下一個節(jié)點看向7納米 技術(shù)盡頭不可預(yù)測

　　導(dǎo)語：雖然曾在激烈競爭中于關(guān)鍵性技術(shù)節(jié)點28nm和14nm落后于人，但作為目前全球第二大半導(dǎo)體代工廠，Globalfoundries（格羅方德）毫無疑問在技術(shù)方面仍有其獨到之處。隨著摩爾定律的放緩，業(yè)界越來越多的探討著未來半導(dǎo)體的技術(shù)走向。
　　
　　摩爾定律是否還能繼續(xù)？FinFET技術(shù)能夠走多遠(yuǎn)？FD-SOI技術(shù)到底是否可行？EUV何時才能突破進入實際使用？近日，記者在比利時布魯塞爾專訪了格羅方德首席技術(shù)官GaryPatton。
　　
　　下一個制程節(jié)點重點看向7納米
　　
　　GaryPatton告知，在先進制程方面，不像過去14納米技術(shù)是從三星授權(quán)而來，7納米技術(shù)將由格羅方德自己研發(fā)。目前還沒有確定到達(dá)7納米的具體日期，但7納米計劃絕對非常有競爭力。
　　
　　格羅方德在與IBM的協(xié)議中獲得了幾百名關(guān)鍵技術(shù)人才，他們一直都在從事最先進半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)。這些曾經(jīng)在14納米、32納米和45納米節(jié)點上與英特爾競爭的技術(shù)人員，目前正在格羅方德Melta（馬耳他）工廠專攻7納米技術(shù)。
　　
　　FinFET技術(shù)方面，格羅方德的14納米正在生產(chǎn)中，其技術(shù)水準(zhǔn)比其他一些代工廠的14納米和16納米更好，非常有競爭力。目前，很多產(chǎn)品已經(jīng)在工廠流片，產(chǎn)能爬坡沒有任何問題，這些產(chǎn)品覆蓋的市場范圍很廣泛。
　　
　　未來，格羅方德將會把大部分生產(chǎn)力用于7納米上。這是由于大部分客戶都將專注于7納米。他們認(rèn)為，與設(shè)計投入相比較，10納米節(jié)點沒有足夠的價值優(yōu)勢，他們將可能用10納米技術(shù)做一小部分產(chǎn)品后轉(zhuǎn)換到7納米技術(shù)，或者直接跳過10納米來用7納米技術(shù)。
　　
　　從scaling的角度來說，10納米只能算半個節(jié)點。因為除了尺寸有所縮小，10納米在性能提升上并沒有完全遵循摩爾定律，一些擁有10納米技術(shù)的代工廠并沒有獲得如摩爾定律所言的足夠的性能提升，甚至有時候還會損失之前的技術(shù)節(jié)點能提供的性能表現(xiàn)。如果10納米節(jié)點如果能有更多時間，也許可以加入額外的元素提升更多性能。但是由于要滿足手機性能提升的計劃，必須在特定日期之前就準(zhǔn)備好相關(guān)技術(shù)，所以一些有10納米技術(shù)節(jié)點的代工廠無法實現(xiàn)足夠的性能提升。
　　
　　在5納米節(jié)點的技術(shù)選擇上還有待討論。格羅方德正在做一些路徑探索的工作，例如探索FinFET技術(shù)是否可以走到5納米節(jié)點、探索納米層片堆棧、嘗試垂直晶體管。
　　
　　格羅方德和IBM有一個10年的協(xié)議，包括2部分。一是供應(yīng)鏈協(xié)議，將會給他們供應(yīng)14納米、7納米等節(jié)點技術(shù)。IBM是格羅方德22納米技術(shù)的客戶，目前已經(jīng)進入14納米的驗證環(huán)節(jié)。二是研發(fā)合作協(xié)議。格羅方德正在和IBM一起在Albany納米技術(shù)中心共同研發(fā)7納米技術(shù)，以及尋找5納米和5納米以下節(jié)點的路徑。
　　
　　雖然最先進的制程技術(shù)很重要，但是老的制程技術(shù)仍然占據(jù)很大的市場份額。例如射頻信號，IBM曾經(jīng)是射頻代工的領(lǐng)導(dǎo)者，這部分業(yè)務(wù)也隨著IBM半導(dǎo)體部門轉(zhuǎn)移到了格羅方德。格羅方德在這個領(lǐng)域投入了很多資金，以幫助在新加坡和Dresden（德國德勒斯登）的晶圓廠中的射頻業(yè)務(wù)。22納米FD-SOI技術(shù)也將有部分射頻的生產(chǎn)。
　　
　　FD-SOI技術(shù)已經(jīng)可以走入下一個節(jié)點
　　
　　據(jù)GaryPatton透露，格羅方德的Dresden工廠已經(jīng)開始了22納米產(chǎn)能爬坡。去年7月，格羅方德剛宣布22納米FD-SOI的項目，現(xiàn)在還處于早期技術(shù)開發(fā)階段。今年年底，格羅方德將進入最后試產(chǎn)階段的風(fēng)險生產(chǎn)。這意味著目前已經(jīng)有客戶在用該平臺設(shè)計芯片了。
　　
　　毫無疑問的是，F(xiàn)D-SOI技術(shù)在22納米后可以走到下一個節(jié)點。Melta工廠在下一個節(jié)點的FD-SOI技術(shù)上也取得了發(fā)展。不過格羅方德還沒有為該節(jié)點命名，沒有確定具體數(shù)字。目前，為節(jié)點命名變得越來越難，因為節(jié)點名稱不再與任何物理物質(zhì)存在緊密聯(lián)系。所以只能通過scaling（尺寸縮小）來判斷到底屬于哪個區(qū)域。
　　
　　IBM曾經(jīng)在SOI方面有著豐富經(jīng)驗，過去長期研究PD（厚膜部分耗盡）-SOI技術(shù)。在這個領(lǐng)域，IBM已經(jīng)走過很多代技術(shù)，直到5~6年前，開始探索FD（薄膜全耗盡）-SOI技術(shù)。
　　
　　由于這是一個對成本非常敏感的市場，格羅方德希望可以改變基本規(guī)則，真正找到那個最佳平衡點。22納米就是一個最佳平衡點，因為可以在不用做太多雙重曝光的情況下，獲得較大的尺寸縮小。隨著尺寸進一步縮小，雙重曝光是不可避免的，格羅方德希望的是最大化的避免做過多的雙重曝光甚至三重曝光，找到可能的最佳成本點，綜合平衡好成本、性能和功率三者之間的關(guān)系。
　　
　　的確，F(xiàn)D-SOI技術(shù)在基片上的成本有所增加，但由于內(nèi)置絕緣節(jié)省了很多掩膜步驟，所以其實FD-SOI技術(shù)是在成本方面有競爭力。另外，格羅方德28納米技術(shù)生產(chǎn)的大部分工具都已成功運用于22納米技術(shù)生產(chǎn)，所以除了一些非常特殊的工具外，格羅方德在工具上只投入了很少的資本，這也幫助降低了成本。
　　
　　同時提供FD-SOI技術(shù)和FinFET技術(shù)
　　
　　GaryPatton指出，格羅方德同時提供FD-SOI技術(shù)和FinFET技術(shù)。FinFET技術(shù)提供給那些希望做更大、更高性能芯片的公司;FD-SOI技術(shù)提供給那些更關(guān)注功率和成本平衡的公司。
　　
　　由于IBM的需求，F(xiàn)D-SOI技術(shù)和FinFET技術(shù)研發(fā)在同時推進。因為IBM的重點需求是具備極高性能的大芯片。在這部分市場中，F(xiàn)inFET技術(shù)是明顯的贏家。因為FinFET技術(shù)能夠提供更大的電流。很大的芯片中需要驅(qū)動很長的信號線路，這要有很大的布線電容，需要更大的電流。
　　
　　但對于小芯片來說，比如物聯(lián)網(wǎng)芯片，布線電容不需要那么大，器件電容更重要。那么FD-SOI技術(shù)在這種應(yīng)用場景下就更合適，因為FD-SOI有更少的器件電容。
　　
　　格羅方德在這里引入了一個小轉(zhuǎn)折，即體偏壓技術(shù)（body-bias）。這是FD-SOI技術(shù)所獨有的特點，也是讓該技術(shù)最受關(guān)注的特點。通過把硅做得極薄，讓它可以全部耗盡，所以不會再漏電流。如果再將氧化硅層做的非常薄，同時放入偏置裝置（bias），就可以調(diào)節(jié)控制這個晶體管。如果放入的是正偏壓，可以實現(xiàn)性能快速增強;如果放入的是負(fù)偏壓，我們實際上可以關(guān)掉該裝置。讓它實現(xiàn)很低的漏電流，大概是1pA/micron的水平。
　　
　　它可以用于非常典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，GaryPatton稱之為“watchdogprocessor”（看門狗處理器）。這個處理器永遠(yuǎn)處于工作狀態(tài)。這個處理器不需要高性能，因為它只用于監(jiān)控，等探測到活動時，自動打開圖像處理、無線通信等功能。等所有事情完成，它再用偏壓關(guān)閉這些部分。所以，當(dāng)反向偏壓的時候，漏電流極低;只有短時間需要用到高性能的時候，再轉(zhuǎn)換到正向偏壓。所以也可以實現(xiàn)極低的功耗。
　　
　　未來技術(shù)節(jié)點的盡頭不可預(yù)測
　　
　　GaryPatton指出，對于未來的技術(shù)節(jié)點每個人都有自己的猜測。要注意的是，這些節(jié)點名稱已經(jīng)成為一種市場策略。“我們是不是能做1納米技術(shù)？當(dāng)然可以，但這個技術(shù)節(jié)點是什么？誰來決定這個技術(shù)節(jié)點是叫1納米？”GaryPatton強調(diào)。
　　
　　一些代工廠雖然提供16納米、14納米技術(shù)，但實際上從基本規(guī)則上來說，它是20納米技術(shù)節(jié)點。在很多年前，對于節(jié)點的定義還有一個物理尺寸可以測量出來，但是現(xiàn)在已經(jīng)不再有這樣的物理尺寸。現(xiàn)在的節(jié)點是對尺寸縮小情況的一種描述，但并不是準(zhǔn)確的。例如臺積電，他們的10納米相對于他們的16納米來說，確實縮小了，但這并不是一整個節(jié)點的縮小，而是半個節(jié)點的縮小。
　　
　　但可以確認(rèn)的是，scaling（尺寸縮?。┛梢猿掷m(xù)下去，例如用晶體管堆棧、借鑒存儲3Dnand的結(jié)構(gòu)，他們就是在不斷地向上堆疊。
　　
　　EUV將于2020年前用于7納米節(jié)點
　　
　　GaryPatton認(rèn)為，EUV將會于2020年之前用于7納米節(jié)點。他表示，7納米將是一個長期生存的制程技術(shù)，他很期待在某個時期EUV可以投入使用，實現(xiàn)生產(chǎn)周期、缺陷密度等方面的提升。
　　
　　從產(chǎn)業(yè)界來看，EUV在過去一年中取得了很大的進展。過去，EUV工具的實現(xiàn)一直遇到各種難關(guān)。這是因為13.5納米波長的光源非常難制造出來，也很難將光通向晶圓片。13.5納米波長的光很容易被其他東西吸收，但實際上它必須要經(jīng)過多次反射到達(dá)晶圓片。但在EUV工具中，在多次反射的過程中很容易丟失能量。
　　
　　但目前，一些EUV工具的可靠性問題已經(jīng)有所解決，在功率方面也有穩(wěn)定的技術(shù)進展。實際上，在格羅方德Albany工廠中的設(shè)備已經(jīng)關(guān)閉，以進行功率升級。格羅方德希望升級到200瓦特以上，從而滿足大批量生產(chǎn)的需求。ASML已經(jīng)宣布其200瓦特功率的工具在開發(fā)階段。當(dāng)然，還有一些別的元素。在抗蝕顯影、無缺陷掩膜板基材等方面，目前也取得了穩(wěn)定進展。
　　
　　“所以看起來，EUV已經(jīng)在路上了，我們對于未來使用該工具非常有信心，也為此做好了準(zhǔn)備。”GaryPatton說。
　　
　　格羅方德在Albany工廠已經(jīng)有一臺EUV工具，今年稍晚一些的時候，還會引進第二臺。當(dāng)這個工具準(zhǔn)備好的時候，格羅方德就可以將7納米技術(shù)移植過來，用EUV工具代替一些更復(fù)雜的步驟，比如三重曝光、多重掩膜等。由于減少了大量的制程步驟，這將有效降低生產(chǎn)周期，同時減少缺陷密度。
　　
　　MorethanMoore將發(fā)揮作用
　　
　　“隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界會繼續(xù)scale（尺寸縮?。?，但是節(jié)奏會放緩。目前，這個節(jié)奏已經(jīng)放緩了。”GaryPatton告訴記者。
　　
　　英特爾已經(jīng)將節(jié)奏從2年為延長至3年。這足以說明技術(shù)挑戰(zhàn)性，隨著生產(chǎn)越來越復(fù)雜，從科技中獲得足夠的性能提升變得越來越難，需要更多的時間。
　　
　　GaryPatton不認(rèn)為問題是技術(shù)方面的，他認(rèn)為現(xiàn)在有很多好想法，比如垂直晶體管、納米層片、自旋電子等。限制將是經(jīng)濟方面的，一個更小的芯片可以實現(xiàn)更高的性能，但對多數(shù)應(yīng)用來說也許會太貴。根據(jù)半導(dǎo)體顧問機構(gòu)IBS的預(yù)測，40納米和28納米未來將仍然有很大的出貨量，直到20~25納米。
　　
　　GaryPatton指出，我們還必須探索其他的增值方式，有些人稱之為“morethanmoore（超越摩爾）”。例如現(xiàn)在的系統(tǒng)中，三分之一左右的電力被芯片間的通信消耗了，如果可以將芯片封裝的更近，集成包括光電子在內(nèi)的一些其他的元素，能夠顯著減少功耗，實現(xiàn)性能提升。另外，在封裝方面和低成本高效益方面，未來都有很多可做為的地方。
　　
　　“而像FD-SOI這樣的另一種技術(shù)，為那些不想為昂貴的7納米技術(shù)付費的客戶提供了另一種選擇。”GaryPatton說。
　　
　　因為不是所有產(chǎn)品都適用于7納米技術(shù)。從28納米到14納米，設(shè)計成本已經(jīng)增加了2.5~3倍，可以想象的是如果考慮到三重曝光等因素，7納米的成本只會更高。對于物聯(lián)網(wǎng)芯片來說，這就不合適了。GaryPatton表示，物聯(lián)網(wǎng)芯片也許更適合用22納米FD-SOI技術(shù)。
　　
　　另外，從scaling的角度，目前越來越難從縮小技術(shù)方面獲得很高的性能提升。所以人們開始探索另一條道路，比如如何讓他們的產(chǎn)品實現(xiàn)進一步的優(yōu)化，這也許是用過去的技術(shù)或者混合技術(shù)。
　　
　　例如一大部分射頻內(nèi)容，如果將其放在7納米芯片上，實際上需要負(fù)擔(dān)7納米的價格，但產(chǎn)品實際上并沒有縮小太多。因為射頻晶體管很大，不能從縮小中受益。所以，更經(jīng)濟的做法也許不是把這對射頻內(nèi)容整合在7納米技術(shù)上，而是用兩個芯片，一個是7納米處理器芯片，一個是應(yīng)用過去的節(jié)點但是專門針對射頻優(yōu)化的技術(shù)制造的芯片，把兩個芯片集成在一個FD-SOI的基板上。這樣制造成本更低，性能表現(xiàn)也更好。
　　
　　所以，從兩方面入手，對于那些更注重性能的用有機基板，對那些更注重成本的用硅基板。IBM兩種手段都有，做為協(xié)議的一部分目前也轉(zhuǎn)移到了格羅方德。
　　
　　GaryPatton指出，另外一條路就是做3D封裝。格羅方德的3D封裝已經(jīng)進入批量生產(chǎn)。美光就是其中一個客戶。在與美光的合作中，格羅方德支持了其HybridMemoryCube“（HMC）技術(shù)，他美光用格羅方德的專用集成電路芯片做了硅通孔，然后將多個DRAM芯片堆疊起來，形成一個非常大的存儲單元。