未來五年芯片技術的發展會是什麼樣子？近日， Lam Research CTO 裡克·戈特肖（Rick Gottscho）、格羅方德副總裁馬克·多爾蒂（Mark Dougherty）、KLA-Tencor技術研究員大衛·肖特（David Shortt）、 ASML副總裁加里·張和Nova Measuring Instruments CTO謝伊·沃爾夫（Shay Wolfling）等幾家芯片巨頭公司高管在一次沙龍中分別發表了自己的看法。

在座者從左至右：謝伊·沃爾夫，裡克·戈特肖，馬克·多爾蒂，加里·張，大衛·肖特

從10/7nm的發展過程來看，未來五年會是5nm和3nm這樣的直線發展嗎？會不會比我們預期的更困難？這有可能嗎？

多爾蒂：這是有可能的，而且我們已經在我們的歷史上多次證明了這是可能的，即使我們不太清楚如何做到這一點。我們總是通過各種方法找到一種方法，而且我期待著同樣的事情向前發展。不過，我不認為這會是一條直線。它不會是雙曲線或指數線。我們實現這個目標，並且在工業生產上將有各種各樣的事情發生。

戈特肖：我同意。通往5nm的路徑非常清晰。FinFETs至少可以延伸到5nm。它們有可能擴展到3nm。在那之後還會有其他的解決方案，可能會走彎路，也可能一步到位。將會應用到新的材料，也會遇到很多挑戰。我們知道如何用5nm的設計規則製作150 nm高的散熱片，製作是另一回事。防止崩潰是另一個挑戰。其中有很多的挑戰，但我相信一定能實現，並且我認為它不會被顯著推遲。

肖特：大約30年前，我第一次讀到一篇文章，非常清楚地解釋了為什麼我們永遠不可能用成像技術製造出小於光波長的設備。我們都知道每一個反對光刻的人最終都是錯的。似乎你總不能超過幾代人，但我們似乎總能做到這一點。作為一個檢驗人員，我很驚訝這些設備是可以製造的。令人吃驚的是利用3D NAND我們能做出這些。

張：供應方的客戶那裡告訴我們規模擴展還沒有結束。在光刻方面，我們非常努力地用極紫外光刻製作新的節點，將高NA作為路線圖上的擴展。因此，在印刷和圖案設計方面，我們確實有解決辦法。如何管好和控制成本是一個更大的挑戰。但我們會到實現這個目標的。

沃爾夫：我同意。複雜性是這裡的關鍵。問題是要用一種以上的方式來解決這個問題。還有擴大finFETs的空間。之後將是納米片。轉換在哪裡？是3nm還是2nm？在某種程度上，這個行業已經跨越了。這就EUV的出現。這將在FinFETs上實現。問題是它會在哪裡發生。

我們有一些重大的進化問題要解決。有互連，RC延遲，和一堆從來沒有人能夠解決的問題。這次是不同嗎，特別是在邏輯上，無論是製造方面還是測量方面？

多爾蒂：我看到的挑戰實際上是很多的。我們用來擴展的技術已經擴大了。如果你追溯到之前，你或多或少知道你將要使用的材料和基本結構。現在，當你展望7nm和更遠，我們的供應商路線圖說，它可能是這10件事情中的任何一件。答案是兩者的結合，但是要在高級節點上篩選出這些不同的選項，還有很多工作要做。我們已經到了這樣的地步，它可能不是一個單一的解決方案。在這個行業中最長的一段時間裡，每個人都在同一種解決方案的一天結束時站在一起。可能會有一些分歧，比如後端冶金。

張：問題不在於你會撞牆，而在於你有許多道路。關鍵在於我們如何探索所有這些問題。在一開始，他們是有希望的，但很難說哪一個成本最低，哪一個能夠製造的。這是就需要研究不同的材料和不同的方向。我認為問題不是我們面對的是一堵牆。

沒有，但是我們面臨很多選擇，對嗎？

戈特索：後端線還需要幾代的努力，至少在短期內是這樣的。只要擺脫障礙，就有一個真正的機會來降低阻力。說起來容易做起來不難。但是當你看到佔據的空間，特別是洞口，它被高阻性的材料所主導，而這種材料起著擴散屏障的作用。如果我們能解決這個材料問題，那將會使幾代人受益。接觸電阻也是一個很大的問題，但這是一個很有創意的例子，人們使用環繞觸點的架構，高劑量的表面摻雜，並特別注意界面特性。這些問題很難解決，我毫不懷疑至少會有幾個不同的解決方案。不過，我對計量很好奇，因為這往往是工藝流程開發的一個大門。

張：我們之前討論過測量1埃以下的東西。我們現在可以在3D中做到這一點。所以從計量的角度來看，我們確實有解決辦法。對於我們想要測量的一切，我們是否有解決方案，這仍然是一個問題。

肖特：這些年來，我看到的是，從概念到實際運輸，從端到端循環時間所需的時間已經變長了。我們發現我們需要早點開始。我們有好幾代都是交替前進，這幾代也都是一直在發展。我們有很多好的想法，但是我們必須更早地考慮它們，並降低技術風險，找出什麼是有效的，什麼是不可行的，並擺脫那些不起作用的東西，然後繼續前進。因此，對我們來說，檢驗和計量全面的端到端成本正在增加。但是有效的管理可以使工作一開始降低技術風險，快速停止無用的工作，而去專心於有用的工作。

這一切所涉及的另一個邏輯是3D NAND。我們已經擴展到48層了，這還會一直擴展下去，或者這裡已經是物理限制？

戈特索：它持續上升了一段時間。我對未來相當樂觀。我覺得對半導體行業應該持樂觀態度。我們看到一條通往256層的路徑。要超越這一點是非常具有挑戰性的。但要達到128層，還有很多挑戰。薄層的承受力是個大問題。如果晶片看起來像薯片，那就不好了。當你試圖把一層疊在另一層上的時候，這種承受力就會在變形和疊加方面成為一個很大的問題。最大的問題之一是蝕刻儲存器孔。這是我在蝕刻行業35年來所見過的最具挑戰性的蝕刻，其氧化層與氮化物交替，或氧化層和聚乙烯層交替，長寬比接近100：1。但話雖如此，我們有一個解決方案路線圖，我們正在同時研究三代技術。它將在未來10年內擴展。

肖特：你認為3D NAND在未來一步完成100層的蝕刻嗎？

戈特索：

狼人：一旦你開始堆疊，如果你有三或者四代產品，而你把其中的四代疊加在一起，那就不符合成本效益了。你越能推動蝕刻，你就會為這個方向爭取更多的時間。

馮·諾依曼架構的另一個關鍵部分是DRAM。我們是否可以將1x技術進一步推廣到1y，或者我們是否需要轉向其他技術，如相變存儲器或STT-RAM？

張：我們的客戶正在沿著1x、1y、1z的道路前進，並試圖壓制出另一個納米產品。過去幾年的情況就是這樣，這種情況將繼續下去。至於我們在這方面能走多遠，我們還沒有真正看到另一個設備將取代DRAM。我們確實認為XPoint是另一個可行的儲存器解決方案，可以插入到當前的儲存器體系結構中。這結果相對DRAM來說很有趣。

多爾蒂：你認為這只是時間問題嗎？當然，對於所有這些不同的儲存器，我們做了很多工作，儘管我們不知道交叉點是什麼。

張：這就是為什麼人們正在研究XPoint和其他儲存器，從成本、性能和耐久性的角度來看，他們可以把它推到多遠。能否與DRAM的水平相匹配還有待觀察。

肖特：我們看到KLA-Tenor曾預測：3D NAND會更早地被接管，但是3D NAND新一代產品的出現卻超過了很多人的預期。這導致3D的新一代的推遲。DRAM也會發生同樣的情況。他們儘可能的把它推延。

戈特索：我看到了DRAM和2D/3D NAND動態的區別，因為3D NAND在2D NAND耗盡之前就已經準備好了。現在看來，似乎還沒有DRAM的替代品。無論是STT-RAM、相變存儲器還是電阻RAM，都無法與DRAM的速度和耐久性相媲美。需求是創新之母，我們在1x之後至少還能看到兩代。我們現在聽到的是1a。DRAM還在應用，但越來越難了。MRAM可能會成為邏輯中的嵌入式存儲元件。它看起來不像是高密度DRAM的可行替代品。

肖特：我們也沒有看到大量的對新結構進行檢查的需求。你會覺得我們以前看到過很多，其實只有很少的需求。

變化正成為一個更大的問題，它不再僅僅是工藝流程的問題，而是從工具到工具的變化，我們該如何應對？

張：目前大多數客戶仍在利用工具控制來維護工廠中的設備基線。我們確實有相應的解決方案和產品，而戶在此基礎上運行流程控制。到目前為止，CD和疊加中的很大一部分變化和錯誤都來自於流程側。掃描儀對整個刻板變異性的貢獻相對較小。但是當我們轉向EUV（極紫外光刻）時，設計規則和控制規範更加嚴格，流程過程貢獻仍然是主要因素。工具的貢獻也可以發揮相當大的作用。因此，就解決方案而言，我們需要降低流程對工具參數和變化的敏感性。在流程開發階段，我們可以提供一些解決方案來幫助客戶弱化這種敏感性。對於內嵌流程控制，我們需要驅動控制一直到晶片級，甚至芯片級。晶片對晶片和晶片內部的變化在過去被認為是不可糾正的，現在可以通過掃描儀的大量控制小塊來糾正。它將是動態和自適應的，它需要一個大數據計量和分析的基礎設施以及一個自動化的動態校正和配方管理系統。這種基礎設施還開闢了工具和流程協同優化的可能性，通過消除工具的作用和路徑的限制，能夠更有效地控制變化，並最大限度、絕妙地加以利用。

多爾蒂：工具級控制和匹配一直是流程控制或可變性的子組件之一。大多數情況下，方法是採取任何單獨的組件，無論是工具還是給定的流程步驟，並儘可能減少變化。這個設想是，如果你每一步都做得足夠好，你就會得到你想要的結果。在很長的一段時間裡，在一個工具的水平上，我們只會不斷地撞擊接合室（chamber matching）。你總是會意識到這是正常的變化，你必須通過管理補償或者其他方法來解釋它。但是你需要對它進行分層，並理解所有不同的變化和排列的來源。你需要考慮穿過在一組接合室，然後把它乘以不同的流程步驟的數量，找出這些步驟是如何縱橫交錯的，以及變化的數量。但是，當你理解了豐富的數據和正確的計量時，你就可以以一種深思熟慮的方式實現正確的組合並糾正。歷史一直試圖控制每一個步驟，儘可能好，然後所有的規格i測量將以某種方式解決。

沃爾夫：你需要增加計量的影響。既然你能做到這一切，你就需要有預見性。計量不再是一個絕對的真的，這樣你就能確切地知道發生了什麼。有各種各樣的計量法，不同的作用，和不同的序列。你需要從某種程度上理解計量。但是你也有你自己的變化，這和流程的變化結合在一起。關鍵問題是如何獲取大量的信息，並在計量和流程控制之間建立關聯。不僅僅是工具的匹配。在某些情況下，您需要根據準確的流程和需要測量的內容來調整計量法。您需要測量正確的東西來控制流程的可變性。

多爾蒂：對於總變化，你需要小於10%誤差的計量工具。我們很久以前就違反了那條規則。你是怎麼做到的？這是變體中的另一個變化，你必須把它整合到所有這些東西中。

沃爾夫：它確實成為可變性的一部分。克服這種情況的方法之一是儘可能多地使用信息。這是一種不同類型的計量學。如果您從流程中瞭解信息，而不管是否存在可變性，則可以將其插入計量中。因此，測量不再是完全獨立的。這是一個黑匣子。你不需要知道發生了什麼。繼續做測量，給我正確的數據。以同樣的方式，您說您不能單獨地優化每個步驟。你不能用黑匣子的方法把計量和處理分開。

肖特：傳統上，我們試圖使測量/檢查工具對任何變化都不敏感，從而得到同樣的答案，而不論是否有變化，或以某種方式在內部補償。因此，對於一個缺陷測量系統，您可以在晶圓上用一個灰度柱狀圖來重新劃分標準。我們正在進入一個世界，我們可以利用這些信息對實際的晶片處理和正在發生的事情做一些陳述，並反饋這些信息和使用這些信息。多年來，我們在公司內部做出了各種努力來獲取這些信息並對利用這此信息，過去我們還沒有所有的基礎設施來反饋這些信息。我們正在進入一個額外的控制和反饋環的世界，這很重要。

我們可以對工具本身來充分調整嗎？當我們移動到下一個節點時，公差正在下降，所以過去可以接受的變化水平已經不再可以接受了。

戈特索：室內匹配和工具對工具匹配已經進行了很長一段時間。近20年來，我們一直在進行半納米以上的匹配。但是，你今天為達到這個數字而付出的精力、努力和時間是完全不能容忍的，越來越難了。我們有很多小塊（knob）要調。更大的問題實際上是計量。我們的方法一直不是簡單地打壓單元過程中的可變性，而是分解單元過程，無論是沉積、蝕刻還是清潔。我們按子系統分解系統過程，並查看系統每個元件的內在可變性。然後，您可以查看組成系統的子系統組合集，從而給出固有的可變性。但你也能戰勝它。如果你能用你的工具測量子系統中的變化，並且你有一個旋鈕來校準從一個工具到另一個工具的變化，你可以得到更高的混合度。最終，你會遇到這樣的情況，那是不夠好的，因為在試圖將系統分割成子系統、串擾時會出現非線性，最後你會測量產品晶片。問題是你能用計學做到多精確，以及如何精確，因為你把一個接合室和另一個接合室相匹配。然後，再一次，你能把一個系統調到另一個系統嗎？我們最終通過匹配食譜來做到這一點。但這種做法仍然有效。在結束之前，您不希望進行這種補償，因為如果您過早地開始混合大數據，您就會縮小流程窗口。你會用另一個大效果來抵消。你必須把它降到儘可能小的數目，然後作為最後的手段去補償。補償的能力取決於計量。

沃爾夫：從計量的角度來看，除了精確性之外，重要的事情之一是得到相關的計量。那麼，需要補償的實際參數是什麼？這不僅僅是為了得到精確的測量結果。這並不總是與過程可變性相關。再說一次，這是一個流程和計量並不完全分開的情況之一。計量人員需要了解什麼是相關的流程參數，而過程人員需要理解和經歷在一定程度上計量的侷限性。

張：在實現工具和過程之間的交叉補償之前，我們需要考慮一個挑戰。我們知道，這種影響不僅影響到特定的設計模式，甚至是一組選定的模式，而且影響到整個芯片級別上的所有模式。它們對某些調優小塊或控制動作的反應非常不同。無論你在刻板設計和OPC方面做什麼，以確保所有的模式都準確地擊中目標的關鍵位置，它們可能會在交叉補償後在整個地方結束。在全芯片級別上，模式不再同步。這是我們需要理解和認真處理的風險。客戶可能對影響整個芯片的模式準確性的特定工具的更改非常謹慎。我們正在開發用於全芯片模式、保真度計量和控制的產品，以幫助解決這一挑戰，並提供先進的控制解決方案。

多爾蒂：我非常同意。特別是對於邏輯鑄造操作，在那裡你處理各種各樣的設計風格和模具尺寸，我們總是找到一個特定的產品獨特的敏感性。你是怎麼做到的？他們的行為並不都是一樣的。我認為調諧問題是一把雙刃劍。一方面，我們繼續向工具中添加更多的小塊，這是合理的。但是，只要增加一個小塊，你就會添加一些可以改變的東西。所以，它確實給了你調整更多的能力，但是它也是你必須保存在盒子裡的東西。

戈特索：這也需要時間，如果你有很多不同的產品組合，你就沒有太多的時間了。

多爾蒂：當然。

那麼，我們是在匹配工具，還是匹配最終的結構，還是正在進行協同優化的處理？

多爾蒂：所有這些都是如此。這裡沒有什麼捷徑可走。您必須從匹配工具的基本原理開始，並在最大程度上驅動流程功能。最後，您需要做一些分工管理。那是沒有辦法的。但是，在設計和開發階段瞭解所有這些是至關重要的。你需要考慮像批量控制之類的事情。這並不是什麼真正的東西，你可以堅持在技術完成後。您必須記住，這些東西往往是不同的，您需要在開發階段將其構建到您已知的流程窗口中。

沃爾夫：設計需要從整體上來考慮。作為這一共同優化的一部分，你不能說設計是獨立的，最終制造業將處理設計師所做的任何事情。規模的重任擔回到設計師身上，這樣最終就可以製造出來。這並不理想，但這是生活與高級節點一起前進的事實。

多爾蒂：這方面有一定的空間，但在這一點上，最終客戶群體已經接受了培訓，可以說，‘這是我為將這一過程交付給您所需要的靈活設計’。其中可能有一點影響，但不會很大。

戈特索：事實上，當我們提高我們的控制能力，單元過程，然後下一步是共同優化刻板和蝕刻例程時，它會走另一條路。你可以讓你所有的蝕刻器互相匹配，然後輸入的材料有可變性，所以匹配的價值是有限的。如果你試著把這個蝕刻器調到那個掃描儀上，那就會降低生產率。最後，您必須進行一些協同優化，或者至少是協同流程控制，當我們通過一個系統的方法——子系統、系統，然後跨單元過程進行協同優化來消除可變性時，我們將打開設計約束。今天，我的印象是，鑄造廠給客戶相當保守的設計規則，因為他們必須為這些客戶不同的工廠生產設備。所以，如果你把打破這些規則重新立規，或者給它們提供一些不那麼保守的設計規則，那可能就只是縮水的一二代產品的價值。

多爾蒂：你說得對。每個工廠都有晶圓檢驗板。一位顧客進來說，“是的，我知道這是我應該設計的，但我真的需要這個功能。”對於違反我們已經建立的規則，我們必須有一個業務流程。在這個規則結束之前，奉勸你還是放棄這樣的想法。

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