半导体制造朝3D结构移转

半导体从平面朝3D结构发展的第一步是为通道创建一个鳍(fin)，该鳍可由闸极的三个面来控制…每隔几个月，各种新型、功能更强的电子产品便会问世。这些产品通常更精巧、更智慧、更快速、频宽更大、而且更省电——这些都得归功于新一代先进晶片和处理器的强大功能。
在现今的数位社会中，消费者期待新产品的推陈出新，就如同每天太阳升起一般的寻常。但在背后，这是工程师辛勤工作，努力跟上半导体技术发展蓝图脚步的结果，以确保新型电子产品所需的下一代晶片能够就绪。
长期以来，晶片的进展都是透过缩小电晶体的尺寸来实现，这样就可以在晶圆上制造出更多的电晶体，使电晶体数量每12~24个月便成长一倍——这就是众所皆知的摩尔定律(Moore’s Law)。多年来，半导体产业推动了多项的重大创新，包括铜/低k互连、新的电晶体材料、多重曝光技术和三维(3D)架构等，以持续摩尔定律的发展。
如今，朝3D结构的转变带来了新的挑战，而且这些挑战正随着深宽比的增加而加剧。正如预期的，3D结构需彻底改变元件的设计方式，需要新材料，以及新的沉积和蚀刻方法，才能使此愿景成为现实。本文中将探讨半导体产业在朝3D结构发展的过程中，所克服的一些重要里程碑。
半导体制造的基础：平面制程
晶片制造是从一个二维(2D)问题开始的：利用一片平坦的矽晶片，在其表面上制作出各种结构，然后用线路把它们连接起来。而晶片制造的完成需透过沉积多层的材料，使用微影技术对其进行图案化，并蚀刻曝光区域，以制作出所需的元件特征来实现，这对电子产业来说是一个巨大的突破。
随着技术微缩的持续演进，更多的电路需被建置在更紧凑的空间中，以支援更小的结构。当微缩到一定程度之后，过去相对简单的制程现已变得越来越复杂。
当创建2D结构的成本不断增加，以及在2D平面上实现微缩的可行方法已经用尽时，3D结构就变得更具吸引力。半导体产业早在十多年前就开始开发可支援3D结构的选择性蚀刻应用。迄今，此技术的应用仍在继续扩展，从封装非挥发性记忆体，甚至到电晶体本身。 
电晶体朝3D结构发展
造就电子产品强大功能的幕后功臣是电晶体。传统以来，电晶体一直是平面结构，它的特性取决于电晶体通道的宽度和长度，而电晶体行为的控制是透过通道上方的闸极来完成的。但此控制只有在单一面向，通道的其他面，以及底部都没有受到控制。
从平面朝3D结构发展的第一步是为通道创建一个鳍(Fin)，该鳍可由闸极的三个面来控制。然而，为了实现最佳控制，最好使电晶体的所有四个面都能被控制，这就是现在业界正在推动的环绕式闸极(GAA)电晶体。在GAA结构中，多条导线或片材相互堆叠，闸极材料则是完全环绕通道。 
快闪记忆体开始长高 
十年前，NAND快闪记忆体开始朝3D结构移转，当时水平排列的记忆体位元串是向上堆叠的。
NAND记忆体的垂直结构是由交替的薄材料层组成，运用制程技术尽量堆叠最多的层数。因此，制造时有两个要点：首先，每一层的厚度必须均匀且完全平整，使一层中的每个位元与其他位元的尺寸相同；其次，各层必须彼此互连。这是透过先建构堆叠层并穿越整个堆叠蚀刻孔洞，然后再以适当的连接材料填充这些孔洞来实现。这两个制程都是极具挑战性的蚀刻和沉积任务，需要精确执行。
这些挑战限制了堆叠的层数，而且需要新的方法才能使层数进一步增加。 
展望未来：3D DRAM
动态随机存取记忆体器(DRAM)的结构设计与3D NAND完全不同，因此需要截然不同的作法。
DRAM需要高的电容器，要在2D阵列中精确建构是一个挑战。垂直堆叠这些电容器更为困难，需要更多的开发工作，才能找出在堆叠中建置多个介电层和主动矽晶的经济方式。此外，还需要能同时影响多层的微影技术——而此量产制程尚未就绪。
3D封装日益普及
晶片需先经过封装，才能被放置在印刷电路板(PCB)上。过去，封装只是一种保护精密矽晶片，并使其能够连接到电路板的一种方法。但如今，封装中会包含多颗晶片，在微缩以减少占位面积的需求下，也开始朝3D发展。
3D封装需要堆叠晶片，这涉及在晶片之间建立密集的连接——这些连结需能提高讯号速度，因为它们都更短，而且可以同时传输更多讯号。然而，在多于两颗晶片的堆叠中，其中有些讯号需通过传导通道才能连接到堆叠更高的晶片，这些通道被称为“矽穿孔”(TSV)。 
最主要采用3D晶片堆叠的终端市场应用是记忆体——其中，高频宽记忆体(HBM)是最显著的例子。此外，还可以把记忆体晶片堆叠到CPU或其他逻辑晶片上，以加速记忆体资料的存取。
3D结构已成为微缩的重要关键
对半导体制造来说，当面对各种的微缩限制时，转而采用3D结构现已成为标准做法。虽然3D或许不是解决所有问题的单一选项，但它在以上讨论的多种应用中确实有用。
随着各种创新应用持续问世，也带来了如何实现所需功能的问题。这将有赖于更多的创新思维，以及半导体制程技术的持续发展。也因此，半导体制造设备的定位将更为重要，它将是推动晶片产业朝3D结构移转的主要促成因素。