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晶片技術未來五年的發展:5nm以下路在何方,DRAM、3D NAND和新型存儲器的誰將勝出、多個潛在解決方案該如何抉擇

2023年09月06日

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LAM Research公司的首席技術官(CTO)Rick Gottscho
格羅方德公司先進模塊工程的副總裁Mark Dougherty
KLA-Tencor公司的技術人員David Shortt
ASML公司的計算產品副總裁Gary Zhang
Nova測量儀器公司的CTO Shay Wolfling
從左到右依次是:Shay Wolfling、Rick Gottscho、Mark Dougherty、Gary Zhang、David Shortt
問:從10/7納米繼續向下發展,是否直接到5和3納米?實際困難是否大於預期?甚至是否可以實現?
Dougherty:是有可能實現的。我們已在歷史上的多個時刻證實了它總是可能的,即使我們還並不十分確定將如何實現。我們總是能夠在多種方法中找到一種解決方案,我預測同樣的事情將會繼續發生。但是,我並不預期這種發生將是直接到達。它將不是一個雙曲線或指數線。我們將到達那,在那產業界將發現很多事情。
Gottscho:我同意,到5納米的道路已經非常清晰了。FinFET將至少延伸至5納米,並有可能繼續延伸至3納米。在那之後將有一些其他解決方案,無論是水平或垂直的全環柵,還將出現新的材料,也會面臨很多挑戰。我們知道如何用5納米設計規則製造出150納米高的鰭柵,而真正製造又是另外一回事。阻止他們塌陷是一個不同的挑戰。下一步發展要面臨很多挑戰,但我從不懷疑產業將到達那,我也不認為將會出現巨大延遲。
Shortt:大約在30年前,我第一次讀到了一篇文章,其中非常清楚地解釋了為什麼我們將沒有可能使用成像的方法製造出比光波長還小的器件。我們都知道後來技術是如何發展的,任何一個不看好光學光刻的人都錯了。它總是看起來僅能再實現幾代發展,但我們似乎總是實現了。作為一個觀察者,我吃驚於這些器件能夠被製造出來。對於3D NAND的實現更是令人吃驚的。
Zhang:我們從供應方的客戶得知,微縮還沒有結束。就光刻而言,我們使用超紫外光刻(EUV)技術非常努力地推進至新節點,並帶有高-數值孔徑(NA)作為在該路線圖上的拓展。就列印和壓印而言,我們也有解決方案。在我們如何管理複雜性和成本上有更大的挑戰,但是我們終將到達。
Wolfling:我同意。複雜性是關鍵。有超過多過一種的方法起作用,還有空間繼續延伸FinFET,在那之後將採用納米片。何處將出現轉折點?在3納米或2納米?在產業面臨轉折點時。它將與EUV一同發生,將與FinFET一同發生。問題是將在哪發生?
問:但我們仍有一些大的變革性問題待解決。有內互連、RC延遲、一系列過去無人能夠解決的問題等。從製造和從測量兩方面來看,這次是否不同了,尤其是對於邏輯電路。
Dougherty:依我看,真正的挑戰是可選項的數量。我們可用於微縮的技術範圍已經擴大了。如果回到幾代工藝發展之前,你或多或少地知道打算使用的材料和基礎結構。現在,當你看向7納米及以下特徵尺寸時,我們的供應路線圖顯示將是10種選擇之一。答案是其中的一些組合,但是還要做很多工作來在先進節點上篩選這些多種方案的可行性。我們到達了這樣一個點上,可能不再是一個解決方案。從長遠來看該產業,每個人對同一解決方案的終止時間都多多少少達成共識,也可能存在一些小分歧。
Zhang:問題並不是你將面臨極限,而是你有很多路可選。問題是我們如果探索所有的道路。這些道路在開始的時候都非常有前景,但很難說哪一個將最具成本效益,哪一個將可製造。這是需要投資的一部分,來調查不同的材料和不同的方向。我並不認為問題是我們面臨極限。
問:即我們面臨很多選擇,是嗎?
Gottscho:但是對於後道線而言,至少在近期,還有幾代可以發展,僅僅通過避免阻擋就能真正有機會將降低電阻。這說起來很容易,做起來難。但是當你看到尤其是被通孔占據的空間時,它被用於擴散阻擋層的高阻抗材料所主導。如果我們能夠解決材料問題,將在後道工藝上給我們帶來還有幾代的發展機會。接觸電阻也同樣是一個巨大問題,但有一個例子,人們通過使用包含環繞式接觸、高劑量表面摻雜和關注接口特性在內的新架構可變得非常具有創造力。這些問題都很難,我並不懷疑,但還有至少幾種不同的解決方案。我對度量衡很好奇,因為這通常是工藝發展的入口。
Zhang:我們在早期時候討論過在埃尺度下進行測量。我們現在可以在3D下實現。所以在度量衡方面,我們有可用解決方案,置於我們是否對所有我們想測量的事情都有解決方案,這仍然是一個問題。
Shortt:數年來我們所看到的是從概念到真正供貨這一端到端循環周期所花費的時間長度正變得越來越長。我們所發現的是我們需要早點開始。我們有幾代發展在互相交替進行,在同一時間有幾代也正處於研發中。我們有很多好主意,但我們需要早點開始思考,並做好減少技術風險的工作,來明確哪些起作用,哪些不起作用,要避免不起作用的工作,然後持續進行起作用的工作。所以,對我們而言,用於檢查和度量衡的全部端到端成本是增加的。但通過合理的管理,通過在一開始就進行技術風險減少的工作,快速避免不起作用的工作,並使起作用的工作持續進行,將能夠減少成本。
問:包含在這所有中的另一個邏輯是3D NAND。我們已經堆疊至48層。是否還能夠繼續堆疊,還是也有物理極限?
Gottscho:堆疊還將持續一段時間。我對於未來非常樂觀。我們看到了通向256層的道路。再高就會變得非常有挑戰性。但是其實要達到128層就已非常具有挑戰性了。薄膜中的壓力是個大問題。如果出來的晶圓看起來像薯片,就不好了。當你嘗試在一個晶圓上堆疊另外一個晶圓,由於扭曲和堆疊,壓力將變成一個大問題。最大的問題之一是刻蝕存儲器通孔。這是我在刻蝕業務35年經歷中看到的最大挑戰,使用交替的氧化物層和氮化物層,或氧化物層和聚合物層,尺寸比率接近100:1。但話雖如此,我們有一個解決方案路線圖,我們同時在致力於三代技術的發展,將在未來10年實現逐步微縮。
Shortt:你是否看到,未來100層3D NAND的刻蝕時都由一個步驟完成?
Gottscho:這將是一個混合過程。我們的策略是將刻蝕技術發展到最高尺寸比例,因為我們相信我們客戶的興趣是儘可能在一個步驟中實現儘可能多的層。但是當你堆疊48或96或128層時,或早或晚你將希望能夠放棄儘可能堆疊更多層的想法。
Wolfling:當你開始堆疊,如果你有三或四更多代,並且你將他們中的四個堆疊在一起,這並不是成本最有效,你在推進光刻技術上推進得越多,你在這個方向上節省的時間越多。
問:馮諾依曼架構的另一個重要方面是DRAM。我們能夠從1x技術到1y,或者我們是否需要遷移至其他技術,如相變存儲或STT-RAM?
Zhang:我們的客戶正在沿著1x、1y、1z的道路在走,並試圖擠出其他納米。在過去幾年中是這樣的,並將繼續。截止到目前,我們並沒有看到其他成熟器件能夠替代DRAM。我們確實看到的XPoint崛起,可作為另一可嵌入到現有存儲器架構的存儲器解決方案。看它將如何與DRAM展開競爭將是件有趣的事情。
Dougherty:難道你不認為對於其他備選項而言只是時間問題?無疑在所有這些不同的存儲器上還有許多工作要做,儘管我們不知道轉折點在哪裡。
Zhang:這就是研究人員致力於XPoint和其他存儲器,以及看他們能夠從一個成本、性能和讀寫次數的立足點上推進多遠的原因。他們能在多大程度上達到DRAM水平仍要拭目以待。
Shortt:我們看到KLA-Tencor給出的預測,3D NAND可能在早些時候已經接替2D NAND,但是2D NAND能夠在超越預期的基礎上再推進1或2代,這延誤了3D的開啟。同樣的事情的也將在DRAM領域發展,他們將儘可能地推進發展。
Gottscho:我在DRAM和2D/3D NAND發展中看到了不同,感覺3D NAND在2D NAND壽終正寢前已經做好準備。當下,它並不作為DARM的替代。無論是STT-RAM、相變存儲器或電阻RAM,沒有一個能夠匹配DRAM的速度和擦寫次數。需求是發明之母,我們看到在1x之後至少還有2代。我們正聽到關於1a的討論。DRAM還有壽命,但是變得困難。MRAM有可能作為嵌入式存儲單元用於邏輯電路。它看起來不像高密度DRAM的可行替代品。
Shortt:我們也同樣沒有看到對於這些新結構的需求。你可能會認為我們能早早看到。但我們看到的非常少,不是很多。

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