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半导体制造朝3D结构移转

* 来源 : * 作者 : admin * 发表时间 : 2022-08-23
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。