干貨 | 如何延續(xù)摩爾定律？英特爾是這樣看的

關(guān)于摩爾定律的消亡，近年來有很多討論。連續(xù)工藝節(jié)點的場效應(yīng)晶體管密度的增加已從早些年的每2.5年增加一倍的速度降下來。摩爾在幾十年年前發(fā)表的評論的經(jīng)濟性質(zhì)也受到了影響——每個晶體管的成本降低也有開始降速。

由于多方面的要求，傳統(tǒng)的技術(shù)縮放模型已變得更加復(fù)雜，更多的技術(shù)也開始被引入。例如替代沉積和蝕刻設(shè)備、新的互連和介電材料。與此同時，行業(yè)越來越依賴于新的設(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）集成方法。

順便說一句，各種2.5D和3D多die封裝產(chǎn)品的出現(xiàn)導(dǎo)致使用了“More than Moore”的出現(xiàn)。這些封裝中管die功能和工藝選擇的潛在多樣性為實現(xiàn)有效 密度和成本提供了其他折衷，這是摩爾定律的基礎(chǔ)。

盡管有關(guān)于摩爾定律即將死亡的討論不絕于耳，但仍存在對新設(shè)備的巨大研發(fā)投資，這些新設(shè)備將繼續(xù)提供改進的性能，功率和面積。

在最近由SEMI主辦的的高級半導(dǎo)體制造會議（ASMC）上，Intel的Design Enablement副總裁兼總經(jīng)理Gary Patton的主題演講，他概述了這些研發(fā)工作。同時他在有關(guān)“摩爾定律”的演講對未來的技術(shù)功能提出了樂觀的看法。

Gary介紹了向全柵極（GAA）器件的過渡，該器件有望成為FinFET的直接后繼產(chǎn)品。（隨著重新引入單個晶體管寬度又是設(shè)計參數(shù)的設(shè)備，可能需要重新解釋晶體管/ mm ** 2密度度量。）

作為CMOS以外的潛在長期過渡，正在進行許多研究計劃 ，例如2D半導(dǎo)體材料（的陣列），例如MoS2，WS2和WSe2。

在Gary的演講中，特別值得注意的是對工藝技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域的描述，該領(lǐng)域可能沒有得到應(yīng)有的考慮。例如異構(gòu)半導(dǎo)體材料的3D單片集成，用于制造優(yōu)化的nFET和pFET器件。這種方法提供了持續(xù)的器件縮放，成熟工藝制造技術(shù)的集成，并且建立在現(xiàn)有（基于CMOS）電路設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上。

在詳細(xì)介紹某些整體式3D可能性之前，他對異質(zhì)材料結(jié)合的描述也是很有見地的。

Oxide Bonding和Donor Wafer Cleaving
單片3D集成的目標(biāo)是為設(shè)備制造提供多種堆疊的半導(dǎo)體材料。在主晶圓中制造晶體管的子集。隨后，將（不同半導(dǎo)體組成的）Donor Wafer結(jié)合到主體上，并在主體頂部上提供薄材料層以用于后續(xù)的器件處理。下圖說明了晶圓處理流程。
全厚度主晶圓提供機械支撐；薄的doner層不會顯著增加整體厚度，從而可以使用現(xiàn)有的處理設(shè)備和制造流程。（正如不久將要討論的那樣，用于處理doner層設(shè)備的熱預(yù)算受到限制，以免對現(xiàn)有的主機設(shè)備特性產(chǎn)生不利影響。）
簡而言之，準(zhǔn)備3D整體堆棧的步驟順序為：

• 器件在主體（300毫米）晶圓上制造
• 主晶圓接受薄介電層的沉積（例如，SiN和SiO2的化學(xué)氣相沉積）
• 拋光主晶圓表面（例如，使用化學(xué)機械拋光）
• 使用優(yōu)化的注入能量和劑量，對一個（300mm）doner晶圓進行H +（質(zhì)子）注入
• Doner晶圓和主晶圓鍵合

在鍵合host和doner晶圓之前，采用特定的硅片表面清潔化學(xué)方法。兩個硅片表面必須是親水的，“原子上光滑的”并且具有高密度的化學(xué)鍵合位點（以防止在界面處形成微孔）。
在特殊的對準(zhǔn)器（帶有雙晶片卡盤）中，主硅片和Doner硅片彼此相對放置，對準(zhǔn)并接觸。在初始的晶圓對晶圓界面鍵合穩(wěn)定之后，釋放Doner卡盤。
然后，對復(fù)合材料進行熱退火步驟。該退火具有兩個關(guān)鍵功能： 加強鍵合界面，并允許注入的氫在半導(dǎo)體晶體中擴散，并成核形成H2。  
在Doner中會形成一個非常薄的H2層，其深度等于H +注入后最高的硅片位錯點。該H 2層在doner硅片晶體內(nèi)引入了結(jié)構(gòu)上較弱的界面。
多年來，這種用于氧化物鍵合和Doner層轉(zhuǎn)移的技術(shù)已用于絕緣體上硅（SOI）晶片制備的生產(chǎn)中。（對成核退火步驟中H +擴散，H2層形成以及對doner硅片晶體的結(jié)構(gòu)影響的深入了解仍然是研究的活躍領(lǐng)域。）
Gary的演講重點介紹了英特爾研究部門正在將這一層轉(zhuǎn)移技術(shù)應(yīng)用于3D單片集成的兩個領(lǐng)域，以進一步擴展摩爾定律。
Si中的nFET，Ge中的pFET
先進工藝開發(fā)面臨的問題之一是Si中相對較弱的空穴遷移率，尤其是在較高的空穴自由載流子密度和電場下。
當(dāng)前的工藝技術(shù)在pFET器件通道中引入了壓縮機械應(yīng)力，以提高空穴遷移率。最近的進步致力于直接在pFET器件通道中利用化學(xué)計量的Si和Ge的組合-即Si（x）Ge（1-x）-來利用Ge中更高的空穴遷移率。
英特爾研究小組一直在使用3D單片集成技術(shù)，該技術(shù)使用鍵合在Si主硅片頂部的Gedoner層
在這種情況下，在用于nFET的主晶圓上制造了FinFET器件結(jié)構(gòu)，而在Ge doner層中的pFET使用了GAA拓?fù)?。如上所述，選擇nFET高K，金屬柵極，源/漏摻雜外延和接觸金屬的工藝流程和材料選擇，使其與Ge施主層的后續(xù)熱處理和pFET的制造兼容（例如， <600C）。
在制造GAA pFET源極/漏極Epi，器件氧化物和金屬柵極（使用替換柵極工藝）以及源極/漏極觸點之后，在兩個晶體管層之間形成通孔。
上面還顯示了一個300mm晶圓上的Ge doner層厚度的示例分布圖，顯示了整體層轉(zhuǎn)移過程的出色均勻性（整個晶圓上的變化小于3nm）。
下圖描述了3D單片反相器邏輯門（低至VCC = 0.5V）的最終3D橫截面，（短通道）Si nFET和Ge pFET特性，以及Vout與Vin傳輸特性。Ge pFET的離子對Ioff曲線說明了應(yīng)變Si器件的改進特性。

使用垂直堆疊在Si層頂部的Ge層進行異構(gòu)集成為CMOS邏輯實現(xiàn)提供了獨特的機會，有助于擴展摩爾定律。
GaN主體上的Si doner硅片
上一節(jié)介紹了一種在Ge pFET中實現(xiàn)改善的空穴遷移率的方法。出現(xiàn)高級工藝開發(fā)問題的另一個領(lǐng)域是需要與常規(guī)CMOS邏輯集成的高效RF級設(shè)備。對于5G（及更高版本）應(yīng)用的需求，對于mmWave功率放大器，需要最佳的器件截止頻率（Ft）和最大振蕩頻率（Fmax）響應(yīng)，對于低噪聲放大器具有相應(yīng)的低噪聲特性，并且對于RF開關(guān)具有快速的開關(guān)速度。增強型GaN器件出色的Ioff和低Ron吸引了高效集成穩(wěn)壓器設(shè)計。
Gary強調(diào)了英特爾研究團隊為開發(fā)GaN器件與常規(guī)Si CMOS電路的單片異構(gòu)集成所做的工作。
下圖說明了在主硅片（Si襯底）上的外延層中制造各種GaN組件的制造-例如，增強型和耗盡型nFET，肖特基柵極FET和肖特基二極管（無高電平）。-k柵極氧化物電介質(zhì)）。還顯示了最終結(jié)構(gòu)的橫截面。

在這種情況下，doner硅片是Si，用于制造nFET和pFET器件，就像用于模擬功能，數(shù)字信號處理和邏輯/存儲器一樣。（P溝道GaN器件的制造極具挑戰(zhàn)性。）
以前的Si nFET和Ge pFET單片集成的電路級CMOS集成需要一致的（且具有攻擊性）設(shè)計規(guī)則，而（RF）GaN器件和（CMOS）Si器件的獨特應(yīng)用使這兩種技術(shù)脫鉤。與Si FinFET相比，GaN器件的尺寸可能與FET相差很大（例如，對于Ron非常低，W> 10um），或者具有更長的溝道長度以支持高壓應(yīng)用。
與在鍵合doner Ge pFET層之前制造的主體Si nFET一樣，GaN器件在隨后的doner Si層轉(zhuǎn)移和nFET / pFET器件制造中具有很大的耐受性。
下面顯示了（長溝道）GaN增強模式和耗盡型nFET器件的典型Ids對Vg曲線，以及在doner層中制造的Si nFET和Si pFET器件的特性。

總結(jié)
FinFET器件在摩爾定律中的下一個發(fā)展將是GAA拓?fù)洹?D單片集成確實可以促進繼續(xù)摩爾定律的機會，將用于SO硅片制造的鍵合層轉(zhuǎn)移技術(shù)擴展到更廣泛的半導(dǎo)體材料，例如Ge和GaN。這將有助于減輕與引入“Beyond CMOS”材料工藝相關(guān)的風(fēng)險。
對于從高性能計算到高頻RF信號處理的各種應(yīng)用，跟蹤各種類型的設(shè)備的垂直堆疊的進展和創(chuàng)新將非常有趣。
學(xué)術(shù)界成員在ASMC上的一則評論引起了我的注意。他說：“我發(fā)現(xiàn)學(xué)生對追求微電子學(xué)作為研究領(lǐng)域的興趣正在減弱。他們聽到“摩爾定律已死”，并得出結(jié)論認(rèn)為這一領(lǐng)域已經(jīng)停滯了。” 
坦率地說，我想不起來比現(xiàn)在有更多的機會在設(shè)備研究，處理技術(shù)和電路/系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)方面取得重大進展。如果您是閱讀本文的學(xué)生，請意識到延續(xù)摩爾定律過程中，有許多激動人心的經(jīng)歷。
來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察