三星在CSTIC 上解讀7nm芯片解決方案

　　近幾年，由于材料和設備的限制，電子產業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，以往隨著節點往前推進，Die Cost下降而Perforrmance提升的定律被打破，集成電路產業迎來了大挑戰。但三星作為一個全球數一數二的IDM，為了繼續延續摩爾定律，在由SEMI主辦的中國國際半導體技術大會(CSTIC2017)上，三星給出了獨到的見解。

　　因此廠商們需要針對不同的應用，在相同節點上開發出不同的方案：

　　在14nm/10nm的情況下，開發者們還可以在現有的體系下做改進，但是進入到了7nm，則對技術創新有了新的選擇。三星需要從兩方面創新：一是技術創新，也就是3D結構加patterning;另一種則是系統創新的ememory加packaging。

　　三星認為，移動處理器雖然推動產業界向7nm進展，但是由于物聯網的存在和即將爆發，且這些產品對成本很敏感，因此28nm這個甜蜜節點將會存在很長一段時間。

　　除了傳統的28nm，三星認為28nmFD-SOI工藝因為其優勢，會成為三星關注的一個重點。FD-SOI最大的亮點在于超低功耗，尤其是對比HKMG(后閘極，約50%+)，如今物聯網(IoT)、汽車等嵌入開發對芯片的這一特性非常敏感，ST、飛思卡爾等都明確表態支持且等待排片。

　　7nm之后的架構和材料的創新

　　回到現在產業界正在緊盯的7nm工藝，三星認為它會在2018年到來，因為溝道變窄了，那就要求在在設計制備的時候需要從架構、溝道材料和工藝制備上進行創新，而GAA、三五族溝道材料和EUV光刻是對應的最好答案。

　　在這里我們詳細介紹一下GAA和三五族溝道材料：

　　(1) Gate-all-around (GAA)

　　GAA有時候被稱作橫向納米線場效應管。這是一個周邊環繞著 gate 的 FinFet 。GAA 晶體管能夠提供比 FinFet 更好的靜電特性，這個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 GAA fet 的納米線只有 8nm 直徑。

　　控制電流流動的 HKMG 架構能夠填補源極和漏極之間的差距。

　　但是從 FinFet 向 GAA 的轉變并不會有很大的優勢，當中你只是獲得了對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全環繞和一點的靜電性能的控制。當然， 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。

　　(2)三五族溝道材料

　　溝道材料這一段時間以來一直是個熱門的話題。溝道是一個連接MOS器件源與漏之間的一個導電區域。當一個MOSFET晶體管在導通時柵電容器加在溝道上的電壓會產生一個反型層，使少數載流子在源與漏之間很快通過。反之則晶體管關閉。

　　溝道材料中發生大的改變是在90納米工藝，那時全球工業界開始引入應變硅材料。芯片制造商采用外延工藝在PMOS晶體管形成中集成了SiGe的應變硅，或者稱讓晶格結構發生畸變。這樣可以通過增加空穴的遷移率來達到增大驅動電流。

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

　　與硅相比，由于III-V化合物半導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行在更高的頻率下。且沒有明顯的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工藝相似，很多現有的技術都可以應用到新材料上，因此也被視為在10nm之后繼續取代硅的理想材料。目前需要解決的最大問題，恐怕就是如何提高晶圓產量并降低工藝成本了。

　　三星認為到了7nm，EUV光刻是勢在必行，但EUV光刻生產中仍有一些設備上的難題亟待攻克。其中就包括對空白檢驗工具和光刻膠光化學性質的研究。

　　7nm之后的系統創新

　　根據三星介紹，7nm之后除了在架構和材料商創新，還可以在系統上創新。其中包括了MRAM創新方案和集成封裝。

　　三星認為，MRAM是最有希望替代Flash的存儲技術，因為需要更少的mask，所以其稱為會變得更低，再加上功耗優勢，這讓mram稱為他們關注的方向。

　　MRAM的全稱是Magnetoresistance Random Access Memory，磁致電阻隨機存儲器。目前，MRAM的諸多研究中，已經可以開始生產的產品結構被稱為STT-MRAM(Spin Transfer Torque Magnetoresistance Random Access Memory，自旋注入磁化反轉磁致電阻隨機存儲器)。MRAM的結構并不復雜，原理也不難。它采用了類似三明治的結構。

　　另外，集成封裝也是三星看好的另一個系統解決方案。三星認為，借助2.5D/3D的封裝技術，最終做出來的芯片擁有更高的帶寬，進而帶來更強的系統性能。