5nm工藝可能無法實(shí)現(xiàn)？存儲器除了3D NAND還有其他選擇？看這4個技術(shù)老兵怎么說

　　5nm以下的工藝尺寸縮減邏輯;DRAM、3DNAND和新型存儲器的未來;太多可能解決方案帶來的高成本。

　　近日，外媒SE組織了一些專家討論工藝尺寸如何繼續(xù)下探、新材料和新工藝的引入帶來哪些變化和影響，專家團(tuán)成員有LamResearch的首席技術(shù)官RickGottscho、GlobalFoundries先進(jìn)模塊工程副總裁MarkDougherty、KLA-Tencor的技術(shù)合伙人DavidShortt、ASML計算光刻產(chǎn)品副總裁GaryZhang和NovaMeasuringInstruments的首席技術(shù)官ShayWolfling。以下是他們討論內(nèi)容的摘錄。

　　記者：在攻克10nm/7nm之后，會比較順利地過渡到5nm和3nm嗎?它會不會比我們預(yù)期的要難?甚至有可能實(shí)現(xiàn)不了5nm和3nm?

　　Dougherty：肯定可以實(shí)現(xiàn)，在我們公司的發(fā)展歷史中已經(jīng)多次證明，在達(dá)到物理極限之前，總會實(shí)現(xiàn)更低節(jié)點(diǎn)尺寸的工藝，當(dāng)然，我們現(xiàn)在也不太清楚怎么樣實(shí)現(xiàn)5nm和3nm。我們每次都能通過各種方式實(shí)現(xiàn)新工藝，這次肯定也不會例外。不過，我不認(rèn)為過渡會很順利，可能之間會有一定難度，但是難度肯定不會成指數(shù)級增長。我們終將實(shí)現(xiàn)5nm，在這個征途中，半導(dǎo)體行業(yè)將會克服各種各樣的困難。

　　Gottscho：我同意Dougherty的觀點(diǎn)。事實(shí)上，5nm的技術(shù)路徑非常清晰，F(xiàn)inFET工藝至少將會擴(kuò)展到5nm級別，而且可能會進(jìn)一步擴(kuò)展到3nm。在3nm之后，無論是垂直環(huán)柵還是水平環(huán)柵，肯定會有一些其它的解決方案。也會出現(xiàn)一些新的材料。當(dāng)然，肯定會面臨很多挑戰(zhàn)。我們知道怎么在5nm設(shè)計規(guī)則下制造高度為150nm的鰭片。制造出來是一回事，防止它們崩潰失效則是另一種不同的挑戰(zhàn)。前進(jìn)的路上困難重重，但是我堅信這個行業(yè)最終會走到那一步，而且不會延遲太久。

　　Shortt：大約三十年前，我曾經(jīng)閱讀過一篇文章，文中言之鑿鑿地清晰解釋了為什么不能采用成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)比光的波長更小的器件。我們都知道后來發(fā)生了什么事情，哪些不看好光刻技術(shù)的人們都慘遭打臉。每次預(yù)計需要很長時間才能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，我們總是能夠很快實(shí)現(xiàn)。作為一名技術(shù)人員，我一次又一次驚訝于能夠制造那么精細(xì)的芯片。我們可以制造3DNAND，這個事實(shí)多么讓人驚嘆。

　　Zhang：我們從供應(yīng)鏈那邊的客戶得知，工藝尺寸的縮放不會停止。在光刻方面，我們正在新節(jié)點(diǎn)上努力完善EUV技術(shù)，并研究高NA機(jī)器。我們已經(jīng)針對新節(jié)點(diǎn)做出了印刷和圖形方案，但是在管理復(fù)雜性和成本上還面臨更多挑戰(zhàn)。但是，我們肯定會行進(jìn)到下一個節(jié)點(diǎn)上。

　　Wolfling：我同意，復(fù)雜度是問題的關(guān)鍵，而且實(shí)際上存在多個層面的復(fù)雜性。FinFET還有進(jìn)一步的擴(kuò)展空間，在FinFET之后，將會是納米片。兩種工藝技術(shù)會在哪里會和呢?是在3nm或2nm上嗎?行業(yè)的發(fā)展需要工藝技術(shù)的切換，EUV正在發(fā)生革命，F(xiàn)inFET肯定也會這樣，問題在于，會在哪個工藝尺寸上發(fā)生這些事情。

　　記者：看來大家對前景都很樂觀，不過，我們還有很多革命性的問題需要解決，包括互聯(lián)、RC延遲以及一些前人都沒有解決過的問題。這次是不是不同?無論從制造還是在測量方面，是不是邏輯器件的制造技術(shù)都發(fā)生了很大變化?

　　Dougherty：我認(rèn)為，挑戰(zhàn)主要在于選項太多。我們用來縮放工藝的技術(shù)選擇大大放寬了。如果你回顧一下前幾代就會發(fā)現(xiàn)，你多多少少會制造將使用什么材料，選擇哪種基本結(jié)構(gòu)。但是現(xiàn)在，當(dāng)你展望7nm甚至更小節(jié)點(diǎn)時，我們的供應(yīng)商可能會列舉出10種路線圖。最終可能會是這些路線的組合，但是，要在先進(jìn)工藝上篩選出這些選項需要的工作量很大。我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，最終實(shí)現(xiàn)可能不是單一的方案，在半導(dǎo)體行業(yè)多年發(fā)展歷史中，每個廠商最終都選擇了同樣的方案。但是這次可能會有一些分歧，比如在后道工藝上。

　　Zhang：問題在于，條條大路通羅馬，我們要怎樣探索所有這些路徑。一開始，每種方案看起來都很好，但是很難說哪一種成本效益更好，哪一種是可以生產(chǎn)制造的。所以，在投資技術(shù)路線之前需要調(diào)查不同的材料和不同的技術(shù)方向。

　　記者：就是說肯定能實(shí)現(xiàn)，但是面臨很多選擇，對吧?

　　Gottscho：對。就拿后道工藝來說，至少在近期這幾代工藝內(nèi)，還可以僅僅通過去除阻擋層就能降低阻抗。不過，說起來簡單做起來難。當(dāng)你看那些由過孔占據(jù)的空間時便會發(fā)現(xiàn)，那里主要采用了作為擴(kuò)展阻擋層的高阻抗性材料。如果我們能夠解決這個重大問題，后面幾代工藝的后道工藝也會比較順利實(shí)現(xiàn)。接觸電阻也是一個重大的問題，但是現(xiàn)在已經(jīng)有人發(fā)明了一種非常具有創(chuàng)造性的架構(gòu)，使用環(huán)繞接觸、高劑量表面摻雜，并且高度關(guān)注接口特性。這些問題都很難，我認(rèn)為會有一些不同的解決方案。另外，我比較關(guān)注測量方面，我認(rèn)為制造工藝相對來說進(jìn)步空間很大。

　　Zhang：測量是埃米級別的。我們現(xiàn)在可以用3D實(shí)現(xiàn)埃米級測量。在測量方面，我們公司有解決方案。

　　Shortt：多年來我發(fā)現(xiàn)，一種工藝節(jié)點(diǎn)從概念設(shè)計到真正出貨的周期時間越來越長。我們認(rèn)為需要早點(diǎn)啟動。我們有多代跨越式的技術(shù)，也有同時開發(fā)多代技術(shù)。我們有很多好的想法，但是我們必須早一點(diǎn)開始思考，降低一些技術(shù)風(fēng)險，找出有效的方案和無效的方案，然后拋棄掉無用技術(shù)，繼續(xù)前進(jìn)。因此，對我們來說，檢查和測量的成本正在增加，所以需要在一開始就做一些降低技術(shù)風(fēng)險的工作，快速摒棄無效方案，保留有效方案。

　　記者：現(xiàn)在的3DNAND已經(jīng)擴(kuò)大到了48層，那么接下來的工作就是繼續(xù)疊加層數(shù)嗎?或者它有物理限制嗎?

　　Gottscho：3DNAND的層數(shù)一直在上升，我對它的未來相當(dāng)樂觀。事實(shí)上，在半導(dǎo)體行業(yè)混，就必須樂觀。我們發(fā)現(xiàn)了一種可以疊加到256層的方案，繼續(xù)向上疊加非常具有挑戰(zhàn)性。但是，就目前來看，做到128層也有很多挑戰(zhàn)。晶片之間的壓力是個大問題，如果采用像薯片一樣的晶圓，最終的結(jié)果肯定不好。而且，當(dāng)你試圖將一層堆疊到另一層上面時，這種壓力便會造成失真和重疊。最大的問題之一是蝕刻內(nèi)存洞。在我35年的蝕刻生涯中，這是我所見過的最具挑戰(zhàn)性的蝕刻，氧化物層和氮化物層，或者氧化物層和聚合物層互相交錯，縱橫比接近100：1。不過話說回來，我們有一個解決方案的技術(shù)路線圖，我們正在同時研究三代技術(shù)。在未來10年內(nèi)，這些技術(shù)將得到大規(guī)模應(yīng)用。

　　Shortt：3DNAND未來能夠在一步之內(nèi)完成100層的蝕刻嗎?

　　Gottscho：這個不好說。我們的策略是將蝕刻技術(shù)的寬高比最大化，因?yàn)槲覀兿嘈?，一次蝕刻完盡可能多的層更加符合客戶的利益。不管你的3DNAND是48層，96層還是128層，你最后都會想找出能夠蝕刻最多多少層。

　　Wolfling：當(dāng)你開始堆疊層數(shù)時，如果有三代或四代以上的產(chǎn)品，采用相同的堆疊方案顯示是是不符合成本效益的。你在蝕刻上下的功夫越大，這種技術(shù)方案成熟的時間就越早。

　　記者：DRAM也是馮諾依曼架構(gòu)的一個重要產(chǎn)品。我們未來能在現(xiàn)有的技術(shù)方案上從平面和高度兩個層面繼續(xù)發(fā)展這個產(chǎn)品嗎?還是需要轉(zhuǎn)向其它技術(shù)方案，比如相變存儲器或STT-RAM?

　　Zhang：我們的客戶正在從三維上發(fā)展這個產(chǎn)品，并試圖進(jìn)一步降低其工藝尺寸。過去幾年就是這種發(fā)展路線，而且還會繼續(xù)這么走下去，至于能夠走多遠(yuǎn)，說實(shí)話我們現(xiàn)在還沒有真正看到能夠在不遠(yuǎn)的將來取代DRAM的另一種器件。我們發(fā)現(xiàn)，XPoint成為了另一種可以插入當(dāng)前內(nèi)存架構(gòu)的可行解決方案。觀察它未來如何與DRAM齊頭并進(jìn)將是比較有趣的一件事情。

　　Dougherty：所以你認(rèn)為隨著時間的推移會出現(xiàn)一些別的替代方案嗎?我認(rèn)為，不同的存儲方案都有大量的工作要做，但是我們不知道它們的交叉點(diǎn)在哪里。

　　Zhang：這就是人們正在同時研究XPoint和其它存儲器方案，并觀察它們的成本、性能和存儲壽命這些指標(biāo)的原因，不過，這些方案能不能達(dá)到DRAM的水平還有待觀察。

　　Shortt：在KLA-Tencor，我們之前預(yù)測3DNAND會更早地取代其它NAND器件，但是在3DNAND的壓力下，其它產(chǎn)品將工藝推進(jìn)到超出人們預(yù)期一代或兩代的程度，這反過來又延遲了3DNAND的推廣。DRAM也是如此，這種技術(shù)肯定會盡可能走的更遠(yuǎn)。

　　Gottscho：在我看來，DRAM和2D/3DNAND的切換還有一些區(qū)別，3DNAND在2DNAND發(fā)展到頭之前已經(jīng)準(zhǔn)備就緒了，但是目前看起來DRAM好像還沒有替代品。無論是STT-RAM、相變存儲器還是電阻式RAM，在讀寫速度或耐用性上它們都不能與DRAM相比。更新?lián)Q代的必要性是驅(qū)動技術(shù)發(fā)明的主要動力，但是DRAM至少還可以再發(fā)展兩代，DRAM生命猶存，但是它的提升變得越來越困難。MRAM可能會成為一種邏輯器件中的嵌入式邏輯內(nèi)存組件，但是它看起來不像是高密度DRAM的可行替代品。

　　Shortt：我們認(rèn)為，沒有太大的必要審查這些新結(jié)構(gòu)。我們審查了一些新結(jié)構(gòu)，但是投入的精力并不多。