超微缩和3D集成共同推动工艺前进
2020-12-23 17:57:39
摩尔定律的未来还看不到尽头，这是台积电中国副总裁陈平博士最近在演讲中传递的观点。
摩尔定律到底有没有到尽头，这是一个业界争议了二十多年的话题，如果但从半导体工艺制程的进展上看，摩尔定律依旧继续前行。作为目前半导体制造领域的领导者，来自台积电的陈平博士就摩尔定律的发展进行了分析，本文观点性内容节选自陈平博士在ICCAD活动的现场报告。
计算是整个电子产业的核心驱动力，两年前在珠海的设计年会上，当年的预测移动计算跟普及计算的两个交差点会发生在2020年，从今年的产品来看，这一点真实发生了。所谓普及计算的时代，意味着计算平台会从移动的智能手机，演变成多个平台，包括移动平台、高速计算平台，IoT平台和智能车载平台。在新的时期里的核心技术是5G和AI，5G是代表了连接技术，AI是数据的处理技术。5G跟AI非常依赖工艺技术之上，所以它对性能、功耗和集成度的要求都非常高。
在工艺上满足要求无非是两个路径，第一个路径是继续延伸所谓的摩尔定律，就是微缩技术，所以在单片上面按照原来摩尔定律的方向继续延伸。另外一个路径是实现3D集成，目前台积电在两个方面都取得了很好的成果，目前世界上最大的GPU SoC，已经有了500亿晶体管，而用3D集成现在做到了最大的芯片是有2000亿。
5G和AI共同的要求是两个，一个是高能效，不管你是移动终端还是云计算，都需要很高的能效。第二个是集成度，要把更多的晶体管放在系统芯片里面去。满足这两个要求，先进工艺是不二选择，必须有先进工艺来支撑这件事。我们看一下工艺，我们的工艺能不能支持这样的应用要求呢，这个曲线是我们熟悉的，所谓摩尔定律的一个曲线。5纳米今年台积电进入了大量的量产，已经有三个机种的量产。5纳米比7纳米还是更顺利。5纳米做的很多的器件，比如说苹果12，很多朋友都在享用。3纳米的研发进展现在也很顺利，所以台积电应该是按照我们的计划在进行，明年可以做完认证，后年会有大量的量产。5纳米已经被证明是成功的，再往前走，我们的工艺到底能够走多远呢，我跟大家做一些简单的分析。
我们知道做晶体管的微缩有几个大的技术，第一个就是光刻技术，基于可见光的光刻技术，很多年一直用各种各样的弥补方法，终于在两年前我们的EUV技术成熟，进行量产。它的光波长是13.5纳米。我们的日子就比以前好过了很多，所以7nm和5nm这两代已经非常成功的引进，量产环节上已经做得非常好了。
再往前这个研发还在继续的进行，所以EUV还会得到不断的扩展，下一个节点叫high NA EUV。为了晶体管微缩，不光要保证光刻的技术，你还要保证器件结构和器件材料，因为当你器件变得很小的时候，你的器件结构就不能支持你的电性要求。从10纳米开始转换，已经用了好几代，一直从3纳米的结构都是可以支持的。3纳米以后需要做器件结构的一些改变，现在这方面也有很好的候选者，这些都是后面的，所以在器件结构上，后面也是有准备的。
还有一个材料，这张图可以显示，如果用纯粹的微材料的话，到3纳米以后，你的速度会快速的降低。好在我们人类的创新从来没有停止，前几年又有科技人员，又创造出了新的2D的材料，这些材料就是图中所标识，他又可以拉回到水平去。所以摩尔定律，什么时候终结没有答案，因为就我个人来说，我第一次参加这个讨论是30年前，最近的20年每年都有人在非常确定的说，但是我们永远不能低估人类的创造力和创新，当我们遇到一个困难的时候，总有优秀的科学家两找到新的答案。
刚才讲的是我们的单片上集成的晶体管，与此同时大家都已经注意到所谓3DIC，就是异构或者同构的集成，最近已经成为了我们行业的主流。从需求上来讲有两个很大的推手要我们做这件事。第一件事，我们在谈SoC的时候，知道各种工艺技术它的路径是不一样的。我们的存储器就比它要慢得多。在5纳米以后明显放慢，还有一些特殊工艺，像射频工艺，他们那些本来就很慢，如果你把所有的东西都集成在同一个芯片上，第一不是永远可能，第二也不经济，所以现在更好的方式，异构的集成来做，这是一个必须要做的事，也是摩尔定律延伸的另一个手段。
第二是同构的，我们需要把很多的晶体管放在电路上去，但是受光刻的限制，830平方毫米左右，这个是受限的。你如果做七八百个平方，你的成本，封装，各种问题就会出现，所以我们会把一个大的分成几个小的，然后做到一起。
台积电在这方面过去十来年，一直致力于研究，因为我们早就预见这种需求，一直在做研究，我们现在已经推出了，最后称之为3D这一个平台，在3D平台里面大概分两大类的工艺，这个平台类涵盖的工艺细节非常多。
总体来说分两个部分，第一个部分叫做前段3D，这个是他对工艺的要求是最高的。第二种所谓的先进封装的方式，这种有代表性的，我们台积电已经做了七八年的，CoWos技术和info技术，和传统的是相辅相成的，鼓励大家对这个方面多关注。
除了我刚才讲的3D，在晶体管的技术微缩以外，也除了我刚才已经提到的3D集成以外，还有一个重要的趋势，就是设计和工艺的紧密结合，这个词不是一个很虚幻的词，现在所有的工艺开发和设计的一个非常重要的元素。在系统架构上，设计的时候跟硬件之间的结合也必须纳入一个考虑，所以软件和硬件的协同设计，协同优化是一个系统设计的必须。
所以总结刚才的分析，以集成电路纯技术的发展方向来看，我们的看法是晶体管的技术微缩，3D的集成，软硬件的协同优化，这三个是我们的三大元素，缺一不可，指导我们今后很多年的发展。
