芯片，要打破这几堵墙

近日，在 SEMICON West 开始之前，imec 举办了年度国际技术论坛 (ITF)。会上，imec 总裁兼首席执行官 Luc Van den hove 介绍了他对 20 年技术路线图的看法，他表示，该路线图比该行业过去几十年取得的成就更加激进。而imec将利用我们的核心半导体专业知识，通过在半导体技术层面、系统和应用层面的共同创新。

Luc Van den hove首先表示，半导体行业长期以来一直遵循传统的Dennard 缩放推动行业发展，它希望以更低的功耗和更低的成本提供更高的性能和更高的密度。“但这个一维版本的路线图在未来可能已经不够用了，”Luc Van den hove说。“我们将不得不针对特定应用调整我们的设备。”

传统的扩展在功率、性能、扩展和成本方面遇到了多重障碍。而只是基于光刻的微缩也变得越来越难。“它并没有停止，而是变得越来越难。我们习惯于从节点到节点的单个晶体管的性能改进一直在放缓。这就是我们必须进行大规模并行化的原因。”Luc Van den hove强调。

系统性能越来越受到核心处理器和内存之间的数据路径限制的支配，这造成了数据处理限制，尤其是在 AI 应用程序中。“这就是我们所说的记忆墙。内存峰值带宽无法跟上处理器峰值吞吐量，”Van den hove 接着说。 

另一面墙是电源墙。“将所有功率输入我们的芯片变得越来越难，而且从每个芯片中提取热量也变得越来越难。因此，我们需要新的冷却技术，”Van den hove 表示。  

成本也在爆炸式增长，这是芯片未来面临的另一堵墙，这个问题则需要通过复杂性增加来弥补。 

“传统的缩放显然正在击中许多这样的墙，我们将不得不开发技术解决方案来真正拆除这些墙，以使摩尔定律得以延续，”Van den hove 说。 

对于这种墙壁拆除，需要多种方法，包括尺寸缩小、新开关/晶体管的开发、第三维度的增加使用以及设计优化的系统级方法。 

Imec 主持了一些关于 EUV 的最早工作，Van den hove 表示，随着 EUV 进入大批量制造，光刻路线图最近经历了“惊人的推动”。“这发生在5纳米节点。这比最初预期的要难得多。这要花更长的时间，但要感谢 ASML 和蔡司等公司的非凡奉献和承诺，”他说。“我们相信当前版本的 EUV 可以扩展到2纳米甚至更远的节点，但要超越这一点，我们将需要下一个版本的 EUV。” 这将需要开发更大的镜头和新的系统平台。光学器件必须符合惊人的规格，直径为 1 米的镜头，其精度将超过 20 皮米。“如果我们将其推断为地球的大小，这意味着我们必须以人类头发粗细的精度来打磨地球。这令人难以置信，令人难以置信，”Van den hove说。“我们预计第一台机器将在明年准备就绪。”

High NA EUV 的引入也将在工艺方面带来许多挑战。“为了以积极主动的方式解决这些问题，我们正在与 ASML 一起建立一个联合High NA 实验室，该实验室围绕第一台原型机建造，将与 TEL 轨道连接，并配备最先进的计量能力。我们这样做是因为及时引入High NA EUV 的挑战将是巨大的，”Van den hove 说。“从第一台 EUV 扫描仪到投入大批量生产，我们花了大约 10 年的时间。对于High NA，我们将有更少的时间，只有三年。为了避免在制造中引入这种情况，我们正在建立一个非常密集的计划，以开发所有关键的支持构建模块，例如掩模技术和使用湿式或干式紫外线抗蚀剂的材料。”

Van den hove 描述了几项针对破坏性晶体管架构提出的创新，以实现进一步的扩展，包括由纳米片堆叠构成的环栅设计（gate-all-around），以及一种称为叉片（forksheet ）器件的新晶体管概念，其中 N 和 P沟道晶体管靠得更近。“这种forksheet 设备，我们将其视为标准纳米片概念的延伸，我们相信它将在相当于一纳米一代的情况下推出，”Van den hove 说。他还描述了一种将 N 和 P 沟道晶体管堆叠在彼此顶部的选项，称为互补 FET (CFET) 器件。 

“很明显，您可以在缩小单元尺寸方面实现另一个非常重要的步骤，但显然是以更复杂的接触方案来接触源极和漏极区域为代价的。但我们相信，我们已经找到了开发的集成方案，可以通过优化外延工艺、图案化工艺以及利用非常复杂的沉积工艺来实现接触结构，从而实现这种晶体管，”Van den hove 说。

其他创新包括减少硅沟道的厚度以减少通道长度。这可以通过使用新材料来实现，如用二维材料、原子平坦的单层（例如，钨或钼的硫化物或硒化物）代替硅。“我们最近展示了使用 300 毫米设备制造的第一批设备，”他说。

Van den hove 表示，持续的尺寸缩放、新的晶体管架构、新材料的引入以及创新的互连架构（埋入式电源轨）相结合将是成功的秘诀。他说：“我们相信，我们可以为未来 8 到 10 代芯片提出路线图——以 2 到 2 年半的节奏推出——这将为我们带来未来 20 年的路线图。