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2020年12月21日 | 探索半导体CMOS技术可持续发展路径
2020-12-21 来源：EEWORLD
如今我们缺乏一种全面准确评估芯片制造影响的方法。近日，Imec制定了一个解决方案，通过扩展其设计-技术协同优化(DTCO)框架，可以估计当前和未来的逻辑CMOS技术的能源消耗、水资源使用和温室气体排放的状况。第一个分析显示，由于芯片技术日益复杂，节点之间的所有这些指标都在增加。该框架会让企业做出更加符合可持续的制造方针。
如何保障半导体的环境可持续性
半导体产业是涵盖能源、水、化工和原材料的资源密集型产业。在生产过程中，会产生不同种类的排放物，包括二氧化碳和氟化化合物等温室气体。为了最大限度地减少行业对环境的影响，并遵守当地和全球的政策，环境、健康和安全(EHS)控制这些因素已经成为每一个代工厂关键考虑的部分。
但由于对气候变化、资源消耗和全球污染的日益关注，晶圆厂和设备供应商希望在绿色集成电路制造方面做出更多努力。虽然EHS控制主要局限于化学品、减排和水管理，但电子公司希望了解并减少其产品的全部碳足迹。减少碳足迹也能保证业务的连续性。今天，公司依靠生命周期评估(LCA)等方法来评估其产品从原材料采购到寿命结束的环境影响。
未来集成电路的生命周期评估
然而，目前的LCA方法还远远不够精确和完整，特别是在集成电路方面。最新发布的关于芯片制造中使用的质量平衡和能量流的信息涉及到32nm技术节点——一项在2010年成为主流的技术。关于当前和即将到来的CMOS技术处理的环境数据是很难得到的。而我们所知道的大多来自于片面的观点，要么来自于设备或材料供应商，要么来自于代工厂在生产后发布的内容。无晶圆厂的公司根本无法获取信息。缺乏一种整体的方法，使得将环境考虑因素纳入早期技术确定阶段极具挑战性。
主要障碍:未来技术日益复杂
由于节点间复杂度的增加，预计CMOS技术对环境的影响将变得非常复杂。多年来，在芯片制造的所有步骤——包括前端生产线(FEOL)、中间生产线(MOL)和后端生产线(BEOL)，都引入了新的材料、设备结构、工艺和设备，以确保摩尔定律的连续性。对于未来的节点，我们也在探索新方法，以进一步减少逻辑单元面积，同时提高节点之间的性能(即操作频率)。
为了设计更加紧凑的间距，光刻技术已经从单曝光193nm发展到双曝光、三曝光或四曝光方法。EUV光刻可用于7nm节点，大大减少工艺步骤的数量。但并不是每家代工厂都能实现了这一转变，因为同一种间距有多种加工路线可供选择。对于未来的技术节点，将需要多个EUV光刻序列来印刷30nm以下的pitches。
在FEOL中，FinFET已经成为7nm技术节点的主流设备架构，7nm技术节点是目前芯片生产中使用的最先进节点。对于下一个技术节点，imec认为(垂直堆叠)横向纳米片是未来的发展方向，其次是Forksheet结构和综合性互补FET（Complementary FET，CFET）。
对于Complementary FET（CFET）而言，它是在1nm节点采用的方法。在此，通过在p型FET上堆叠n型FET，即通过三维堆叠具有不同导电类型的晶体管，从而标准单元面积被大大减小。据说芯片的背面可以提供更多功能，但未公开细节。从这里开始，将采用high-NA EUV光刻以进一步微缩晶体管结构。
IMEC还希望采用二维材料，自旋电子学和量子计算。为了将来进一步微缩，除了设计和工艺协同优化（DTCO）之外，系统和工艺协同优化（STCO）也很重要。
为了跟上前端面积的缩放，BEOL尺寸急剧减小——这导致金属节变得越来越小，导线的截面面积也越来越小。这些年，互连层的数量和最密集的金属线复杂性已经显著增加。人们正在探索新的金属化工艺方案，并正在引入新的金属来降低最致密层的电阻率。
设计-技术协同优化DTCO
伴随着这种演变出现了DTCO——设计-技术联合优化。2005年以前，半导体的技术演进很顺利，处于“happy scaling”时代。不断缩小的晶体管在功耗、性能、面积和制造成本(表示为PPAC)方面为整个系统带来了好处。但自2005年以来，人们逐渐意识到，只有在设备技术和设计共同优化的情况下，才能保持这些好处。DTCO通过引入缩放助推器，允许进一步缩小面积，但这不是在晶体管上，而是在标准单元水平上。缩放助推器，如自对准栅触点或埋置功率轨，进一步改善了芯片不同部分之间的连接，但也影响了FEOL、BEOL和MOL水平上的芯片生产。
DTCO的可持续性发展
DTCO框架可以作为分析环境指标的基础，这些环境指标可以与标准PPAC指标并行监测。DTCO考虑了当前和未来集成电路技术的工艺流程。这些可以与工艺步骤和设备的相关环境信息相结合，允许进行电能-性能-区域-成本-环境(PPACE)的分析。
Imec将电能消耗、超纯水使用和温室气体排放作为评估环境影响的主要指标。为了利用这些指标扩展DTCO框架，imec团队使用了来自其300mm fab的数据，并补充了来自其设备供应商生态系统的信息。通过这种方式，不同的知识可以被连接起来。
这样做的目的是在不同的缩放选择上进行PPACE分析，以识别大批量制造之前的瓶颈、风险和机会。要进行正确的评价，需要一个真正的整体方法。例如，极紫外光刻工具比传统的193nm(浸入式)光刻工具消耗大约10倍的功率。但EUV也将显著减少处理步骤的数量，这是在推导总能耗时必须考虑的因素。
Imec使用扩展的DTCO框架对不同的工艺流程和集成方案进行量化和基准测试，从28nm到2nm节点。
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