近幾年，由于材料和設(shè)備的限制，電子產(chǎn)業(yè)的金科玉律摩爾定律似乎逐漸走向了瓶頸。尤其是到了14nm之后，以往隨著節(jié)點(diǎn)往前推進(jìn)，Die Cost下降而Perforrmance提升的定律被打破，集成電路產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了大挑戰(zhàn)。但三星作為一個(gè)全球數(shù)一數(shù)二的IDM，為了繼續(xù)延續(xù)摩爾定律，三星在CSTIC2017上帶來(lái)了獨(dú)到的見(jiàn)解。

因此廠商們需要針對(duì)不同的應(yīng)用，在相同節(jié)點(diǎn)上開(kāi)發(fā)出不同的方案：

在14nm/10nm的情況下，開(kāi)發(fā)者們還可以在現(xiàn)有的體系下做改進(jìn)，但是進(jìn)入到了7nm，則對(duì)技術(shù)創(chuàng)新有了新的選擇。三星需要從兩方面創(chuàng)新：一是技術(shù)創(chuàng)新，也就是3D結(jié)構(gòu)加patterning；另一種則是系統(tǒng)創(chuàng)新的ememory加packaging。

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三星認(rèn)為，移動(dòng)處理器雖然推動(dòng)產(chǎn)業(yè)界向7nm進(jìn)展，但是由于物聯(lián)網(wǎng)的存在和即將爆發(fā)，且這些產(chǎn)品對(duì)成本很敏感，因此28nm這個(gè)甜蜜節(jié)點(diǎn)將會(huì)存在很長(zhǎng)一段時(shí)間。

除了傳統(tǒng)的28nm，三星認(rèn)為28nmFD-SOI工藝因?yàn)槠鋬?yōu)勢(shì)，會(huì)成為三星關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。FD-SOI最大的亮點(diǎn)在于超低功耗，尤其是對(duì)比HKMG（后閘極，約50%+），如今物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、汽車等嵌入開(kāi)發(fā)對(duì)芯片的這一特性非常敏感，ST、飛思卡爾等都明確表態(tài)支持且等待排片。

7nm之后的架構(gòu)和材料的創(chuàng)新

回到現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)界正在緊盯的7nm工藝，三星認(rèn)為它會(huì)在2018年到來(lái)，因?yàn)闇系雷冋耍蔷鸵笤谠谠O(shè)計(jì)制備的時(shí)候需要從架構(gòu)、溝道材料和工藝制備上進(jìn)行創(chuàng)新，而GAA、三五族溝道材料和EUV光刻是對(duì)應(yīng)的最好答案。

在這里我們?cè)敿?xì)介紹一下GAA和三五族溝道材料：

（1）Gate-all-around （GAA）

GAA有時(shí)候被稱作橫向納米線場(chǎng)效應(yīng)管。這是一個(gè)周邊環(huán)繞著 gate 的 FinFet 。GAA 晶體管能夠提供比 FinFet 更好的靜電特性，這個(gè)可滿足某些柵極寬度的需求。

從表面上看， GAA 和柵極夾雜在源極和漏極之間的 MOSFET 很類似。另外， GAA 同樣包含了 Finfet ，但和目前 fin 是垂直使用的 Finfet 不同， GAA 的 Finfet 是在旁邊。GAA Fet 包含了三個(gè)或者更多的納米線，形成溝道的納米線懸空且從源極跨到漏極。其尺寸是驚人的。 IMEC 最近介紹的一個(gè) GAA fet 的納米線只有 8nm 直徑。

控制電流流動(dòng)的 HKMG 架構(gòu)能夠填補(bǔ)源極和漏極之間的差距。

但是從 FinFet 向 GAA 的轉(zhuǎn)變并不會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)中你只是獲得了對(duì)晶體管靜電性能控制的提升。GAA 最大的提升在于縮小了柵極寬度。這樣你就可以得到一個(gè)全環(huán)繞和一點(diǎn)的靜電性能的控制。當(dāng)然， gate 的縮小是必不可少的。

在GAA上，也分為兩種方案，一種是水平的，它能夠打破FinFET的限制。

另一種是垂直的，能突破更多的物理限制。

（3）EUV

（2）三五族溝道材料

溝道材料這一段時(shí)間以來(lái)一直是個(gè)熱門的話題。溝道是一個(gè)連接MOS器件源與漏之間的一個(gè)導(dǎo)電區(qū)域。當(dāng)一個(gè)MOSFET晶體管在導(dǎo)通時(shí)柵電容器加在溝道上的電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反型層，使少數(shù)載流子在源與漏之間很快通過(guò)。反之則晶體管關(guān)閉。

溝道材料中發(fā)生大的改變是在90納米工藝，那時(shí)全球工業(yè)界開(kāi)始引入應(yīng)變硅材料。芯片制造商采用外延工藝在PMOS晶體管形成中集成了SiGe的應(yīng)變硅，或者稱讓晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。這樣可以通過(guò)增加空穴的遷移率來(lái)達(dá)到增大驅(qū)動(dòng)電流。

芯片制造商在10nm或者7nm工藝時(shí)溝道材料必須要作改變。在一段時(shí)間中曾認(rèn)為首選是在PMOS中采用Ge，以及NMOS中采用InGaAs材料。因?yàn)镚e的電子遷移率可達(dá)3，900cm平方/Vs，而相比硅材料的為1，500cm，InGaAs的電子遷移率可達(dá)40，000cm平方/Vs。但是三五族溝道材料受到了廠商的更多關(guān)注。

與硅相比，由于III-V化合物半導(dǎo)體擁有更大的能隙和更高的電子遷移率，因此新材料可以承受更高的工作溫度和運(yùn)行在更高的頻率下。且沒(méi)有明顯的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工藝相似，很多現(xiàn)有的技術(shù)都可以應(yīng)用到新材料上，因此也被視為在10nm之后繼續(xù)取代硅的理想材料。目前需要解決的最大問(wèn)題，恐怕就是如何提高晶圓產(chǎn)量并降低工藝成本了。

（3）EUV光刻

三星認(rèn)為，到了7nm，EUV光刻是勢(shì)在必行。

這里我們也說(shuō)一下EUV光刻。

80年代后期，半導(dǎo)體行業(yè)開(kāi)始用激光代替汞燈作為光源，將波長(zhǎng)從365nm 降低到 248nm。但是一些研究者們已經(jīng)開(kāi)始計(jì)劃一個(gè)更大的進(jìn)步——向X射線范圍挺近。當(dāng)時(shí)就職于日本電信公司 NTT的 Hiroo Kinoshita 在 1986 年發(fā)表了使用 11nm 射線的結(jié)果。另外還有 AT&T 公司的貝爾實(shí)驗(yàn)室和 Lawrence Livermore 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也分別實(shí)踐了這種技術(shù)。1989 年，一些相關(guān)研究學(xué)者在光蝕刻學(xué)術(shù)會(huì)上碰面并交換了研究思想。再后來(lái)，相關(guān)的研究開(kāi)始得到國(guó)家和行業(yè)內(nèi)的贊助。

90年代后期，ASML 公司和其他一些合作伙伴開(kāi)始研究后來(lái)廣為人知的技術(shù)——EUV 光刻技術(shù)。也是這個(gè)時(shí)候，在 ASML 公司荷蘭總部 Veldhoven 小鎮(zhèn)長(zhǎng)大的 Anton van Dijsseldonk ，成為了公司開(kāi)展該項(xiàng)目的第一個(gè)全職雇員。van Dijsseldonk 回憶道：“摩爾定律的終點(diǎn)已經(jīng)被大家所預(yù)見(jiàn)到了。半導(dǎo)體行業(yè)一直都在尋找方法來(lái)保持技術(shù)革新和進(jìn)步。芯片制造商們也在努力改進(jìn)套刻技術(shù)——將晶片從光刻機(jī)中加工取出后再放入其中，并在原來(lái)的位置精準(zhǔn)地印刷出下一層圖像。那時(shí)的人們都在尋找不同的方法，而 EUV 就是里面較為不同的一個(gè)。”

EUV光刻生產(chǎn)中仍有一些設(shè)備上的難題亟待攻克。其中就包括對(duì)空白檢驗(yàn)工具和光刻膠光化學(xué)性質(zhì)的研究。

7nm之后的系統(tǒng)創(chuàng)新

根據(jù)三星介紹，7nm之后除了在架構(gòu)和材料商創(chuàng)新，還可以在系統(tǒng)上創(chuàng)新。其中包括了MRAM創(chuàng)新方案和集成封裝。

先談一下MRAM。

三星認(rèn)為，MRAM是最有希望替代Flash的存儲(chǔ)技術(shù)，因?yàn)樾枰俚膍ask，所以其稱為會(huì)變得更低，再加上功耗優(yōu)勢(shì)，這讓mram稱為他們關(guān)注的方向。

MRAM的全稱是Magnetoresistance Random Access Memory，磁致電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器。目前，MRAM的諸多研究中，已經(jīng)可以開(kāi)始生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)被稱為STT-MRAM（Spin Transfer Torque Magnetoresistance Random Access Memory，自旋注入磁化反轉(zhuǎn)磁致電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器）。因此，本文的介紹也基于STTMRAM進(jìn)行，簡(jiǎn)稱為MRAM。

如果單看上文給出的名字：自旋注入磁化反轉(zhuǎn)磁致電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器，如此“高大上”的名稱肯定讓人眼暈。實(shí)際上，MRAM的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，原理也不難。它采用了類似三明治的結(jié)構(gòu)。為了講清楚它的工作原理，我們先了解一些特性：

磁電阻效應(yīng)：這是指某些材料在強(qiáng)磁場(chǎng)下表現(xiàn)高電阻，弱磁場(chǎng)下表現(xiàn)低電阻（或者相反）。磁電阻效應(yīng)在很多金屬和半導(dǎo)體上都可看到，電阻率變化正負(fù)都有，常見(jiàn)的比如銻化銦、砷化銦等都是磁電阻效應(yīng)比較明顯的材料。

量子隧道效應(yīng)：又稱為勢(shì)壘貫穿，是指電子在表現(xiàn)出波的性質(zhì)的時(shí)候，有一定概率以波的方式越過(guò)勢(shì)壘的效應(yīng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在絕緣層極薄的情況下，它擁有一定的導(dǎo)電能力。

自旋注入磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)：這個(gè)效應(yīng)前文提到了，也就是Spin Transfer Torque。

在了解各種效應(yīng)后，理解MRAM的設(shè)計(jì)就不難了。如圖3所示的MRAM三明治結(jié)構(gòu)。上下兩層磁體夾著中間的絕緣膜，其厚度大約幾納米，如此薄的絕緣膜使得量子隧道效應(yīng)能很自如的展現(xiàn)出來(lái)。

除了絕緣層外，MRAM中可變磁方向的層（利用自旋注入磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)）被稱為“自由層”，而固定不變的永磁體層被稱為“參考層”。

當(dāng)一個(gè)MRAM單元通電后，電流利用量子隧道效應(yīng)，在自由層和參考層之間流動(dòng)。當(dāng)參考層的磁場(chǎng)方向和自由層相同時(shí)，磁場(chǎng)表現(xiàn)為疊加強(qiáng)磁場(chǎng)，電阻變低，電流變大；當(dāng)兩者方向相反時(shí)，磁場(chǎng)表現(xiàn)為互斥弱磁場(chǎng)，電阻變高，電流變小，相反的情況也可以。工程人員只需要測(cè)試電流的高低差值、或者電壓差，就可以很自如的給出1和0兩種狀態(tài)定義，從而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

不僅如此，由于自由層的磁場(chǎng)方向改變是由于外部條件引發(fā)電子自旋方向改變，因此只要外部條件消失，電子自旋方向理論上會(huì)穩(wěn)定持久的存在下去，這就意味著在完成了寫(xiě)入狀態(tài)后，數(shù)據(jù)狀態(tài)會(huì)被永久的保留。

另外，集成封裝也是三星看好的另一個(gè)系統(tǒng)解決方案。

三星認(rèn)為，借助2.5D/3D的封裝技術(shù)，最終做出來(lái)的芯片擁有更高的帶寬，進(jìn)而帶來(lái)更強(qiáng)的系統(tǒng)性能。