通用平台技术论坛：14nm及以下的芯片制造

昨天我参加了通用平台技术论坛，IBM，Globalfoundries和三星在该论坛上介绍了他们将来将用于制造芯片的技术。 该小组最初由IBM成立，旨在分发其芯片制造技术，基本上采用IBM及其合作伙伴创建的基本流程，然后将其移至Globalfoundries和Samsung进行大批量制造。

以下是重点内容：

14nm FinFET工艺技术的开发（创建类似3D的晶体管）似乎已步入正轨，最有可能的代工厂是2014年开始生产，基于该产品的产品很可能在2015年出现。（英特尔已经在出货FinFET，它称之为22纳米上的“ Tri-Gate”晶体管，但英特尔与众不同之处在于，它主要是自己的客户，只有一个基本设计，而代工厂则需要支持更多的客户。）请注意，此过程的通用平台版本正如Globalfoundries之前所讨论的那样，在其“前端”和与20nm工艺相同的“后端”上结合了FinFET技术。

尽管每个人都同意在将来的某个时候需要使用EUV（极紫外）光刻技术，但它需要花费更长的时间开发并且面临比预期更多的问题。 现在它要等到7纳米生产甚至以后才可能使用。

通用平台小组曾经讨论过要使每个制造商的流程都相同，以便客户可以轻松地从一个制造商迁移到另一个制造商，现在的重点似乎是创建一种核心工艺技术，然后让各个代工厂（Globalfoundries和Samsung）为特定客户定制它们。

正如制造商对新工艺节点的期望一样，向20nm和14nm生产的迁移不会带来每个晶体管成本的降低。 （通常，每个节点得到的晶体管数量是摩尔定律的两倍，但成本略高。）但是20nm会增加更多的成本，因为这将是第一次需要光刻的“双图案”，而14nm的节点则是通用的。平台合作伙伴所谈论的并不是真正的缩小，因为它使用了20nm的“后端”。 但高管们表示，他们希望在转向10nm时能恢复正常经济。

以下是一些详细信息：

IBM Microelectronics副总裁Mike Cadigan谈到了通用平台在过去10年中的发展情况。 它已经从旨在创建代​​工领导者台积电的替代方案的团队发展到现在包括排名第二和第三的代工厂（Globalfoundries和三星半导体）的一家，该团队基于IBM研究和其他公司的技术。 他特别指出了与纽约州和合作伙伴一起在纽约奥尔巴尼建立的新的半导体研发机构，IBM现在正在与该公司的前五名设备供应商合作开发EUV等项目。

Cadigan（上文）提到了向下一代技术转移的困难。 他说：“我们所有人都在跑步机上。”但建议通用平台模型为其成员提供利用成员及其合作伙伴所做工作的能力。

他说：“我们的行业对社会至关重要。”他指出，硅如何驱动从智能手机到无人驾驶汽车再到新医疗保健的一切设备。

后来，他在一个问答环节中说，多年来，通用平台小组的工作方式发生了重大变化。 先前的过程涉及IBM创建基本技术并将其用于East Fishkill制造工厂，然后将整个过程传递给合作伙伴。 他说，现在，一旦IBM具备了基本技术，它就可以直接用于Globalfoundries和三星，从而可以加快产品上市时间。

IBM说芯片制造面临重大不连续性

IBM半导体研究与开发中心副总裁Gary Patton深入研究了该技术，并讨论了未来几年芯片制造商面临的挑战。

帕顿（上文）说：“我们处于不连续状态，”芯片制造正在发生重大变化。 他说，这不是行业第一次看到这样的问题，也不是最后一次。 该行业达到了平面CMOS和栅极氧化物的物理极限，因此必须转向应变硅和高k /金属栅极材料。 他说，现在，我们处于平面器件的极限，因此我们需要过渡到“ 3D时代”，无论是在晶体管本身（即FinFET）还是在使用诸如芯片堆叠等概念的封装方面。 他说，在未来十年中，我们将达到原子尺寸的极限，将需要转向硅纳米线，碳纳米管和光子学等技术。

为了使所有这些工作有效，重要的是，铸造厂不再仅充当制造公司的角色，而是与他们的客户和工具供应商一起进行设计/技术“共同优化”，在该过程中，过程更像是“虚拟IDM” ”（集成设备制造商）。

Patton谈到了继续进行研究的必要性，谈到了IBM在约克镇，阿尔玛登和苏黎世的研究设施，以及IBM如何连续二十年获得最多专利。 他还谈到了合作伙伴的重要性，特别指出了奥尔巴尼纳米技术研究设施，该设施是与纽约州，Suny / Albany CNSE，Sematech和许多材料和设备供应商合作建立的。

他的许多演讲都围绕着EUV面临的挑战，他称其为“光刻行业历史上最大的变化”。 他指出，如果EUV准备好用于7nm，它将产生更清晰的图像，从而比其他技术具有更好的性能。 但是，挑战很大。 首先，EUV设备现在只有30瓦的电源，为了经济高效地生产，它必须达到250瓦。 这将需要将近十倍的改进。 另一个问题是处理EUV掩模上的缺陷控制。

正如他所描述的那样，这几乎就像是科幻小说：首先以每小时150英里的速度喷洒熔融的锡，然后以预脉冲的方式用激光打锡以使其散布，再用另一种激光爆炸以产生等离子体，然后从反射镜上反射光以创建实际的光束，并确保其在正确的位置撞击晶圆。 他将这与尝试在一个1英寸区域内将棒球击中看台上完全相同的位置进行了每天100亿次的比较。

IBM正在与光刻制造商ASML和光源制造商Cymer（正在收购ASML）合作，以帮助将EUV推向市场。 位于奥尔巴尼的研究机构被设计为“卓越中心”，IBM现在希望在4月之前将工具投入使用。 帕顿说，这还不能为14nm或10nm的生产做好准备，但可能要为7nm或更高的生产准备。

同时，IBM正在做大量工作，以使用多个图案来提高产量，其中包括使用多个掩模。 在20nm处，这涉及双重图案化，其中使用多个掩模来创建图案。 但是要提高效率需要大量工作，因此IBM一直在与工具设计（EDA）供应商合作，因此芯片设计人员可以采用标准的单元设计流程或创建自定义流程，但仍要更加高效。

在10nm时，他谈到了如何使用其他技术，例如侧壁图像传输（SIT）和定向自组装，其中化学作用有助于晶体管的布局。 这里的想法是代替四重图案，您仍然可以执行双图案，这应该便宜得多。

Patton还花费了大量时间讨论如何需要新的设备结构。 现有的FinFET面临着性能和可变性问题的困扰，但是IBM正在努力创建更窄的频段来改善这些问题。

他说，在7nm及以后的工艺中，将需要新的器件结构，例如硅纳米线和碳纳米管。 碳纳米管有可能在功率或性能上提高十倍，但它也面临着自己的挑战，例如需要将金属与半导体碳纳米管分离，并将其放置在芯片上的正确位置。 IBM最近宣布，它现在在芯片上具有10, 000多个可工作的碳纳米管。

另一个有趣的领域是改善互连，Patton说，在4nm和8nm之间，该行业将转向纳米光子学。 他讨论了IBM最近展示的将光子与硅相结合的芯片的演示。

最终，目标是将3D和光子学集成到一个芯片上。 Patton最后说了一个他想用三个平面看的芯片：一个带有约300核的逻辑；另一个是带有300个核的逻辑。 另一个带有内存（带有30GB的嵌入式DRAM）； 另一个光子平面，提供片上光网络。

Globalfoundries和三星承诺在2014年全面生产14nm晶圆

Globalfoundries和三星的代表都谈到了他们如何应对向14nm和FinFET转移的挑战。

Globalfoundries市场，销售，质量和设计执行副总裁Mike Noonen谈到了公司今年如何推出低功耗20nm工艺。 它已经宣布了其14XM工艺，该工艺使用14nm FinFET和具有更高性价比的后端。 他说，Globalfoundries预计今年将实现14nm的早期生产，并于2014年上半年全面生产14XM工艺。

Noonen（上文）谈到了14XM的合作伙伴关系，包括与Synopsys合作开发设计工具，Rambus进行互连以及ARM及其Artisan物理IP。 他说，与铸造厂的28SLP工艺相比，双核Cortex-A9在14XM上的功耗降低了62％，性能提高了61％。

展望未来，Globalfoundries正在纽约州马耳他扩建其Fab 8，并希望在2015年下半年全面生产10nm（10XM）。

负责三星代工业务的三星电子执行副总裁KH Kim表示，业内许多人对通用平台联盟的高k /金属栅极制造的“栅极优先”方法表示怀疑。 “真正成功”地帮助该公司延长了移动处理器的电池寿命和性能。

该公司准备提供14nm FinFET技术，因为20nm以下的平面技术无法提供令人满意的性能。 Kim（上文）说，FinFET技术面临三个主要挑战：处理工艺变化，通道宽度问题以及3D建模和提取。 但是在IBM，三星和Globalfoundries之间，三星拥有3D技术方面的专利和出版物数量居领先地位，因此Common Platform集团解决了这些挑战。

Kim特别谈到了“ ISDA流程开发”，以解决变化和寄生电阻。 通过与UC Berkeley，CMG和工具供应商Synopsys，Cadence和Mentor Graphics的合作来创建开发套件； 并获得ARM，Synopsys和Analog Bits的IP许可，从而使芯片设计更容易创建14nm芯片上系统设计。

他表示，与ARM和Cadence合作时，三星已经使用FinFET创建了首批Cortex-A7设计，并准备向其客户提供FinFET。 金说，今年主要是验证和设计的一年，明年将全面投产。 他还指出，三星目前有两家铸造厂，分别是韩国的S1和德克萨斯州奥斯汀的S2。 该公司正在韩国建造一座新的晶圆厂，旨在生产20nm和14nm晶圆，预计于2014年底或2015年初开始运营。

在问答环节中，Cadigan讨论了将450毫米晶圆用于生产芯片的问题，与现在常见的300毫米晶圆相比。 他指出，一个新的财团正在纽约州奥尔巴尼开发450 mm技术，并表示，尽管时间仍在进行中，但他预计450mm的行业采用将“在本十年的下半年”。 他说，他希望EUV首先在350mm上市，然后不久在450mm上市。

在会议结束时，Noonen称芯片制造为“人类历史上最复杂的业务”，很显然，它涉及一系列惊人的技术突破。