去年,Imec也列出了一些5nm-III-V finfet晶体管选项;纳米线场效应晶体管;量子阱finFETs;SOI finFETs;隧道场效应晶体管;和垂直纳米线。

如上所述,今天,横向纳米线FET是5nm的唯一选择。垂直FET,TFET和其他技术已被推出到3nm。

除了缩放,还有平行路径。先进的堆叠模具、单片3D等2.5 d/三维集成电路技术也可能发挥作用。

finfet与纳米线fet
同时,将设备降至7nm和5nm,该行业需要新的工具和材料。例如,芯片制造商乞求极端紫外线(EUV) 7nm光刻。该行业还需要新的选择性沉积工具、多波束检测等。

到那时,该行业将需要认真考虑成本问题。对于28nm的产能,每月生产10,000片晶圆的成本(wspm)不到10亿美元。据finfet的总裁兼首席执行官马丁·安斯蒂斯(Martin an斯蒂斯)称,对于finfet来说,每1万个wspm的成本最终将在13亿美元左右林研究所,在最近在IMEC的演讲中。

基于今天的估计,10nm和7nm的成本范围从10亿美元到10亿美元的100亿美元,恩斯蒂尔说。“在我看来,这不可持续,”他在演示期间说。“需要投入大量的时间和精力,以提供生产力解决方案来处理现在与那之间的问题。”

显然,设备方面也存在挑战。例如,芯片制造商必须决定使用finFET或7nm的纳米线FET。

然而,对于许多人来说,将FinFET扩展到7nm更有意义。在FinFET中,通过在翅片的三个侧面上实现栅极来实现电流的控制。“这当然,Finfets将尽可能地进入,”IBM Research的高级技术人员,Terry Hook说。“当我看到它时,FinFet与横向纳米线之间的差异是静电。而且我不相信我们在7nm处超过了Finfets的静电缩放极限。翅片宽度降低,保持高于严重的不利量子效应,建议您可以将栅极长度达到大约12nm的范围,翅片宽度为4nm至5nm。这甚至可能足以用于5nm节点缩放。“

不过,要扩展finFET,该设备还需要几项创新。GlobalFoundries高级器件架构主管Srinivasa Banna表示:“由于接触聚节和鳍节缩放,驱动电流在7nm上比在10nm上下降。”驱动电流的改善需要更高的鳍片或高迁移率的通道材料,如锗或III-V。

较高的鳍片提供更多的驱动电流,从而实现更快的芯片。但是脚蹼和新的渠道材料,有一些缺点。“III-V和锗患有更高的离子泄漏,这将增加待机功率。较高的鳍片也增加了装置电容,因此,在低端金属负载电路或设计上也可以增加电力增加,“Banna说。

考虑到这些和其他问题,芯片制造商也可以考虑7nm的替代晶体管技术——纳米线FET。决策在很大程度上取决于给定公司的战略、时机和总体准备情况。

“在某些时候,Finfet不再缩减了,”IMEC的工艺技术高级副总裁Steegen说。“并且接下来的可能是横向纳米线,因为它在您的设备的静电上提供了更多的窗口。你不必像你必须为鳍一样划分纳米线的宽度。“

基本上,有两种类型的纳米线fet -横向和垂直。垂直纳米线场效应晶体管在晶圆厂的制造更为复杂,促使芯片制造商首先考虑横向的版本。"可以把(横向纳米线FET)想象成一个侧面翻转的finFET,其周围有一个栅极,"该公司战略规划高级总监Michael Chudzik表示应用材料。“在垂直FET中,它是一根长长的硅线。然后用一扇门把它包起来。”

据Chudzik说,横向纳米线FET是finFET的一个进化步骤。他说:“对于7nm或5nm而言,gate -全能是一个相当有吸引力的选择。”“到5纳米的时候,每个人都将在闸门全能。也许一些市场领先者将在这之前成为一个节点。”

纳米线FETS共享许多与FinFET相同的过程步骤。基本上,横向纳米线FET由基材组成。然后,芯片制造商将使用硅或硅 - 锗(SiGe)在基板上构建超晶格结构。然后,将翅片切出晶格结构。使用当今的Fab流,在设备上形成栅极和源极/漏极结构。然后,去除硅或SiGe,从而形成导线。

这些电线从源,通过栅极,到漏极,使它看起来像一个栅极全能装置。最初的纳米线场效应管将由三根堆叠的线组成。

“对于7nm,你可以想象硅线本身在5nm附近。两者之间的距离在10nm到12nm之间。”Chudzik说。“首先引入的是硅。第三至第五阶段则是另一回事。这组材料有自己的问题需要解决。”

然而,制造横向纳米线场效应晶体管在大规模生产中很困难。超晶格结构必须精确发展和良好的控制。他说:“你还需要一个过程来有选择地去除将电线固定在一起的材料。”“在全方位通道中,你有非视线的通道区域,这意味着它们是颠倒的。你必须将金属栅极和掺杂剂固定在这些通道的底部"

那只是冰山一角。从设备方面,GlobalFoundries'Banna列出了五个基本挑战和纳米风险设备的问题:

与FinFET相比,每个占地面积有一个低驱动电流。
2.驾驶长后端金属线时存在罚款。
3.在模拟/IO电路中,当驱动大容性负载时,有一个区域惩罚。
4.由于接触面积减小,访问电阻增大。
在具有良好的栅极电介质接口的栅极缠绕时存在挑战。栅极电阻和Vth调谐也是具有挑战性的。

另一种方法是转向3D
除了伸缩,还有另一条路。多年来,业界一直在谈论2.5D和3D芯片的发展。但到目前为止,由于面临诸多挑战,这一领域的开发时间比预期要长。

然而,有进展。Micron一直在采样堆叠存储器,或3D DRAM,技术称为混合存储器立方体(HMC)。另外,SK Hynix正在增加一个名为High带宽内存(HBM)的3D DRAM技术。

三星正在开发HBM和自己的3D DRAM技术,使用透硅孔(TSVs)。三星负责产品规划的副总裁迈克·威廉姆斯(Mike Williams)说:“如果你采用这种穿透硅孔的想法,你有成千上万个穿透硅孔,你就可以创建一个非常宽的数据通道。”“这使得我们可以达到每秒512g的带宽。”

然而,3D dram瞄准的是利基市场。该公司高级技术总监普拉尚特·阿吉(Prashant Aji)表示:“这些产品不会进入手机等消费产品,而是更多地进入高端服务器市场。Kla-Tencor.

那么2.5D/3D芯片什么时候会成为主流呢?“今天还没有,”阿吉说。“大约需要两到三年的时间。人们说,成本将是驱动因素。我们认为功能性将是驱动因素。”

不过,它不会在真空中发生。“如果你考虑如何延续摩尔定律,这是一个简单的等式,”Calibre at高级工程总监胡安•雷伊(Juan Rey)表示导师图形。“如果没有更小、更低的晶体管成本和更好的功率/性能,那么你如何继续让它发生?”整个行业都认识到,有大量的市场领域仍然需要摩尔定律的路线图,即使他们没有获得收益。大的扇区可以使用更小的、更密集的模具和更低的功率。但我们也将继续研究这个解决方案的几种特点。”

堆积的死亡只是其中之一。



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