英特爾、臺(tái)積電以及IBM三家企業(yè)在邏輯LSI的微細(xì)化方面處于領(lǐng)先地位。這三家企業(yè)在最尖端工藝——16/14nm技術(shù)上存在哪些戰(zhàn)略差異呢？

在2015年1月30日于東京舉行的研討會(huì)——SPI論壇“三維工藝的障礙與解決方案”(主辦：日本Semiconductor Portal公司)上，東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的教授平本俊郎登臺(tái)發(fā)表了演講。他以“從2014 IEDM看16/14nm FinFET技術(shù)的最新趨勢(shì)”為題，圍繞各企業(yè)在半導(dǎo)體元件相關(guān)國(guó)際學(xué)會(huì)上發(fā)表的內(nèi)容，介紹了尖端CMOS技術(shù)的趨勢(shì)。

平本首先指出，尖端CMOS技術(shù)開發(fā)已從22/20nm工藝過(guò)渡至16/14nm工藝，采用塊硅基板的平面構(gòu)造MOSFET(平面塊體MOSFET)隨之完全銷聲匿跡。原因是平面塊體MOSFET很難充分減輕短通道效應(yīng)及不穩(wěn)定現(xiàn)象。

這樣一來(lái)，16/14nm工藝便形成了采用塊硅基板的FinFET(塊體FinFET)、采用SOI(silicon on insulator)基板的FinFET(SOI FinFET)、采用SOI基板的平面構(gòu)造全耗盡型晶體管(FDSOI)三足鼎立的局面。選擇其中的哪一種“取決于各公司的戰(zhàn)略，但主流肯定是塊體 FinFET”。

在2014年12月舉行的“2014年IEEE電子器件國(guó)際會(huì)議(IEDM 2014)”上，英特爾、臺(tái)積電及IBM就16/14nm工藝技術(shù)展開了較量。這一技術(shù)在邏輯LSI領(lǐng)域相當(dāng)于最尖端工藝，部分產(chǎn)品已開始量產(chǎn)。

英特爾堅(jiān)持摩爾定律

首先是英特爾。該公司發(fā)布的是14nm工藝塊體FinFET技術(shù)，這是繼22nm工藝之后的第2代FinFET技術(shù)。英特爾使用自對(duì)準(zhǔn)(self- align)方式雙重曝光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Fin間距為42nm、柵極間距為70nm、金屬(M2)間距為52nm的“極為細(xì)密的圖案。在14nm工藝中實(shí)現(xiàn) 這么小的數(shù)值，很了不起”。

第2代FinFET與第1代相比，通過(guò)減小Fin寬度并增加高度，在微細(xì)化的同時(shí)兼顧了電流驅(qū)動(dòng)力的改善。柵極長(zhǎng)度約為20nm。其另一個(gè)特點(diǎn)是，為了減小布線延遲，在層間絕緣膜中導(dǎo)入了氣隙。

一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)inFET即便不在通道中添加雜質(zhì)，也可調(diào)整閾值電壓，因此對(duì)不穩(wěn)定的耐受能力很強(qiáng)。但實(shí)際上，英特爾通過(guò)摻雜調(diào)整了閾值電壓。對(duì)Fin實(shí)施了固體源極(solid-state)摻雜。即便如此，閾值電壓的不穩(wěn)定現(xiàn)象仍然少于22nm工藝。

據(jù)平本介紹，值得關(guān)注的另一點(diǎn)是，英特爾此次使用了與以前不同的指標(biāo)來(lái)表示FinFET的電流驅(qū)動(dòng)力(漏極電流)。發(fā)布22nm工藝技術(shù)時(shí)，該公司給出了 以Fin周長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行歸一化的漏極電流，而此次則利用Fin的布局寬度進(jìn)行歸一化。因此，電流驅(qū)動(dòng)力很難與以前的工藝簡(jiǎn)單比較。

臺(tái)積電未透露細(xì)節(jié)

臺(tái)積電發(fā)布了16nm工藝塊體FinFET技術(shù)。該公司在16nm工藝中首次采用了FinFET，此次發(fā)布的是其中的第2代工藝技術(shù)。該公司已開始進(jìn)行16nm工藝技術(shù)的試產(chǎn)。

臺(tái)積電的16nm技術(shù)采用側(cè)壁工藝形成Fin間距為48nm、柵極間距為90nm的微細(xì)圖案。柵極長(zhǎng)度“估計(jì)為25nm左右，可能沒(méi)有(像英特爾那樣)微細(xì)化至20nm”。臺(tái)積電的論文“并未紹特性改善理由等詳情，其內(nèi)容讓閱讀的人感覺(jué)有點(diǎn)失望”。

與采用塊體FinFET的英特爾和臺(tái)積電不同，IBM發(fā)布了采用SOI FinFET的14nm工藝技術(shù)。利用側(cè)壁工藝實(shí)現(xiàn)了Fin間距42nm及柵極間距80nm等。這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是，混載存儲(chǔ)器采用DRAM而不是 SRAM，實(shí)現(xiàn)了0.0174μm2的極小單元面積。

與成本相比，IBM更重視性能

采用SOI基板的話，“基板成本會(huì)比塊硅基板高出數(shù)倍，但從制造工藝來(lái)看，可輕松形成Fin，而且性能上也有優(yōu)勢(shì)，那就是可以消除Fin正下方的寄生容 量”。IBM認(rèn)為，提高Fin的高度之后，就會(huì)與耗電量發(fā)生此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，因此該公司“采用了與英特爾不同的優(yōu)化方法，比如將Fin的高度設(shè)置比較 低”。

據(jù)平本介紹，IBM的14nm工藝技術(shù)組合使用兩種柵極工作函數(shù)和摻雜工藝，在很大范圍內(nèi)調(diào)整了閾值電壓，這也是其特點(diǎn)之一。區(qū)分使用兩種柵極工作函數(shù)的方法在技術(shù)上“很難實(shí)現(xiàn)”。

基于上述三家公司發(fā)布的內(nèi)容，平本表示，在16/14nm之后的工藝技術(shù)中，現(xiàn)行的“雙柵極構(gòu)造是否會(huì)進(jìn)化為(用柵極電極全方位包圍通道的)柵極環(huán)繞 (Gate-All-Around)構(gòu)造尚不明朗。目前還有一個(gè)方向是通過(guò)增加Fin高度來(lái)獲得W(實(shí)效柵極寬度)，10nm以后工藝的動(dòng)向值得關(guān)注”。