半導體材料加工技術發展趨勢

2020-11-26 騰訊網

一、半導體材料加工技術的現狀。

根據《2019年集成電路行業研究報告》的數據信息，優秀工藝(28nm及以下)佔市場48%，其他完善加工技術佔52%。完美的加工技術在半導體材料和加工晶片領域可以被認為是流行的。

因為很多原因，#電晶體的規格變小了，很久以前一開始就陷進泥裡了，越來越難。到了22-28nm以後，不可能再按比例變大變小了，所以為了追求完美也就不再需要變小了。而是選擇了更為完善的電晶體設計方案，在CPU架構上配合多核線程同步等一系列技術細節，向客戶展示相當於再次升級的產品特性。

也就是說，製造工藝越來越難以保證這麼小的規格，在目前的技術標準下無法提高特性。以至於具體的規格和連接點已經是兩回事了。

那為什麼做小規格那麼難呢？

決定製造工藝最低規格的主要設備叫光刻。

它的作用是像衝洗照片一樣衝洗晶片表面的印刷電路原理，覆蓋必須保留的部分，然後蝕刻掉不用的部分。中間的實際加工工藝自然更複雜，工藝流程也多種多樣。

目前流行的新製作工藝採用西班牙Esker分子公司生產的ADG408BN步進式光刻技術，燈源的應用光波長為193nm，因此 更小的規格必須通過多次曝光才能達到，一些幾十種不同的設計模板必須依次連續曝光才能列印出所有的CPU設計方案。透光會造成越來越嚴重的精度危害，難度係數難以想像。

經過長時間的艱苦工作(前後約十年)，例如浸沒式光刻技術(把光路放入某種液體中，因為光的折射率較高，最小規格與折射率成反比)和相位差掩膜(按照180度反向法，產生的透射相互抵消，並且精度得到提高)最終能夠生產出低於60納米技術的產品，但是這使得新技術和新工藝的成本變得昂貴。成品率降低，使得難度係數和成本不能被接受。可接受的極限約為20納米技術(intel14nm納米加工技術的規格)和7納米技術(規格為假)，但相對性不經濟，還存在一些其他問題(特性降低、功率大等)。)。我相信你能理解英特爾14納米技術。

那為什麼不需要光波長更小的光刻呢？

起初，燈源很難製造，但很難製造，這被稱為波長為13.4納米的極紫外(EUV)技術。

然而，在這個波長下，沒有合適的物質可以用來折射光，這就構成了必要的雷射光路。所以這項技術中只有所有的光學系統都是反射面，而在如此高的精度下，設計方案本身複雜的折射光路是一個難以想像的瓶頸問題。

這個難度已經基本被世界頂尖公司解決了，但是還有一個新問題，就是UV燈源的抗壓強度無法維持高韌性製造，所以可以做，但是速度慢，會賠錢！因此， GF和SMIC很早就放棄了，英特爾也很痛苦。只有不法的臺積電和錢多無處花的三星還在鍥而不捨，三星的EUV7點評很差。

二、半導體材料加工技術何去何從。

根據目前的原理，半導體材料的加工技術要麼是改善電晶體的靜電學物理，要麼是改善截面的輸運特性，決定電晶體的基本特性(功率開關速率和通斷流量)。

近年來，一方面根據原材料、結構和加工工藝的創新，再次推廣氮化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)以及一些改進的結構；另一方面，生物學家也在探索原理上的變化，如隧穿電晶體、負電容效用電晶體、碳納米管及其近年來流行的石墨烯電晶體，即石墨烯材料被用作截面原材料，但由於至關重要的問題，沒有取得很大進展。

在電晶體的設計方案中，除了考慮功率開關的特性外，還必須考慮另一個特性，即飽和電流的問題。飽和狀態能否開關很重要。其實電晶體能合理工作的直接原因是電流可以飽和。由於不飽和脂肪的存在，電晶體無法維持數據信號的傳輸，因此無法承擔負載，相當於電源開關的接觸不良現象。如果放入電源電路，就不能正常工作。

長期以來，高電子密度的氮化鎵一直用於一些大功率電子器件。氮化鎵具有電子器件的高電子密度和熱流密度(通俗地說就是傳熱能力)，所以理論上是很有前途的原料。

在結構和原材料方面，英特爾的SuperFin技術取得了長足的進步，已經提前做好了產品化的準備。TigerLake被稱為WillowCove，它使用了一種新的升級電晶體技術。

根據英特爾發布的信息，10納米超級鰭技術是英特爾增強型鰭式場效應電晶體和SuperMIM(金屬-絕緣體-金屬)電力電容器的集成。從其官網資料顯示的信息來看，SuperMIM在相同的總佔地面積下，電容器增加了5倍，聲稱明顯改善了商品特性。

這一領域的領先技術是由一種新型高介電常數電解介質原材料實現的，這種材料可以在超色譜中以僅幾埃的厚度層疊，從而產生重複的「超晶格常數」結構。還有NovelThinBarriers，可以將過孔電阻降低30%，進而提高互連特性的主要性能。

其實從圖中可以看出，SuperFin並不是一種全新的升級處理技術，而是對finMosFET的擴展和改進。其原理是根據雙層(膨脹和收縮)大大擴大澆口總面積，進一步縮小體積，這是目前加工技術的發展趨勢。然後配合新的絕緣層材料，這樣才能實現大的提升。

隨著這一進展，10納米加工晶片的特性大大提高了約20%。20%左右的定義是什麼？

在之前的14納米時期，英特爾經歷了四次技術變革(14nm、14nm+、14nm++、14nm+++、14nm++++)，使其特性提高了約20%。這一次，根據SuperFin的說法，大約有20%是一次性完成的，開發速度遠遠超出了外界的想像。

據一些新聞媒體報導，這意味著SuperFin已經成為速度更快的電晶體，甚至是世界上最快的電晶體。

半導體材料加工技術發展趨勢的關鍵驅動力是國家主權、智能技術(如外太空探測)及其利潤，這些都是幾十年來全球人力資源和資金結合逐漸打破的。

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