10nm工艺不是终点 器件性能还将继续提高

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在“2016 Symposia on VLSI Technology”(6月13日~17日于美国檀香山举办)上,继“Plenary Session”(全体会议)之后,在Session T2“Technology Highlighted Session”上,也涌现出了许多关于10nm工艺技术的论文。在本届Symposium采纳的86篇论文中,有12篇被选为焦点论文,其中4篇在Session T2的Highlighted Session上发表。

这些论文论文研究的对象是使用Si、SiGe、InGaAs等不同通道材料的FinFET技术,以及STT-MRAM。会上,相关讨论也趋于白热化,在会议结束后,众多听众将发布者团团围住,气氛十分热烈。

近年来,随着硅集成电路微细化暴露出局限性,研究者围绕摩尔定律消亡后器件技术的发展方向展开了讨论。尽管存在这样的情况,但在这次的Highlighted Session上,关于10nm工艺器件技术的论文依然很多,表明基于微细化的高性能化还在推进,势头依然强劲。

实现4种Vth

首先,三星电子公司发布了10nm工艺Si FinFET技术(演讲序号2.1),其主要特点是通过改进栅极堆栈实现4种Vth,改善了翅片形成、触点等多项工艺。

各个部分均实现了微细化,与14nm工艺相比,速度提高了27%,在相同速度下,功耗降低了40%,而且SRAM单元尺寸达到了0.04μm2。虽然韩国近期发表的论文在数量上不及以往,但这次发布依然展现出了三星雄厚的集成化技术。

接下来,IBM与GLOBALFOUNDRIES公司发布了使用SiGe作为通道材料的10nm节点技术(演讲序号2.2)。这项技术与三星的一大差别是pMOS采用了SiGe通道,nMOS则使用通常的硅。

论文表明,通过为pMOS采用Ge浓度为20%的SiGe,不仅使移动度提高35%,有效电流提高17%,还大幅改善了NBTI(Negative Bias Temperature Instability,负偏压温度不稳定性)。该论文指出,提高特性的关键在于通过降低氧浓度减少缺陷。而且还提供了4种Vth,与三星的10nm平台形成了鲜明对比。

InGaAs晶体管找到实用化道路

台积电第3个登台,介绍了使用比SiGe更先进的InGaAs的FinFET(演讲序号2.3)。InGaAs通道通过外延生长的方式在300mm硅晶圆上形成。在硅晶圆上实现了与在晶格匹配的InP基板上生长的器件相同的性能,达到了现有InGaAs晶体管最大的通态电流,这是一项重大技术进展。要想将InGaAs投入实用,关键是生长、加工工艺等全部环节都要利用硅平台,这篇论文指明了达成这一目标的方法。

最后,美国TDK Headway Technologies发布了关于提高STT-MRAM写入速度的论文(论文序号2.4)。在不降低数据保存特性的前提下,通过使写入脉冲宽度减少到750ps,成功利用8MB阵列实现了3ns脉冲的写入。通过实现次纳秒高速写入,开辟出了通往MRAM LLC缓存的道路。

关于10nm工艺以后的技术,除上面介绍的Highlighted Session外,在Session T9“Technology Scaling Beyond 10nm”上也发布了很多相关论文,其中也包括焦点论文。例如,TSMC发布了面积为0.03μm2、比前面介绍的三星的更小的微细SRAM单元(论文序号9.1)。IBM发布Ge浓度高达60%以上的SiGe-FinFET技术,证明了这项技术能够实现有效栅极绝缘膜厚度为0.7nm、翅片宽度为4nm的微细化(论文序号9.3)。

在人们早已意识到微细化即将达到极限的情况下,表明通过微细化可以提高性能的论文却层出不穷,这说明在超越10nm工艺之后,至少在一段时间内,器件的性能还有可能继续提高。笔者衷心期待技术在超越10nm之后,向着7nm节点继续迈进。

 

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